CN104747200A - 带有双层支护和可变管片直径的硬岩掘进机及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有双层支护和可变管片直径的硬岩掘进机及其施工方法，包括可扩挖的刀盘、可径向伸缩的圆形护盾、柔性钢拱架拼装机、管片拼装机等。所述的硬岩掘进机在高应力地层掘进的过程中，通过扩挖、柔性支护、管片支护、注豆砾石和注浆等工艺的协调作业，创造性地将卡盾防患于未然，同时，通过机械化的方式使硬岩隧道的衬砌作业一气呵成。因此，本发明能够避免硬岩掘进机的卡盾问题，进而提高掘进效率，同时，亦能缩短硬岩隧道衬砌的时间和用工量。

Description

带有双层支护和可变管片直径的硬岩掘进机及其施工方法

技术领域

本发明涉及隧洞建设技术领域，尤其涉及一种带有双层支护和可变管片直径的硬岩掘进机及其施工方法。

背景技术

由于我国现代化发展的需要，隧洞建设已经广泛应用于交通、水利、通信、冶金等诸多领域中。很多隧洞具有长、大、深埋、地质条件复杂等特点，而硬岩掘进机（即TBM）以其开挖岩石硬度范围广、作业环境好、信息化程度高、施工高效等优点，被广泛用于隧洞建设中。

当护盾式硬岩掘进机穿越较差围岩，尤其是穿越深埋长大隧洞的断层破碎带时，围岩变形大，易塌方，且当围岩的径向位移大于盾壳与开挖轮廓面之间的预留间隙，致使盾壳被卡死，称之为卡盾。卡盾对工程进度造成严重影响，例如昆明市公山隧洞TBM施工中，由于卡盾造成的停机时间占1至4月总时间的53%。卡盾对硬岩掘进机施工的影响极大，目前，应对卡盾问题的主要措施为卡盾后的脱困技术，例如：侧导坑法、辅助坑道法和其他人工处理法等。而这些技术和方法均没有从根源上解决卡盾问题，均为卡盾问题出现后采取的应对措施。

因此，结合目前的超前探测技术，通过对开挖隧洞掌子面前方的岩土应力进行探测和分析，如何采取有效的措辞，使硬岩掘进机在掘进过程中避免卡盾现象的产生，成为从根源上解决卡盾问题的有效途径。

发明内容

本发明的目的是提供一种带有双层支护和可变管片直径的硬岩掘进机及其施工方法，通过扩挖和柔性支护的方法，用于避免在高应力地层掘进的过程中发生卡盾现象，且能够在掘进的过程中，将柔性钢拱架和管片同时进行铺设，节约了隧道掘进后衬砌的时间和用工量。

为达到上述目的，所采取的技术方案是：

一种带有双层支护和可变管片直径的硬岩掘进机，包括扩挖刀盘、驱动扩挖刀盘掘进的主驱动、主驱动后端部连接的主大梁、进行临时支撑且径向可伸缩的圆形护盾、设置在主大梁后的支撑主推进油缸的连接箱体和滑行大梁，所述的主大梁上设置柔性钢拱架拼装机，所述的滑行大梁上设置有管片拼装机，所述的扩挖刀盘包括扩挖刀盘本体和在扩挖刀盘本体周边以不同的角度的一系列的扩挖滚刀，所述的扩挖滚刀通过扩挖滚刀座设置在扩挖刀盘本体上，扩挖滚刀座与扩挖刀盘本体铰接，且在扩挖滚刀座底部设置有控制各个扩挖滚刀扩挖量的扩挖推进油缸。

所述的圆形护盾包括护盾本体、沿护盾本体圆周均布的至少3块外围板、和驱动外围板径向伸缩的支撑推进油缸。

所述的在扩挖刀盘进行扩挖时，各个扩挖推进油缸的推进量沿扩挖刀盘本体呈递进形式。

所述的扩挖滚刀数量为至少3个，各个扩挖滚刀均布设置在扩挖刀盘本体外缘，且各个扩挖滚刀的扩挖量沿圆周呈等差递进。

一种利用上述任一所述的硬岩掘进机的施工方法，对于围岩变形大、易塌方的隧洞施工区段，通过柔性的钢拱架和刚性的混凝土预制管片相互配合的双层支护方式进行施工，其包括以下步骤：

①通过超前探测技术，对开挖隧洞撑子面前方的岩土应力进行探测和分析，确定预施工区段需要进行双层支护作业；

②调整扩挖刀盘的扩挖推进油缸，使得各个扩挖滚刀分别伸出扩挖刀盘本体外沿一定尺寸，且各个扩挖滚刀的伸出尺寸呈相互递进，随着扩挖刀盘的旋转，其均匀的增大扩挖刀盘的开挖直径，并达到预定的双层支护所需的扩挖量；

③随着扩挖刀盘的扩挖掘进，硬岩掘进机上的圆形护盾完成对隧洞围岩的临时支护，与此同时，通过柔性钢拱架拼装机进行钢拱架的拼装固定作业，在管片拼装机和主推进油缸的共同作用，在已拼装完成的钢拱架上铺设拼装预制管片，柔性钢拱架拼装机和管片拼装机在空间上前后错位，因此在整个掘进过程中二者能够进行同步拼装作业；

④在每一环的预制管片的拼装过程前，首先在隧洞底部铺设一仰拱块，仰拱块的底部设有凹槽，所述的与仰拱块对应的钢拱架嵌入凹槽中，以仰拱块为支撑进行该环的预制管片的整体拼装；

⑤在拼装完成多环钢拱架和预制管片之后，在钢拱架和预制管片之间的空腔内注入豆砾石和水泥浆液进行空腔填补和浆液凝固。

所述的拼装完成后的预制管片形成的管片环的直径与受到地层应力作用下直径缩小后的钢拱架相协调，使得预制管片和钢拱架相互贴合，共同承受地层应力。

在步骤⑤中，当完成3~6环钢拱架和预制管片的拼装后，在钢拱架和预制管片之间的空腔内注入豆砾石和水泥浆液。

在步骤①中，当探测和分析结果是预施工区段围岩变形小，不需要进行双层支护作业，仅需要较小的扩挖量就能满足围岩应力释放时，则通过调整扩挖刀盘的扩挖推进油缸，降低扩挖刀盘的扩挖量，同时对预制管片的外径尺寸进行适当调整，直接进行预制管片的拼装，使得隧洞开挖直径与预制管片外径之间存在一定的尺寸差并形成应力释放空腔，该应力释放空腔作为围岩收敛所需空间。

采用上述技术方案，所取得的有益效果是：

①本发明的硬岩掘进机是针对现有技术中存在的卡盾现象，提供一种全新的解决思路，且其是对现有设备的新的改进，通过对扩挖刀盘、圆形护盾结构的改进能够有效的提高扩挖深度和支护的稳定性，方便后续的柔性钢拱架的拼装和刚性的混凝土预制管片的拼装，其结构设计合理，扩挖均匀增大。

②本发明采用柔性支护和刚性支护双重支护的协同作用，用于避免在高应力地层掘进的过程中发生卡盾现象，并且能够确保在扩挖刀盘的掘进的过程中，将柔性钢拱架和管片同时进行铺设，节约了隧道掘进后衬砌的时间和用工量。

③本发明的双层支护是指柔性钢拱架与刚性混凝土预制块同时作用于隧道、隧洞的支护方式，其解决隧洞变形对掘进机的卡滞问题，利用柔性解决隧洞地应力释放，利用刚性解决结构受力问题。

附图说明

图1为本发明的硬岩掘进机的结构示意图。

图2为扩挖刀盘上不同角度的扩挖滚刀的结构示意图。

图3为圆形护盾缩回状态的结构示意图。

图4为圆形护盾伸出状态的结构示意图。

图中序号：1为扩挖刀盘、101为扩挖刀盘本体、102为扩挖滚刀、103为扩挖滚刀座、104为扩挖推进油缸、2为主驱动、3为主大梁、4为圆形护盾、401为护盾本体、402为外围板、403为支撑推进油缸、5为连接箱体、6为主推进油缸、7为滑行大梁、8为柔性钢拱架拼装机、9为管片拼装机、10为钢拱架、11为预制管片、12为仰拱块、13为豆砾石、14为水泥浆液。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

实施例一：参见图1-图4，一种带有双层支护和可变管片直径的硬岩掘进机，包括扩挖刀盘1、驱动扩挖刀盘1掘进的主驱动2、主驱动2后端部连接的主大梁3、进行临时支撑且径向可伸缩的圆形护盾4、设置在主大梁3后的支撑主推进油缸6的连接箱体5和滑行大梁7，所述的主大梁3上设置柔性钢拱架拼装机8，所述的滑行大梁7上设置有管片拼装机9，所述的扩挖刀盘1包括扩挖刀盘本体101和在扩挖刀盘本体101周边以不同的角度的一系列的扩挖滚刀102，所述的扩挖滚刀102通过扩挖滚刀座103设置在扩挖刀盘本体101上，扩挖滚刀座103与扩挖刀盘本体101铰接，且在扩挖滚刀座103底部设置有控制各个扩挖滚刀扩挖量的扩挖推进油缸104，所述的圆形护盾4包括护盾本体401、沿护盾本体401圆周均布的多块外围板402、和驱动外围板402径向伸缩的支撑推进油缸403，所述的在扩挖刀盘1进行扩挖时，各个扩挖推进油缸的推进量沿扩挖刀盘本体呈递进形式。

其中，扩挖刀盘1在非扩挖时开挖断面的直径为φ1=8000mm；沿着刀盘周边分别间隔120°的位置安装有具备不同扩挖量的扩挖滚刀102，如图2所示，扩挖滚刀102通过其扩挖滚刀座103与扩挖刀盘本体101铰接，扩挖时，扩挖推进油缸104推动扩挖滚刀座103使扩挖滚刀102分别伸出刀盘外沿一定的尺寸，这些径向尺寸即为每把刀的扩挖量，其中d1=100mm、d2=200mm、d3=300mm。d1、d2、d3的数值相互递进，用以保证合理的刀间距，从而，随着扩挖刀盘1的旋转，能均匀的将刀盘的开挖直径增大到φ2=8600mm。

圆形护盾4的外围板402沿圆周方向分为上、下、左、右4块，如图3所示。每块围板均可沿圆形护盾4径向进行伸缩，这样，在刀盘扩挖1之后，径向伸缩的外围板可对隧道围岩进行临时支撑，如图4所示。其中，护盾伸出前（如图3所示）用于支护开挖直径为φ1=8000mm的隧道圆周面，护盾伸出后（如图3所示）用于支护开挖直径为φ2=8600mm的隧道圆周面。

柔性拱架拼装机8和管片拼装机9可同步工作。在掘进机主驱动2的后端部连接有主大梁3，主大梁3后端部连接有支撑主推进油缸6的连接箱体5，主推进油缸6的连接箱体5后面板上连接有安装管片拼装机9的滑行大梁7。柔性拱架拼装机8生根于主驱动2后端部和主大梁3之上，管片拼装机9骑行于滑行大梁7上。柔性拱架拼装机8用于柔性钢拱架的拼装作业，管片拼装机9与主推进油缸6共同作用，完成预制管片11的拼装作业，因钢拱架的拼装作业与预制管片的拼装作业存在空间上的前后错位，沿着隧道的掘进方向，所述的柔性钢拱架拼装的轴向位置在管片拼装位置之前3750mm的地方，因此可同步作业。其中，每环柔性钢拱架的间距为750mm，每环预制管片的宽度为1500mm，因此，每环管片固定的骑行于两环柔性钢拱架之上，如此设计，可以保证管片和柔性钢拱架之间的轴向定位。

在拼装每一环的预制管片11之前，先在隧道的底部铺设一片仰拱块12，仰拱块12的宽度尺寸为1500mm，与每环管片的宽度尺寸相同，仰拱块12底部存在凹槽，柔性钢拱架10嵌于凹槽之中，用于仰拱块12和柔性钢拱架10的相互定位，此外，仰拱块12和柔性钢拱架10还起着在注浆前支撑整环管片的作用。

在4环管片铺设完成后，对柔性钢拱架和预制管片之间的空腔内注入豆砾石13和水泥浆液14进行空腔填补和浆液凝固。

实施例二：参见图1-图4，一种利用带有双层支护和可变管片直径的硬岩掘进机的施工方法，对于围岩变形大、易塌方的隧洞施工区段，通过柔性的钢拱架和刚性的混凝土预制管片相互配合的双层支护方式进行施工，以非扩挖时开挖断面的直径为φ1=8000mm，需要双层支护时扩挖直径增大到φ2=8600mm才能满足双层支护标准为例，其包括以下步骤：

①通过超前探测技术，对开挖隧洞撑子面前方的岩土应力进行探测和分析，确定预施工区段需要进行双层支护作业；

②调整扩挖刀盘的3个扩挖推进油缸，使得3个扩挖滚刀分别伸出扩挖刀盘本体外沿一定尺寸，其中三个扩挖滚刀的扩挖量分别为d1=100mm、d2=200mm、d3=300mm，d1、d2、d3的数值相互递进，用以保证合理的刀间距，随着扩挖刀盘的旋转，其均匀的增大扩挖刀盘的开挖直径，并达到预定的双层支护所需的扩挖直径φ2=8600mm；

③随着扩挖刀盘的扩挖掘进，硬岩掘进机上的圆形护盾完成对隧洞围岩的临时支护，与此同时，通过柔性钢拱架拼装机进行钢拱架的拼装固定作业，在管片拼装机和主推进油缸的共同作用，在已拼装完成的钢拱架上铺设拼装预制管片，相邻两环柔性钢拱架的间距为750mm，每环预制管片的宽度为1500mm，使得每环管片固定的骑行于两环柔性钢拱架之上，柔性钢拱架拼装机和管片拼装机在空间上前后错位3750mm，因此在整个掘进过程中二者能够进行同步拼装作业；

④在每一环的预制管片的拼装过程前，首先在隧洞底部铺设一仰拱块，仰拱块的底部设有凹槽，所述的与仰拱块对应的钢拱架嵌入凹槽中，仰拱块12的宽度尺寸为1500mm，与每环管片的宽度尺寸相同，以仰拱块为支撑进行该环的预制管片的整体拼装；

⑤当完成3~6环钢拱架和预制管片的拼装后，在钢拱架和预制管片之间的空腔内注入豆砾石和水泥浆液进行空腔填补和浆液凝固。

其中所述的拼装完成后的预制管片形成的管片环的直径与受到地层应力作用下直径缩小后的钢拱架相协调，使得预制管片和钢拱架相互贴合，共同承受地层应力。

实施例三：参见图1-图4，本实施例的方法是针对实施例二中隧洞开挖过程中存在的另一种情况，即在步骤①中，当探测和分析结果是预施工区段围岩变形小，不需要进行双层支护作业，仅需要较小的扩挖量就能满足围岩应力释放时，则通过调整扩挖刀盘的扩挖推进油缸，降低扩挖刀盘的扩挖量，同时对预制管片的外径尺寸进行适当调整，直接进行预制管片的拼装，使得隧洞开挖直径与预制管片外径之间存在一定的尺寸差并形成应力释放空腔，该应力释放空腔作为围岩收敛所需空间。

Claims (8)

1.一种带有双层支护和可变管片直径的硬岩掘进机，其特征在于，包括扩挖刀盘、驱动扩挖刀盘掘进的主驱动、主驱动后端部连接的主大梁、进行临时支撑且径向可伸缩的圆形护盾、设置在主大梁后的支撑主推进油缸的连接箱体和滑行大梁，所述的主大梁上设置柔性钢拱架拼装机，所述的滑行大梁上设置有管片拼装机，所述的扩挖刀盘包括扩挖刀盘本体和在扩挖刀盘本体周边以不同的角度的一系列的扩挖滚刀，所述的扩挖滚刀通过扩挖滚刀座设置在扩挖刀盘本体上，扩挖滚刀座与扩挖刀盘本体铰接，且在扩挖滚刀座底部设置有控制各个扩挖滚刀扩挖量的扩挖推进油缸。

2.根据权利要求1所述的带有双层支护和可变管片直径的硬岩掘进机，其特征在于，所述的圆形护盾包括护盾本体、沿护盾本体圆周均布的至少3块外围板、和驱动外围板径向伸缩的支撑推进油缸。

3.根据权利要求1所述的带有双层支护和可变管片直径的硬岩掘进机，其特征在于，所述的在扩挖刀盘进行扩挖时，各个扩挖推进油缸的推进量沿扩挖刀盘本体呈递进形式。

4.根据权利要求1或3所述的带有双层支护和可变管片直径的硬岩掘进机，其特征在于，所述的扩挖滚刀数量为至少3个，各个扩挖滚刀均布设置在扩挖刀盘本体外缘，且各个扩挖滚刀的扩挖量沿圆周呈等差递进。

5.一种利用上述任一所述的硬岩掘进机的施工方法，其特征在于，对于围岩变形大、易塌方的隧洞施工区段，通过柔性的钢拱架和刚性的混凝土预制管片相互配合的双层支护方式进行施工，其包括以下步骤：

①通过超前探测技术，对开挖隧洞撑子面前方的岩土应力进行探测和分析，确定预施工区段需要进行双层支护作业；

②调整扩挖刀盘的扩挖推进油缸，使得各个扩挖滚刀分别伸出扩挖刀盘本体外沿一定尺寸，且各个扩挖滚刀的伸出尺寸呈相互递进，随着扩挖刀盘的旋转，其均匀的增大扩挖刀盘的开挖直径，并达到预定的双层支护所需的扩挖量；

③随着扩挖刀盘的扩挖掘进，硬岩掘进机上的圆形护盾完成对隧洞围岩的临时支护，与此同时，通过柔性钢拱架拼装机进行钢拱架的拼装固定作业，在管片拼装机和主推进油缸的共同作用，在已拼装完成的钢拱架上铺设拼装预制管片，柔性钢拱架拼装机和管片拼装机在空间上前后错位，因此在整个掘进过程中二者能够进行同步拼装作业；

④在每一环的预制管片的拼装过程前，首先在隧洞底部铺设一仰拱块，仰拱块的底部设有凹槽，所述的与仰拱块对应的钢拱架嵌入凹槽中，以仰拱块为支撑进行该环的预制管片的整体拼装；

⑤在拼装完成多环钢拱架和预制管片之后，在钢拱架和预制管片之间的空腔内注入豆砾石和水泥浆液进行空腔填补和浆液凝固。

6.根据权利要求5所述的施工方法，其特征在于，所述的拼装完成后的预制管片形成的管片环的直径与受到地层应力作用下直径缩小后的钢拱架相协调，使得预制管片和钢拱架相互贴合，共同承受地层应力。

7.根据权利要求5所述的施工方法，其特征在于，在步骤⑤中，当完成3~6环钢拱架和预制管片的拼装后，在钢拱架和预制管片之间的空腔内注入豆砾石和水泥浆液。

8.根据权利要求5所述的施工方法，其特征在于，在步骤①中，当探测和分析结果是预施工区段围岩变形小，不需要进行双层支护作业，仅需要较小的扩挖量就能满足围岩应力释放时，则通过调整扩挖刀盘的扩挖推进油缸，降低扩挖刀盘的扩挖量，同时对预制管片的外径尺寸进行适当调整，直接进行预制管片的拼装，使得隧洞开挖直径与预制管片外径之间存在一定的尺寸差并形成应力释放空腔，该应力释放空腔作为围岩收敛所需空间。