CN106246199A - 一种隧道与地下工程全断面悬臂掘进机铣挖装置及方法 - Google Patents

一种隧道与地下工程全断面悬臂掘进机铣挖装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种隧道与地下工程全断面悬臂掘进机铣挖装置及方法，包括机身，机身底部设有行走部，机身与行走部之间通过旋转机构连接，机身前端下部通过第一气缸连接铲板，机身前端上端通过第二气缸连接切割部，切割部前端设有铣挖头，铣挖头为半球形结构，切割部两侧分别设有红外线测距仪，机身上还设有电气控制系统，本发明结构原理简单，能够有效的限制掌子面前方未开挖岩体对掌子面的挤压变形和掌子面的收敛变形，在围岩级别不是很差的情况不用进行超前支护，节约隧道开挖成本，以及提高悬臂掘进机的掘进效率。

Description

一种隧道与地下工程全断面悬臂掘进机铣挖装置及方法
技术领域
本发明涉及悬臂掘进机铣挖技术领域，具体为一种隧道与地下工程全断面悬臂掘进机铣挖装置及方法。
背景技术
目前，针对隧道掌子面稳定的问题，主要采用以地下工程围岩一支护系统稳定性问题为认识和处理对象的典型类比分析方法。但是对隧道掌子面开挖前及开挖后支护初期，在复杂多变的地质、工程结构和施工条件下，如何有效及时的防止掌子面失稳还缺乏清晰的认识和明确的施工方法。在隧道开挖前，通过对掌子面前方的地质层进行探测，从而引导施工，以及通过对掌子面前方进行钻心获取岩样，分析掌子面前方地质情况，得到有关岩体的力学参数，从而采取较为合适的方法进行施工。对于大断面隧道可以采用台阶法，预留核心土法，侧壁导坑法等方法去解决掌子面的稳定性问题。但是对于小断面隧道，由于施工空间的限制，一般采用全断面方法进行施工，在施工过程中再对掌子面进行预测，根据预测结果采取相应的解决方案。尽管先前研究己经积累了一些成果，但掌子面稳定预测始终是其研究领域中最薄弱的环节，并且运用到设计与施工中都有很大局限性。所以对于小断面隧道全断面施工急需一种新的施工工法，以解决掌子面稳定问题，随着人们对隧道掌子面失稳现象认识的不断深化，提出了各式各样的支护和措施，例如:支持围岩的(超前注浆、短管棚等)；改良围岩的(注浆等)发挥锚杆作用的(斜锚杆、正面锚杆等)；喷混凝土加强等。从采取的监测角度上看，主要进行洞身收敛变形、围岩压力、钢支撑应力等量测。但是对于悬臂掘进机全断面施工，由于施工空间的限制以及其他因素的限制，以上的各种措施得不到很好的应用。且以上的掌子面失稳防治措施的应用超前于理论研究，许多加固技术存在机理不清、设计缺乏理论依据等缺点。这往往导致两种结果：要么措施过强，造成浪费；要么掌子面失稳得不到有效控制，造成人员伤亡和设备损失。以上的技术都是以周边允许收敛量或允许速率等形式给出，这些都是在隧道开挖形成洞室后，通过监控量测等方法并通过回归分析得到的，它只能粗略的反映隧道开挖后洞室的稳定与否。这些都是一种被动的掌子面失稳防治技术，而不是从根本上解决掌子面失稳问题。众所周知，掌子面的失稳是由于掌子面前方未开挖岩体的挤压和掌子面的收敛共同作用的结果。本发明的目的就是从根本上限制掌子面前方未开挖岩体的挤压变形和掌子面的收敛变形，以解决掌子面的失稳问题，从而实现隧道的安全施工。
发明内容
本发明的目的在于提供一种隧道与地下工程全断面悬臂掘进机铣挖装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种隧道与地下工程全断面悬臂掘进机铣挖装置,包括机身，所述机身底部设有行走部，所述机身与行走部之间通过旋转机构连接，所述机身前端下部通过第一气缸连接铲板，所述机身前端上端通过第二气缸连接切割部，所述切割部前端设有铣挖头，所述铣挖头为半球形结构，所述切割部两侧分别设有红外线测距仪，所述机身上还设有电气控制系统。
优选的，所述第一气缸和第二气缸结构完全一致，包括缸筒，所述缸筒内设有内缸，所述内缸内设有柱塞杆，所述缸筒和内缸侧壁均设有进油孔，所述缸筒和内缸的侧壁及底部均设有油槽，所述柱塞杆与内缸之间及缸筒与内缸之间均设有密封圈。
优选的，铣挖方法包括以下步骤：
A、基于超前地质预报信息的隧道围岩分级，分级方法包括以下步骤：
a、在隧道开挖过程中通过回弹仪测定岩体的回弹强度，按下式计算Rc：
Rc＝125.675×(1-е-0.11025δht)
b、岩体完整性指标确定；利用地质雷达或TSP203得到VP，通过岩石声波测定岩石的VS，按下式计算Kv：
Kv＝(VP/VS)3，其中Vp为岩体的纵波波速；Vs为岩石的纵波波速；
c、确定地下水的影响K1；
d、确定结构面的影响K2；
e、确定结构面的影响K3；
f、计算岩体质量指标[BQ]；[BQ]＝120+2Rc+50Kv-100K1-200K2-50K3；
g、进行隧道围岩的分析；
B、确定每次的开挖进尺，包括以下方法：
a、求得f值，f＝Rc/10，其中，Rc为岩石的单轴抗压强度，f是一个量纲为1的经验系数；
b、求单次开挖进尺s，s＝a/f；其中a＝h/2+b tan(45°-Φ/2),s为开挖进尺，即自然平衡拱的最大高度；a为自然平衡拱的最大跨度；h为隧道的高度；b为隧道的宽度；
C、确定掌子面的曲线方程；曲线方程采用计算普式压力拱方法确定，弧线方程为x＝z2/af；
D、设置触发器，进行进尺的控制：按设定曲线方程进行全断面铣挖施工，形成预测弧线后红外测距控制器触发停止铣挖。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明结构原理简单，能够有效的限制掌子面前方未开挖岩体对掌子面的挤压变形和掌子面的收敛变形，在围岩级别不是很差的情况不用进行超前支护，节约隧道开挖成本，以及提高悬臂掘进机的掘进效率。
(2)本发明采用的第一气缸和第二气缸结构简单，自动化程度高，其伸缩距离长，伸缩速度快，能够提高工作效率。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明的气缸结构示意图；
图3为现有技术施工掌子面变形示意图；
图4为本发明施工掌子面变形示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种隧道与地下工程全断面悬臂掘进机铣挖装置,包括机身1，所述机身1底部设有行走部2，所述机身1与行走部2之间通过旋转机构3连接，所述机身1前端下部通过第一气缸4连接铲板5，所述机身1前端上端通过第二气缸6连接切割部7，所述切割部7前端设有铣挖头8，所述铣挖头8为半球形结构，所述切割部7两侧分别设有红外线测距仪9，所述机身1上还设有电气控制系统10。
本实施例中，第一气缸5和第二气缸7结构完全一致，包括缸筒12，所述缸筒12内设有内缸13，所述内缸13内设有柱塞杆14，所述缸筒12和内缸13侧壁均设有进油孔15，所述缸筒12和内缸13的侧壁及底部均设有油槽16，所述柱塞杆14与内缸13之间及缸筒12与内缸13之间均设有密封圈11，本发明采用的第一气缸和第二气缸结构简单，自动化程度高，其伸缩距离长，伸缩速度快，能够提高工作效率。
本发明的铣挖方法包括以下步骤：
A、基于超前地质预报信息的隧道围岩分级，分级方法包括以下步骤：
a、在隧道开挖过程中通过回弹仪测定岩体的回弹强度，按下式计算Rc：
Rc＝125.675×(1-е-0.11025δht)
b、岩体完整性指标确定；利用地质雷达或TSP203得到VP，通过岩石声波测定岩石的VS，按下式计算Kv：
Kv＝(VP/VS)3，其中Vp为岩体的纵波波速；Vs为岩石的纵波波速；
c、由下表确定地下水的影响K1；
状态 取值
干燥 0.7-0.9
潮湿 0.4-0.7
滴漏 0.1-0.4
突水 小于0.1
d、由下表确定结构面的影响K2；
e、由以下表格确定结构面的影响K3；
f、计算岩体质量指标[BQ]；[BQ]＝120+2Rc+50Kv-100K1-200K2-50K3；
g、按下表进行隧道围岩的分析；
围岩级别 岩体基本质量指标
Ⅰ 大于550
Ⅱ 451-550
Ⅲ 351-450
Ⅳ 251-350
Ⅴ 小于250
其中，II级围岩，开挖高度不大于15m；III级围岩，开挖高度不大于12m；IV级围岩，开挖高度7m。
B、确定每次的开挖进尺，包括以下方法：
a、求得f值，f＝Rc/10，其中，Rc为岩石的单轴抗压强度，f是一个量纲为1的经验系数；
b、求单次开挖进尺s，s＝a/f；其中a＝h/2+b tan(45°-Φ/2),s为开挖进尺，即自然平衡拱的最大高度；a为自然平衡拱的最大跨度；h为隧道的高度；b为隧道的宽度；
C、确定掌子面的曲线方程；曲线方程采用计算普式压力拱方法确定，弧线方程为x＝z2/af；
D、设置触发器，进行进尺的控制：按设定曲线方程进行全断面铣挖施工，形成预测弧线后红外测距控制器触发停止铣挖。
本发明是采用悬臂掘进机全断面施工时，根据开挖隧道的断面尺寸和开挖进尺，采用普式压力拱计算方法确定弧线方程，将掌子面开挖成带弧形的曲面，挖掉拱以内的不稳定岩土，使弧形的掌子面在前方的侧向压力作用下只承受压力作用，从而限制掌子面的变形，提高掌子面的稳定性。全断面开挖隧道，掌子面通常都是平面，掌子面与隧道轮廓直角连接，这会在直角连接处存在应力集中，在此位置常会产生掉块的现象。掌子面是平面的时候，掌子面在前方挖岩体的挤压和掌子面的收敛共同作用下产生临空面凸起的现象，这会使掌子面承受这较大的弯矩和剪力，这是影响掌子面稳定的直接因素，如图3所示；众所周知，隧道开挖面的空间几何效应在纵断面表现为“半圆弯”约束，在横断面上则表现为“环形”约束，这两种约束方式的联合作用使得开挖面附近一定范围内的围岩体在无支护情形下得以稳定。隧道开挖施工是个复杂的四维时空问题，时间和空间对围岩的变形发展和稳定性的影响又至关重要。本发明将掌子面开挖成曲面，可以大大的增强围岩的空间效应，限制掌子面的变形；图4所示就是按照本发明进行隧道全断面施工掌子面的变形情况。
本发明结构原理简单，能够有效的限制掌子面前方未开挖岩体对掌子面的挤压变形和掌子面的收敛变形，在围岩级别不是很差的情况不用进行超前支护，节约隧道开挖成本，以及提高悬臂掘进机的掘进效率。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种隧道与地下工程全断面悬臂掘进机铣挖装置,包括机身，其特征在于：所述机身底部设有行走部，所述机身与行走部之间通过旋转机构连接，所述机身前端下部通过第一气缸连接铲板，所述机身前端上端通过第二气缸连接切割部，所述切割部前端设有铣挖头，所述铣挖头为半球形结构，所述切割部两侧分别设有红外线测距仪，所述机身上还设有电气控制系统。
2.根据权利要求1所述的一种隧道与地下工程全断面悬臂掘进机铣挖装置，其特征在于：所述第一气缸和第二气缸结构完全一致，包括缸筒，所述缸筒内设有内缸，所述内缸内设有柱塞杆，所述缸筒和内缸侧壁均设有进油孔，所述缸筒和内缸的侧壁及底部均设有油槽，所述柱塞杆与内缸之间及缸筒与内缸之间均设有密封圈。
3.实现根据权利要求1所述的一种隧道与地下工程全断面悬臂掘进机铣挖装置的铣挖方法，其特征在于：铣挖方法包括以下步骤：
A、基于超前地质预报信息的隧道围岩分级，分级方法包括以下步骤：
a、在隧道开挖过程中通过回弹仪测定岩体的回弹强度，按下式计算Rc：
Rc＝125.675×(1-е-0.11025δht)
b、岩体完整性指标确定；利用地质雷达或TSP203得到VP，通过岩石声波测定岩石的VS，按下式计算Kv：
Kv＝(VP/VS)3，其中Vp为岩体的纵波波速；Vs为岩石的纵波波速；
c、确定地下水的影响K1；
d、确定结构面的影响K2；
e、确定结构面的影响K3；
f、计算岩体质量指标[BQ]；[BQ]＝120+2Rc+50Kv-100K1-200K2-50K3；
g、进行隧道围岩的分析；
B、确定每次的开挖进尺，包括以下方法：
a、求得f值，f＝Rc/10，其中，Rc为岩石的单轴抗压强度，f是一个量纲为1的经验系数；
b、求单次开挖进尺s，s＝a/f；其中a＝h/2+b tan(45°-Φ/2),s为开挖进尺，即自然平衡拱的最大高度；a为自然平衡拱的最大跨度；h为隧道的高度；b为隧道的宽度；
C、确定掌子面的曲线方程；曲线方程采用计算普式压力拱方法确定，弧线方程为x＝z2/af；
D、设置触发器，进行进尺的控制：按设定曲线方程进行全断面铣挖施工，形成预测弧线后红外测距控制器触发停止铣挖。
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