CN106437731B - 预警式双护盾tbm - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可及时预警且预警准确性较高的预警式双护盾TBM及防其卡机的预警方法。该预警式双护盾TBM，包括盾壳和预警系统；所述盾壳包括伸缩内盾和支撑护盾；所述伸缩内盾和支撑护盾上分别设有观察窗口，所述观察窗口上设置有可开闭其的保护片，所述保护片上设有监测孔；所述预警系统包括测距仪、控制器和警报器，所述盾壳内与每个监测孔对应设置有一台测距仪，各测距仪和警报器分别与控制器电连接。通过测距仪在伸缩内盾和支撑护盾经过各桩号洞室时分别通过其各自的监测孔监测岩壁距盾壳表面的距离，从而可对比得到开挖洞室岩壁距盾壳表面的距离的变化情况，进而由控制器判断岩壁的稳定性以便及时预警，最大限度避免卡机事故的发生。
Description
技术领域
本发明属于隧道掘进设备领域，具体涉及一种预警式双护盾TBM及防其卡机的预警方法。
背景技术
利用回转刀具开挖，同时破碎和掘进隧道的整个断面的机械总称为全断面隧道掘进机，其英文简称是TBM。TBM主要分为敞开式TBM、单护盾TBM和双护盾TBM。其中，双护盾TBM对地质条件适应性强,既能适应硬岩,也能适应软岩,当采取相应措施时,能适应断层破碎带、高地应力、岩爆、岩溶、高海拔、涌水、富水高水压、煤系瓦斯、松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙孔隙水、基岩裂隙水及冻结层水等不良地质。
双护盾TBM是在整机外围设置与机器直径相一致的圆筒形护盾结构，以利于掘进松软破碎或复杂岩层。现有的双护盾TBM，包括盾壳、刀盘和主驱动装置；所述盾壳包括前盾、伸缩外盾、伸缩内盾、支撑护盾和尾盾，所述伸缩外盾的前端与前盾的后端相连，所述伸缩内盾的后端与支撑护盾的前端相连，所述支撑护盾的后端与尾盾的前端相连，所述伸缩外盾和伸缩内盾嵌套在一起且彼此可相对伸缩滑动；所述主驱动装置安装在前盾上，所述刀盘连接在主驱动的前端。
实际掘进过程中，TBM掘进方向和位置是由尾部的后配套内架设的激光测距仪向机头方向发射激光测量其相对变化确定的，并最终将偏差数据输入至TBM综合操作系统由显示屏进行投射显示。前盾和刀盘的直径稍大，在掘进过程中，由刀盘切割形成的圆形洞室直径略大于前盾后面的盾体，TBM在正常进行换步前移时不受洞壁阻力影响可顺利前进。掘进时，仅前盾前移，支撑护盾及尾盾位置不变，伸缩外盾和伸缩内盾相对伸展；换步时，前盾位置不变，支撑护盾及尾盾前移，伸缩外盾和伸缩内盾相对收缩。
现有的双护盾TBM在进行掘进和换步时，通过设置在掘进机后配套内的激光测距仪进行定位，保证TBM按既定方向前进，同时避免偏移过大超过TBM设计允许转弯半径，造成盾体与岩壁相贴。如果与岩壁紧贴后，摩擦力会大大增加，同样推力下则无法推动盾体前进，此时只能增大推力；如果推力加大至设备极限仍无法前进，则说明设备已卡机。假设成洞后洞径不变，则激光测距仪可检测TBM的前进姿态，避免卡机。但实际情况较为复杂，主要是由于所穿越的洞段地质条件复杂多变，如膨胀岩遇水膨胀、高地应力区的应力释放变形、岩体塑性变形、断层破碎带塌方等原因均可造成洞径的变化；若洞径减小，这样即使TBM按最佳线路前进，仍有可能造成非人为因素的卡机，且难以预测；若洞径变大，则说明有岩渣掉落，必须要对岩壁空腔进行回填注浆处理。现有的双护盾TBM，仅能通过支撑护盾上的几个观测小窗人工观测洞泾变化，费时费工且精准度不高，不能及时准确的预警；另外，当遭遇上述原因造成盾体紧贴岩壁时，很难检测到与盾体紧贴部位的岩壁位置分布，使得脱困处理没有针对性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可及时预警且预警准确性较高的预警式双护盾TBM。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：预警式双护盾TBM，包括盾壳，所述盾壳包括伸缩内盾和支撑护盾；该预警式双护盾TBM还包括预警系统；所述伸缩内盾和支撑护盾上分别设有观察窗口，所述观察窗口上设置有可开闭其的保护片，所述保护片上设有监测孔；所述预警系统包括测距仪、控制器和警报器，所述盾壳内与每个监测孔对应设置有一台测距仪，各测距仪和警报器分别与控制器电连接。
进一步的是，所述盾壳还包括前盾、伸缩外盾和尾盾，所述伸缩外盾的前端与前盾的后端相连，所述伸缩内盾的后端与支撑护盾的前端相连，所述支撑护盾的后端与尾盾的前端相连，所述伸缩外盾和伸缩内盾嵌套在一起且彼此可相对伸缩滑动。
进一步的是，所述尾盾上也设有观察窗口，所述观察窗口上设置有可开闭其的保护片，所述保护片上设有监测孔。
进一步的是，所述伸缩内盾、支撑护盾和尾盾上分别设有至少两个沿各自周向均布的观察窗口。
进一步的是，所述测距仪为红外线测距仪。
进一步的是，所述预警系统还包括显示装置，所述显示装置与控制器电连接。
本发明还提供了一种防预警式双护盾TBM卡机的预警方法，采用上所述的预警式双护盾TBM掘进隧道；
该预警方法包括测距步骤及比对并报警步骤；
测距步骤，对掘进的隧道标记桩号，通过与伸缩内盾的监测孔相对应的测距仪测算出岩壁与盾壳中心轴之间的距离S1,通过与支撑护盾的监测孔相对应的测距仪测算出同一桩号处岩壁与盾壳中心轴之间的距离S2；
比对并报警步骤，在控制器内设定报警阈值K，若|S1-S2|＞K，则控制器控制警报器报警。
进一步的是，比对并报警步骤，还包括报警时，S1＞S2时警报器发出的报警信号与S1＜S2时警报器发出的报警信号不同。
进一步的是，所述预警式双护盾TBM掘进隧道还包括显示装置，所述显示装置与控制器电连接；所述伸缩内盾和支撑护盾上分别设有至少两个沿各自周向均布的观察窗口；
该预警方法还包括洞室断面图像化步骤；
洞室断面图像化步骤，控制器根据与伸缩内盾的各监测孔分别相对应的测距仪测算出岩壁与盾壳中心轴之间的距离S1生成各桩号处洞室断面图像A,并由显示装置显示；同时，控制器根据与支撑护盾的各监测孔分别相对应的测距仪测算出岩壁与盾壳中心轴之间的距离S2生成各桩号处洞室断面图像B,并由显示装置显示。
进一步的是，该预警方法还包括紧急处理步骤；
紧急处理步骤，若岩壁形变过快导致该预警式双护盾TBM卡机时，拆卸各测距仪310，并打开各保护片，通过各观察窗口进行紧急处理操作。
本发明的有益效果是：通过测距仪可实时监测开挖洞室岩壁距盾壳表面的距离，并在伸缩内盾和支撑护盾经过各桩号洞室分别通过其各自的监测孔监测岩壁距盾壳表面的距离，通过对比同一桩号处由伸缩内盾和支撑护盾分别测得的岩壁距盾壳表面的距离，可以得到开挖洞室岩壁距盾壳表面的距离的变化情况，从而由控制器判断岩壁的稳定性，若距离变化过大超过控制器内设定的阈值，则控制器控制警报器报警，最大限度的避免了卡机事故的发生。另外，即使出现了卡机事故，可通过观察窗口进行紧急处理操作。控制器还可以根据测距仪监测开挖洞室岩壁距盾壳表面的距离生成各桩号洞室的端面图，辅助地质人员快速找出卡机部位或岩壁空腔部位，以便进行及时处理。
附图说明
图1是本发明中预警式双护盾TBM的实施结构示意图；
图2是预警系统的实施结构示意图；
图中标记为：盾壳200、观察窗口201、保护片202、监测孔203、前盾210、伸缩外盾220、伸缩内盾230、支撑护盾240、尾盾250、预警系统300、测距仪310、控制器320、警报器330、显示装置340。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
结合图1和图2所示，预警式双护盾TBM，包括盾壳200和预警系统300；所述盾壳200包括前盾210、伸缩外盾220、伸缩内盾230、支撑护盾240和尾盾250，所述伸缩外盾220的前端与前盾210的后端相连，所述伸缩内盾230的后端与支撑护盾240的前端相连，所述支撑护盾240的后端与尾盾250的前端相连，所述伸缩外盾220和伸缩内盾230嵌套在一起且彼此可相对伸缩滑动；所述伸缩内盾230和支撑护盾240上分别设有观察窗口201，所述观察窗口201上设置有可开闭其的保护片202，所述保护片202上设有监测孔203；所述预警系统300包括测距仪310、控制器320和警报器330，所述盾壳200内与每个监测孔203对应设置有一台测距仪310，各测距仪310和警报器330分别与控制器320电连接。其中，测距仪310可以为多种，优选为红外线测距仪。
在掘进隧道时，对开挖的洞室依次标记桩号；在该预警式双护盾TBM掘进的过程中，在伸缩内盾230和支撑护盾240经过各桩号洞室时，分别通过其各自的监测孔203监测岩壁距盾壳200表面的距离，并通过对比同一桩号处由伸缩内盾230和支撑护盾240分别测得的岩壁距盾壳200表面的距离，可以得到开挖洞室岩壁距盾壳200表面距离的变化情况，从而由控制器320判断岩壁的稳定性，若距离变化过大超过控制器320内设定的阈值，则控制器320控制警报器330报警，最大限度的避免了卡机事故的发生。
具体的，所述尾盾250上也设有观察窗口201，所述观察窗口201上设置有可开闭其的保护片202，所述保护片202上设有监测孔203。通过与尾盾250的监测孔203相对应的测距仪310检测出各桩号洞室岩壁与盾壳200表面之间的距离，可以进一步提高开挖洞室岩壁距盾壳200表面距离的变化的准确性，预警效果更好。
优选的，再如图1所示，所述伸缩内盾230、支撑护盾240和尾盾250上分别设有至少两个沿各自周向均布的观察窗口201。
作为预警式双护盾TBM的一种优选方案，再如图2所示，所述预警系统300还包括显示装置340，所述显示装置340与控制器320电连接。控制器320还可以根据测距仪310监测开挖洞室岩壁距盾壳200表面的距离生成各桩号洞室的端面图，辅助地质人员快速找出卡机部位或岩壁空腔部位，以便进行及时处理。
防预警式双护盾TBM卡机的预警方法，采用上所述的预警式双护盾TBM掘进隧道；
该预警方法包括测距步骤及比对并报警步骤；
测距步骤，对掘进的隧道标记桩号，通过与伸缩内盾230的监测孔203相对应的测距仪310测算出岩壁与盾壳200中心轴之间的距离S1,通过与支撑护盾240的监测孔203相对应的测距仪310测算出同一桩号处岩壁与盾壳200中心轴之间的距离S2；
比对并报警步骤，在控制器320内设定报警阈值K，若|S1-S2|＞K，则控制器320控制警报器330报警。
优选的，比对并报警步骤，还包括报警时，S1＞S2时警报器330发出的报警信号与S1＜S2时警报器330发出的报警信号不同。通过不同的报警信号，以便于地质人员快速分辨出报警缘由，以便快速处理。若S1＞S2则表明是卡机报警，需要预防卡机；若S1＜S2则表明是岩壁空腔报警，在设置隧道管片时要对岩壁空腔进行回填注浆处理。
作为防预警式双护盾TBM卡机的预警方法的一种优选方案，所述预警式双护盾TBM掘进隧道还包括显示装置340，所述显示装置340与控制器320电连接；所述伸缩内盾230和支撑护盾240上分别设有至少两个沿各自周向均布的观察窗口201；
该预警方法还包括洞室断面图像化步骤；
洞室断面图像化步骤，控制器320根据与伸缩内盾230的各监测孔203分别相对应的测距仪310测算出岩壁与盾壳200中心轴之间的距离S1生成各桩号处洞室断面图像A,并由显示装置340显示；同时，控制器320根据与支撑护盾240的各监测孔203分别相对应的测距仪310测算出岩壁与盾壳200中心轴之间的距离S2生成各桩号处洞室断面图像B,并由显示装置340显示。
优选的，该预警方法还包括紧急处理步骤；
紧急处理步骤，若岩壁形变过快导致该预警式双护盾TBM卡机时，拆卸各测距仪310，并打开各保护片202，通过各观察窗口201进行紧急处理操作。例如，围岩变形造成紧贴盾体，则可通过观察窗口201向岩壁高压注入润滑液并再次尝试加大推力脱困；如遇高地应力引起的围岩变形，则可通过观察窗口201向岩壁造孔，释放应力并尝试脱困。通过设置多个观察窗口201，使得TBM在进行简单脱困处理时，无须打开相应的盾体，避免了设备的永久损坏；而且，在处理时可最大限度保障作业人员及设备的安全；另外，相比切割盾体开孔处理的方式，该方法可在卡机第一时间进行及时处理，这对处理卡机脱困是至关重要的。
Claims (10)
1.预警式双护盾TBM，包括盾壳(200)，所述盾壳(200)包括伸缩内盾(230)和支撑护盾(240)；其特征在于：该预警式双护盾TBM还包括预警系统(300)；所述伸缩内盾(230)和支撑护盾(240)上分别设有观察窗口(201)，所述观察窗口(201)上设置有可开闭其的保护片(202)，所述保护片(202)上设有监测孔(203)；所述预警系统(300)包括测距仪(310)、控制器(320)和警报器(330)，所述盾壳(200)内与每个监测孔(203)对应设置有一台测距仪(310)，各测距仪(310)和警报器(330)分别与控制器(320)电连接。
2.如权利要求1所述的预警式双护盾TBM，其特征在于：所述盾壳(200)还包括前盾(210)、伸缩外盾(220)和尾盾(250)，所述伸缩外盾(220)的前端与前盾(210)的后端相连，所述伸缩内盾(230)的后端与支撑护盾(240)的前端相连，所述支撑护盾(240)的后端与尾盾(250)的前端相连，所述伸缩外盾(220)和伸缩内盾(230)嵌套在一起且彼此可相对伸缩滑动。
3.如权利要求2所述的预警式双护盾TBM，其特征在于：所述尾盾(250)上也设有观察窗口(201)，所述观察窗口(201)上设置有可开闭其的保护片(202)，所述保护片(202)上设有监测孔(203)。
4.如权利要求3所述的预警式双护盾TBM，其特征在于：所述伸缩内盾(230)、支撑护盾(240)和尾盾(250)上分别设有至少两个沿各自周向均布的观察窗口(201)。
5.如权利要求1、2、3或4所述的预警式双护盾TBM，其特征在于：所述测距仪(310)为红外线测距仪。
6.如权利要求1、2、3或4所述的预警式双护盾TBM，其特征在于：所述预警系统(300)还包括显示装置(340)，所述显示装置(340)与控制器(320)电连接。
7.防预警式双护盾TBM卡机的预警方法，其特征在于：采用权利要求1至3中任意一项所述的预警式双护盾TBM掘进隧道；
该预警方法包括测距步骤及比对并报警步骤；
测距步骤，对掘进的隧道标记桩号，通过与伸缩内盾(230)的监测孔(203)相对应的测距仪(310)测算出岩壁与盾壳(200)中心轴之间的距离S1,通过与支撑护盾(240)的监测孔(203)相对应的测距仪(310)测算出同一桩号处岩壁与盾壳(200)中心轴之间的距离S2；
比对并报警步骤，在控制器(320)内设定报警阈值K，若|S1-S2|＞K，则控制器(320)控制警报器(330)报警。
8.如权利要求7所述的防预警式双护盾TBM卡机的预警方法，其特征在于：比对并报警步骤，还包括报警时，S1＞S2时警报器(330)发出的报警信号与S1＜S2时警报器(330)发出的报警信号不同。
9.如权利要求7或8所述的防预警式双护盾TBM卡机的预警方法，其特征在于：所述预警式双护盾TBM掘进隧道还包括显示装置(340)，所述显示装置(340)与控制器(320)电连接；所述伸缩内盾(230)和支撑护盾(240)上分别设有至少两个沿各自周向均布的观察窗口(201)；
该预警方法还包括洞室断面图像化步骤；
洞室断面图像化步骤，控制器(320)根据与伸缩内盾(230)的各监测孔(203)分别相对应的测距仪(310)测算出岩壁与盾壳(200)中心轴之间的距离S1生成各桩号处洞室断面图像A,并由显示装置(340)显示；同时，控制器(320)根据与支撑护盾(240)的各监测孔(203)分别相对应的测距仪(310)测算出岩壁与盾壳(200)中心轴之间的距离S2生成各桩号处洞室断面图像B,并由显示装置(340)显示。
10.如权利要求9所述的防预警式双护盾TBM卡机的预警方法，其特征在于：该预警方法还包括紧急处理步骤；
紧急处理步骤，若岩壁形变过快导致该预警式双护盾TBM卡机时，拆卸各测距仪(310)，并打开各保护片(202)，通过各观察窗口(201)进行紧急处理操作。
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