CN108286436A - 一种新型复合防卡双护盾tbm及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型复合防卡双护盾TBM及其施工方法，解决了现有技术中双护盾TBM卡机风险大，施工模式单一的问题。本发明包括刀盘、前盾、支撑盾和尾盾，刀盘设置在前盾的前端且与设置在盾体的主驱动相连接，前盾的后端与支撑盾相连接，支撑盾的上设有伸缩外盾和伸缩内盾，伸缩内盾与主驱动固定连接，伸缩外盾与主驱动活动连接，支撑盾的内部设有撑靴和米字梁，尾盾与米字梁固定连接，米字梁上连接有管片拼装机和超前钻机，超前钻机位于管片拼装机的上方，支撑盾的上部设有超前注浆管。本发明可通过刀盘快速提升扩挖、盾体动态支护、超前探测和注浆等多种方式防止双护盾TBM在不良地层中被卡，通过性好，工作效率高。
Description
技术领域
本发明涉及地下施工技术领域，特别是指一种新型复合防卡双护盾TBM及其施工方法。
背景技术
全断面硬岩隧道掘进机（Full Face Tunnel Boring Machine），简称TBM，主要应用于硬岩地层的开挖，在城市轨道交通、市政、引水隧洞、铁路、公路等领域具有广泛应用。TBM根据结构形式可分为敞开式TBM和护盾式TBM，其中敞开式TBM主要包括凯式（双X支撑）TBM和主梁式TBM，护盾式TBM主要包括双护盾TBM和单护盾TBM。
根据地质条件不同，敞开式TBM主要应用于岩石稳定性好、软弱围岩占比较低的隧道，护盾式TBM主要应用于软弱围岩占比较大的隧道。在软硬围岩交互地层中，通常选用双护盾TBM；在软弱围岩占比较高、岩石强度较低的地质条件下，通常选用单护盾TBM。
敞开式TBM主机较短，在主机后部布置多种支护设备和支护平台，主要包括钢拱架安装装置、锚杆钻机、喷浆系统等，因此在软弱围岩中的通过性较好。然而在软弱围岩大变形地层、断层破碎带、高地应力等不良地层中，由于人工作业区域缺少防护，因此安全性较低。
护盾式TBM整个主机处在盾体防护之中，且后配套区域采用管片拼装衬砌，因此安全性较高。但是与敞开式TBM相比，护盾式TBM主机较长，在大变形、断裂破碎带地层掘进时，卡机风险增加。
发明内容
针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种新型复合防卡双护盾TBM及其施工方法，解决了现有技术中双护盾TBM卡机风险大，施工模式单一，工作效率低的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种新型复合防卡双护盾TBM，包括刀盘和设置在盾体中的主驱动，盾体包括前盾、支撑盾和尾盾；刀盘设置在前盾的前端且在主驱动的作用下转动，前盾的后端与支撑盾相连接，支撑盾上设有伸缩外盾和伸缩内盾，伸缩内盾与主驱动固定连接，伸缩外盾与主驱动活动连接，支撑盾内部设有撑靴和米字梁，撑靴位于米字梁的前方，撑靴可伸出支撑盾，米字梁后部连接有管片拼装机和超前钻机，超前钻机位于管片拼装机的上部，支撑盾的上部设有超前注浆管；所述前盾包括前盾上体和前盾下体，前盾上体和前盾下体通过第二举升油缸相连接，前盾上体通过第一举升油缸与主驱动相连接，前盾下体通过第三举升油缸与主驱动相连接。
所述伸缩外盾包括四块盾体，四块盾体通过四个变径油缸首尾相连组成圆柱筒形，伸缩外盾通过铰接油缸与支撑盾相连接，伸缩外盾位于伸缩内盾外部且可沿伸缩内盾运动。
所述主驱动上沿周向设有主推油缸，主推油缸的一端与主驱动相连接、另一端与支撑盾相连接；主驱动的后端设有箱型主梁，箱型主梁通过复合油缸与支撑盾相连接，复合油缸与箱型主梁面接触。
所述复合油缸包括第一复合油缸和第二复合油缸，第一复合油缸对称设置在箱型主梁的左右两侧，第二复合油缸对称设置在箱型主梁的上下两侧。
所述支撑盾上沿周向设有辅推油缸，辅推油缸的一端与支撑盾相连接、另一端用于顶撑管片拼装机后部的管片。
所述前盾上体内部和前盾下体内部对称设有导向槽，主驱动上对称设有导向柱，导向柱位于导向槽中且与导向槽相配合。
一种新型复合防卡双护盾TBM的施工方法，包括防卡双护盾模式和防卡单护盾模式；在防卡双护盾模式时，包括如下步骤： 1、第一举升油缸、第二举升油缸和第三举升油缸伸出，前盾的前盾上体和前盾下体浮动撑紧洞壁；2、变径油缸伸出，伸缩外盾四块盾体浮动撑紧洞壁；3、支撑盾的撑靴撑紧洞壁，利用撑靴与洞壁摩擦力提供掘进推力；4、刀盘旋转、主推油缸伸出，掘进过程中前盾和伸缩外盾通过第一举升油缸、第二举升油缸、第三举升油缸和变径油缸调整盾体与洞壁间隙实现动态支护；5、辅推油缸依次收回，管片拼装机开始拼装管片；6、完成一个掘进行程后，第一举升油缸、第二举升油缸伸出，前盾撑紧洞壁；变径油缸伸出，伸缩外盾撑紧洞壁；7、管片拼装完成后，支撑盾撑靴收回，辅推油缸一端撑紧管片，辅推油缸逐步伸出、主推油缸逐步收回，一个掘进循环完成；
在防卡单护盾模式时，主推油缸处于收回状态，包括如下步骤：1、第一举升油缸和第二举升油缸伸出，前盾浮动撑紧洞壁；2、变径油缸伸出，伸缩外盾的四块盾体浮动撑紧洞壁；3、刀盘开始旋转；4、辅推油缸顶紧管片并逐步伸出，TBM开始掘进，掘进过程中前盾和伸缩外盾可通过第一举升油缸、第二举升油缸、第三举升油缸与变径油缸调整盾体与洞壁间隙实现动态支护；5、掘进完成一个行程后，前盾和伸缩外盾撑紧洞壁；6、辅推油缸依次收回，开始管片拼装；7、管片拼装完成，一个掘进循环结束。
所述动态支护包括调向、扩挖和纠滚；所述调向包括防卡双护盾模式调向和防卡单护盾模式调向，防卡双护盾模式调向时，通过分组主推油缸、辅推油缸行程差进行调向；防卡单护盾模式调向时，利用分组辅推油缸行程差进行调向。
所述扩挖时，主驱动和前盾上体、前盾下体分别通过第一举升油缸和第三举升油缸连接，调节第一举升油缸和第二举升油缸的伸缩量，主驱动沿着导向槽方向运动，实现刀盘的快速及时扩挖。
所述纠滚包括防卡单护盾模式纠滚和防卡双护盾模式纠滚，防卡单护盾模式纠滚时，支撑盾的撑靴撑紧洞壁，第二举升油缸处于收回状态，通过主驱动后部箱型主梁四周复合油缸的伸缩实现主驱动姿态的纠正；接着第二举升油缸和变径油缸伸出，前盾和伸缩外盾撑紧洞壁，支撑盾撑靴收回，通过主驱动后部箱型主梁四周复合油缸的伸缩实现支撑盾姿态的纠正。
本发明提出一种防卡多功能双护盾TBM，可通过刀盘快速提升扩挖、盾体动态支护、超前探测和注浆等多种方式防止双护盾TBM在不良地层中被卡，同时该新型双护盾TBM通过复合油缸实现反扭矩调节和盾体姿态调整。新型防卡多功能双护盾TBM提高双护盾TBM在不良地层中的通过性，进一步提高了工作效率，拓宽了双护盾TBM的应用领域，具有广泛的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明整体内部结构示意图。
图2为图1中A向视图。
图3为图1中B向视图。
图4为图1中C向视图。
图5为图1中D向视图。
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付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。
如图1-5所示，实施例1，一种新型复合防卡双护盾TBM，包括刀盘1和设置在盾体中的主驱动2，盾体包括前盾、支撑盾9和尾盾10；刀盘1和设置在盾体中的主驱动2，盾体包括前盾、支撑盾9和尾盾10均由控制系统控制；刀盘1设置在前盾的前端且在主驱动2的作用下转动，前盾的后端与支撑盾9相连接，支撑盾9的前端的外圆周上设有伸缩外盾7和伸缩内盾8，伸缩内盾8与主驱动2刚性连接，伸缩外盾7与主驱动2活动连接，伸缩外盾的直径可调，支撑盾9的内部设有撑靴22和米字梁21，撑靴位于米字梁的前方，撑靴可相对支撑盾实现伸缩，尾盾10与米字梁21固定连接，米字梁21上连接有管片拼装机12和超前钻机11，超前钻机11位于管片拼装机12的上方，支撑盾9的上部设有超前注浆管12；所述前盾包括前盾上体3和前盾下体4，前盾上体3和前盾下体4通过第二举升油缸16相连接，前盾上体3通过第一举升油缸15与主驱动2相连接，前盾下体4通过第三举升油缸17与主驱动2相连接。前盾上体3内部和前盾下体4内部对称设有导向槽24，主驱动2上对称设有导向柱25，导向柱25位于导向槽24中且与导向槽24相配合。前盾上体、前盾下体和主驱动通过举升油缸连接，采用导向柱和导向槽控制两者之间的运动方向，提高主驱动抬升效率，便捷刀盘扩挖。
前盾上体和前盾下体可相对于主驱动分别沿着导向柱运动，刀盘可相对于主驱动转动，支撑盾的撑靴可撑紧洞壁，主推油缸前部与主驱动连接、后部与支撑盾连接，伸缩外盾可通过变径油缸的伸缩实现伸缩外盾的缩放、通过铰接油缸的伸缩实现沿伸缩内盾的前后移动。可通过复合油缸的伸缩控制主驱动后部刚性主梁结构的运动，从而实现掘进方向的微调、提供掘进过程中刀盘产生的反扭矩。超前钻机可探测双护盾TBM前方地质条件，在碰到破碎地层时通过超前注浆管方式稳定地层，还可通过超前钻杆进行地层加固。
进一步，所述支撑盾9上沿周向设有辅推油缸20，辅推油缸20的一端与支撑盾9相连接、另一端用于顶撑管片拼装机12后部的管片。在双护盾TBM单护盾模式时，辅推油缸逐步伸出，顶紧管片同时推动支撑盾向前运动，TBM开始掘进，实现换步。
一种新型复合防卡双护盾TBM的施工方法，包括防卡双护盾模式和防卡单护盾模式；双护盾模式掘进时，可通过主驱动后部箱型结构四周复合油缸的克服刀盘旋转破岩过程中产生的反扭矩。在防卡双护盾模式时，包括如下步骤： 1、第一举升油缸、第二举升油缸和第三举升油缸伸出，前盾的前盾上体和前盾下体浮动撑紧洞壁；2、变径油缸伸出，伸缩外盾四块盾体浮动撑紧洞壁；3、支撑盾的撑靴撑紧洞壁，利用撑靴与洞壁摩擦力提供掘进推力；4、刀盘旋转、主推油缸伸出，掘进过程中前盾和伸缩外盾通过第一举升油缸、第二举升油缸、第三举升油缸和变径油缸调整盾体与洞壁间隙实现动态支护；5、辅推油缸依次收回，管片拼装机开始拼装管片；6、完成一个掘进行程后，第一举升油缸、第二举升油缸伸出，前盾撑紧洞壁；变径油缸伸出，伸缩外盾撑紧洞壁；7、管片拼装完成后，支撑盾撑靴收回，辅推油缸一端撑紧管片，辅推油缸逐步伸出、主推油缸逐步收回，一个掘进循环完成；
在防卡单护盾模式时，主推油缸处于收回状态，包括如下步骤：1、第一举升油缸和第二举升油缸伸出，前盾浮动撑紧洞壁；2、变径油缸伸出，伸缩外盾的四块盾体浮动撑紧洞壁；3、刀盘开始旋转；4、辅推油缸顶紧管片并逐步伸出，TBM开始掘进，掘进过程中前盾和伸缩外盾可通过第一举升油缸、第二举升油缸、第三举升油缸与变径油缸调整盾体与洞壁间隙实现动态支护；5、掘进完成一个行程后，前盾和伸缩外盾撑紧洞壁；6、辅推油缸依次收回，开始管片拼装；7、管片拼装完成，一个掘进循环结束。
动态支护包括调向、扩挖和纠滚；所述调向包括防卡双护盾模式调向和防卡单护盾模式调向，防卡双护盾模式调向时，通过分组主推油缸、辅推油缸行程差进行调向；防卡单护盾模式调向时，利用分组辅推油缸行程差进行调向。扩挖时，主驱动和前盾上体、前盾下体分别通过第一举升油缸和第三举升油缸连接，调节第一举升油缸和第二举升油缸的伸缩量，主驱动沿着导向槽方向运动，实现刀盘的快速及时扩挖。纠滚包括防卡单护盾模式纠滚和防卡双护盾模式纠滚，防卡单护盾模式纠滚时，支撑盾的撑靴撑紧洞壁，第二举升油缸处于收回状态，通过主驱动后部箱型主梁四周复合油缸的伸缩实现主驱动姿态的纠正；接着第二举升油缸和变径油缸伸出，前盾和伸缩外盾撑紧洞壁，支撑盾撑靴收回，通过主驱动后部箱型主梁四周复合油缸的伸缩实现支撑盾姿态的纠正。
实施例2，一种新型复合防卡双护盾TBM，所述伸缩外盾7包括四块盾体，四块盾体通过四组变径油缸19首尾相连组成圆柱筒形，伸缩外盾通过铰接油缸6与支撑盾9相连接，伸缩内盾8位于伸缩外盾7内部，伸缩内盾8与伸缩外盾7同心设置，伸缩外盾沿伸缩内盾滑动，通过变径油缸可实现伸缩外盾的缩径，提高了双护盾TBM在软弱围岩大变形地层、断裂破碎带等不良地质中的通过性。
进一步，所述主驱动2上沿周向设有主推油缸5，主推油缸5的一端与主驱动2相连接、另一端与支撑盾9相连接；传统的双护盾TBM主推油缸连接前盾和支撑盾，新型复合防卡多功能TBM通过创新设计主驱动，实现主推油缸与主驱动和支撑盾的连接，实现双模式施工。主驱动2的后端设有箱型主梁23，箱型主梁的内部设有主机皮带机14，箱型主梁23通过复合油缸18与支撑盾9相连接。主驱动的箱型主梁2延伸至支撑盾位置，并通过在主驱动和支撑盾之间采用复合油缸连接，创造性的实现双护盾TBM调向方式和纠滚方式的创新。所述复合油缸包括第一复合油缸和第二复合油缸，第一复合油缸对称设置在箱型主梁23的左右两侧，第二复合油缸对称设置在箱型主梁23的上下两侧。实现主驱动上下左右的摆动，起到微调向和纠滚的作用。
其他结构与方法与实施例1相同。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种新型复合防卡双护盾TBM，其特征在于：包括刀盘（1）和设置在盾体中的主驱动（2），盾体包括前盾、支撑盾（9）和尾盾（10）；刀盘（1）设置在前盾的前端且在主驱动（2）的作用下转动，前盾的后端与支撑盾（9）相连接，支撑盾（9）上设有伸缩外盾（7）和伸缩内盾（8），伸缩内盾（8）与主驱动（2）固定连接，伸缩外盾（7）与主驱动（2）活动连接，支撑盾（9）内部设有撑靴（22）和米字梁（21），撑靴（22）位于米字梁（21）的前方，撑靴（22）可伸出支撑盾（9），米字梁（21）后部连接有管片拼装机（12）和超前钻机（11），超前钻机（11）位于管片拼装机（12）的上部，支撑盾（9）的上部设有超前注浆管（12）；所述前盾包括前盾上体（3）和前盾下体（4），前盾上体（3）和前盾下体（4）通过第二举升油缸（16）相连接，前盾上体（3）通过第一举升油缸（15）与主驱动（2）相连接，前盾下体（4）通过第三举升油缸（17）与主驱动（2）相连接。
2.根据权利要求1所述的新型复合防卡双护盾TBM，其特征在于：所述伸缩外盾（7）包括四块盾体，四块盾体通过四个变径油缸（19）首尾相连组成圆柱筒形，伸缩外盾（7）通过铰接油缸（6）与支撑盾（9）相连接，伸缩外盾（7）位于伸缩内盾（8）外部且可沿伸缩内盾（8）运动。
3.根据权利要求1或2所述的新型复合防卡双护盾TBM，其特征在于：所述主驱动（2）上沿周向设有主推油缸（5），主推油缸（5）的一端与主驱动（2）相连接、另一端与支撑盾（9）相连接；主驱动（2）的后端设有箱型主梁（23），箱型主梁（23）通过复合油缸（18）与支撑盾（9）相连接，复合油缸（18）与箱型主梁（23）面接触。
4.根据权利要求3所述的新型复合防卡双护盾TBM，其特征在于：所述复合油缸包括第一复合油缸和第二复合油缸，第一复合油缸对称设置在箱型主梁（23）的左右两侧，第二复合油缸对称设置在箱型主梁（23）的上下两侧。
5.根据权利要求1或4所述的新型复合防卡双护盾TBM，其特征在于：所述支撑盾（9）上沿周向设有辅推油缸（20），辅推油缸（20）的一端与支撑盾（9）相连接、另一端用于顶撑管片拼装机（12）后部的管片。
6.根据权利要求1所述的新型复合防卡双护盾TBM，其特征在于：所述前盾上体（3）内部和前盾下体（4）内部对称设有导向槽（24），主驱动（2）上对称设有导向柱（25），导向柱（25）位于导向槽（24）中且与导向槽（24）相配合。
7.一种如权利要求1~6所述的新型复合防卡双护盾TBM的施工方法，其特征在于：包括防卡双护盾模式和防卡单护盾模式；在防卡双护盾模式时，包括如下步骤： 1、第一举升油缸、第二举升油缸和第三举升油缸伸出，前盾的前盾上体和前盾下体浮动撑紧洞壁；2、变径油缸伸出，伸缩外盾四块盾体浮动撑紧洞壁；3、支撑盾的撑靴撑紧洞壁，利用撑靴与洞壁摩擦力提供掘进推力；4、刀盘旋转、主推油缸伸出，掘进过程中前盾和伸缩外盾通过第一举升油缸、第二举升油缸、第三举升油缸和变径油缸调整盾体与洞壁间隙实现动态支护；5、辅推油缸依次收回，管片拼装机开始拼装管片；6、完成一个掘进行程后，第一举升油缸、第二举升油缸伸出，前盾撑紧洞壁；变径油缸伸出，伸缩外盾撑紧洞壁；7、管片拼装完成后，支撑盾撑靴收回，辅推油缸一端撑紧管片，辅推油缸逐步伸出、主推油缸逐步收回，一个掘进循环完成；
在防卡单护盾模式时，主推油缸处于收回状态，包括如下步骤：1、第一举升油缸和第二举升油缸伸出，前盾浮动撑紧洞壁；2、变径油缸伸出，伸缩外盾的四块盾体浮动撑紧洞壁；3、刀盘开始旋转；4、辅推油缸顶紧管片并逐步伸出，TBM开始掘进，掘进过程中前盾和伸缩外盾可通过第一举升油缸、第二举升油缸、第三举升油缸与变径油缸调整盾体与洞壁间隙实现动态支护；5、掘进完成一个行程后，前盾和伸缩外盾撑紧洞壁；6、辅推油缸依次收回，开始管片拼装；7、管片拼装完成，一个掘进循环结束。
8.根据权利要求7所述的新型复合防卡双护盾TBM的施工方法，其特征在于：所述动态支护包括调向、扩挖和纠滚；所述调向包括防卡双护盾模式调向和防卡单护盾模式调向，防卡双护盾模式调向时，通过分组主推油缸、辅推油缸行程差进行调向；防卡单护盾模式调向时，利用分组辅推油缸行程差进行调向。
9.根据权利要求8所述的新型复合防卡双护盾TBM的施工方法，其特征在于：所述扩挖时，主驱动和前盾上体、前盾下体分别通过第一举升油缸和第三举升油缸连接，调节第一举升油缸和第二举升油缸的伸缩量，主驱动沿着导向槽方向运动，实现刀盘的快速及时扩挖。
10.根据权利要求8所述的新型复合防卡双护盾TBM的施工方法，其特征在于：所述纠滚包括防卡单护盾模式纠滚和防卡双护盾模式纠滚，防卡单护盾模式纠滚时，支撑盾的撑靴撑紧洞壁，第二举升油缸处于收回状态，通过主驱动后部箱型主梁四周复合油缸的伸缩实现主驱动姿态的纠正；接着第二举升油缸和变径油缸伸出，前盾和伸缩外盾撑紧洞壁，支撑盾撑靴收回，通过主驱动后部箱型主梁四周复合油缸的伸缩实现支撑盾姿态的纠正。
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