CN110318769B - 一种可适应软弱围岩的敞开式tbm - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可适应软弱围岩的敞开式TBM，主梁支撑推进系统包括鞍架、撑靴和推进油缸，还包括：设于鞍架底部的底部支撑组件；设于撑靴和鞍架之间，以及设于撑靴和底部支撑组件之间的伸缩套筒；还包括用以和撑靴相抵、并提供推进反力的拱架组件；当在硬岩工况下工作时，撑靴撑紧洞壁，推进油缸伸出以实现掘进；当在软岩工况下工作时，撑靴不向洞壁施加撑紧力，撑靴和拱架组件贴合，利用伸缩套筒防止撑靴偏转，底部支撑组件撑紧洞壁，推进油缸伸出以实现掘进。上述敞开式TBM，能够在硬岩工况和软岩工况下工作，克服了对软弱围岩敏感的弊端，为敞开式TBM在软弱围岩和断层破碎带等不良地质条件下工作提供了有利地支持。

Description

一种可适应软弱围岩的敞开式TBM

技术领域

本发明涉及隧道设备技术领域，特别涉及一种可适应软弱围岩的敞开式TBM。

背景技术

在现代化隧道建设中，敞开式TBM(全断面隧道掘进机)作为一种先进的施工设备，相对于钻爆法等施工方法而言，具有快速、优质、经济、安全、环保的突出优点，因而在长距离隧道施工取得广泛的应用。敞开式TBM主要适用于岩石整体较完整，有较好自稳性的硬岩地层(50－200MPa)。但对于软弱围岩条件，敞开式TBM太过敏感而不能应用,当采取有效支护手段并经论证，也可适用于软岩隧道，但掘进速度应予以限制。国内外敞开式TBM失败案例的主要原因是撑靴不能提供足够的撑紧力来承受推进反力，从而无法适应软岩和断层破碎带。

因此，如何提供一种适用于软弱围岩敞开式TBM是目前需要解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种可适应软弱围岩的敞开式TBM，能够在硬岩工况和软岩工况下工作，克服了现有技术中的敞开式TBM对软弱围岩敏感的弊端，为敞开式TBM在软弱围岩和断层破碎带等不良地质条件下工作提供了有利地支持。

为实现上述目的，本发明提供一种可适应软弱围岩的敞开式TBM，包括主梁支撑推进系统和用以撑紧洞壁的后支腿，所述主梁支撑推进系统包括：位于主梁两侧的鞍架、位于任一所述鞍架的外侧用以撑紧洞壁的撑靴、与所述主梁相连用以带动所述鞍架和所述撑靴两者沿所述主梁移动的推进油缸，所述主梁支撑推进系统还包括：

设于所述鞍架底部的底部支撑组件；

设于所述撑靴和所述鞍架之间，以及设于所述撑靴和所述底部支撑组件之间的伸缩套筒；

还包括用以和所述撑靴相抵、并提供推进反力的拱架组件；

当在硬岩工况下工作时，所述撑靴撑紧洞壁，所述后支腿收回，所述推进油缸伸出以实现掘进；

当在软岩工况下工作时，所述撑靴和洞壁接触，所述撑靴不向洞壁施加撑紧力，所述撑靴和所述拱架组件贴合，利用所述伸缩套筒防止所述撑靴偏转，所述底部支撑组件撑紧洞壁，所述后支腿收回，所述推进油缸伸出以实现掘进。

可选地，所述拱架组件包括多个呈环状的钢拱架，位于前端的所述钢拱架用以和所述撑靴贴合，且全部所述钢拱架沿同一轴线间隔设置，还包括连接任意相邻的两个所述钢拱架的横向支撑部。

可选地，所述撑靴的受载位置沿着所述钢拱架的轴线方向投射于所述钢拱架的范围之内设有所述横向支撑部。

可选地，位于不同的两个所述钢拱架之间的多个所述横向支撑部一一共线。

可选地，所述横向支撑部和所述钢拱架之间为可拆卸连接。

可选地，所述底部支撑组件包括：

与所述鞍架相连的鞍架底部支撑件；

位于所述鞍架的正下方、用以撑紧洞壁的支腿；

连接于所述鞍架底部支撑件和所述支腿两者之间的活塞缸。

可选地，所述支腿通过两个所述活塞缸连接于所述鞍架底部支撑件，且两个所述活塞缸分布于所述支腿的前后两侧。

可选地，

所述撑靴和所述鞍架之间，以及设于所述撑靴和所述底部支撑组件之间可拆卸地连接所述伸缩套筒，和/或，

所述鞍架底部支撑件可拆卸地设于所述鞍架的底部。

可选地，设于同一所述撑靴的两个所述伸缩套筒对称分布于所述撑靴的上下两侧。

可选地，全部所述伸缩套筒水平设置，和/或全部所述底部支撑组件竖直设置。

相对于上述背景技术，本发明提供的可适应软弱围岩的敞开式TBM，具备两种掘进模式，且两种掘进模式切换方便；其一在硬岩工况下工作时，利用撑靴撑紧洞壁，后支腿收回，推进油缸伸出以实现掘进，在该模式下底部支撑组件不参与工作，始终处于缩回状态；其二在软岩工况下工作时，撑靴和洞壁接触，但是撑靴不向洞壁施加撑紧力，撑靴和拱架组件贴合，利用伸缩套筒防止撑靴偏转，底部支撑组件撑紧洞壁，后支腿收回，推进油缸伸出以实现掘进。在该模式下伸缩套筒具有稳定撑靴和防止撑靴片偏转的功能，从而能将推进力稳定可靠的传递至拱架组件，且利用底部支撑组件撑紧洞壁，用于代替撑靴承受敞开式TBM的后部重量。本发明提供的可适应软弱围岩的敞开式TBM，克服了现有技术中的敞开式TBM对软弱围岩敏感的弊端，为敞开式TBM在软弱围岩和断层破碎带等不良地质条件下工作提供了有利地支持，具有重要的现实意义和实用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的可适应软弱围岩的敞开式TBM的结构示意图；

图2为图1中的主梁支撑推进系统的示意图；

图3为图2中的A向示意图；

图4为图2中的B-B剖视图；

图5为图2中隐藏主梁和推进油缸后的三维示意图；

图6为图2中的撑靴、钢拱架和横向支撑部的三维示意图；

其中：

刀盘1、护盾2、主驱动3、钢拱架安装结构4、锚杆钻机组件5、主梁支撑推进系统6、后支腿7、钢拱架8、横向支撑部9、

主梁61、推进油缸62、鞍架63、撑靴64、鞍架底部支撑件65、支腿651、活塞缸652、伸缩套筒66。

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。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本申请实施例所提供的可适应软弱围岩的敞开式TBM，如说明书附图1所示，包括由前至后依次设置刀盘1、护盾2、主驱动3、钢拱架安装结构4、锚杆钻机组件5、主梁支撑推进系统6和后支腿7。

主驱动3和刀盘1相连，护盾2分布在主驱动3的周向，护盾2用以起到保护主驱动3的作用；钢拱架安装结构4和护盾2相邻设置，钢拱架安装结构4用于对隧道实施支护，锚杆钻机组件5用于向隧道壁内打锚杆，主梁支撑推进系统6和主驱动3相连。

上述可适应软弱围岩的敞开式TBM主要针对主梁支撑推进系统6进行改进，其他部件的具体设置方式以及功能均可参考现有技术。

参考说明书附图2至附图5，主梁支撑推进系统6包括主梁61、推进油缸62、鞍架63、撑靴64、伸缩套筒和底部支撑组件；主梁61沿着掘进方向设置，主梁61的两侧设有鞍架63，每一个鞍架63的外侧均设有撑靴64，主梁61的两侧分别连接推进油缸62的一端，推进油缸62的另一端可连接撑靴64，利用推进油缸62带动鞍架63和撑靴64两者沿主梁61的长度方向移动。

核心在于，在鞍架63的底部设置底部支撑组件，并且在鞍架63和撑靴64之间，以及在撑靴64和底部支撑组件之间设置伸缩套筒66；撑靴64还用以和拱架组件相抵，利用拱架组件提供推进反力。

简言之，针对主梁支撑推进系统6的改进点有二，其一是在鞍架63的底部设置底部支撑组件，利用底部支撑组件在软岩工况下代替撑靴64承受敞开式TBM的后部重量；其二是在鞍架63和撑靴64之间，以及在撑靴64和底部支撑组件之间设置伸缩套筒66，每一个撑靴64均连接两个伸缩套筒66，且该两个伸缩套筒66分别与鞍架63和底部支撑组件相连，利用伸缩套筒66稳定撑靴64，防止撑靴64偏转。

与此同时，在软岩工况下工作时，利用撑靴64和拱架组件贴合，使得拱架组件承受推进反力，避免撑靴64受力。

当在硬岩工况下工作时，撑靴64撑紧洞壁，后支腿7缩回，刀盘1旋转，推进油缸62伸出，开始掘进，钢拱架安装机构4和锚杆钻机组件5对露出护盾2尾部的岩壁进行及时支护。当掘进一个循环后，刀盘1停转，后支腿7伸出撑紧洞壁，撑靴64缩回，推进油缸62缩回，并带动撑靴64和鞍架63沿主梁61前移，从而完成换步，进入下一个掘进循环。在此工作模式情况下，底部支撑组件始终处于缩回状态，不参与工作过程。

当掘进过程中遇到软弱围岩、断层破碎带等不良地质条件，撑靴64则无法撑紧洞壁来提供推进反力和支撑TBM后部重量，此时需要转变为软岩掘进模式，也即在软岩工况下工作。

如说明书附图3，撑靴64伸出，确保撑靴64与洞壁接触但不撑紧洞壁，即撑靴64撑紧力为零，通过调整推进油缸62使得撑靴64的后端面与拱架组件的前端面贴合良好。

参考说明书附图4，由于伸缩套筒66具有稳定撑靴64和防止撑靴64偏转的功能，从而能将推进力稳定可靠的传递给拱架组件。底部支撑组件撑紧洞壁，用于代替撑靴64所承受的TBM后部重量。

开始掘进时，后支腿7缩回，刀盘1旋转，推进油缸62伸出，拱架组件为TBM整机提供推进反力，TBM开始掘进，钢拱架安装机构4和锚杆钻机组件5对露出护盾2尾部的岩壁进行及时支护。当掘进一个循环后，后支腿7伸出撑紧洞壁，撑靴64缩回，底部支撑组件缩回，推进油缸62缩回带动撑靴64、鞍架63和底部支撑组件沿主梁61前移，从而完成换步，进入下一个掘进循环。

可以看出，可适应软弱围岩的敞开式TBM克服了现有技术中的敞开式TBM对软弱围岩敏感的弊端，为敞开式TBM在软弱围岩和断层破碎带等不良地质条件下工作提供了有利地支持，具有重要的现实意义和实用价值。

参考说明书附图6，拱架组件包括多个呈环状的钢拱架8，多个钢拱架8由前至后排列，位于最前端的钢拱架8靠近撑靴64，且能够和撑靴64贴合，全部钢拱架8沿同一轴线间隔设置，任意相邻的两个钢拱架8之间通过横向支撑部9相连。

如上文所述，在软岩工况下工作时，撑靴64伸出，撑靴64撑紧力为零，通过调整推进油缸62使得撑靴64的后端面与最前端的钢拱架8的前端面贴合良好，钢拱架8为TBM整机提供推进反力。

为了提升多个钢拱架8的结构可靠，针对横向支撑部9的具体设置位置，可首先确定撑靴64的受载位置，撑靴64的受载位置沿着钢拱架8的轴线方向投射于钢拱架8，在投射范围之内设置横向支撑部9；这样一来，多个钢拱架8依次连接稳固，提升TBM的运行可靠性。

位于不同的两个钢拱架8之间的多个横向支撑部9一一共线，也即位于同一直线的横向支撑部9所能够承受的载荷较大，进一步提升拱架组件的受力大小。

横向支撑部和9钢拱架8之间为可拆卸连接，横向支撑部9可采用槽钢或者H钢等型钢支撑，横向支撑部9钢拱架8之间可采用焊接或螺栓连接等形式。

针对上文可伸缩的底部支撑组件，其可以采用现有技术中可伸缩的部件制成，本文再给出一种具体实施方式。

参考说明书附图4和附图5，底部支撑组件可竖直设置，其可包括鞍架底部支撑件65、支腿651和活塞缸652，鞍架底部支撑件65连接于鞍架63的底部，鞍架底部支撑件65可为结构件，起到支撑作用；鞍架底部支撑件65的底部连接活塞缸652的一端，活塞缸652的另一端连接支腿651，支腿651位于鞍架63的正下方，支腿651用以撑紧洞壁，活塞缸652可具体为油缸等。

可以看出，利用活塞缸652的伸缩实现支腿651的伸出和缩回，进而实现在硬岩工况下工作时，支腿651始终处于缩回状态，而在软岩工况下工作时，支腿651伸出用以代替撑靴64撑紧洞壁。

支腿651可通过两个活塞缸652连接于鞍架底部支撑件65，且两个活塞缸652分布于支腿651的前后两侧。

鞍架底部支撑件65与鞍架63之间采用例如螺栓连接的可拆卸连接形式，便于隧洞内拆装，鞍架底部支撑件65的底部设置有两个支腿651，两个支腿651均位于主梁61两侧的鞍架63正下方，支腿651具有实现撑紧隧洞壁的功能。参考说明书附图2，每个支腿651均通过两个活塞缸652铰接于鞍架底部支撑件65，活塞缸652的前后布置方式能够节省空间且不影响物料运输，支腿651底部的开槽结构应与钢拱架8相匹配。

针对伸缩套筒66，无论是与撑靴64和鞍架63的连接，还是与撑靴64和底部支撑组件的连接均可采用可拆卸的连接方式，以方便地对各个部件进行维护和更换。全部伸缩套筒66均可水平设置，有助于向撑靴64提供稳定的作用力，以避免撑靴64偏转。

设于同一撑靴64的两个伸缩套筒66对称分布于撑靴64的上下两侧，参考说明书附图3至附图5，四个伸缩套筒66均设置在撑靴64的对称中心位置，在软弱围岩推进模式下，撑靴64不再撑紧洞壁，由于推进油缸62施加在撑靴上的推进力将使得撑靴64易发生偏转甚至歪斜，因此可以利用伸缩套筒66约束撑靴64的自由度，在受载时使撑靴64与鞍架63之间以及撑靴64与鞍架底部支撑件65之间保持刚性连接，从而具有稳定撑靴64，防止撑靴64偏转的功能。其中，伸缩套筒66与撑靴64之间以及伸缩套筒66与鞍架63之间均可采用螺栓等可拆卸连接方式，便于隧洞内拆装。

以上对本发明所提供的可适应软弱围岩的敞开式TBM进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种可适应软弱围岩的敞开式TBM，包括主梁支撑推进系统（6）和用以撑紧洞壁的后支腿（7），所述主梁支撑推进系统（6）包括：位于主梁（61）两侧的鞍架（63）、位于任一所述鞍架（63）的外侧用以撑紧洞壁的撑靴（64）、与所述主梁（61）相连用以带动所述鞍架（63）和所述撑靴（64）两者沿所述主梁（61）移动的推进油缸（62），其特征在于，所述主梁支撑推进系统（6）还包括：

设于所述鞍架（63）底部的底部支撑组件；

设于所述撑靴（64）和所述鞍架（63）之间，以及设于所述撑靴（64）和所述底部支撑组件之间的伸缩套筒（66）；

还包括用以和所述撑靴（64）相抵、并提供推进反力的拱架组件；

当在硬岩工况下工作时，所述撑靴（64）撑紧洞壁，所述后支腿（7）收回，所述推进油缸（62）伸出以实现掘进；

当在软岩工况下工作时，所述撑靴（64）和洞壁接触，所述撑靴（64）不向洞壁施加撑紧力，所述撑靴（64）和所述拱架组件贴合，利用所述伸缩套筒（66）防止所述撑靴（64）偏转，所述底部支撑组件撑紧洞壁，所述后支腿（7）收回，所述推进油缸（62）伸出以实现掘进；

所述拱架组件包括多个呈环状的钢拱架（8），位于前端的所述钢拱架（8）用以和所述撑靴（64）贴合，且全部所述钢拱架（8）沿同一轴线间隔设置，还包括连接任意相邻的两个所述钢拱架（8）的横向支撑部（9）；

所述撑靴（64）的受载位置沿着所述钢拱架（8）的轴线方向投射于所述钢拱架（8）的范围之内设有所述横向支撑部（9）。

2.根据权利要求1所述的敞开式TBM，其特征在于，位于不同的两个所述钢拱架（8）之间的多个所述横向支撑部（9）一一共线。

3.根据权利要求1或2所述的敞开式TBM，其特征在于，所述横向支撑部（9）和所述钢拱架（8）之间为可拆卸连接。

4.根据权利要求1或2所述的敞开式TBM，其特征在于，所述底部支撑组件包括：

与所述鞍架（63）相连的鞍架底部支撑件（65）；

位于所述鞍架（63）的正下方、用以撑紧洞壁的支腿（651）；

连接于所述鞍架底部支撑件（65）和所述支腿（651）两者之间的活塞缸（652）。

5.根据权利要求4所述的敞开式TBM，其特征在于，所述支腿（651）通过两个所述活塞缸（652）连接于所述鞍架底部支撑件（65），且两个所述活塞缸（652）分布于所述支腿（651）的前后两侧。

6.根据权利要求4所述的敞开式TBM，其特征在于，

所述撑靴（64）和所述鞍架（63）之间，以及设于所述撑靴（64）和所述底部支撑组件之间可拆卸地连接所述伸缩套筒（66），和/或，

所述鞍架底部支撑件（65）可拆卸地设于所述鞍架（63）的底部。

7.根据权利要求1或2所述的敞开式TBM，其特征在于，设于同一所述撑靴（64）的两个所述伸缩套筒（66）对称分布于所述撑靴（64）的上下两侧。

8.根据权利要求7所述的敞开式TBM，其特征在于，全部所述伸缩套筒（66）水平设置，和/或全部所述底部支撑组件竖直设置。

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