CN111852489B - 一种掘进机刀盘相切圆扩挖施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种掘进机刀盘相切圆扩挖施工方法，本方法首先设定了掘进机刀盘内各边刀的扩挖轨迹方程；随后调整掘进机刀盘的姿态，使得掘进机刀盘底部为边刀扩挖起点；最后根据设定的扩挖轨迹方程利用掘进机刀盘内的N把边刀对待扩挖段进行接力扩挖，直到掘进机完成指定扩挖距离的扩挖。本发明提出的边刀与刀盘底部相切圆扩挖轨迹方程，可实现对扩挖段进行变速、变径地精准扩挖，最终扩挖断面为相切圆，且与掘进机刀盘底部相切，确保扩挖断面受力最好，掘进机的掘进姿态最优，能够有效预防TBM刀盘下沉或卡机并克服了掘进机的掘进路径偏离隧道设计轴线的技术难题。本方法可提高掘进机掘进效率，确保掘进机掘进洞段安全高效贯通。

Description

一种掘进机刀盘相切圆扩挖施工方法

技术领域

本发明涉及一种TBM刀盘扩挖施工方法，特别涉及一种能按照规定轨迹精准扩 挖的隧道施工方法。

背景技术

全断面岩石隧道掘进机(TBM)广泛应用于公路、铁路、水利等隧道工程。TBM 通过刀盘旋转滚压岩石实现隧道开挖，其开挖断面主要为圆形断面。在高地应力情况 下，对于硬质岩洞段，可能出现岩爆和大变形，轻则卡机被困，重则机毁人亡，严重 威胁工程、设备、施工人员的安全，也严重影响工程施工进度；对于软弱岩体，在高 地应力的作用下，开挖后可能会发生挤压大变形，给TBM开挖造成很大困难，甚至 造成TBM卡机事故。这时一般通过TBM扩挖进行处理。

常规TBM扩挖需要对刀盘刀具进行大量调整，操作过程繁琐，施工难度大，同 时扩挖轨迹为同心圆，TBM刀盘容易出现下沉，轻则影响TBM掘进姿态，重则TBM 刀盘中心线偏离设计开挖轴线，导致隧道开挖不能满足设计要求。如申请号为 201910540619.4的一种模块化可变径扩挖的TBM刀盘，上述刀盘虽然能实现变径， 但是刀盘模块结构复杂，刀盘包括中心刀盘与四块周边刀盘，中心刀盘与周边刀盘间 通过顶推油缸连接，伸缩过程负载较大，且不能进行偏心开挖，操作困难，可实现性 不高。又如申请号为202010052079.8的一种可实时变径扩挖的掘进机刀盘及其偏心开 挖方法，该申请提出了一种TBM偏心扩挖方法，将偏心架固定于盾体内，通过偏心 架控制在刀盘外新增的扩挖铣头进行二次扩挖，以达到扩挖隧道上部的目的。此方法 虽能实现偏心扩挖，但需改变盾体结构，且扩挖与开挖分开进行，扩挖是二次开挖， 开挖范围只局限在顶拱。同时，该申请不是采用边刀扩挖而是在刀盘外增设铣头，过 程繁琐，掘进效率不高。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种掘进机刀盘相切圆扩挖施工方法，只需设定TBM刀盘边刀的径向运动路程即可实现N把边刀接力式的精准扩挖，并且 扩挖轨迹为相切圆。本发明不改变TBM刀盘设计尺寸，不改变TBM盾体结构，直接 采用自身边刀扩挖，快速预防TBM卡机，掘进效率更高，应用范围更广。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种掘进机刀盘相切圆扩挖施工方法，所述掘进机刀盘具有N把边刀，其特征在于，包括以下步骤：

1)按照边刀通过掘进机刀盘底部相切点的先后顺序对N把边刀依次进行编号，记为 i，i＝1,2,…,N；设掘进机刀盘内第i号边刀的扩挖轨迹方程为：

式中，s(t_i)为掘进机刀盘中第i号边刀在t_i时刻的径向运动轨迹；t_i是以第i号边刀从 掘进机刀盘底部开始运动至当前位置所需的时间，t_i∈[0,T_e]，T_e为利用掘进机对隧道 进行扩挖的总施工时间，当t_i＝0时表示各号边刀位于掘进机刀盘底部相切点；T为掘进机刀盘转动一圈所需的时间；d为扩挖段的最大扩挖量；

2)调整掘进机刀盘的姿态

通过转动掘进机刀盘，将当前最靠近刀盘底部的边刀即第1号边刀调整到掘进机刀盘 底部相切点，使得掘进机刀盘底部为的边刀扩挖起点；

3)根据步骤1)设定的扩挖轨迹方程利用掘进机刀盘内的N把边刀对待扩挖段进行接力扩挖，直到掘进机完成指定扩挖距离的扩挖。

与现有技术相比，本发明具有以下特点及有益效果：

本发明公开了一种掘进机刀盘相切圆扩挖施工方法，提出边刀与刀盘底部相切圆扩挖轨迹方程，实现精准扩挖，以解决掘进机扩挖过程中出现TBM刀盘下沉的问题， 克服了TBM掘进路径偏离隧道设计轴线的技术难题。在掘进机掘进过程中，掘进机 刀盘扩挖边刀以刀盘底部为扩挖起点，按照设定的边刀与刀盘底部相切圆扩挖轨迹方 程进行变速、变径精准扩挖，最终扩挖断面为相切圆，且与TBM刀盘底部相切，确 保扩挖断面受力最好，TBM掘进姿态最优，能够有效预防TBM刀盘下沉或卡机。

本发明适用于隧道围岩高应力大变形洞段掘进机施工，通过本发明进行掘进机刀盘相切圆扩挖，一方面，能预留掘进机通过的空间，降低掘进机卡机或被困的施工风 险，另一方面，因为扩挖断面圆与原断面圆在底部相切，进而掘进机扩挖掘进过程中 无需进行的姿态调整，提高掘进机掘进效率，确保掘进机掘进洞段安全高效贯通。

附图说明

图1为本发明实施例中所采用掘进机的局部结构示意图。

图2为本发明实施例中掘进机的N把边刀将待扩挖段扩挖形成的相切圆效果图。

图3为利用本发明方法对待扩挖段实现的最终扩挖效果图。

附图标记：

1：TBM刀盘；2：扩挖相切圆；3：最大扩挖量；4：边刀；5：液压油缸与PLC系统。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发 明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明， 并不限定本发明的保护范围。

为了更好地理解本发明，以下详细阐述本发明提出的一种掘进机刀盘相切圆扩挖施 工方法的应用实例。

本发明实施例的一种掘进机刀盘相切圆扩挖施工方法，参见图1，该扩挖施工方法采用的掘进机刀盘1具有N把边刀4，N把边刀4由液压油缸与PLC系统5进行控制， 本扩挖施工方法包括以下步骤：

1)按照边刀通过掘进机刀盘1底部相切点的先后顺序对N把边刀依次进行编号，记为i，i＝1,2,…,N；设掘进机刀盘1内第i号边刀的扩挖轨迹方程为：

式中，s(t_i)为掘进机刀盘1中第i号边刀在t_i时刻的径向运动轨迹；t_i是以第i号边刀 从掘进机刀盘1底部开始运动至当前位置所需的时间，t_i∈[0,T_e]，T_e为利用掘进机对隧道进行扩挖的总施工时间，当t_i＝0时表示各号边刀位于掘进机刀盘1底部相切点； T为掘进机刀盘1转动一圈所需的时间；d为扩挖段的最大扩挖量3，参见图2，为根 据施工工况确定的已知量。

是从，为2)调整掘进机刀盘的姿态：通过转动掘进机刀盘1，将当前最靠近刀盘底部的边刀4即第1号边刀调整到掘进机刀盘1底部相切点，使得掘进机刀盘1底部为的边 刀4扩挖起点；

3)根据步骤1)设定的扩挖轨迹方程利用掘进机刀盘内的N把边刀对待扩挖段进行接力扩挖：

通过液压油缸与PLC系统5实现自动控制N把边刀4按照轨迹方程接力式的精准扩挖1号边刀扩挖轨迹方程为：

扩挖开始，第1号边刀按照上述扩挖轨迹方程从掘进机刀盘1底部开始进行沿待扩挖 段径向的运动，掘进机刀盘1同时进行匀速圆周运动(掘进机刀盘的转速根据施工工况设 定)，此时其余边刀还未开始工作，当第1号边刀后的第二把边刀通过刀盘底部时，此时第3～N号边刀还未开始工作。第2号边刀的扩挖轨迹方程为：

2号边刀按照上述方程从掘进机刀盘底部开始进行径向运动，掘进机刀盘同时进行匀 速圆周运动，以此类推，当第N把边刀即最后一把边刀通过掘进机刀盘底部开始扩挖时， 扩挖方程为：

第N号边刀运动完一周后回到刀盘底部，此时扩挖横断面如图1，N把边刀扩挖轨迹曲线如图1所示，接力扩挖结束扩挖横断面效果图见图3，扩挖形成指定最大扩挖量3的 与刀盘1在底部相切的相切圆2。

TBM掘进过程中反复进行本步骤2)精准扩挖，直到TBM完成指定扩挖距离的扩挖。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参 照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以 对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而 这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范 围。

Claims (1)

1.一种掘进机刀盘相切圆扩挖施工方法，所述掘进机刀盘具有N把边刀，其特征在于，所述掘进机刀盘相切圆扩挖施工方法包括以下步骤：

1)按照边刀通过掘进机刀盘底部相切点的先后顺序对N把边刀依次进行编号，记为i，i＝1,2,…,N；设掘进机刀盘内第i号边刀的扩挖轨迹方程为：

式中，s(t_i)为掘进机刀盘中第i号边刀在t_i时刻的径向运动轨迹；t_i是以第i号边刀从掘进机刀盘底部开始运动至当前位置所需的时间，t_i∈[0,T_e]，T_e为利用掘进机对隧道进行扩挖的总施工时间，当t_i＝0时表示各号边刀位于掘进机刀盘底部相切点；T为掘进机刀盘转动一圈所需的时间；d为扩挖段的最大扩挖量；

2)调整掘进机刀盘的姿态

通过转动掘进机刀盘，将当前最靠近刀盘底部的边刀即第1号边刀调整到掘进机刀盘底部相切点，使得掘进机刀盘底部为的边刀扩挖起点；

3)根据步骤1)设定的扩挖轨迹方程利用掘进机刀盘内的N把边刀对待扩挖段进行接力扩挖，直到掘进机完成指定扩挖距离的扩挖。

Images