CN112343609B

CN112343609B - 一种中空tbm刀盘、斜井用导洞扩挖tbm及施工方法

Info

Publication number: CN112343609B
Application number: CN202011568947.4A
Authority: CN
Inventors: 贺飞; 宁向可; 于庆增; 张喜冬; 高翔; 秦庆华
Original assignee: China Railway Engineering Equipment Group Co Ltd CREG
Current assignee: China Railway Engineering Equipment Group Co Ltd CREG
Priority date: 2020-12-26
Filing date: 2020-12-26
Publication date: 2022-04-29
Anticipated expiration: 2040-12-26
Also published as: CN112343609A

Abstract

本发明公开了一种中空TBM刀盘、斜井用导洞扩挖TBM及施工方法，斜井用导洞扩挖TBM包括所述的中空TBM刀盘，还包括连接在盾体上的主梁和主驱动，主驱动与中空TBM刀盘相连接，主梁上从前到后依次设有前支护装置、双撑靴机构和底部支撑。还包括后配套，后配套与主梁之间连接有第一安全装置和第二安全装置，第一安全装置和第二安全装置串联设置。本发明采用TBM方式进行导洞扩挖，摆脱钻爆法开挖方式，提高成洞质量和减少对围岩的扰动，减少安全隐患，提高导洞扩挖效率。

Description

一种中空TBM刀盘、斜井用导洞扩挖TBM及施工方法

技术领域

本发明涉及斜井施工技术领域，特别是指一种中空TBM刀盘、斜井用导洞扩挖TBM及施工方法。

背景技术

国内大坡度斜井施工多采用的传统反井钻机工法。大直径（>7米）的斜井断面开挖分为三步：1、钻进直径约200毫米的导孔；2、在导孔内安装反井钻机的钻杆，反拉反井钻机刀盘的方式开挖直径3米左右的导洞；3、在导洞内径向钻孔，采用钻爆法开挖至设定直径。传统反井钻机工法存在的主要问题在第三步，在长斜井内爆破作业，存在较大的安全隐患，同时钻爆作业对围岩扰动大，成洞质量差，成为制约长、大斜井施工瓶颈环节。现有斜井施工设备如公开号为CN111425207A的一种斜井施工方法和设备，只适用于盲洞开挖，不适用于导洞扩挖，因此设计一种用于导洞扩挖TBM掘进机以取代开挖步骤中的第三步钻爆法工艺很有必要。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种中空TBM刀盘、斜井用导洞扩挖TBM及施工方法，解决了现有技术中导洞扩挖施工效率低的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种导洞扩挖中空TBM刀盘，包括刀盘本体，刀盘本体的中部设有中空通道，中空通道的内壁上设有内刮渣板，刀盘本体前面板的外沿上设有外刮渣板，刀盘本体前面板上设有滚刀和喷水口。

进一步，所述刀盘本体前面板上设有耐磨钢板，外刮渣板伸出刀盘本体。所述内刮渣板沿中空通道内壁周向均匀倾斜设置，中空通道的内径与导洞的内径一致。

一种斜井用导洞扩挖TBM，包括所述的中空TBM刀盘，还包括连接在盾体上的主梁和主驱动，主驱动与中空TBM刀盘相连接，主梁上从前到后依次设有前支护装置、双撑靴机构和底部支撑。还包括后配套，后配套与主梁之间连接有第一安全装置和第二安全装置，第一安全装置和第二安全装置串联设置。

进一步，所述双撑靴机构包括滑动设置在主梁上的前撑靴和后撑靴，前撑靴通过第一轴向油缸与后撑靴相连接，后撑靴与设置在主梁上的推进油缸相连接。所述底部支撑包括设置在主梁尾部的支撑座，支撑座上铰接有至少一个撑紧油缸，撑紧油缸通过支撑油缸与支撑座相连接，撑紧油缸的伸缩端设有撑靴板。

进一步，所述第一安全装置通过第一连接油缸与主梁相连接，第二安全装置通过第二连接油缸与第一安全装置相连接，后配套连接在第二安全装置上。优选地，所述第一安全装置和第二安全装置均包括移动架，移动架的两侧设有顶推油缸，顶推油缸的伸缩端设有弧形靴板，且顶推油缸上连接有蓄能器。

一种所述的斜井用导洞扩挖TBM的施工方法：步骤如下：S1、TBM破岩掘进时，双撑靴机构和底部支撑支撑在洞壁上，中空TBM刀盘的中空通道对准导洞，中空TBM刀盘旋转，在推进力的作用下，中空TBM刀盘上的滚刀贯入岩石进行破岩；

S2、在TBM破岩的过程中，第一安全装置和第二安全装置撑紧在洞壁上，在这个阶段，整个系统由双撑靴机构、第一安全装置和第二安全装置共同支撑；

S3、一个掘进行程完成后，开始TBM换步，双撑靴机构和底部支撑收缩，推进油缸收缩，带动主梁前移，第一安全装置撑紧力增加，在这个阶段，整个系统由第一安全装置和第二安全装置支撑；

S4、双撑靴机构和底部支撑撑紧洞壁，第一安全装置收缩并前移；在这个阶段，整个系统由双撑靴机构、底部支撑和第二级安全装置支撑；

S5、第一安全装置撑紧洞壁，第二安全装置收缩并带动后配套一起前移，在这个阶段，整个系统由双撑靴机构、底部支撑和第一安全装置支撑，完成换步；

S6、重复步骤S1~S5，对隧洞进行连续扩挖。

在步骤S1中，TBM破岩掘进时，中空TBM刀盘的中空通道对准导洞，中空TBM刀盘对导洞周围的岩层进行开挖，开挖过程产生的渣土在中空通道内壁上的内刮渣板和刀盘本体外沿上的外刮渣板作用下，进入导洞，实现导洞出渣。

本发明采用TBM方式进行导洞扩挖，摆脱钻爆法开挖方式，提高成洞质量和减少对围岩的扰动，减少安全隐患，提高导洞扩挖效率。本发明针对从上向下形式的导洞扩挖，采用不布置中心滚刀形式的中空TBM刀盘，中心位置设置中心刮渣板，TBM从中心出渣，渣料经前期已开挖的导洞出渣，增大出渣空间的同时减少中心滚刀的消耗，刀盘周边不同于传统的TBM刀盘，不仅设置外侧刮渣板，不设置进渣口，通过内刮渣板和外刮渣板的配合，实现导洞高效出渣。TBM换步过程中采用双安全装置，保证TBM掘进换步时的安全，进而提高施工效率，具有较高的推广价值。

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TBM结构示意图。

图2为本发明中空TBM刀盘结构示意图。

图3为本发明底部支撑结构示意图。

图4为本发明第一安全装置结构示意图。

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2所示，实施例1，一种导洞扩挖中空TBM刀盘，包括刀盘本体1，刀盘本体1的中部设有中空通道2，形成环形结构，中心不布置刀具，中空通道为外端开口且底部密封的筒型结构，中空通道与导洞对应，便于渣土从导洞流出。中空通道2的内壁上设有内刮渣板205，刀盘本体1前面板的外沿上设有外刮渣板201，内刮渣板205和外刮渣板随刀盘同步转动，在刀盘开挖过程中将渣土刮入导洞，实现高效出渣。刀盘本体1前面板上设有滚刀202和喷水口204，滚刀可采用单刃滚刀或双刃滚刀，喷水口通过管道与设置在后配套上的水源或改良剂剂源相连接，用于向掌子面与刀盘之间注入浆液。喷水口也可通过高压管道与设置在后配套上的高压水发生装置连接，对掌子面进行高压水刀破岩。

进一步，所述刀盘本体1前面板上设有耐磨钢板203，提高刀盘本体整体强度和耐磨性。外刮渣板201伸出刀盘本体1，即外刮渣板外端所在的圆直径大于刀盘本体的外径，更好地对渣土进行刮渣，使其顺利进入导洞。所述内刮渣板205沿中空通道内壁周向均匀倾斜设置，即内刮渣板205的中心线不通过中空通道的圆心，对渣土有一定提升作用，使其渣土顺利进入导洞，中空通道的内径与导洞100的内径一致，避开导洞开挖，对导洞进行高效扩挖。采用不布置中心滚刀形式的TBM，中心位置设置中心刮渣板，TBM从中心出渣，渣料经前期已开挖的导洞出渣。增大出渣空间的同时减少中心滚刀的消耗。刀盘周边不同于传统的TBM刀盘，不仅设置外侧刮渣板，不设置进渣口，通过中心刮渣板和外侧刮渣板的配合，实现导洞扩挖TBM出渣。

如图1所示，实施例2，一种斜井用导洞扩挖TBM，包括实施例1所述的中空TBM刀盘100，还包括连接在盾体110上的主梁104和主驱动101，主驱动设置在主梁上，主驱动101与中空TBM刀盘100相连接，为中空TBM刀盘的旋转提供动力。主梁104上从前到后依次设有前支护装置102、双撑靴机构103和底部支撑105。双撑靴机构103和底部支撑105为TBM的主动撑靴配合前支护装置102确保刀盘进行稳定开挖。斜井用导洞扩挖TBM还包括后配套109，后配套上与现有盾构一样设置相应的辅助装置，后配套109与主梁104之间连接有第一安全装置107和第二安全装置108，第一安全装置107和第二安全装置108串联设置。第一安全装置107和第二安全装置108起到稳定主梁和稳定后配套的作用，防止发生溜动。

进一步，所述双撑靴机构103包括滑动设置在主梁104上的前撑靴103-1和后撑靴103-2，前撑靴103-1和后撑靴103-2前后并列设置，前撑靴103-1通过第一轴向油缸111与后撑靴103-2相连接，在第一轴向油缸的伸缩作用下，前撑靴能相对后撑靴运动，同样，前撑靴撑紧在洞壁上时，在第一轴向油缸的作用下，主梁能相对前撑靴前后运动。后撑靴103-2与设置在主梁104上的推进油缸105相连接，推进油缸的一端与主梁铰接、另一端与后撑靴相连接，在推进油缸的作用下，后撑靴能相对主梁前后运动，同样，后撑靴撑紧在洞壁上时，在推进油缸的作用下，主梁能相对后撑靴运动。优选地，如图3所示，所述底部支撑105包括设置在主梁104尾部的支撑座105-1，支撑座105-1上铰接有至少一个撑紧油缸105-2，本实施例中采用两个对称设置的撑紧油缸，撑紧油缸通过支撑油缸105-3与支撑座105-1相连接，在支撑油缸的作用下，两个撑紧油缸的支撑位置可以调节，以确保顶撑的稳定性。撑紧油缸105-2的伸缩端设有撑靴板105-4，撑靴板采用与洞壁相匹配的弧形板，提高顶撑稳定性。

进一步，所述第一安全装置107通过第一连接油缸112与主梁104相连接，第二安全装置108通过第二连接油缸113与第一安全装置107相连接，后配套109连接在第二安全装置108上，第一连接油缸112和第二连接油缸113沿轴向设置，既能确保与主梁的快速连接，又能带动后配套进行同步移动。优选地，如图4所示，所述第一安全装置107和第二安全装置108均包括移动架107-1，移动架的底部设有滚轮，便于换步状态下的运动，减小运动阻力。移动架107-1的两侧设有顶推油缸107-2，顶推油缸107-2的伸缩端设有弧形靴板107-3，弧形板与洞壁配合，提高顶撑稳定性。顶推油缸上连接有蓄能器107-4，在异常断电情况下，仍能保证弧形靴板稳定撑紧在洞壁上。

实施例3，一种如实施例2所述的斜井用导洞扩挖TBM的施工方法：步骤如下：S1、TBM破岩掘进时，双撑靴机构103和底部支撑105支撑在洞壁上，中空TBM刀盘100的中空通道2对准导洞，中空TBM刀盘100旋转，在推进系统（推进油缸）的推进力的作用下，中空TBM刀盘100上的滚刀贯入岩石进行破岩；开挖过程产生的渣土在中空通道2内壁上的内刮渣板205和刀盘本体1外沿上的外刮渣板201作用下，进入导洞，实现导洞出渣，刀盘中心位置设置中心刮渣板，TBM从中心出渣，渣料经前期已开挖的导洞出渣，这一特殊设计增大出渣空间的同时减少中心滚刀的消耗，刀盘周边不同于传统的TBM刀盘，不仅设置外侧刮渣板，不设置进渣口，通过中心刮渣板和外侧刮渣板的配合，实现导洞扩挖TBM出渣。

S2、在TBM破岩的过程中，第一安全装置107和第二安全装置108撑紧在洞壁上，在这个阶段，整个系统由双撑靴机构103、第一安全装置107和第二安全装置108共同支撑，抵消总下坡力，防止发生溜动；

S3、一个掘进行程完成后，开始TBM换步，双撑靴机构103和底部支撑105收缩，推进油缸收缩，带动主梁104前移，第一安全装置107撑紧力增加，在这个阶段，整个系统由第一安全装置107和第二安全装置108支撑，确保稳定性；

S4、双撑靴机构103和底部支撑105撑紧洞壁，第一安全装置107收缩并前移；在这个阶段，整个系统由双撑靴机构103、底部支撑105和第二级安全装置108支撑，确保稳定性；

S5、第一安全装置107撑紧洞壁，第二安全装置108收缩并带动后配套109一起前移，在这个阶段，整个系统由双撑靴机构103、底部支撑105和第一安全装置107支撑，完成换步；上述换步过程采用双安全装置，保证TBM掘进换步时的安全。

S6、重复步骤S1~S5，对隧洞进行连续扩挖，直至完成整个导洞的扩挖。

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

1.一种导洞扩挖中空TBM刀盘，其特征在于：包括刀盘本体（1），刀盘本体（1）的中部设有中空通道（2），中空通道为外端开口且底部密封的筒型结构，中空通道与导洞对应；中空通道（2）的内壁上设有内刮渣板（205），刀盘本体（1）前面板的外沿上设有外刮渣板（201），刀盘本体（1）前面板上设有滚刀（202）和喷水口（204）。

2.根据权利要求1所述的导洞扩挖中空TBM刀盘，其特征在于：所述刀盘本体（1）前面板上设有耐磨钢板（203），外刮渣板（201）伸出刀盘本体（1）。

3.根据权利要求1或2所述的导洞扩挖中空TBM刀盘，其特征在于：所述内刮渣板（205）沿中空通道内壁周向均匀倾斜设置，中空通道的内径与导洞（200）的内径一致。

4.一种斜井用导洞扩挖TBM，其特征在于：包括如权利要求1~3任一项所述的中空TBM刀盘（100），还包括连接在盾体（110）上的主梁（104）和主驱动（101），主驱动（101）与中空TBM刀盘（100）相连接，主梁（104）上从前到后依次设有前支护装置（102）、双撑靴机构（103）和底部支撑（105）。

5.根据权利要求4所述的斜井用导洞扩挖TBM，其特征在于：还包括后配套（109），后配套（109）与主梁（104）之间连接有第一安全装置（107）和第二安全装置（108），第一安全装置（107）和第二安全装置（108）串联设置。

6.根据权利要求5所述的斜井用导洞扩挖TBM，其特征在于：所述双撑靴机构（103）包括滑动设置在主梁（104）上的前撑靴（103-1）和后撑靴（103-2），前撑靴（103-1）通过第一轴向油缸（111）与后撑靴（103-2）相连接，后撑靴（103-2）与设置在主梁（104）上的推进油缸相连接。

7.根据权利要求4或5或6所述的斜井用导洞扩挖TBM，其特征在于：所述底部支撑（105）包括设置在主梁（104）尾部的支撑座（105-1），支撑座（105-1）上铰接有至少一个撑紧油缸（105-2），撑紧油缸（105-2）通过支撑油缸（105-3）与支撑座（105-1）相连接，撑紧油缸（105-2）的伸缩端设有撑靴板（105-4）。

8.根据权利要求5所述的斜井用导洞扩挖TBM，其特征在于：所述第一安全装置（107）通过第一连接油缸（112）与主梁（104）相连接，第二安全装置（108）通过第二连接油缸（113）与第一安全装置（107）相连接，后配套（109）连接在第二安全装置（108）上。

9.根据权利要求8所述的斜井用导洞扩挖TBM，其特征在于：所述第一安全装置（107）和第二安全装置（108）均包括移动架（107-1），移动架（107-1）的两侧设有顶推油缸（107-2），顶推油缸（107-2）的伸缩端设有弧形靴板（107-3），且顶推油缸（107-2）上连接有蓄能器（107-4）。

10.一种如权利要求4~9任一项所述的斜井用导洞扩挖TBM的施工方法：其特征在于：步骤如下：S1、TBM破岩掘进时，双撑靴机构（103）和底部支撑（105）支撑在洞壁上，中空TBM刀盘（100）的中空通道（2）对准导洞，中空TBM刀盘（100）旋转，在推进力的作用下，中空TBM刀盘（100）上的滚刀贯入岩石进行破岩；

S2、在TBM破岩的过程中，第一安全装置（107）和第二安全装置（108）撑紧在洞壁上，在这个阶段，整个系统由双撑靴机构（103）、第一安全装置（107）和第二安全装置（108）共同支撑；

S3、一个掘进行程完成后，开始TBM换步，双撑靴机构（103）和底部支撑（105）收缩，推进油缸收缩，带动主梁（104）前移，第一安全装置（107）撑紧力增加，在这个阶段，整个系统由第一安全装置（107）和第二安全装置（108）支撑；

S4、双撑靴机构（103）和底部支撑（105）撑紧洞壁，第一安全装置（107）收缩并前移；在这个阶段，整个系统由双撑靴机构（103）、底部支撑（105）和第二安全装置（108）支撑；

S5、第一安全装置（107）撑紧洞壁，第二安全装置（108）收缩并带动后配套（109）一起前移，在这个阶段，整个系统由双撑靴机构（103）、底部支撑（105）和第一安全装置（107）支撑，完成换步；

S6、重复步骤S1~S5，对隧洞进行连续扩挖。

11.根据权利要求10所述的斜井用导洞扩挖TBM的施工方法，其特征在于：在步骤S1中，TBM破岩掘进时，中空TBM刀盘（100）的中空通道（2）对准导洞，中空TBM刀盘（100）对导洞周围的岩层进行开挖，开挖过程产生的渣土在中空通道（2）内壁上的内刮渣板（205）和刀盘本体（1）外沿上的外刮渣板（201）作用下，进入导洞，实现导洞出渣。