CN112343610A - 一种斜井用导洞扩孔悬切tbm及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种斜井用导洞扩孔悬切TBM及施工方法，解决了现有技术中斜井导洞扩挖效率低的问题。本发明斜井用导洞扩孔悬切TBM，包括中心主梁和悬切扩挖刀盘，中心主梁的前端穿过悬切扩挖刀盘的中心且设有导洞撑靴，中心主梁位于悬切扩挖刀盘后方的部分连接有推进系统、主动撑靴装置和安全撑靴装置，安全撑靴装置的尾部连接有后配套。本发明针对从上向下形式的导洞扩挖，采用悬切扩挖刀盘对导洞周围的岩层进行逐层悬切开挖，提高切削和扩挖效率，悬切扩挖刀盘改变传统TBM滚刀滚压破岩的原理，利用岩石剪切强度远小于单轴抗压强度和临空面破岩的特点，采用悬切滚刀破岩，提高破岩效率和破岩比能。

Description

一种斜井用导洞扩孔悬切TBM及施工方法

技术领域

本发明涉及斜井施工技术领域，特别是指一种斜井用导洞扩孔悬切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，而现有刀盘滚刀破岩主要采用大推力，克服岩石的单轴实现破岩的目的，工作效率低，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，本发明提出一种斜井用导洞扩孔悬切TBM及施工方法，解决了现有技术中斜井导洞扩挖效率低的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种斜井用导洞扩孔悬切TBM，包括中心主梁和悬切扩挖刀盘，中心主梁的前端穿过悬切扩挖刀盘的中心且设有导洞撑靴，中心主梁位于悬切扩挖刀盘后方的部分连接有推进系统、主动撑靴装置和安全撑靴装置，安全撑靴装置的尾部连接有后配套。

所述安全撑靴装置包括移动架，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。

所述移动架通过伸缩连接器与中心主梁相连接，后配套铰接在移动架的尾部。所述主动撑靴装置滑动设置在中心主梁上，推进系统的推进油缸一端与主动撑靴装置连接、另一端与中心主梁连接。所述导洞撑靴滑动设置在中心主梁上，且通过前拉动油缸与中心主梁相连接。

所述悬切扩挖刀盘包括中心盘座，中心盘座的中心设有供中心主梁通过的中空通道，中心盘座的外壁上均布有辐条结构，中心盘座与辐条结构组成锥形镂空体，辐条结构上设有滚刀结构。

所述滚刀结构包括刀具梁，辐条结构上设有沿径向设置的滑槽，刀具梁滑动设置在滑槽内，刀具梁与设置在中心盘座上的径向油缸相连接，刀具梁上设有悬切滚刀。所述悬切滚刀成列设置在刀具梁上，相邻两列悬切滚刀交错设置，同列的悬切滚刀等梯度设置。

同列的相邻两个悬切滚刀的梯度差为20~100mm，悬切滚刀刀刃方向与掌子面所成角度α=10~40°。所述中空通道的直径小于导洞的直径，辐条结构的背面设有刀盘椎板和刀盘支撑。

所述中心盘座为多边形筒体，多边形筒体的前端面上设有滚刀，辐条结构分别固定在多边形筒体相应的边上，相邻两个辐条结构之间形成出渣口。

一种所述的斜井用导洞扩孔悬切TBM的施工方法，步骤如下：S1：将导洞撑靴与导洞对正且撑紧在导洞内壁上，TBM破岩掘进时，悬切扩挖刀盘旋转，悬切扩挖刀盘上的悬切刀对掌子面进行临空面切削；

S2：在TBM破岩的过程中，主动撑靴和安全撑靴装置支撑在洞壁上，在这个阶段，整个系统由导洞撑靴、主动撑靴和安全撑靴装置共同支撑；

S3：一个掘进行程完成后，开始TBM换步，主动撑靴收缩，推进系统油缸收缩，带动中心主梁前移，导洞撑靴撑紧力增加，在这个阶段，整个系统由导洞撑靴和安全撑靴装置支撑；

S4：TBM主动撑靴撑紧洞壁，导洞撑靴收缩并前移，在这个阶段，整个系统由TBM的主动撑靴和安全撑靴装置支撑；

S5：TBM主动撑靴撑紧洞壁，导洞撑靴撑紧洞壁，安全撑靴装置靴收缩并带动后配套一起前移，在这个阶段，整个系统由TBM的主动撑靴和导洞撑靴支撑；

S6：换步过程完成，TBM导洞撑靴、主动撑靴和安全撑靴装置再次撑紧洞壁，进行下一循环掘进。

所述在步骤S1中，TBM破岩掘进前，根据需要扩挖的隧洞直径，通过径向油缸调节刀具梁在辐条结构上的位置，形成符合要求的开挖轮廓；TBM破岩掘进时，不同的刀间距对掌子面进行逐层临空面切削，形成悬切掘进；掘进过程产生的渣土在悬切扩挖刀盘上倾斜设置的悬切滚刀作用和重力作用下，进入导洞，通过导洞出渣。

本发明针对从上向下形式的导洞扩挖，采用悬切扩挖刀盘对导洞周围的岩层进行逐层悬切开挖，提高切削和扩挖效率，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。悬切扩挖刀盘改变传统TBM滚刀滚压破岩的原理，利用岩石剪切强度远小于单轴抗压强度和临空面破岩的特点，采用悬切滚刀破岩，提高破岩效率和破岩比能。辐条结构设计使每个刀具梁可沿刀盘径向方向伸缩移动一定范围，实现临空面切削；不设置进渣口，实现导洞高效出渣，提高施工效率。

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为本发明整体结构示意图。

图2为本发明悬切扩挖刀盘主视示意图。

图3为本发明悬切扩挖刀盘内部结构示意图。

图4为本发明安全撑靴装置示意图。

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1所示，实施例1，一种斜井用导洞扩孔悬切TBM，包括中心主梁108和悬切扩挖刀盘102，悬切扩挖刀盘102通过回转机构与中心主梁相连接，然后刀盘在主驱动103的作用下，能相对中心主梁转动，主驱动设置在中心主梁108上。中心主梁108的前端穿过悬切扩挖刀盘102的中心且中心主梁108的前端设有导洞撑靴101，施工过程中导洞撑靴撑紧在导洞的内壁上。中心主梁108位于悬切扩挖刀盘102后方的部分依次连接有推进系统109、主动撑靴装置104和安全撑靴装置106，安全撑靴装置106的尾部连接有后配套107。推进系统采用若干个轴向伸缩的推进油缸，推进油缸沿周向设置在中心主梁上，提供整个TBM系统向前掘进的动力。后配套上与现有盾构一样设置相应的辅助装置，安全撑靴装置配合使用对中心主梁进行支撑，有效起到防溜车现象。

进一步，如图4所示，所述安全撑靴装置106包括移动架106-1，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106-1的两侧设有顶推油缸106-2，顶推油缸106-2堆成设置在移动架上，两者之间的夹角为180度。顶推油缸106-2的伸缩端设有弧形靴板106-3，弧形板与洞壁配合，提高顶撑稳定性。顶推油缸106-2上连接有蓄能器106-4。在异常断电情况下，仍能保证弧形靴板稳定撑紧在洞壁上。所述移动架106-1通过伸缩连接器105与中心主梁108相连接，后配套107铰接在移动架106-1的尾部。伸缩连接器105采用伸缩油缸，便于与移动架的有效快速连接，同时，在换步过程中，带动后配套向前运动。

进一步，所述主动撑靴装置104滑动设置在中心主梁108上，主动撑靴104与现有撑靴雷同，即滑动设置在中心主梁上，并通过油缸撑紧在隧道洞壁上。推进系统109的推进油缸一端与主动撑靴装置104连接、另一端与中心主梁108连接。在掘进过程中推动刀盘向前掘进。所述导洞撑靴101滑动设置在中心主梁108上，且通过前拉动油缸110与中心主梁108相连接。换步过程中，前拉动油缸能带动导洞撑靴相对中心主梁运动，导洞撑靴撑紧在导洞内壁上时，中心主梁在前拉动油缸作用下相对中心主梁108运动。

如图2所示，实施例2，一种斜井用导洞扩孔悬切TBM，所述悬切扩挖刀盘102包括中心盘座204，中心盘座204的中心设有供中心主梁108通过的中空通道206，形成厚壁筒结构。中心盘座204的外壁上均布有辐条结构202，辐条结构202等角度设置在中心盘座204的外壁上。中心盘座204与辐条结构202组成锥形镂空体，既能保证对掌子面的逐层开挖，又能保证渣土顺利进入导洞。辐条结构202上设有滚刀结构，滚刀结构能相对辐条结构202运动，改变径向切削半径，用于对导洞不同直径扩挖。

进一步，如图3所示，所述滚刀结构包括刀具梁201，辐条结构202上设有沿径向设置的滑槽207，刀具梁201滑动设置在滑槽207内，刀具梁201与设置在中心盘座204上的径向油缸203相连接，在径向油缸的作用下，刀具梁能在滑槽中滑动，调节刀具梁在径向的位置，进而改变切削面积。刀具梁201上设有悬切滚刀205，悬切滚刀的数量根据需要设置，确保对导洞周围的岩层的高效扩挖。

进一步，所述悬切滚刀205成列设置在刀具梁201上，相邻两列悬切滚刀205交错设置，切削轮廓形成不同直径的同心圆，提高切削效率，同列的悬切滚刀205等梯度设置。同列的相邻两个悬切滚刀205的梯度差为20~100mm，优选为40mm或60mm，悬切滚刀205刀刃方向与掌子面所成角度α=10~40°，刀具梁可沿刀盘径向方向伸缩移动一定范围，不同的刀间距的悬切滚刀对掌子面进行切削，使掌子面形成不同临空面，使悬切滚刀对临空面进行切削实现临空面切削。传统TBM滚刀破岩主要采用大推力，为克服岩石的单轴实现破岩的目的，导洞扩孔悬切TBM改变传统TBM滚刀滚压破岩的原理，利用岩石剪切强度远小于单轴抗压强度和临空面破岩的特点，采用悬切滚刀破岩，提高破岩效率和破岩比能。

进一步，所述中空通道212的直径小于导洞200的直径，确保中心盘座211上的滚刀能对导洞周围的岩层进行全面开挖。辐条结构202的背面设有刀盘椎板209和刀盘支撑208，提高悬切扩挖刀盘整体的强度和稳定性。所述中心盘座204为多边形筒体，多边形筒体的前端面上根据需要也可设有滚刀，提高切削效率，辐条结构202分别固定在多边形筒体相应的边上，相邻两个辐条结构202之间形成出渣口，渣土在倾斜设置的悬切滚刀的作用下，顺利进入导洞，然后渣土在重力作用下从导洞向下滑落，完成导洞主动出渣。本实施例采用六边形筒体，刀盘形成六辐条结构设计，对掌子面进行悬切开挖。其他结构与实施例1相同。

实施例3：一种如实施例2所述的斜井用导洞扩孔悬切TBM的施工方法，步骤如下：S1：将导洞撑靴101与导洞200对正且撑紧在导洞内壁上，TBM破岩掘进时，悬切扩挖刀盘102旋转，悬切扩挖刀盘102上的悬切刀对掌子面进行临空面切削。TBM破岩掘进前，根据需要扩挖的隧洞直径，通过径向油缸203调节刀具梁201在辐条结构202上的位置，形成符合要求的开挖轮廓；TBM破岩掘进时，不同的刀间距对掌子面进行逐层临空面切削，形成悬切掘进；掘进过程产生的渣土在悬切扩挖刀盘102上倾斜设置的悬切滚刀205作用和重力作用下，进入导洞，通过导洞出渣。

S2：在TBM破岩的过程中，主动撑靴104和安全撑靴装置106支撑在洞壁上，在这个阶段，整个系统由导洞撑靴101、主动撑靴104和安全撑靴装置106共同支撑，防止施工过程中出现溜车现象。

S3：一个掘进行程完成后，开始TBM换步，主动撑靴104收缩，推进系统油缸收缩，带动中心主梁108相对导洞撑靴向前移动，导洞撑靴101撑紧力增加，提高撑紧力；伸缩连接器同步伸缩，保证后配套的相对静止，在这个阶段，整个系统由导洞撑靴101和安全撑靴装置106支撑；

S4：TBM主动撑靴104撑紧洞壁，导洞撑靴101收缩在前拉动油缸作用下向前移动，在这个阶段，整个系统由TBM的主动撑靴104和安全撑靴装置106支撑；

S5：TBM主动撑靴104撑紧洞壁，导洞撑靴101撑紧洞壁，安全撑靴装置106靴收缩并在伸缩连接器的作用下带动后配套一起前移，在这个阶段，整个系统由TBM的主动撑靴104和导洞撑靴101支撑；

S6：换步过程完成，TBM导洞撑靴101、主动撑靴104和安全撑靴装置106再次撑紧洞壁，进行下一循环掘进。

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 (11)

1.一种斜井用导洞扩孔悬切TBM，其特征在于：包括中心主梁（108）和悬切扩挖刀盘（102），中心主梁（108）的前端穿过悬切扩挖刀盘（102）的中心且设有导洞撑靴（101），中心主梁（108）位于悬切扩挖刀盘（102）后方的部分连接有推进系统（109）、主动撑靴装置（104）和安全撑靴装置（106），安全撑靴装置（106）的尾部连接有后配套（107）。

2.根据权利要求1所述的斜井用导洞扩孔悬切TBM，其特征在于：所述安全撑靴装置（106）包括移动架（106-1），移动架（106-1）的两侧设有顶推油缸（106-2），顶推油缸（106-2）的伸缩端设有弧形靴板（106-3），且顶推油缸（106-2）上连接有蓄能器（106-4）。

3.根据权利要求2所述的斜井用导洞扩孔悬切TBM，其特征在于：所述移动架（106-1）通过伸缩连接器（105）与中心主梁（108）相连接，后配套（107）铰接在移动架（106-1）的尾部。

4.根据权利要求1~3任一项所述的斜井用导洞扩孔悬切TBM，其特征在于：所述主动撑靴装置（104）滑动设置在中心主梁（108）上，推进系统（109）的推进油缸一端与主动撑靴装置（104）连接、另一端与中心主梁（108）连接。

5.根据权利要求4所述的斜井用导洞扩孔悬切TBM，其特征在于：所述导洞撑靴（101）滑动设置在中心主梁（108）上，且通过前拉动油缸（110）与中心主梁（108）相连接。

6.根据权利要求1~3、5任一项所述的斜井用导洞扩孔悬切TBM，其特征在于：所述悬切扩挖刀盘（102）包括中心盘座（204），中心盘座（204）的中心设有供中心主梁（108）通过的中空通道（206），中心盘座（204）的外壁上均布有辐条结构（202），中心盘座（204）与辐条结构（202）组成锥形镂空体，辐条结构（202）上设有滚刀结构。

7.根据权利要求6所述的斜井用导洞扩孔悬切TBM，其特征在于：所述滚刀结构包括刀具梁（201），辐条结构（202）上设有沿径向设置的滑槽（207），刀具梁（201）滑动设置在滑槽（207）内，刀具梁（201）与设置在中心盘座（204）上的径向油缸（203）相连接，刀具梁（201）上设有悬切滚刀（205）。

8.根据权利要求7所述的斜井用导洞扩孔悬切TBM，其特征在于：所述悬切滚刀（205）成列设置在刀具梁（201）上，相邻两列悬切滚刀（205）交错设置，同列的悬切滚刀（205）等梯度设置；同列的相邻两个悬切滚刀（205）的梯度差为20~100mm，悬切滚刀（205）刀刃方向与掌子面所成角度α=10~40°。

9.根据权利要求7或8所述的斜井用导洞扩孔悬切TBM，其特征在于：所述中空通道（206）的直径小于导洞（200）的直径，辐条结构（202）的背面设有刀盘椎板（209）和刀盘支撑（208）；所述中心盘座（204）为多边形筒体，多边形筒体的前端面上设有滚刀，辐条结构（202）分别固定在多边形筒体相应的边上，相邻两个辐条结构（202）之间形成出渣口。

10.一种如权利要求1~9任一项所述的斜井用导洞扩孔悬切TBM的施工方法，其特征在于：步骤如下：S1：将导洞撑靴（101）与导洞（200）对正且撑紧在导洞内壁上，TBM破岩掘进时，悬切扩挖刀盘（102）旋转，悬切扩挖刀盘（102）上的悬切刀对掌子面进行临空面切削；

S2：在TBM破岩的过程中，主动撑靴（104）和安全撑靴装置（106）支撑在洞壁上，在这个阶段，整个系统由导洞撑靴（101）、主动撑靴（104）和安全撑靴装置（106）共同支撑；

S3：一个掘进行程完成后，开始TBM换步，主动撑靴（104）收缩，推进系统油缸收缩，带动中心主梁（108）前移，导洞撑靴（101）撑紧力增加，在这个阶段，整个系统由导洞撑靴（101）和安全撑靴装置（106）支撑；

S4：TBM主动撑靴（104）撑紧洞壁，导洞撑靴（101）收缩并前移，在这个阶段，整个系统由TBM的主动撑靴（104）和安全撑靴装置（106）支撑；

S5：TBM主动撑靴（104）撑紧洞壁，导洞撑靴（101）撑紧洞壁，安全撑靴装置（106）靴收缩并带动后配套一起前移，在这个阶段，整个系统由TBM的主动撑靴（104）和导洞撑靴（101）支撑；

S6：换步过程完成，TBM导洞撑靴（101）、主动撑靴（104）和安全撑靴装置（106）再次撑紧洞壁，进行下一循环掘进。

11.根据权利要求10所述的斜井用导洞扩孔悬切TBM的施工方法，其特征在于：所述在步骤S1中，TBM破岩掘进前，根据需要扩挖的隧洞直径，通过径向油缸（203）调节刀具梁（201）在辐条结构（202）上的位置，形成符合要求的开挖轮廓；TBM破岩掘进时，不同的刀间距对掌子面进行逐层临空面切削，形成悬切掘进；掘进过程产生的渣土在悬切扩挖刀盘（102）上倾斜设置的悬切滚刀（205）作用和重力作用下，进入导洞，通过导洞出渣。

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