CN112343611A

CN112343611A - 一种斜井用导洞扩孔tbm及施工方法

Info

Publication number: CN112343611A
Application number: CN202011568979.4A
Authority: CN
Inventors: 宁向可; 于庆增; 张喜冬; 秦庆华; 张啸
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: 2021-02-09
Anticipated expiration: 2040-12-26
Also published as: CN112343611B

Abstract

本发明公开了一种斜井用导洞扩孔TBM及施工方法，解决了现有技术中斜井施工效率低的问题。本发明斜井用导洞扩孔TBM，包括装机鞍架和锥形扩挖刀盘，装机鞍架的前端穿过锥形扩挖刀盘且设有导洞撑靴，装机鞍架位于锥形扩挖刀盘后方的部分连接有后部撑靴机构和后配套。优选地，所述导洞撑靴滑动设置在装机鞍架上，且通过前拉动油缸与装机鞍架相连接。本发明针对从上向下形式的导洞扩挖，采用锥形扩挖刀盘对导洞周围的岩层进行逐层开挖，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。

Description

一种斜井用导洞扩孔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，而现有刀盘在斜井施工中工作效率低，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TBM及施工方法，解决了现有技术中斜井施工效率低的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种斜井用导洞扩孔TBM，包括装机鞍架和锥形扩挖刀盘，装机鞍架的前端穿过锥形扩挖刀盘且设有导洞撑靴，装机鞍架位于锥形扩挖刀盘后方的部分连接有后部撑靴机构和后配套。优选地，所述导洞撑靴滑动设置在装机鞍架上，且通过前拉动油缸与装机鞍架相连接。

进一步，所述装机鞍架上还设有主驱动和推进系统，主驱动与锥形扩挖刀盘相连接，推进系统位于主驱动和后部撑靴机构之间。

进一步，所述后部撑靴机构包括主动撑靴和底部撑靴，底部撑靴位于装机鞍架的尾部，后配套通过连接机构与底部撑靴相连接。所述底部撑靴包括设置在装机鞍架尾部的支撑座，支撑座通过轴向油缸与装机鞍架滑动连接，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，所述锥形扩挖刀盘包括中心盘座，中心盘座的中心设有供装机鞍架通过的中空通道，中空通道的直径小于导洞的直径，中心盘座的外壁上均布有筋板，中心盘座与筋板组成锥形镂空体；相邻两个筋板通过可拆卸支撑梁相连接，筋板和中心盘座的前端面上设有滚刀。优选地，所述中心盘座为多边形筒体，筋板分别固定在多边形筒体相应的边上，筋板外端的侧壁上设有刮渣部件，筋板内端的侧壁上设有辅助滚刀，至少一个筋板上设有超挖滚刀部件。

进一步，所述刮渣部件包括固定架，固定架的外侧设有溜渣槽，溜渣槽内设有溜渣筋板，固定架的内侧设有防撞板。所述超挖滚刀部件包括固定在筋板上的支架，支架上设有伸缩油缸，伸缩油缸的伸缩端固定有刀座，刀座上设有多刃超挖滚刀。

一种所述的斜井用导洞扩孔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，锥形扩挖刀盘旋转，在推进力的作用下，锥形扩挖刀盘上的滚刀贯入岩石进行破岩；

S2、在TBM破岩的过程中，主动撑靴和底部撑靴支撑在洞壁上，在这个阶段，整个系统由TBM的主动撑靴、底部撑靴和导洞撑靴共同支撑；

S3、一个掘进行程完成后，开始TBM换步，主动撑靴收缩，推进系统收缩，带动装机鞍架前移，导洞撑靴撑紧力增加，在这个阶段，整个系统由导洞撑靴和底部撑靴支撑；

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的主动撑靴和底部撑靴支撑；

S5、TBM主动撑靴撑紧洞壁，导洞撑靴撑紧洞壁，底部撑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，完成TBM换步；

S6、换步过程完成，TBM主动撑靴、导洞撑靴和底部撑靴再次撑紧洞壁，进行下一循环掘进。

在步骤S1中，TBM破岩掘进时，锥形扩挖刀盘的超挖滚刀部件伸出对导洞周围的岩层进行超前开挖，然后锥形扩挖刀盘上的滚刀对导洞周围的岩层进行再次开挖，开挖过程产生的渣土在锥形扩挖刀盘的刮渣部件作用和重力作用下，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，采用锥形扩挖刀盘对导洞周围的岩层进行逐层开挖，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。装机鞍架的前部设有导洞撑靴，导洞撑靴与后部撑靴机构配合，提高整个系统的切削和换步稳定性，且有效起到防溜作用，提高施工安全性。

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为本发明锥形扩挖刀盘主视示意图。

图3为本发明刮渣部件局部放大图。

图4为图3中A-A向视图。

图5为本发明超挖滚刀部件结构示意图。

图6为本发明底部撑靴结构示意图。

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1所示，实施例1，一种斜井用导洞扩孔TBM，包括装机鞍架108和锥形扩挖刀盘102，锥形扩挖刀盘102通过回转机构与装机鞍架相连接，然后刀盘在主驱动的作用下，能相对装机鞍架转动。装机鞍架108的前端穿过锥形扩挖刀盘102且设有导洞撑靴101，施工过程中导洞撑靴撑紧在导洞的内壁上。所述导洞撑靴101滑动设置在装机鞍架108上，且通过前拉动油缸110与装机鞍架108相连接。换步过程中，前拉动油缸能带动导洞撑靴相对装机鞍架运动，导洞撑靴撑紧在导洞内壁上时，装机鞍架在前拉动油缸作用下相对装机鞍架108运动。装机鞍架108位于锥形扩挖刀盘102后方的部分连接有后部撑靴机构和后配套107。后配套上与现有盾构一样设置相应的辅助装置，后部撑靴机构配合使用对装机鞍架进行支撑，有效起到防溜车现象。

进一步，所述装机鞍架108上还设有主驱动103和推进系统109，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装机鞍架上，提供整个TBM系统向前掘进的动力。主驱动103与锥形扩挖刀盘102相连接，为锥形扩挖刀盘102提供旋转动力，推进系统位于主驱动103和后部撑靴机构之间，机构紧凑，提高掘进稳定性。优选地，所述后部撑靴机构包括主动撑靴104和底部撑靴105，主动撑靴104与现有撑靴雷同，即滑动设置在装机鞍架上，并通过油缸撑紧在隧道洞壁上。底部撑靴105位于装机鞍架108的尾部，也与装机鞍架滑动连接，后配套107通过连接机构106与底部撑靴105相连接，连接机构可采用伸缩油缸，便于与后配合和底部撑靴的连接。

进一步，如图6所示，所述底部撑靴105包括设置在装机鞍架108尾部的支撑座105-1，支撑座105-1通过轴向油缸105-5与装机鞍架108滑动连接，底部撑靴收缩状态时，通过轴向油缸带动后配套相对装机鞍架运动，顺利完成换步。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105-2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，两个撑紧油缸能绕铰接点转动，进而实现撑紧油缸的支撑位置的调节，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。

如图2所示，实施例2，一种斜井用导洞扩孔TBM，所述锥形扩挖刀盘102包括中心盘座211，中心盘座211的中心设有供装机鞍架108通过的中空通道212，形成厚壁筒结构，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。中心盘座211的外壁上均布有筋板201，筋板等角度连接在中心盘座上，中心盘座211与筋板201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。相邻两个筋板201通过可拆卸支撑梁205相连接，提高锥形扩挖刀盘整体的强度和稳定性，筋板201和中心盘座211的前端面上设有滚刀202，滚刀均布在筋板201和中心盘座211上，确保对导洞周围的岩层的扩挖。

进一步，如图3所示，所述中心盘座211为多边形筒体，多边形筒体优选为五边形筒体或六边形筒体，筋板201分别固定在多边形筒体相应的边上，保证刀盘整体强度。筋板201外端的侧壁上设有刮渣部件203，刮渣部件的朝向相同，便于对渣土的刮送。筋板201内端的侧壁上设有辅助滚刀206，辅助滚动通过刀架固定在筋板的侧壁上，任两个小面板之间布置若干把辅助滚刀206。至少一个筋板上设有超挖滚刀部件204，超挖滚刀部件伸出滚刀202，对掌子面进行超前切削，然后滚刀对掌子面进行再次挤压切削，提高切削效率。

进一步，如图4所示，所述刮渣部件203包括固定架209，固定架通过螺栓固定在筋板上，固定架209的外侧设有溜渣槽207，溜渣槽207内设有溜渣筋板208，便于将渣土推送到导洞内。固定架209的内侧设有防撞板210，防止岩块与筋板的发生碰撞。优选地，如图5所示，所述超挖滚刀部件204包括固定在筋板201上的支架204-3，支架位于筋板201的外端，支架204-3上固定设有伸缩油缸204-2，伸缩油缸204-2的伸缩端固定有刀座204-4，刀座204-4上设有多刃超挖滚刀204-1，伸缩油缸伸缩带动刀座和多刃超挖滚刀204-1前后运动，调节伸出筋板的距离，以适应不同开挖岩层。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，通过刮渣部件实现导洞扩挖TBM出渣。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，为TBM提供稳定支撑；TBM破岩掘进时，锥形扩挖刀盘102旋转，在推进力的作用下，锥形扩挖刀盘102上的滚刀贯入岩石进行破岩。TBM破岩掘进时，锥形扩挖刀盘102的超挖滚刀部件204伸出对导洞周围的岩层进行超前开挖，然后锥形扩挖刀盘102上的滚刀对导洞周围的岩层进行再次逐层开挖，开挖过程产生的渣土在锥形扩挖刀盘102的刮渣部件203作用和重力作用下，进入导洞，通过导洞出渣，增大内部空间。

S2、在TBM破岩的过程中，主动撑靴104和底部撑靴105支撑在洞壁上，在这个阶段，整个系统由TBM的主动撑靴104、底部撑靴105和导洞撑靴101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，主动撑靴104收缩，推进系统收缩，带动装机鞍架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和底部撑靴105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和底部撑靴105支撑；

S5、TBM主动撑靴104撑紧洞壁，导洞撑靴101撑紧洞壁，底部撑靴105收缩并通过前拉动油缸带动后配套107一起前移，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，完成TBM换步；

S6、换步过程完成，TBM主动撑靴104、导洞撑靴101和底部撑靴105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

1.一种斜井用导洞扩孔TBM，其特征在于：包括装机鞍架（108）和锥形扩挖刀盘（102），装机鞍架（108）的前端穿过锥形扩挖刀盘（102）且设有导洞撑靴（101），装机鞍架（108）位于锥形扩挖刀盘（102）后方的部分连接有后部撑靴机构和后配套（107）。

2.根据权利要求1所述的斜井用导洞扩孔TBM，其特征在于：所述装机鞍架（108）上还设有主驱动（103）和推进系统（109），主驱动（103）与锥形扩挖刀盘（102）相连接，推进系统位于主驱动（103）和后部撑靴机构之间。

3.根据权利要求2所述的斜井用导洞扩孔TBM，其特征在于：所述后部撑靴机构包括主动撑靴（104）和底部撑靴（105），底部撑靴（105）位于装机鞍架（108）的尾部，后配套（107）通过连接机构（106）与底部撑靴（105）相连接。

4.根据权利要求3所述的斜井用导洞扩孔TBM，其特征在于：所述底部撑靴（105）包括设置在装机鞍架（108）尾部的支撑座（105-1），支撑座（105-1）通过轴向油缸（105-5）与装机鞍架（108）滑动连接，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）。

5.根据权利要求1~4任一项所述的斜井用导洞扩孔TBM，其特征在于：所述锥形扩挖刀盘（102）包括中心盘座（211），中心盘座（211）的中心设有供装机鞍架（108）通过的中空通道（212），中空通道（212）的直径小于导洞（200）的直径，中心盘座（211）的外壁上均布有筋板（201），中心盘座（211）与筋板（201）组成锥形镂空体；相邻两个筋板（201）通过可拆卸支撑梁（205）相连接，筋板（201）和中心盘座（211）的前端面上设有滚刀（202）。

6.根据权利要求5所述的斜井用导洞扩孔TBM，其特征在于：所述中心盘座（211）为多边形筒体，筋板（201）分别固定在多边形筒体相应的边上，筋板（201）外端的侧壁上设有刮渣部件（203），筋板（201）内端的侧壁上设有辅助滚刀（206），至少一个筋板上设有超挖滚刀部件（204）。

7.根据权利要求6所述的斜井用导洞扩孔TBM，其特征在于：所述刮渣部件（203）包括固定架（209），固定架（209）的外侧设有溜渣槽（207），溜渣槽（207）内设有溜渣筋板（208），固定架（209）的内侧设有防撞板（210）。

8.根据权利要求6所述的斜井用导洞扩孔TBM，其特征在于：所述超挖滚刀部件（204）包括固定在筋板（201）上的支架（204-3），支架（204-3）上设有伸缩油缸（204-2），伸缩油缸（204-2）的伸缩端固定有刀座（204-4），刀座（204-4）上设有多刃超挖滚刀（204-1）。

9.根据权利要求1~4、6~8任一项所述的斜井用导洞扩孔TBM，其特征在于：所述导洞撑靴（101）滑动设置在装机鞍架（108）上，且通过前拉动油缸（110）与装机鞍架（108）相连接。

10.一种如权利要求1~9任一项所述的斜井用导洞扩孔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，锥形扩挖刀盘（102）旋转，在推进力的作用下，锥形扩挖刀盘（102）上的滚刀贯入岩石进行破岩；

S2、在TBM破岩的过程中，主动撑靴（104）和底部撑靴（105）支撑在洞壁上，在这个阶段，整个系统由TBM的主动撑靴（104）、底部撑靴（105）和导洞撑靴（101）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，推进系统收缩，带动装机鞍架（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）和底部撑靴（105）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）和底部撑靴（105）支撑；

S5、TBM主动撑靴（104）撑紧洞壁，导洞撑靴（101）撑紧洞壁，底部撑靴（105）收缩并带动后配套（107）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，完成TBM换步；

S6、换步过程完成，TBM主动撑靴（104）、导洞撑靴（101）和底部撑靴（105）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TBM的施工方法，其特征在于：在步骤S1中，TBM破岩掘进时，锥形扩挖刀盘（102）的超挖滚刀部件（204）伸出对导洞周围的岩层进行超前开挖，然后锥形扩挖刀盘（102）上的滚刀对导洞周围的岩层进行再次开挖，开挖过程产生的渣土在锥形扩挖刀盘（102）的刮渣部件（203）作用和重力作用下，进入导洞，通过导洞出渣。