CN113586099A - 一种敞开式tbm施工方法、支护系统及其支护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种敞开式TBM施工方法、支护系统及其支护方法，包括设置在主梁上的回转环，回转环连接有预装钢拱架的钢拱架托架及用于安装管片的管片拼装装置，主梁上还设置有径向撑紧机构，回转环和径向撑紧机构分别通过第一轴向伸缩单元和第二轴向伸缩单元活动设置在主梁上；施工方法包括钢拱架拼装模式、管片拼装模式、钢拱架拼装模式切换到管片拼装模式及管片拼装模式切换到钢拱架拼装模式。本发明在保证传统安装钢拱架的拱架安装功能的同时，增加了管片的安装功能，可实现钢拱架、管片两种拼装模式的自由、快速切换，实现TBM通过不良地质时盾尾形成快速封闭的支护形式；保证TBM设备及人员的安全、提升了不良地质条件下的施工效率，提升了工效。

Description

一种敞开式TBM施工方法、支护系统及其支护方法

技术领域

本发明涉及敞开式TBM技术领域，特别是指一种敞开式TBM施工方法、支护系统及其支护方法。

背景技术

近年来，随着隧道与地下工程的大量建设与施工，极大推动了我国地下工程技术发展，同时也带来了诸多新的技术挑战，大埋深、长距离、大洞径已成为当前隧道工程的主要特点。敞开式TBM施工的优势是护盾长度短、盾尾后部的围岩裸露，便于应用钢拱架+锚杆+应急混喷进行初期支护。但在复杂地质条件下，如遇穿越破碎带、岩爆段等不良地质时，围岩不稳定，可能出现大范围的掉渣、碎石甚至坍塌等现象，撑靴部位也难以提供支反力来满足推进需求，给现场的施工人员及设备安全带来极大的安全威胁。在通过不良地质洞段时，传统施工方法需要采用TBM交叉施工工序，交叉施工工序的增多使掘进效率大大降低，不能发挥敞开式TBM高效、快速的优势。因此，穿越不良地质时，如何提升工效，保证设备高效、安全、快速掘进成为重中之重。

在敞开式TBM盾尾快速地安装管片，形成封闭的支护是一个有效的解决方案。现有的敞开式TBM钢拱架安装装置不能同时满足钢拱架加管片的安装模式。例如申请公布日为2019.05.31、申请公布号为CN109826637A的发明专利申请公开了一种双结构TBM及其施工方法，包括周向设置有盾体推进油缸的护盾，护盾内通过盾体油缸连接有主驱动，主驱动的前部连接有刀盘，主驱动的后部连接有主梁，所述主梁上设置有喷锚支护掘进单元和管片支护掘进单元，喷锚支护掘进单元包括钢拱架拼装机、锚杆钻机和喷砼机械手，锚杆钻机的后方设置有主梁推进油缸，主梁推进油缸的前端铰接在主梁上、后端铰接有撑靴单元，撑靴单元沿主梁的轴线滑动设置，撑靴单元后方的主梁上滑动设置有后支撑单元，管片支护掘进单元包括管片拼装机，管片拼装机、钢拱架拼装机、锚杆钻机和喷砼机械手均设置在护盾的后方。

上述发明专利申请的技术方案虽然可以实现喷锚支护掘进模式与管片支护掘进模式的转换，但是其管片拼装机和钢拱架拼装机一体式设计，同时没有公开具体的结构，一体设计的管片拼装机和钢拱架拼装机存在不足，不仅会占用本就较小的施工空间，影响相对独立的交叉施工工序，进而影响施工进度；而且一体设计的管片拼装机和钢拱架拼装机的位置是固定，不能根据隧道内实际支护需求对特定位置进行特定的支护；且只能设置在护盾外部进行施工，在进行管片预装和钢拱架预装时受护盾外的环境影响大，还存在一定的安全隐患。另外，上述专利申请的技术方案侧重于径向撑紧机构，重点解决径向撑紧机构如何撑紧提供前进反力及如何换步，并不能解决穿越破碎带、岩爆段等不良地质时，如何应对不同位置支护需求进行钢拱架支护和隧道支护的自由切换。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种敞开式TBM施工方法、支护系统及其支护方法，解决了现有敞开式TBM无法应对不同位置支护需求进行钢拱架支护和隧道支护的自由切换且受施工环境影响较大的技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种敞开式TBM施工方法，在需要拼装钢拱架时，将钢拱架固定在位于护盾内的回转环上，控制驱动装置带动回转环旋转，在回转环上依次固定与上个钢拱架相连的钢拱架并拼装成整环，控制径向撑紧机构将整环的钢拱架从回转环上取下，控制径向撑紧机构移动至护盾后方，控制径向撑紧机构将整环的钢拱架顶紧至洞壁完成一榀钢拱架的支护；在需要拼装管片时，在回转环上安装管片拼装装置，控制管片拼装装置抓取管片，控制驱动装置带动回转环旋转至指定环向位置，将随回转环同步旋转的管片与已安装的管片固定连接，重复以上动作使整环中其余管片依次与已安装的管片固定连接。采用该方法，可以在保证传统TBM拼装钢拱架功能的同时，增加管片安装功能，实现了拼装模式的自由转换；保证TBM设备及人员的安全、提升了不良地质条件下的施工效率，提升了工效。

一种敞开式TBM施工方法的支护系统，包括轴向滑动设置在主梁上的支撑环和径向撑紧机构，支撑环和径向撑紧机构均能沿着主梁进行滑动，进而变换位置，满足不同工序、不同工位的操作需求。径向撑紧机构位于支撑环的后方，径向撑紧机构通过径向伸缩，可将支撑环上预装的钢拱架取下。所述支撑环通过驱动装置回转连接有回转环，在驱动装置的作用下，回转环可围绕支撑环周向旋转，回转环连接有钢拱架托架，回转环旋转时可在钢拱架托架上将钢拱架预装成环，便于径向撑紧机构将其取下，径向撑紧机构带动成环的钢拱架沿主梁滑动至安装工位。钢拱架托架可拆卸连接有管片拼装装置，管片拼装装置可以带着抓取的管片随着回转环同步旋转，管片拼装装置可以带着抓取的管片随支撑环沿主梁滑动。径向撑紧机构和支撑环的前极限位置均位于护盾内、后极限位置均位于护盾后方，既能使管片的抓取、钢拱架的预装都能在护盾内进行，同时又能使管片的拼装、钢拱架的拼装都能在任意位置进行。

进一步地，所述支撑环通过第一轴向伸缩单元滑动设置在主梁上，径向撑紧机构通过第二轴向伸缩单元滑动设置在主梁上，通过控制第一轴向伸缩单元和第二轴向伸缩单元，可以便捷地驱动支撑环和径向撑紧机构沿主梁移动位置。

进一步地，所述第一轴向伸缩单元和第二轴向伸缩单元均成对设置，每对第一轴向伸缩单元和每对第二轴向伸缩单元均分别设置在主梁的两侧，既能保证推拉受力的均匀性，使动作更加稳定、流畅，又能充分利用主梁两侧的空间，使整个机构紧凑、节约空间。

进一步地，所述主梁上设置有轴向的行走轨道，所述支撑环和径向撑紧机构通过行走轨道滑动设置在主梁，行走轨道不仅提供拼装管片或钢拱架时的支反力，而且提升了支撑环和径向撑紧机构位置移动的稳定性。

进一步地，所述行走轨道设置有四个，主梁的左右两侧各设置有两个行走轨道，主梁两侧的行走轨道相互对称，同一侧的两个行走轨道上下对称，使其受力更加均匀、动作更加顺畅。

进一步地，所述第一轴向伸缩单元和第二轴向伸缩单元为液压缸机构或齿轮齿条机构或带传动机构或气压缸机构或直线电机机构或电动推杆机构，能够驱动支撑环和径向撑紧机构轴向滑动即可。

进一步地，所述回转环连接有连接板，管片拼装装置包括与连接板相连的提升油缸，提升油缸用于管片在隧道内径向的移动，提升油缸连接有连接梁，连接梁连接有管片抓举总成，抓举总成用于实现管片的抓举及管片姿态的微调。

进一步地，所述连接板对称设置有两个，每个连接板均连接有提升油缸，所述连接梁设置在两个提升油缸之间，既充分利用了回转环内侧的空间，又提升了结构可靠性和稳定性。

进一步地，所述驱动装置包括设置在支撑环上的液压马达或电机，液压马达或电机连接有小齿轮，所述回转环上设置有与小齿轮啮合的齿圈，回转环上设置有与支撑环配合的环形轨道。

进一步地，所述径向撑紧机构连接有工作平台，工作平台包括用于钢拱架连接和管片连接的弧形支撑台，弧形支撑台为钢拱架连接打紧螺栓及钢拱架之间打紧螺栓等作业提供场地，径向撑紧机构通过工作平台滑动设置在主梁上。

一种敞开式TBM施工方法的支护系统的支护方法，包括钢拱架拼装模式、管片拼装模式、钢拱架拼装模式与管片拼装模式的切换，钢拱架拼装模式与管片拼装模式的切换包括钢拱架拼装模式切换到管片拼装模式及管片拼装模式切换到钢拱架拼装模式；

所述钢拱架拼装模式包括以下步骤：

①将首件钢拱架固定在位于护盾内的回转环上；

②控制驱动装置带动回转环旋转；

③在回转环上依次固定与上个钢拱架相连的钢拱架，并拼装成整环；

④控制径向撑紧机构将整环的钢拱架从回转环上取下；

⑤控制第二轴向伸缩单元将径向撑紧机构移动至护盾后方，控制径向撑紧机构将整环的钢拱架顶紧至洞壁完成一榀钢拱架的支护；

所述管片拼装模式包括以下步骤：

⑥待管片输送至拼装区域后，控制管片拼装装置抓取管片；

⑦控制驱动装置带动回转环旋转至指定环向位置，将随回转环同步旋转的管片与已安装的管片固定连接；

⑧重复以上动作使整环中其余管片依次与已安装的管片固定连接；

钢拱架拼装模式切换到管片拼装模式的方式如下：

在回转环的连接板上安装管片拼装装置；连接液压管路及接头、连接电器快速接头、操作系统切换至管片拼装模式；

管片拼装模式切换到钢拱架拼装模式时，操作系统切换至钢拱架拼装模式，断开电气及液压管路，将管片拼装装置从连接板上拆下。

本发明的技术方案的有益效果包括：在保证传统安装钢拱架的拱架安装功能的同时，增加了管片的安装功能，可实现钢拱架、管片两种拼装模式的自由、快速切换，实现TBM通过不良地质时盾尾形成快速封闭的支护形式；保证TBM设备及人员的安全、提升了不良地质条件下的施工效率，提升了工效。

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为本发明的剖视图；

图2为图1中A-A面的截面图；

图3为图1中B-B面的截面图；

图中：1、主梁；2、支撑环；3、回转环；4、驱动装置；5、管片；6、径向撑紧机构；7、工作平台；8、钢拱架；9、第一轴向伸缩单元；10、第二轴向伸缩单元；11、行走轨道；12、连接梁；13、管片拼装装置；14、连接板；15、钢拱架托架；16、护盾；17、提升油缸；18、管片抓举总成。

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。

实施例1，一种敞开式TBM施工方法，如图1所示，本实施例主要涉及包括钢拱架的拼装和管片的拼装。

在需要拼装钢拱架时，将钢拱架8固定在位于护盾16内的回转环3上，控制驱动装置4带动回转环3旋转，在回转环3上依次固定与上个钢拱架8相连的钢拱架8并拼装成整环，控制径向撑紧机构6将整环的钢拱架8从回转环3上取下，控制径向撑紧机构6移动至护盾16后方，控制径向撑紧机构6将整环的钢拱架8顶紧至洞壁完成一榀钢拱架的支护。

在需要拼装管片时，在回转环3上安装管片拼装装置13，控制管片拼装装置13抓取管片5，控制驱动装置4带动回转环3旋转至指定环向位置，将随回转环3同步旋转的管片5与已安装的管片5固定连接，重复以上动作使整环中其余管片5依次与已安装的管片5固定连接。采用该方法，可以在保证传统TBM拼装钢拱架功能的同时，增加管片安装功能，实现了拼装模式的自由转换；保证TBM设备及人员的安全、提升了不良地质条件下的施工效率，提升了工效。

实施例2，一种敞开式TBM施工方法的支护系统，如图1-图3所示，包括轴向滑动设置在主梁1上的支撑环2和径向撑紧机构6，支撑环2和径向撑紧机构6均能沿着主梁1进行滑动，进而变换位置，满足不同工序、不同工位的操作需求。所述径向撑紧机构6连接有工作平台7，工作平台7包括用于钢拱架连接和管片连接的弧形支撑台，弧形支撑台为钢拱架连接打紧螺栓及钢拱架之间打紧螺栓等作业提供场地，径向撑紧机构6通过工作平台7滑动设置在主梁1上。

具体地，所述支撑环2通过第一轴向伸缩单元9滑动设置在主梁1上，径向撑紧机构6通过第二轴向伸缩单元10滑动设置在主梁1上。所述第一轴向伸缩单元9和第二轴向伸缩单元10为液压缸机构或齿轮齿条机构或带传动机构或气压缸机构或直线电机机构或电动推杆机构，能够驱动支撑环2和径向撑紧机构6轴向滑动即可。通过控制第一轴向伸缩单元9和第二轴向伸缩单元10，可以便捷地驱动支撑环2和径向撑紧机构6沿主梁1移动位置。所述主梁1上设置有轴向的行走轨道11，所述支撑环2和径向撑紧机构6通过行走轨道11滑动设置在主梁1，行走轨道11不仅提供拼装管片5或钢拱架8时的支反力，而且提升了支撑环2和径向撑紧机构6位置移动的稳定性。

进一步地，所述第一轴向伸缩单元9和第二轴向伸缩单元10均成对设置，每对第一轴向伸缩单元9和每对第二轴向伸缩单元10均分别设置在主梁1的两侧，既能保证推拉受力的均匀性，使动作更加稳定、流畅，又能充分利用主梁1两侧的空间，使整个机构紧凑、节约空间。

进一步地，所述行走轨道11设置有四个，主梁1的左右两侧各设置有两个行走轨道11，主梁1两侧的行走轨道11相互对称，同一侧的两个行走轨道11上下对称，使其受力更加均匀、动作更加顺畅。

所述径向撑紧机构6位于支撑环2的后方，径向撑紧机构6通过径向伸缩，可将支撑环2上预装的钢拱架8取下。所述支撑环2通过驱动装置4回转连接有回转环3，在驱动装置4的作用下，回转环3可围绕支撑环2周向旋转，回转环3连接有钢拱架托架15。回转环3旋转时可在钢拱架托架15上将钢拱架8预装成环，便于径向撑紧机构6将其取下，径向撑紧机构6带动成环的钢拱架8沿主梁1滑动至安装工位。

所述驱动装置4包括通过驱动支座设置在支撑环2上的液压马达或电机，液压马达或电机连接有小齿轮，所述回转环3上设置有与小齿轮啮合的齿圈，回转环3上设置有与支撑环2配合的环形轨道。

所述钢拱架托架15可拆卸连接有管片拼装装置13，管片拼装装置13可以带着抓取的管片5随着回转环13同步旋转，管片拼装装置13可以带着抓取的管片5随支撑环2沿主梁1滑动。径向撑紧机构6和支撑环2的前极限位置均位于护盾16内、后极限位置均位于护盾16后方，既能使管片5的抓取、钢拱架8的预装都能在护盾16内进行，同时又能使管片5的拼装、钢拱架8的拼装都能在任意位置进行。

具体地，所述回转环3连接有连接板14，管片拼装装置13包括与连接板14相连的提升油缸17，提升油缸17用于管片在隧道内径向的移动，提升油缸17连接有连接梁12，连接梁12连接有管片抓举总成18，抓举总成18用于实现管片5的抓举及管片5姿态的微调。

进一步地，所述连接板14对称设置有两个，每个连接板14均连接有提升油缸17，所述连接梁12设置在两个提升油缸17之间，既充分利用了回转环3内侧的空间，又提升了结构可靠性和稳定性。

实施例3，一种敞开式TBM施工方法的支护系统的支护方法，包括钢拱架拼装模式、管片拼装模式、钢拱架拼装模式与管片拼装模式的切换，钢拱架拼装模式与管片拼装模式的切换包括钢拱架拼装模式切换到管片拼装模式及管片拼装模式切换到钢拱架拼装模式；

所述钢拱架拼装模式包括以下步骤：

①将首件钢拱架8固定在位于护盾16内的回转环3上；

②控制驱动装置4带动回转环3旋转；

③在回转环3上依次固定与上个钢拱架8相连的钢拱架8，并拼装成整环；

④控制径向撑紧机构6将整环的钢拱架8从回转环3上取下；

⑤控制第二轴向伸缩单元10将径向撑紧机构6移动至护盾16后方，控制径向撑紧机构6将整环的钢拱架8顶紧至洞壁完成一榀钢拱架的支护；

所述管片拼装模式包括以下步骤：

⑥待管片5输送至拼装区域后，控制管片拼装装置13抓取管片5；

⑦控制驱动装置4带动回转环3旋转至指定环向位置，将随回转环3同步旋转的管片5与已安装的管片5固定连接；

⑧重复以上动作使整环中其余管片5依次与已安装的管片5固定连接；

钢拱架拼装模式切换到管片拼装模式的方式如下：

在回转环3的连接板14上安装管片拼装装置13；连接液压管路及接头、连接电器快速接头、操作系统切换至管片拼装模式；

管片拼装模式切换到钢拱架拼装模式时，操作系统切换至钢拱架拼装模式，断开电气及液压管路，将管片拼装装置13从连接板14上拆下。

本实施例的机械结构与实施例2相同。

本发明未详尽之处均为本领域技术人员所公知的常规技术手段。

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 (12)

1.一种敞开式TBM施工方法，其特征在于：在需要拼装钢拱架时，将钢拱架（8）固定在位于护盾（16）内的回转环（3）上，控制驱动装置（4）带动回转环（3）旋转，在回转环（3）上依次固定与上个钢拱架（8）相连的钢拱架（8）并拼装成整环，控制径向撑紧机构（6）将整环的钢拱架（8）从回转环（3）上取下，控制径向撑紧机构（6）移动至护盾（16）后方，控制径向撑紧机构（6）将整环的钢拱架（8）顶紧至洞壁完成一榀钢拱架的支护；在需要拼装管片时，在回转环（3）上安装管片拼装装置（13），控制管片拼装装置（13）抓取管片（5），控制驱动装置（4）带动回转环（3）旋转至指定环向位置，将随回转环（3）同步旋转的管片（5）与已安装的管片（5）固定连接，重复以上动作使整环中其余管片（5）依次与已安装的管片（5）固定连接。

2.一种敞开式TBM施工方法的支护系统，其特征在于：包括轴向滑动设置在主梁（1）上的支撑环（2）和径向撑紧机构（6），径向撑紧机构（6）位于支撑环（2）的后方，支撑环（2）通过驱动装置（4）回转连接有回转环（3），回转环（3）连接有钢拱架托架（15），钢拱架托架（15）可拆卸连接有管片拼装装置（13），径向撑紧机构（6）和支撑环（2）的前极限位置均位于护盾（16）内、后极限位置均位于护盾（16）后方。

3.根据权利要求2所述的支护系统，其特征在于：所述支撑环（2）通过第一轴向伸缩单元（9）滑动设置在主梁（1）上，径向撑紧机构（6）通过第二轴向伸缩单元（10）滑动设置在主梁（1）上。

4.根据权利要求3所述的支护系统，其特征在于：所述第一轴向伸缩单元（9）和第二轴向伸缩单元（10）均成对设置，每对第一轴向伸缩单元（9）和每对第二轴向伸缩单元（10）均分别设置在主梁（1）的两侧。

5.根据权利要求3或4所述的支护系统，其特征在于：所述主梁（1）上设置有轴向的行走轨道（11），所述支撑环（2）和径向撑紧机构（6）通过行走轨道（11）滑动设置在主梁（1）。

6.根据权利要求5所述的支护系统，其特征在于：所述行走轨道（11）设置有四个，主梁（1）的左右两侧各设置有两个行走轨道（11），主梁（1）两侧的行走轨道（11）相互对称，同一侧的两个行走轨道（11）上下对称。

7.根据权利要求6所述的支护系统，其特征在于：所述第一轴向伸缩单元（9）和第二轴向伸缩单元（10）为液压缸机构或齿轮齿条机构或带传动机构或气压缸机构或直线电机机构或电动推杆机构。

8.根据权利要求2-4、6-7任一项所述的支护系统，其特征在于：所述回转环（3）连接有连接板（14），管片拼装装置（13）包括与连接板（14）相连的提升油缸（17），提升油缸（17）连接有连接梁（12），连接梁（12）连接有管片抓举总成（18）。

9.根据权利要求8所述的支护系统，其特征在于：所述连接板（14）对称设置有两个，每个连接板（14）均连接有提升油缸（17），所述连接梁（12）设置在两个提升油缸（17）之间。

10.根据权利要求2-4、6-7、9任一项所述的支护系统，其特征在于：所述驱动装置（4）包括设置在支撑环（2）上的液压马达或电机，液压马达或电机连接有小齿轮，所述回转环（3）上设置有与小齿轮啮合的齿圈，回转环（3）上设置有与支撑环（2）配合的环形轨道。

11.根据权利要求10所述的支护系统，其特征在于：所述径向撑紧机构（6）连接有工作平台（7），工作平台（7）包括用于钢拱架连接和管片连接的弧形支撑台，径向撑紧机构（6）通过工作平台（7）滑动设置在主梁（1）上。

12.根据权利要求2-11任一项所述的支护系统的支护方法，其特征在于：包括钢拱架拼装模式、管片拼装模式、钢拱架拼装模式与管片拼装模式的切换，钢拱架拼装模式与管片拼装模式的切换包括钢拱架拼装模式切换到管片拼装模式及管片拼装模式切换到钢拱架拼装模式；

所述钢拱架拼装模式包括以下步骤：

①将首件钢拱架（8）固定在位于护盾（16）内的回转环（3）上；

②控制驱动装置（4）带动回转环（3）旋转；

③在回转环（3）上依次固定与上个钢拱架（8）相连的钢拱架（8），并拼装成整环；

④控制径向撑紧机构（6）将整环的钢拱架（8）从回转环（3）上取下；

⑤控制第二轴向伸缩单元（10）将径向撑紧机构（6）移动至护盾（16）后方，控制径向撑紧机构（6）将整环的钢拱架（8）顶紧至洞壁完成一榀钢拱架的支护；

所述管片拼装模式包括以下步骤：

⑥待管片（5）输送至拼装区域后，控制管片拼装装置（13）抓取管片（5）；⑦控制驱动装置（4）带动回转环（3）旋转至指定环向位置，将随回转环（3）同步旋转的管片（5）与已安装的管片（5）固定连接；

⑧重复以上动作使整环中其余管片（5）依次与已安装的管片（5）固定连接；

钢拱架拼装模式切换到管片拼装模式的方式如下：

在回转环（3）的连接板（14）上安装管片拼装装置（13）；连接液压管路及接头、连接电器快速接头、操作系统切换至管片拼装模式；

管片拼装模式切换到钢拱架拼装模式时，操作系统切换至钢拱架拼装模式，断开电气及液压管路，将管片拼装装置（13）从连接板（14）上拆下。

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