CN116591700B - 一种适用软岩隧道和岩爆隧道tbm系统及施工方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及隧道施工技术领域，特别涉及一种适用软岩隧道和岩爆隧道TBM系统及施工方法。一种适用软岩隧道和岩爆隧道TBM系统，包括主梁，设置在主梁上的刀盘、护盾、第一推进系统、第二推进系统、管片安装系统、锚杆钻机系统，以及锚网储存系统；刀盘可中心旋转地设置在主梁前端，用于破碎掌子面围岩，刀盘、主梁同轴设置；护盾设置在刀盘后侧并固定套设在主梁外周；TBM系统具有两种在掘进过程中可相互转换的工作模式，包括：软岩隧道掘进模式、硬岩隧道掘进模式；锚网储存系统用于储存锚网且至少具备一个锚网自由端，锚网储存系统与锚杆钻机系统锚固配合，实现沿隧道轴向的锚网自动铺设。

Description

一种适用软岩隧道和岩爆隧道TBM系统及施工方法

技术领域

本申请涉及隧道施工技术领域，特别涉及一种适用软岩隧道和岩爆隧道TBM系统及施工方法。

背景技术

在许多地下工程施工过程中，待掘进地层的地质状况往往比较复杂，常出现软岩地层、硬岩地层连续过渡、交叉的情况。在软岩地层的隧道开挖过程中，由于围岩强度低以及初次支护强度不足，使得围岩发生大变形或塌方，进而威胁TBM的正常掘进，造成卡机灾害，成为限制软岩隧道TBM施工的主要难题；而在硬岩地层的隧道开挖过程中，则面临大埋深和高应力等因素，加之TBM掘进过程的机械扰动极易诱发岩爆瞬时大变形，往往由于支护不及时造成较大损害。单一掘进模式与支护模式的传统TBM系统灵活度较差，且支护速度较慢，适用范围较窄，已无法满足现代施工需求。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本申请的目的在于提供一种适用软岩隧道和岩爆隧道TBM系统及施工方法，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。

为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

一种适用软岩隧道和岩爆隧道TBM系统，包括主梁，设置在主梁上的刀盘、护盾、第一推进系统、第二推进系统、管片安装系统、锚杆钻机系统，以及锚网储存系统；

所述刀盘可中心旋转地设置在主梁前端，用于破碎掌子面围岩，所述刀盘、主梁同轴设置；所述护盾设置在刀盘后侧并固定套设在主梁外周；

所述TBM系统具有两种在掘进过程中可相互转换的工作模式，包括：

软岩隧道掘进模式：所述第一推进系统为TBM系统提供推进动力，所述管片安装系统、锚杆钻机系统对隧道内壁进行支护；

硬岩隧道掘进模式：所述第二推进系统为TBM系统提供推进动力，所述锚杆钻机系统、锚网储存系统对隧道内壁进行支护；

所述锚网储存系统用于储存锚网且至少具备一个锚网自由端，所述锚网储存系统与锚杆钻机系统锚固配合，随TBM系统掘进，实现沿隧道轴向的锚网自动铺设。

如上所述的一种适用软岩隧道和岩爆隧道TBM系统，优选地，所述管片安装系统设置在护盾后端，所述管片安装系统可周向旋转地设置在主梁外周；

所述锚网储存系统沿主梁外周方向设置，且位于护盾与锚杆钻机系统之间；

所述锚杆钻机系统设置在所述管片安装系统后端，所述锚杆钻机系统可周向旋转地设置在主梁外周；

所述锚网储存系统的周向铺设范围与岩爆区域保持一致。

如上所述的一种适用软岩隧道和岩爆隧道TBM系统，优选地，所述管片周向设置有预留孔，所述锚杆钻机系统穿过所述预留孔对隧道内壁进行锚固。

如上所述的一种适用软岩隧道和岩爆隧道TBM系统，优选地，还包括加固系统，所述加固系统位于锚杆钻机系统后侧，所述加固系统可周向旋转地设置在主梁外周，用于对隧道内壁进行二次加固。

如上所述的一种适用软岩隧道和岩爆隧道TBM系统，优选地，所述锚杆钻机系统的周向锚固范围与所述锚网储存系统的周向铺设范围保持一致。

如上所述的一种适用软岩隧道和岩爆隧道TBM系统，优选地，沿所述主梁的轴向依次设置多个锚杆钻机系统；

所述多个锚杆钻机系统沿主梁轴向，由前至后依次为第一锚杆钻机系统、第二锚杆钻机系统、第三锚杆钻机系统；

所述第一锚杆钻机系统的周向锚固范围、锚网储存系统的周向铺设范围保持一致；

所述第二锚杆钻机系统、第三锚杆钻机系统的周向锚固范围大于第一锚杆钻机系统的周向锚固范围。

如上所述的一种适用软岩隧道和岩爆隧道TBM系统，优选地，所述锚杆钻机系统还可沿主梁轴向移动。

如上所述的一种适用软岩隧道和岩爆隧道TBM系统，优选地，所述第一推进系统位于管片安装系统前端，所述第一推进系统以安装完成的最前端管片为支撑，为TBM系统提供推进动力；所述第一推进系统沿所述护盾周向设置多个，所述第一推进系统的最大推进行程大于所述管片沿所述主梁轴向的长度。

如上所述的一种适用软岩隧道和岩爆隧道TBM系统，优选地，还包括超前探测与预处理系统，所述超前探测与预处理系统可周向旋转地设置在主梁外周；

在所述软岩隧道掘进模式中，所述超前探测与预处理系统用于对掌子面前方围岩进行超前探测、处理。

一种适用于如上任一所述的TBM系统的施工方法，包括：

步骤S01：确定待开挖地层岩性特征；

步骤S021：当待开挖地层为硬岩时，切换硬岩隧道掘进模式，第二推进系统提供推进动力，刀盘破碎掌子面围岩；

步骤S022：锚网储存系统释放锚网，锚杆钻机系统将锚网锚固在隧道内壁，并随TBM系统掘进，锚网自动铺设；

步骤S031：当待开挖地层为软岩时，切换软岩隧道掘进模式，第一推进系统提供推进动力，刀盘破碎掌子面围岩；

步骤S032：管片安装系统对隧道内壁安装管片，锚杆钻机系统对隧道内壁进行锚固。

与最接近的现有技术相比，本申请实施例的技术方案具有如下有益效果：

1、具有两种隧道掘进工作模式以及两种支护方式，可同时适用于软岩隧道掘进与硬岩隧道掘进，并可在掘进过程中相互转换，灵活性较强，其中针对硬岩隧道掘进，设置锚网钻机系统与锚网储存系统锚固配合，实现随系统掘进的自动铺设，可实现及时支护；

2、针对硬岩隧道掘进，设置锚网储存系统的周向铺设范围与岩爆区域保持一致，可针对性的实现对岩爆区域的快速支护，进而降低硬岩隧道的岩爆风险；

3、针对软岩隧道掘进，设置第一推进系统的最大推进行程大于管片沿主梁轴向的长度，在实际掘进过程中，第一推进系统推进一定距离后，回缩部分第一推进系统，进行对应位置的管片安装，剩余第一推进系统继续在原有管片的基础上继续推进TBM系统，管片安装完成后，再伸展对应位置的第一推进系统用于推进TBM系统，回缩剩余的第一推进系统，进行管片安装，以此方式实现不间断的软岩隧道掘进，提高工作效率。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。其中：

图1为根据本申请的一些实施例提供的软岩隧道掘进模式下TBM系统结构示意图；

图2为根据本申请的一些实施例提供的软岩隧道掘进模式下第一锚杆钻机系统及管片安装系统工作示意图；

图3为根据本申请的一些实施例提供的软岩隧道掘进模式下第二锚杆钻机系统工作示意图；

图4为根据本申请的一些实施例提供的软岩隧道掘进模式下第三锚杆钻机系统工作示意图；

图5为根据本申请的一些实施例提供的软岩隧道掘进模式支护结构示意图；

图6根据本申请的一些实施例提供的硬岩隧道掘进模式下TBM系统结构示意图；

图7根据本申请的一些实施例提供的硬岩隧道掘进模式下第一锚杆钻机系统及锚网储存系统工作示意图；

图8根据本申请的一些实施例提供的硬岩隧道掘进模式下第二锚杆钻机系统工作示意图；

图9根据本申请的一些实施例提供的硬岩隧道掘进模式下第三锚杆钻机系统工作示意图；

图10根据本申请的一些实施例提供的硬岩隧道掘进模式下支护结构示意图。

附图标记说明：

1、围岩；2、刀盘；3、边滚刀；4、第一推进油缸；5、锚网储存系统；6、管片安装系统；7、管片；8、第一锚杆钻机系统；9、NPR锚杆/锚索；10、第二锚杆钻机系统；11、超前探测与预处理系统；12、第二推进油缸；13、撑靴系统；14、第三锚杆钻机系统；15、加固系统；16、注浆导管；17、齿环；18、支撑系统；19、注浆层；20、主梁；21、锚网；22、喷浆层；23、预留孔；24、W型钢带。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。各个示例通过本申请的解释的方式提供而非限制本申请。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本申请的范围或精神的情况下，可在本申请中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本申请包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

在以下描述中，所涉及的术语“第一/第二/第三”仅仅是区别类似的对象，不代表对对象的特定排序，可以理解地，“第一/第二/第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本申请实施例能够以除了在这里图示或描述的以外的顺序实施。

在本申请的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请而不是要求本申请必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。本申请中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

为了描述清晰，在本文中，“前端”指的是TBM系统掘进时，靠近掌子面围岩1的一端，“后端”指的是TBM系统掘进时，远离掌子面围岩1的一端。

下面结合附图的图1至图10对本发明的适用软岩隧道和岩爆隧道TBM系统及施工方法进一步详细说明。

本发明提供一种适用软岩隧道和岩爆隧道TBM系统，包括主梁20，设置在主梁20上的刀盘2、护盾、第一推进系统、第二推进系统、管片安装系统6、锚杆钻机系统，以及锚网储存系统5；刀盘2可中心旋转地设置在主梁20前端，用于破碎掌子面围岩1，刀盘2、主梁20同轴设置；护盾设置在刀盘2后侧并固定套设在主梁20外周；

TBM系统具有两种在掘进过程中可相互转换的工作模式，包括：

软岩隧道掘进模式：第一推进系统为TBM系统提供推进动力，管片安装系统6、锚杆钻机系统对隧道内壁进行支护；

硬岩隧道掘进模式：第二推进系统为TBM系统提供推进动力，锚杆钻机系统、锚网储存系统5对隧道内壁进行支护；

管片安装系统6用于对隧道内壁进行管片7安装，锚网储存系统5储存锚网21且至少具备一个锚网自由端，锚杆钻机系统将锚网21固定在隧道内壁，并对隧道内壁进行锚固，锚网储存系统5与锚杆钻机系统锚固配合，随TBM系统掘进，实现沿隧道轴向的锚网21自动铺设。

TBM的配套系统包括指挥控制系统、通讯系统、运输系统、动力系统、通风系统、排水系统和电力系统，用以保证TBM在整个隧道挖掘作业中的各部分配合以及周边设施的跟进。

在本发明的具体实施例中，主梁20位于TBM系统轴线位置，且刀盘2与主梁20同轴设置，刀盘2通过动力系统进行中心旋转，动力系统具体为变频电机，多个变频电机沿主梁20外周方向固定布置，为刀盘2破碎掌子面围岩1提供动力，掌子面围岩1经刀盘2破碎后，由设置在刀盘2边缘的刮渣斗收集并集中到位于刀盘2中心的溜渣槽，进而输送至皮带运输机，并最终通过皮带运输机输送至洞外。护盾为与刀盘2尺寸相近的硬质环形壳体结构，位于刀盘2后侧，沿主梁20周向固定套设，用于防止TBM系统掘进过程中产生的岩渣损伤机器。另在软岩隧道掘进时，由于围岩1变形较大，承载力较弱，通过在刀盘2的边滚刀3增加垫块的方式外延刀具进行扩挖，以为软岩隧道的变形预留空间，避免卡机事件。

第一推进系统为设置在护盾后端的第一推进油缸4，多个第一推进油缸4沿护盾周向对称布置，第一推进系统位于管片安装系统6前端，并以已安装完成的最前端的管片7为支撑，为TBM系统提供推进动力；

第二推进系统包括撑靴系统13、第二推进油缸12与支撑系统18，第二推进油缸12设有多个，多个第二推进油缸12对称设置在主梁20侧面，多个第二推进油缸12的一端与主梁20侧面固定连接；撑靴系统13包括第一伸缩支杆、撑靴装置、滑动装置，滑动装置为筒状结构，滑动套设在主梁20外周，撑靴装置为块状结构，设有多个，多个撑靴装置设置在多个推进油缸后侧的对应位置，多个推进油缸另一端分别与多个撑靴装置前端面固定连接，具体地，每两个第二推进油缸12与一个撑靴装置的前端面固定连接，第一伸缩支杆一端与撑靴装置内侧面固定连接，第一伸缩支杆另一端与滑动装置外侧固定连接，撑靴装置通过第一伸缩支杆进行径向伸缩，通过第二推进油缸12进行前后运动。

支撑系统18包括第二伸缩支杆与支撑装置，位于撑靴系统13后侧，第二伸缩支杆一端与主梁20固定连接，另一端与支撑装置固定连接，支撑装置通过第二伸缩支杆实现径向伸缩，设置在主梁20的正下方，用于临时支撑TBM系统。

在硬岩隧道掘进过程中，管片安装系统6与第一推进油缸4不工作，撑靴装置通过第一伸缩支杆径向伸展支撑在隧道内壁，推进油缸以支撑在隧道内壁的撑靴装置为支撑进行伸展，为TBM系统提供推进动力，即，支撑在隧道内壁的撑靴装置为推进油缸提供推进反力，刀盘2破碎掌子面围岩1，完成一个掘进行程后，支撑装置通过第二伸缩支杆径向伸展支撑隧道围岩1内壁，撑靴装置通过第一伸缩支杆径向收缩，推进油缸收缩，进而带动通过第一伸缩支杆与滑动装置固定连接的撑靴装置，向靠近掌子面围岩1的方向前进，完成一次撑靴换步；在软岩隧道掘进过程中，支撑系统18、撑靴系统13径向收回。

锚网储存系统5至少具备一个锚网自由端，锚网自由端通过锚杆钻机系统固定在隧道内壁，随着TBM系统的不断推进，在固定在隧道内壁的锚网自由端产生的反向拉力作用下，锚网储存系统5释放锚网21，配合锚杆钻机系统的锚固，实现沿隧道轴向的锚网21自动铺设，共同对硬岩隧道内壁进行支护。

管片安装系统6设置在护盾后端，管片安装系统6可周向旋转地设置在主梁20外周；锚网储存系统5沿主梁20外周方向设置，且位于护盾与锚杆钻机系统之间；锚杆钻机系统设置在管片安装系统6后端，锚杆钻机系统可周向旋转地设置在主梁20外周；锚网储存系统5的周向铺设范围与岩爆区域保持一致。

在本发明的具体实施例中，管片安装系统6为远程控制的移动式真空机械手，可进行径向移动、轴向摆动（摆动范围前后各15度），以将NPR管片7移动到设计位置，保证管片7精准拼装到位，NPR管片7为由NPR钢筋作为骨架，高强混凝土一体浇筑成型的预制构件，具有强度高、抗渗性好和尺寸精准的优点。

管片7是构成管片环的所有分块的统称，包括标准块，邻接块和封顶块三类，管片环的外周长比内周长大，每一份管片7分得的外弧长也比内弧长要大，安装时沿直径方向往内移动，通过自锁来完成固定。封顶块与其他管片7相反，设计成内弧长，外弧短，沿直径方向由内向外将楔形块推送到管片环的对应缺口位置，通过第一推进油缸4将封顶块顶推到安装位置。螺栓固定，完成一环的拼装。

管片安装系统6、锚杆钻机系统均通过固定设置在主梁20外周的齿环17进行旋转运动，锚网储存系统5沿主梁20外周，通过固定架周向设置三套，具体可根据实际地质条件、锚网储存系统5尺寸确定所需锚网储存系统5数量。

根据现场已有岩爆发生部位统计分析、微震监测定位岩爆发生部位、地应力分析和数值模拟等方法，预测待掘进隧道的岩爆区域在拱顶150°的范围，由于锚网储存系统5沿隧道内壁的周向铺设范围与岩爆区域保持一致，进而三套锚网储存系统5周向设置主梁20正上方150°的范围，锚网储存系统5为筒状结构，锚网21卷套在锚网储存系统5上形成锚网卷筒，固定架具体为门型结构，包括两个支撑段，一个沿垂直于主梁20轴线方向延伸的水平段，锚网卷筒套设在水平段上，锚网卷筒具备一个锚网自由端，锚网自由端向上延伸，经由锚杆钻机系统锚固在隧道拱顶150°的范围，随着TBM系统的不断推进，卷套在锚网储存系统5上的锚网21，在固定在隧道内壁的锚网自由端产生的反向拉力作用下，在固定架上自行滚动展开，实现锚网21的自动释放，配合锚杆钻机系统的锚固，为新揭露的，位于岩爆区域的隧道围岩1快速提供支护，进一步提升岩爆控制的效果。

锚杆钻机系统具体包括三套锚杆钻机装置，具体可根据实际地质条件确定锚杆钻机装置数量。三套锚杆钻机装置通过固定设置在主梁20外周的齿环17，进行旋转运动，随着TBM系统掘进的进行，锚杆钻机系统对一定范围内的隧道内壁进行周向钻孔作业，进行NPR锚杆/锚索9的安装，通过设置多台锚杆钻机同时钻孔，缩短钻孔作业时间，并配合锚网储存系统5，实现快速、有效的支护。

NPR锚杆/锚索9穿过锚网21、伸入钻孔内部锚固后，在NPR锚杆/锚索9末端安装托盘、锁具，进而将锚网21固定在隧道内壁，再对NPR锚杆/锚索9进行反向张拉，进行预应力施加，以此形成针对硬岩隧道的“NPR锚杆/锚索9+锚网21耦合支护”的岩爆主动防护体系；NPR锚杆/锚索9穿过管片7，对隧道内壁进行锚固，以此形成针对软岩隧道的“NPR锚杆/锚索9+NPR管片7”的防护体系。

在本发明的其他实施例中，锚网储存系统5还可为一侧设有开口的箱体结构，锚网21储存在箱体结构内部，锚网自由端从箱体结构的开口处伸出。

在本发明的其他实施例中，锚网储存系统5直接沿周向固定/可拆设置在护盾内壁或者主梁20外周。

在隧道掘进过程中，为便于确定待钻孔位位置，在管片7周向设置有预留孔23，锚杆钻机系统穿过预留孔23对隧道内壁进行锚固，以提高工作效率，快速及时地完成支护作业。

还包括加固系统15，加固系统15位于锚杆钻机系统后侧，加固系统15可周向旋转地设置在主梁20外周，用于对隧道内壁进行二次加固。

在本发明的具体实施例中，加固系统15通过固定设置在主梁20外周的齿环17进行旋转运动，还可通过齿轮与滑槽的配合或者伸缩杆件，沿主梁20进行轴向移动，以对完成支护作业后的隧道内壁进行二次加固处理，强化防护效果，美化隧道内壁。

当进行硬岩隧道掘进时，加固系统15包括供液装置、喷头，加固系统15一边轴向移动，一边通过喷头进行旋转喷浆作业，形成沿拱顶周向180°的喷浆层22；

当进行软岩隧道掘进时，由于刀盘2扩挖，导致开挖后隧道直径稍大于成洞的内径，以及围岩1变形不一致，管片7与围岩1无法紧密贴合，壁后存在一些空间，首先通过管片7预留孔23对管片7后全环进行豆粒石吹填，然后更换加固系统15喷头为注浆导管16，通过注浆导管16伸入管片7后壁空间，进行注浆，密闭壁后空隙，形成注浆层19，加固系统15一边轴向移动，一边通过注浆导管16进行旋转注浆作业，周向注浆范围为360°。

在硬岩隧道掘进中，为进一步提高岩爆防治效果，实现对岩爆区域的针对性的、快速及时地支护，设置锚杆钻机系统的周向锚固范围与所述锚网储存系统5的周向铺设范围保持一致。

在本发明的具体实施例中，锚杆钻机系统沿隧道内壁的周向锚固范围、锚网储存系统5沿隧道内壁的周向铺设范围均为隧道拱顶150°的区域，与确定的岩爆区域保持一致。

沿所述主梁20的轴向依次设置多个锚杆钻机系统；多个锚杆钻机系统沿主梁20轴向，由前至后依次为第一锚杆钻机系统8、第二锚杆钻机系统10、第三锚杆钻机系统14；第一锚杆钻机系统8的周向锚固范围、锚网储存系统5的周向铺设范围保持一致；第二锚杆钻机系统10、第三锚杆钻机系统14的周向锚固范围大于第一锚杆钻机系统8的周向锚固范围。

在本发明的具体实施例中，沿主梁20轴向，由前至后，依次设置三套锚杆钻机系统，分别为第一锚杆钻机系统8、第二锚杆钻机系统10、第三锚杆钻机系统14，三套锚杆钻机系统均分别包括三套锚杆钻机装置，第一锚杆钻机系统8沿隧道内壁的周向锚固范围为隧道拱顶位置的150°，用于在硬岩隧道掘进时，对岩爆区域进行针对性地快速支护，第二锚杆钻机系统10及第三锚杆钻机系统14的锚固范围为隧道拱顶位置的280°，用于完善、加强对隧道内壁整体的锚固效果，三套锚杆钻机系统分区平行作业，形成“三区、九套锚杆钻机装置平行作业”的快速锚固体系。

在硬岩隧道掘进中，锚网21内侧周向还设置有连接带，连接带具体为W型钢带24，由可冷加工变形的冷轧或热轧纵切钢卷板或钢带在连续辊压式或冲压式冷弯组上生产而成，用于将沿隧道内壁周向上分散的NPR锚杆/锚索9连接起来，形成整体承载结构，NPR锚杆/锚索9依次穿过W型钢带24、锚网21后深入钻孔内部进行锚固，然后在NPR锚杆/锚索9末端安装托盘、锁具，继而将W型钢带24、锚网21固定在隧道内壁，再对NPR锚杆/锚索9进行反向张拉，进行预应力施加，以此形成针对硬岩隧道的“NPR锚杆/锚索9+W型钢带24+锚网21耦合支护”的岩爆主动防护体系。

为避免锚杆钻机系统作业与隧道掘进作业冲突，二者无法同时作业，进而影响工作效率，设置锚杆钻机系统还可沿主梁20轴向移动，具体地，锚杆钻机系统在齿环17上，通过轮槽配合进行沿主梁20的轴向移动，以在隧道掘进作业的同时，通过人工操控锚杆钻机系统轴向移动，保持钻杆钻机装置与待钻孔位位置相对静止，待钻孔作业完成后，再通过人工操控锚杆钻机系统轴向移动至下一待钻孔位。

在本发明的具体实施例中，锚杆钻机装置钻孔速度为3m/min，隧道掘进作业速度为10m/天。

第一推进系统位于管片安装系统6前端，第一推进系统以安装完成的最前端管片7为支撑，为TBM系统提供推进动力；第一推进系统沿护盾周向设置多个，第一推进系统的最大推进行程大于管片7沿所述主梁20轴向的长度。

针对软岩隧道，设置第一推进系统的最大推进行程大于管片7沿主梁20轴向的长度，在实际掘进过程中，第一推进系统推进一定距离后，回缩部分第一推进系统，进行对应位置的管片7安装，剩余第一推进系统继续在原有管片7的基础上继续推进TBM系统，管片7安装完成后，再伸展对应位置的第一推进系统用于推进TBM系统，回缩剩余的第一推进系统，进行管片7安装，以此完成一次管片7成环，配合激光校准设备，对第一推进系统推进力进行调节，保持TBM系统沿预定设计线路推进，实现不间断的软岩隧道掘进，提高工作效率。

还包括超前探测与预处理系统11，超前探测与预处理系统11可周向旋转地设置在主梁20外周；在软岩隧道掘进模式中，超前探测与预处理系统11用于对掌子面前方围岩1进行超前探测、处理。

在本发明的具体实施例中，超前探测系统采用超前地质钻探法，通过钻孔编录、钻进参数分析等方式揭示和推测掘进面前方一定范围内工程和水文地质条件及可能发生的地质灾害。超前钻机位于刀盘2后端，通过固定设置在主梁20外周的齿环17进行旋转运动，采用伸缩钻头对前方围岩1钻孔探测（探孔深度100m以上），充分了解前方围岩1状态，探测前方围岩1性质，水体和断层情况后，更换钻头为导管，并利用超前探测钻孔进行导管注浆，实现对掌子面围岩1的加固处理。

还包括监测系统，具体地，包括安装于NPR锚杆/锚索9尾端的测力计，安装于护盾上沿的压力盒，安装于护盾下沿的应变计，分别对NPR锚杆/锚索9受力、围岩1受力和护盾受力进行实时监测，实现动态调整TBM系统的隧道掘进参数和支护方法参数。

一种适用于TBM系统的施工方法，包括：

步骤S01：通过地质背景资料分析、钻孔编录确定待开挖地层岩性特征；

步骤S021：当待开挖地层为硬岩时，切换硬岩隧道掘进模式，第二推进系统提供推进动力，刀盘2破碎掌子面围岩1；

步骤S022：锚网储存系统5释放锚网21，锚杆钻机系统将锚网21锚固在隧道内壁，并随TBM系统掘进，锚网21自动铺设；

步骤S031：当待开挖地层为软岩时，切换软岩隧道掘进模式，第一推进系统以安装完成的最前端管片7为支撑，为TBM系统提供推进动力，推进TBM系统向掌子面方向前进，刀盘2破碎掌子面围岩1；

步骤S032：管片安装系统6周向旋转，对隧道内壁安装管片7，锚杆钻机系统周向旋转，穿过管片7并对隧道内壁进行锚固。

步骤S021具体包括：

步骤S0211：当待开挖地层为硬岩时，根据现场已有岩爆发生部位统计分析、微震监测定位岩爆发生部位、地应力分析和数值模拟等方法，预测待掘进隧道的岩爆区域以及岩爆烈度；

步骤S0212：根据岩爆区域确定第一锚杆钻机系统8的周向锚固范围以及锚网储存系统5的周向铺设范围，根据岩爆烈度确定待钻孔位、钻孔数量；

步骤S0213：撑靴装置通过第一伸缩支杆径向伸展支撑在隧道内壁，第二推进油缸12以支撑在隧道内壁的撑靴装置为支撑进行伸展，为TBM系统提供推进动力，推进TBM系统向掌子面方向前进；

步骤S022具体为：三套锚杆钻机系统绕隧道内壁周向旋转进行钻孔，安装第一锚杆钻机系统8，锚网储存系统5释放锚网21，锚网自由端进而被第一锚杆钻机系统8固定在隧道内壁，随着TBM系统的推进，储存在锚网储存系统5中的锚网21，在固定在隧道内壁的锚网自由端产生的反向拉力作用下，自动释放，并继续在锚杆钻机系统的锚固作业下，沿隧道轴向自动铺设在隧道内壁上。

还包括：

步骤S023：完成一个掘进形成后，支撑装置通过第二伸缩支杆径向伸展支撑隧道围岩1内壁，撑靴装置通过第一伸缩支杆径向收缩，推进油缸收缩，进而带动通过第一伸缩支杆与滑动装置固定连接的撑靴装置，向靠近掌子面围岩1的方向前进，完成一次撑靴换步。

步骤S033：第一推进系统推进一定距离，完成一个掘进行程后，部分第一推进系统回缩，管片安装系统6周向旋转，进行对应位置的管片7安装，剩余第一推进系统继续在原有管片7的基础上继续推进TBM系统，管片7安装完成后，再伸展对应位置的第一推进系统用于推进TBM系统，回缩剩余的第一推进系统，进行管片7安装，以此完成一次管片7成环；

步骤S04：重复步骤S021-S033进行下一个行程的掘进，直至隧道贯通。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种适用软岩隧道和岩爆隧道TBM系统，其特征在于，包括主梁，设置在主梁上的刀盘、护盾、第一推进系统、第二推进系统、管片安装系统、锚杆钻机系统，以及锚网储存系统；

所述刀盘可中心旋转地设置在主梁前端，用于破碎掌子面围岩，所述刀盘、主梁同轴设置；所述护盾设置在刀盘后侧并固定套设在主梁外周；

所述TBM系统具有两种在掘进过程中可相互转换的工作模式，包括：

软岩隧道掘进模式：所述第一推进系统为TBM系统提供推进动力，所述管片安装系统、锚杆钻机系统对隧道内壁进行支护；

硬岩隧道掘进模式：所述第二推进系统为TBM系统提供推进动力，所述锚杆钻机系统、锚网储存系统对隧道内壁进行支护；

所述锚网储存系统用于储存锚网且至少具备一个锚网自由端，所述锚网储存系统与锚杆钻机系统锚固配合，随TBM系统掘进，沿隧道轴向的锚网自动铺设；

所述管片安装系统设置在护盾后端，所述管片安装系统可周向旋转地设置在主梁外周；

所述锚网储存系统沿主梁外周方向设置，且位于护盾与锚杆钻机系统之间；

所述锚杆钻机系统设置在所述管片安装系统后端，所述锚杆钻机系统可周向旋转地设置在主梁外周；

所述锚网储存系统的周向铺设范围与岩爆区域保持一致；

所述第一推进系统位于管片安装系统前端，所述第一推进系统以安装完成的最前端管片为支撑，为TBM系统提供推进动力；

沿所述主梁的轴向依次设置多个锚杆钻机系统；

所述多个锚杆钻机系统沿主梁轴向，由前至后依次为第一锚杆钻机系统、第二锚杆钻机系统、第三锚杆钻机系统；

所述第一锚杆钻机系统的周向锚固范围、锚网储存系统的周向铺设范围保持一致；

所述第二锚杆钻机系统、第三锚杆钻机系统的周向锚固范围大于第一锚杆钻机系统的周向锚固范围；

所述多个锚杆钻机系统分区平行作业。

2.如权利要求1所述的一种适用软岩隧道和岩爆隧道TBM系统，其特征在于，所述管片周向设置有预留孔，所述锚杆钻机系统穿过所述预留孔对隧道内壁进行锚固。

3.如权利要求2所述的一种适用软岩隧道和岩爆隧道TBM系统，其特征在于，还包括加固系统，所述加固系统位于锚杆钻机系统后侧，所述加固系统可周向旋转地设置在主梁外周，用于对隧道内壁进行二次加固。

4.如权利要求1所述的一种适用软岩隧道和岩爆隧道TBM系统，其特征在于，所述锚杆钻机系统还可沿主梁轴向移动。

5.如权利要求1所述的一种适用软岩隧道和岩爆隧道TBM系统，其特征在于，还包括超前探测与预处理系统，所述超前探测与预处理系统可周向旋转地设置在主梁外周；

在所述软岩隧道掘进模式中，所述超前探测与预处理系统用于对掌子面前方围岩进行超前探测、处理。

6.一种适用于如权利要求1-5任一所述的TBM系统的施工方法，其特征在于，包括：

步骤S01：确定待开挖地层岩性特征；

步骤S021：当待开挖地层为硬岩时，切换硬岩隧道掘进模式，第二推进系统提供推进动力，刀盘破碎掌子面围岩；

步骤S022：锚网储存系统释放锚网，锚杆钻机系统将锚网锚固在隧道内壁，并随TBM系统掘进，锚网自动铺设；

步骤S031：当待开挖地层为软岩时，切换软岩隧道掘进模式，第一推进系统提供推进动力，刀盘破碎掌子面围岩；所述第一推进系统沿所述护盾周向设置多个，所述第一推进系统的最大推进行程大于所述管片沿所述主梁轴向的长度；第一推进系统推进一定距离后，回缩部分第一推进系统，进行对应位置的管片安装，剩余第一推进系统继续在原有管片的基础上继续推进TBM系统，管片安装完成后，再伸展对应位置的第一推进系统用于推进TBM系统，回缩所述剩余第一推进系统，进行管片安装，以此完成一次管片成环；

步骤S032：管片安装系统对隧道内壁安装管片，锚杆钻机系统对隧道内壁进行锚固。