CN119435013A - 一种抽水蓄能电站斜井tbm及扩挖机械化施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种抽水蓄能电站斜井TBM及扩挖机械化施工方法，所述TBM包括盾体，所述盾体前端设有锥形扩挖刀盘，所述盾体内设有主驱动，所述锥形扩挖刀盘经主轴承与主驱动相连接，所述盾体前端、后端周侧分别设有多个前支撑、后支撑；所述前支撑、后支撑之间的盾体上设有推进油缸和主动撑靴，所述抽水蓄能电站斜井TBM在前支撑、后支撑、推进油缸和主动撑靴的配合下蠕动前进。此外，通过导井+TBM扩挖的机械式施工方法，可以解决钻爆法开挖会存在施工导向和成洞体型不易控制、开挖成洞平整性差、安全性差等问题，摆脱了传统钻爆法开挖，提高成洞质量和减少对围岩的扰动，减少安全隐患，保证抽水蓄能电站中引水斜井安全高效开挖，减少关键线路的工期。

Description

一种抽水蓄能电站斜井TBM及扩挖机械化施工方法
技术领域
本发明属于抽水蓄能电站施工技术领域，尤其是涉及一种抽水蓄能电站斜井TBM及扩挖机械化施工方法。
背景技术
目前，在我国，抽水蓄能电站的建设中，引水斜井的施工普遍采用钻爆法。然而，钻爆法施工存在诸多缺点，主要包括：施工过程中的导向控制困难，导致成洞体型不易控制；开挖成洞的平整性不佳，普遍存在超挖和欠挖的问题；施工速度缓慢；以及施工安全性较差。这些问题严重制约了抽水蓄能电站引水斜井的安全高效施工，使得引水斜井往往成为项目施工的关键线路，增加了项目的风险和成本。
与传统钻爆法施工相比，隧道掘进机(TBM)的掘进速度可达到常规钻爆法的4至10倍，最佳日进尺可达150米。TBM施工具有快速、优质、安全、经济、环保以及对劳动力保护等优点。特别是其高效快速的施工能力，能够使工程提前完工，从而提前创造经济价值。TBM在掘进效率、建设周期、安全性、围岩稳定性、开挖精度和平整性等方面展现出显著的优势。对于下部已有成型洞室的斜井工程，可以先采用反井钻机完成小直径竖井的开挖，然后利用扩孔式TBM对引水斜井进行扩挖，这不仅为引水斜井扩挖提供了自由面，同时也为自上而下的开挖提供了溜渣通道。
尽管如此，目前针对抽水蓄能电站引水斜井扩孔TBM及其施工方法的研究相对较少，相关研究主要集中在斜井TBM机械及其施工方法上。现有的非爆破破岩技术，特别是斜井扩孔掘进机技术，代表了斜井施工技术发展的重要方向。该技术具有安全风险低、施工效率高、围岩扰动小、机械化程度高等优点。然而，在国内，斜井扩孔掘进机的应用尚不广泛，目前还没有采用斜井扩孔掘进机施工引水斜井的成功案例。
发明内容
本发明第一个目的在于，提供一种抽水蓄能电站斜井TBM。
为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：
一种抽水蓄能电站斜井TBM，包括盾体，所述盾体前端设有锥形扩挖刀盘，所述盾体内设有主驱动，所述锥形扩挖刀盘经主轴承与主驱动相连接，其特征在于：所述盾体前端周侧设有多个前支撑，所述盾体后端周侧设有多个后支撑；
所述前支撑、后支撑之间的盾体上设有推进油缸和主动撑靴，所述抽水蓄能电站斜井TBM在前支撑、后支撑、推进油缸和主动撑靴的配合下蠕动前进。
在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：
作为本发明的一种优选技术方案：所述锥形扩挖刀盘上设有刮渣部件和处于刮渣部件内侧的盘形滚刀。
作为本发明的一种优选技术方案：所述盾体的后端设有后配套台车，用来辅助作业。
作为本发明的一种优选技术方案：所述盾体前端与后端经主梁相连接，所述主梁的一端与主驱动相连接，所述主梁的另一端连接盾体的后端。
作为本发明的一种优选技术方案：所述主动撑靴的附近设有混凝土喷射机，在撑靴遇到断裂带或破碎带时对岩壁进行混凝土喷浆，确保撑靴撑紧时岩壁完整性。
作为本发明的一种优选技术方案：所述前支撑的附近设有超前地质探测仪，对TBM前方围岩地质情况进行探测，根据前方的地质情况调整TBM掘进参数，确保TBM掘进效率。
本发明还有一个目的在于，提供一种扩挖机械化施工方法。
为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：
根据前文所述的抽水蓄能电站斜井TBM的扩挖机械化施工方法，包括如下步骤：
S1：开挖引水上平洞并施作支护，从引水上平洞向下开挖组装洞室和始发井，在始发井口施作锁口及圈梁基础，在组装洞室上方布置龙门吊系统，用来吊装机械设备；采用破碎锤及长臂挖掘机向下开挖形成深10m，直径8m的始发井，在始发井下部形成始发平台；
S2：在始发平台上安装定向钻机，采用定向钻机沿引水斜井中轴线自上而下钻进φ410mm的定向孔，以满足反井钻机施工所需的钻杆直径；定向孔超过30m后安装无线随钻测斜仪，在其测量参数指导下，对钻孔轨迹进行定向控制，提高定向孔精度；直至定向孔贯通至引水中平洞，定向孔施工完成，拆除定向钻头及配套测斜纠偏设备，利用龙门吊系统拆除定向钻机及辅助设备；
S3：在始发平台上安装反井钻机主机、主副泵站，采用反井钻机沿φ410mm导孔自下而上进行φ2m导井施工；将反井钻机钻杆沿φ410mm导孔下放至引水斜井下端，将直径φ2m的反井钻扩孔钻头通过施工支洞、引水下平洞运输至引水斜井下端，与反井钻机钻杆相连接，然后慢速上提扩孔钻头自下而上进行扩孔施工；φ2m导井扩孔完成后，利用龙门吊系统拆除反井钻机及辅助设备；
S4：在始发井内部组装斜井扩孔掘进机，当TBM组装完成后，进入现场调试阶段，主要调试液压系统、电气系统、PLC控制系统；
S5：TBM根据设计需求开始掘进作业，开挖石渣经导井溜入斜井底部，在导井底部采用自卸汽车出渣；
S6：在TBM破岩过程中主动撑靴和后支撑紧紧支撑在洞壁上，在这个阶段，整个系统由TBM的主动撑靴和后支撑共同支撑；
S7：在推进过程中，主梁周侧的推进油缸开始伸长，推动TBM向前掘进，主驱动带动刀盘旋转，刀盘旋转带动盘形滚刀挤压、剪切前方岩石，并利用刮渣部件前后拨动将破碎的岩石排入导洞中；
S8：在一个掘进行程完成后，TBM开始换步，主动撑靴和后支撑收缩，推进油缸开始收缩，带动TBM前移，前支撑撑紧力增加，在这个阶段，整个TBM由前撑靴支撑；
S9：换步过程完成，TBM主动撑靴和后支撑再次撑紧洞壁，进行下一循环掘进；
S10：引水斜井开挖完成，TBM在1#引水上平洞组装洞室内组装，TBM首先完成1#引水斜井的施工，待完成1#引水斜井掘进施工后，在1#引水斜井拆卸洞室内完成TBM拆机，并由1#施工支洞转移到2#引水斜井内组装、掘进，两个引水斜井的TBM组装、掘进、拆卸工艺流程相同，本施组仅详细介绍1#引水斜井内的组装、掘进和拆卸施工。
本发明提供一种抽水蓄能电站斜井TBM及扩挖机械化施工方法，通过前支撑、后支撑、推进油缸和主动撑靴的配合下实现抽水蓄能电站斜井TBM蠕动前进，此外，通过导井+TBM扩挖的机械式施工方法，可以解决钻爆法开挖会存在施工导向和成洞体型不易控制、开挖成洞平整性差、安全性差等问题，摆脱了传统钻爆法开挖，提高成洞质量和减少对围岩的扰动，减少安全隐患，保证抽水蓄能电站中引水斜井安全高效开挖，减少关键线路的工期。
附图说明
图1为本发明所提供的抽水蓄能电站斜井TBM的整体结构图。
具体实施方式
参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。
一种抽水蓄能电站斜井TBM，包括盾体3，盾体3前端设有锥形扩挖刀盘1，盾体3内设有主驱动4，锥形扩挖刀盘1经主轴承2与主驱动4相连接，盾体3前端周侧设有多个前支撑5，盾体后端周侧设有多个后支撑11；
前支撑5、后支撑11之间的盾体3上设有推进油缸6和主动撑靴9，抽水蓄能电站斜井TBM在前支撑5、后支撑11、推进油缸6和主动撑靴9的配合下蠕动前进。
锥形扩挖刀盘1上设有刮渣部件101和处于刮渣部件101内侧的盘形滚刀102。锥形扩挖刀盘1为锥形刀盘，采用重型结构，锥形扩挖刀盘1与主轴承2相连接。锥形扩挖刀盘上布置17英寸(432mm)盘形中心滚刀、19英寸(483mm)单刃正面滚刀和边缘滚刀，所有滚刀均为背装式，滚刀采用楔块锁紧安装方式，所受载荷能够均匀传递至刀座及刀盘上。
盾体3的后端设有后配套台车10。
盾体3前端与后端经主梁7相连接，主梁7的一端与主驱动4相连接，主梁7的另一端连接盾体3的后端。
主动撑靴9的附近设有混凝土喷射机8，在撑靴遇到断裂带或破碎带时对岩壁进行混凝土喷浆，确保撑靴撑紧时岩壁完整性。前支撑5的附近设有超前地质探测仪12，对TBM前方围岩地质情况进行探测，根据前方的地质情况调整TBM掘进参数，确保TBM掘进效率。
一种抽水蓄能电站引水斜井TBM扩挖机械化施工方法，包括以下步骤：
S1：开挖引水上平洞并施作支护，从引水上平洞向下开挖组装洞室和始发井，在始发井口施作锁口及圈梁基础，在组装洞室上方布置龙门吊系统，用来吊装机械设备；采用破碎锤及长臂挖掘机向下开挖形成深10m，直径8m的始发井，在始发井下部形成始发平台；
S2：在始发平台上安装定向钻机，采用定向钻机沿引水斜井中轴线自上而下钻进φ410mm的定向孔，以满足反井钻机施工所需的钻杆直径；定向孔超过30m后安装无线随钻测斜仪，在其测量参数指导下，对钻孔轨迹进行定向控制，提高定向孔精度；直至定向孔贯通至引水中平洞，定向孔施工完成，拆除定向钻头及配套测斜纠偏设备，利用龙门吊系统拆除定向钻机及辅助设备；
S3：在始发平台上安装反井钻机主机、主副泵站，采用反井钻机沿φ410mm导孔自下而上进行φ2m导井施工；将反井钻机钻杆沿φ410mm导孔下放至引水斜井下端，将直径φ2m的反井钻扩孔钻头通过施工支洞、引水下平洞运输至引水斜井下端，与反井钻机钻杆相连接，然后慢速上提扩孔钻头自下而上进行扩孔施工；φ2m导井扩孔完成后，利用龙门吊系统拆除反井钻机及辅助设备；
S4：为了方便TBM设备开挖掘进，将原设计的两级斜井设计形式优化为一级斜井，洞径统一为6.5m。
在始发井内部组装斜井扩孔掘进机，当TBM组装完成后，进入现场调试阶段，主要调试液压系统、电气系统、PLC控制系统；
S41：TBM在组装洞室内进行组装，组装洞室布置在引水上平洞段，支护后断面为15m(宽)×20m(高)×40m(长)的城门洞型扩大洞。组装洞前方为37m长的马蹄形步进始发洞，始发洞段尺寸为37m×6m×8.2m；
S42：TBM设备包含锥形扩挖刀盘1、盾体3、主驱动4、推进油缸6及后配套台车10构成。TBM整体组装按照从前到后的顺序。锥形扩挖刀盘1分块拼装，把不等分的两半块组装到一起。锥形扩挖刀盘1包括刮渣部件101和盘形滚刀102，锥形扩挖刀盘1为锥形刀盘，采用重型结构，锥形扩挖刀盘1与主轴承2相连接锥形扩挖刀盘1上布置17英寸(432mm)盘形中心滚刀、19英寸(483mm)单刃正面滚刀和边缘滚刀，所有滚刀均为背装式，滚刀采用楔块锁紧安装方式，所受载荷能够均匀传递至刀座及刀盘上；
S43：主轴承2后端与主驱动4连接，主驱动4通过主轴承2带动锥形扩挖刀盘挤压破坏岩石。主驱动4与主梁7相连，推进油缸6位于主梁7上，TBM通过推进油缸6收缩来向前推进；
S44：当TBM组装完成后，进入现场调试阶段，主要调试液压系统、电气系统、PLC控制系统。
S5：TBM根据设计开挖断面7.2m及39°爬坡需求开挖掘进作业，开挖石渣经导井溜入斜井底部，在导井底部采用自卸汽车出渣；
S6：在TBM破岩过程中主动撑靴9和后支撑11紧紧支撑在洞壁上，在这个阶段，整个系统由TBM的主动撑靴9和后支撑11共同支撑；
S7：在推进过程中，主梁7上的推进油缸6开始伸长，推动TBM向前掘进，主驱动4带动锥形扩挖刀盘1旋转，锥形扩挖刀盘1旋转带动盘形滚刀102挤压、剪切前方岩石，并利用刮渣部件101前后拨动将破碎的岩石排入导洞中；
S8：在一个掘进行程完成后，TBM开始换步，主动撑靴9和后支撑11收缩，推进油缸6开始收缩，带动TBM前移，前支撑5撑紧力增加，在这个阶段，整个TBM由前撑靴5支撑；
S9：换步过程完成，TBM主动撑靴9和后支撑11再次撑紧洞壁，进行下一循环掘进；
S10：引水斜井开挖完成，TBM在1#引水上平洞组装洞室内组装，TBM首先完成1#引水斜井的施工，待完成1#引水斜井掘进施工后，在1#引水斜井拆卸洞室内完成TBM拆机，并由1#施工支洞转移到2#引水斜井内组装、掘进，两个引水斜井的TBM组装、掘进、拆卸工艺流程相同，本施组仅详细介绍1#引水斜井内的组装、掘进和拆卸施工。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种抽水蓄能电站斜井TBM，包括盾体(3)，所述盾体(3)前端设有锥形扩挖刀盘(1)，所述盾体(3)内设有主驱动(4)，所述锥形扩挖刀盘(1)经主轴承(2)与主驱动(4)相连接，其特征在于：所述盾体(3)前端周侧设有多个前支撑(5)，所述盾体后端周侧设有多个后支撑(11)；
所述前支撑(5)、后支撑(11)之间的盾体(3)上设有推进油缸(6)和主动撑靴(9)，所述抽水蓄能电站斜井TBM在前支撑(5)、后支撑(11)、推进油缸(6)和主动撑靴(9)的配合下蠕动前进。
2.根据权利要求1所述的抽水蓄能电站斜井TBM，其特征在于：所述锥形扩挖刀盘(1)上设有刮渣部件(101)和处于刮渣部件(101)内侧的盘形滚刀(102)。
3.根据权利要求1所述的抽水蓄能电站斜井TBM，其特征在于：所述盾体(3)的后端设有后配套台车(10)。
4.根据权利要求1所述的抽水蓄能电站斜井TBM，其特征在于：所述盾体(3)前端与后端经主梁(7)相连接，所述主梁(7)的一端与主驱动(4)相连接，所述主梁(7)的另一端连接盾体(3)的后端。
5.根据权利要求1所述的抽水蓄能电站斜井TBM，其特征在于：所述主动撑靴(9)的附近设有混凝土喷射机(8)。
6.根据权利要求1所述的抽水蓄能电站斜井TBM，其特征在于：所述前支撑(5)的附近设有超前地质探测仪(12)。
7.根据权利要求1～6中任意一项所述的抽水蓄能电站斜井TBM的扩挖机械化施工方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：开挖引水上平洞并施作支护，从引水上平洞向下开挖组装洞室和始发井，在始发井口施作锁口及圈梁基础，在组装洞室上方布置龙门吊系统，用来吊装机械设备；采用破碎锤及长臂挖掘机向下开挖形成深10m，直径8m的始发井，在始发井下部形成始发平台；
S2：在始发平台上安装定向钻机，采用定向钻机沿引水斜井中轴线自上而下钻进φ410mm的定向孔，以满足反井钻机施工所需的钻杆直径；定向孔超过30m后安装无线随钻测斜仪，在其测量参数指导下，对钻孔轨迹进行定向控制，提高定向孔精度；直至定向孔贯通至引水中平洞，定向孔施工完成，拆除定向钻头及配套测斜纠偏设备，利用龙门吊系统拆除定向钻机及辅助设备；
S3：在始发平台上安装反井钻机主机、主副泵站，采用反井钻机沿φ410mm导孔自下而上进行φ2m导井施工；将反井钻机钻杆沿φ410mm导孔下放至引水斜井下端，将直径φ2m的反井钻扩孔钻头通过施工支洞、引水下平洞运输至引水斜井下端，与反井钻机钻杆相连接，然后慢速上提扩孔钻头自下而上进行扩孔施工；φ2m导井扩孔完成后，利用龙门吊系统拆除反井钻机及辅助设备；
S4：在始发井内部组装斜井扩孔掘进机，当TBM组装完成后，进入现场调试阶段，主要调试液压系统、电气系统、PLC控制系统；
S5：TBM根据设计需求开始掘进作业，开挖石渣经导井溜入斜井底部，在导井底部采用自卸汽车出渣；
S6：在TBM破岩过程中主动撑靴(9)和后支撑(11)紧紧支撑在洞壁上，在这个阶段，整个系统由TBM的主动撑靴(9)和后支撑(11)共同支撑；
S7：在推进过程中，主梁(7)周侧的推进油缸(6)开始伸长，推动TBM向前掘进，主驱动(4)带动刀盘(1)旋转，刀盘(1)旋转带动盘形滚刀(102)挤压、剪切前方岩石，并利用刮渣部件(101)前后拨动将破碎的岩石排入导洞中；
S8：在一个掘进行程完成后，TBM开始换步，主动撑靴(9)和后支撑(11)收缩，推进油缸(6)开始收缩，带动TBM前移，前支撑(5)撑紧力增加，在这个阶段，整个TBM由前撑靴(5)支撑；
S9：换步过程完成，TBM主动撑靴(9)和后支撑(11)再次撑紧洞壁，进行下一循环掘进；
S10：引水斜井开挖完成，TBM在1#引水上平洞组装洞室内组装，TBM首先完成1#引水斜井的施工，待完成1#引水斜井掘进施工后，在1#引水斜井拆卸洞室内完成TBM拆机，并由1#施工支洞转移到2#引水斜井内组装、掘进，两个引水斜井的TBM组装、掘进、拆卸工艺流程相同。
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CN120061855A (zh) * 2025-04-27 2025-05-30 中铁工程装备集团隧道设备制造有限公司 一种地下空间斜井矩形顶管机及其施工方法

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