CN1369055A - 三维多阶段隧道掘进方法及其设备 - Google Patents

Abstract

一种三维多阶段隧道掘进方法及其设备,可以在隧道掘进机(TBM)挖掘引导隧道的期间同时实施钻孔和爆破过程,于是减少了挖掘的周期和花费。三维多阶段隧道掘进方法包括步骤:在一个引导隧道中的一个上半部分上钻取倾斜装药孔,上述引导隧道是通过一个隧道掘进机(TBM)实施挖掘的,和在挖掘上述引导隧道期间在一个最外隧道部分沿着隧道掘进的方向(纵向方向)钻取具有一预定长度的最外装药孔,以及对上半部分实施装药和爆破,其中上述倾斜装药孔从一个横截方向向一个纵向方向偏转一个预定的角度;以及在钻取纵向孔之后,对与隧道面分隔一预定距离的除了中间部分的下半部分实施装药和爆破。

Description

三维多阶段隧道掘进方法及其设备

技术领域

本发明涉及一种隧道掘进方法；以及特别是涉及一种三维多阶段隧道掘进方法及其设备，其中在通过隧道掘进机(TBM)挖掘引导隧道的期间可以同时实施钻孔和爆破的工作，于是可以减少挖掘的周期和费用。

背景技术

在岩石隧道掘进的工作中，为了解决地面震动的问题和改善隧道掘进率，已经提出了一种隧道掘进机/新奥地利掘进方法(TBM/NATM)。根据这个结合的TBM/NATM方法，在使用NATM方法挖掘用于扩大的隧道剩余部分的同时，使用TBM挖掘一个引导隧道。

对于传统的使用TBM引导隧道的隧道掘进或扩大爆破，通常使用一种用于在掘进方向获得钻孔和爆破的纵向钻孔和爆破方法(在后文中，称为纵向钻孔和爆破方法)来实施钻孔和爆破。在大部分挖掘面上，根据工作环境使用一个腿钻机或一个车装钻机在一个要被挖掘的区域上钻装药孔。

下面结合图1和图2A到2D描述现有的纵向钻孔和爆破方法。

参考图1，根据一个排列钻装药孔4，对于每个装药孔4的每个圆圈中的参考标记指示了爆破的顺序。

图2A到2D是描述现有的纵向钻孔和爆破方法的各个步骤的示意图。参考标记1，2，3、4和5分别代表一个引导隧道、一个上半部分、一个下半部分、装药孔和一个直线钻孔区域。

根据现有的纵向钻孔和爆破方法，首先在图2A所示的上半部分2上钻装药孔4。根据工作的情况，使用立式钻机实施一预定长度隧道的钻掘。或使用车装钻机实施岩栓或装药孔的钻掘。

因此，如图2B所示，实施装药孔4的钻掘。在这个时刻，确定装药孔4的爆破延迟次序。爆破延迟次序用于依次产生爆破，从一个最靠近一个引导隧道1的自由面的区域开始以便获得一个由引导隧道1所提供的一个自由面，该次序被这样确定，即爆破依次从最靠近引导隧道1的最内区域进行到最远离引导隧道1的最外部区域。在这个时刻，也确定了直线钻孔区域5的爆破延迟次序。与引导隧道1的相似，这样确定最外部分的爆破延迟次序，即它对应于一个底部部分、一个下部部分和一个顶部部分的次序。在确定爆破延迟次序的基础上，实施直线钻孔区域5的装药。在这个情况下，预先确定的炸药量被装入到直线钻孔区域5的爆破部分中，要考虑到在如图2B所示在钻孔和爆破之后产生的岩石松动区域。

在完成装药之后，安装计划好的爆破延迟次序实施爆破。在爆破之后清除所产生的碎料，如图2C所示。此后，如图2D所示，在整个区域中钻掘具有一预定长度的装药孔4。重复上述步骤以获得所需要的隧道。

在按照上述的次序挖掘一个隧道的传统的纵向爆破方法中，因为装药孔4是布置在一个隧道掘进的方向，爆破震动将会通过隧道的整个长度传递到地表面。于是，当爆破压力和能量从爆破点传递到岩石上时，就会产生地面的爆破震动。由于这个地面震动，安装在靠近隧道上面部分的区域的结构和其它对震动敏感的设施将受到严重的破坏。

在传统的纵向钻孔和爆破的方法中，只是在去除用于TBM碎料车的轨道之后，在纵向实施TBM引导隧道的扩大爆破。于是限制了依次挖掘的长度。由于挖掘长度的增加，将增加过度断裂和钻孔的时间。在挖掘之后再实施装药孔的钻掘是不便利的，因为隧道表面十分不规则平整，以及限制了在掘进方向用于装药孔的钻掘的长度。此外，在使用TBM完成引导隧道的挖掘的之后，在隧道掘进工作中应当重复实施钻孔—装药—爆破—碎料清除的步骤。于是，引导隧道可以被无效率地使用。这将导致长的建设周期和高的建筑成本。此外，因为堆积的挖掘区域下面的碎料需要使用适合的机械设备逐一地装载到卸载车上，这需要长的时间去除碎料，以便直到去除所有的碎料实施下面的步骤。

在这个去除碎料的步骤中，可支撑的随后的车辆的数量受到限制，借此用作在提高挖掘长度中的阻碍因素。此外，随着挖掘长度的增加，不可避免地要增加过度断裂。尽管在预定区域的过度断裂可以增加挖掘的长度，但是增加了碎料量和去除碎料的时间。因此，考虑到隧道挖掘周期时间，要对挖掘长度的增加进行限制。

为了解决上述的问题，在韩国专利No.98-143712中公开了一种双向钻孔和爆破方法以及装药孔钻掘设备。图3A和3B分别显示了排列的装药孔，图3C分别显示了沿着在图3A和3B中的A-A和B-B线的截面视图。图4A到4D是分别描述双向钻孔和爆破方法的顺序步骤地示意图。

参考图3A到3C，沿着引导隧道7的径向方向钻取网格形状的装药孔，接着在一个最外的隧道部分中沿着纵向进行钻掘。在这个时候，分配给每个装药孔9的圆圈中的参考数字代表爆破次序。

在一个上半部分8中沿着垂直于一个由TBM挖掘的引导隧道7的纵向方向的方向径向地钻取横向的装药孔9。同时，沿着如图4A所示的纵向方向在一个最外部分10钻取纵向装药孔。如图4B所示，实施纵向和横向装药孔的装药。接着，实施爆破。参考图4C，使用适当的机械设备清除由爆破产生的碎料，例如，一个载荷压头铲斗。如图4D所示，在最外部分10的预定部分中再次钻取直线装药孔5。

尽管传统的双向钻孔和爆破方法具有缩短钻孔和爆破时间的优点，但是碎料的清除方式与传统的钻孔和爆破方法相同。于是隧道挖掘周期时间的效率低下。也就是说，由于挖掘的长度变长，所需的碎料清除时间也增加了。

此外，需要一个钻孔设备实施用于扩大的双向钻孔和爆破。因为在双向钻孔和爆破方法的爆破模式，在TBM上安装这个钻孔设备以在隧道的下半部分上钻取径向孔的难度很大，于是应当使用其它的钻孔设备实施钻掘，这样降低了钻孔设备的效率。此外，车载钻机靠近由TBM挖掘的引导隧道有一定的难度，这是因为即使用车载钻机实施钻掘，很难确定钻孔的位置和大小。

尽管可以使用小型的车载钻机，也存在一些问题，即在钻掘过程中连接到车载钻机上的电缆和供水管道应当进入到隧道中，于是这些电缆和管道应当移出隧道以防止爆破过程的损坏。因此，需要花费长时间实施挖掘，以及此外，很难同时实施钻掘过程和隧道钻孔过程。另外，因为在下半部分仍然使用纵向钻孔和爆破方法，该方法限制了对所花费的钻掘时间的缩短。

如上所述，在纵向钻孔和爆破方法或双向钻孔和爆破方法中在完成了由TBM实施的隧道钻掘之后才实施钻孔和爆破，在由TBM实施隧道钻掘的过程中只能实施径向的钻孔过程，但是在完成隧道钻掘之后应当实施扩大爆破过程。

如果可以同时实施钻孔和爆破过程和隧道钻掘过程，由于不可避免地实施扩大爆破过程，用于TBM隧道钻掘的附属设备，例如电缆、水管。通气管等，将被损坏，用于碎料车的轨道将被填埋。

本发明的公开

因此，本发明的目的是提供一种三维多阶段的隧道掘进方法以改善隧道掘进的周期和花费，其中在挖掘一个引导隧道的期间同时实施钻孔和爆破。

本发明的另一个目的是提供一种用于上述方法的设备，它能够提高隧道掘进的效率和碎料清除的效率。

根据本发明的一个实施例，提供了一种用于隧道掘进的方法，包括步骤：a)在一个引导隧道中的一个上半部分上钻取倾斜装药孔，上述引导隧道是通过一个隧道掘进机(TBM)进行挖掘的，和在挖掘上述引导隧道期间在一个最外隧道部分沿着隧道掘进的方向(纵向方向)钻取具有一预定长度的最外装药孔，以及对上半部分实施装药和爆破，其中上述倾斜装药孔从一个横截方向项一个纵向方向偏转一个预定的角度；以及b)在钻取纵向孔之后，对与隧道面分隔一预定距离的除了中间部分的下半部分实施装药和爆破。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种用于挖掘隧道的设备，包括：挖掘一引导隧道的隧道掘进机(TBM)的主体，沿着掘进方向前进，并且具有一个拖车；一个钻孔装置，在上述主体挖掘引导隧道的同时，说话速钻孔装置在引导隧道的上半部分上钻取倾斜孔，以及上述钻孔装置被安装在TBM的主体上，其中手术钳胸口从一个横截方向向一个纵向方向偏转一个预定的角度；一第一旋转装置，用于沿着倾斜方向和一个圆周方向旋转上述钻孔装置；一个碎料清除装置，设置在下半部分的底部上，用于将由爆破产生的碎料运载到隧道的外面；一用于旋转一个铲斗的第二旋转装置，安装在一个装载机的前面，通过使铲斗在一水平面旋转一预定的角度，便于装载位于上半部分和下半部分的狭窄区域的碎料。

附图说明

通过参考附图和结合下面对本发明优选实施例的描述，将会清楚本发明的其它目的和方面。

图1是传统的纵向钻孔和爆破模式的示意图；

图2A到2D显示了传统的纵向钻孔和爆破的方法的次序步骤；

图3A到3C显示了传统的双向钻孔和爆破模式的示意图；

图4A到4D显示了传统的双向钻孔和爆破方法的次序步骤；

图5A到5D显示了根据本发明的钻孔和爆破模式的示意图；

图6是根据本发明的三维多阶段隧道掘进方法的透视图；

图7A到7D显示了根据本发明的三维多阶段隧道掘进方法的次序步骤；

图8A是传统的隧道掘进方法的双向轨道系统的示意图；

图8B和8C是根据本发明的三维多阶段隧道掘进方法的三向轨道系统的示意图；

图8D是用于根据本发明的三维多阶段隧道掘进方法中的可变梯形结构的示意图；

图9A到9C是在本发明中使用的楔形联结装置的结构的视图；

图10A到10G是清除由本发明的三维多阶段隧道掘进方法生产的碎料的次序步骤的示意图；

图11A到11C是在现有技术和本发明中使用的隧道掘进机(TBM)的示意图；

图12A到12D是在本发明的三维多阶段隧道掘进方法中使用的旋转装置的示意图；

图13和14是在本发明的三维多阶段隧道掘进方法中使用的运载装置的示意图；

图15是在本发明的三维多阶段隧道掘进方法中使用的一个通风管系统的透视图；

图16A到16C是在本发明的三维多阶段隧道掘进方法中使用的加衬型式的示意图。

本发明的优选实施例

图5A和5B是显示了本发明的三维多阶段隧道掘进方法的钻孔和爆破模式的示意图。

参考图5A到5D，根据爆破震动在隧道掘进方向穿过装药孔的长度方向的传播强度较大的事实，在通过隧道掘进机(TBM)挖掘引导隧道的期间沿着一个倾斜方向预先钻取具有一预定长度的装药孔22。也就是说，倾斜的装药孔22从一个横截方向倾斜向一个在隧道掘进部分的纵向方向。在最外的隧道掘进部分上钻取具有一预定长度的用于平稳爆破的纵向装药孔23，以及接着在一区域实施用于扩大的第一倾斜爆破和纵向爆破，该区域与一个TBM隧道面距离几百米远。此后，在除了中间部分的下半部分上再次钻取纵向装药孔26，在用于爆破扩大的区域达到一预定的长度(在后文中称为一个NATM隧道表面)，接着实施扩大爆破。以及最后，使用预先在下半部分的中间部分上钻取得横向装药孔，在完成由TBM实施引导隧道的挖掘之后实施第三次扩大爆破，和拆除用于碎料车的轨道。因此，可以缩短用于隧道挖掘的周期时间和花费。

下面参考图6和图7A到7D详细描述本发明的三维多阶段隧道掘进方法。

参考图6，提供了显示本发明的所有装药孔和用于装载碎料的碎料清除装置的透视图。

从倾斜孔22开始，通过靠近TBM的头部或支持系统安装的车载钻机，预先在上半部分上钻取具有一预定长度和角度的倾斜孔22。接着纵向地钻取在最外隧道部分中的直线钻孔23，以减少在距离TBM隧道面几百米距离的区域上的过度断裂。根据本发明的优选实施例，直线钻孔(1_a)的长度为2～4米，对应于其倾斜装药孔，距离为2～4米，如图7A所示。在这个时刻，纵向装药孔的端部应当对应于倾斜装药孔的端部，如在图7A中的点线“a”所示。

优选的是，适合地确定倾斜装药孔的角度以便在爆破之后集中在隧道面的中间由爆破产生的碎料，如图7B所示。在本发明的实施例中，倾斜装药孔被倾斜到隧道的入口，其角度是20度～40度。下一步，借助于在图7D中所示的纵向钻孔和爆破方法，在距离NATM隧道面的几十米距离的区域，实施用于除了中间部分的下半部分的第二扩大爆破。最后，通过横向钻孔和爆破的方法，在预先钻取的孔中实施下半部分的中间部分的第三扩大爆破。

尽管根据本发明的实施例，对于第一爆破只实施了单次爆破，但是也可以实施两次爆破以获得较长的隧道掘进的长度和清除剩余的碎料，上述剩余的碎料是通过纵向钻孔和爆破方法对于最外隧道部分在单次爆破完成之后完全产生的，如图7C所示。可是，考虑到要运输的碎料量，该方法应当在第二爆破的同时实施。这样将完全清除上述剩余岩石碎料，以便可以增加隧道掘进的长度。

下面将参考图9A到9C描述本发明的另一个实施例，该实施例提供了用于本发明的楔形联结装置以控制装药孔的装药。

当钻取倾斜装药孔22以用于最大减少隧道掘进的周期时间时，上述倾斜装药孔22被预先钻取到一个和一爆破孔和一岩栓孔24的长度之和相同的长度，以便使引导隧道的效率最大化。这就是说，装药孔/岩栓孔的组合被用作第一倾斜爆破的爆破孔。在最外隧道部分的第二精确爆破之后，上述装药孔/岩栓孔的组合可以被再次使用作为岩栓孔。因此，因为不需要实施一个用于稳定挖掘的隧道部分的附加的岩栓孔的钻取，可以显著地减少岩栓孔的钻取时间。在这个时刻，在倾斜装药孔/岩栓孔的组合与纵向装药孔的交接区域中，可以在倾斜装药孔中发现水流，这是由于在纵向装药孔的钻取工作中产生的水的缘故。因此，如果出现交接，可以通过再次实施在离开第一装药孔的位置上实施纵向的钻孔而解决上述的问题。

在完成了倾斜装药孔22和纵向装药孔的钻取之后，在隧道的底部上安装用于清除由于爆破产生的碎料的设备。通过适当地上下调节在引导隧道的下半部分中扩大部分，可以保护用于清除碎料的设备31的装载体33，防止受到爆破压力和爆破产生的下降的碎料的损坏。

如图14所示，在引导隧道的底部的两侧放置的轨道432和一个轮子433A连接到上述设备的下部以便可以使上述设备移动。此外，装载体433包括用于连续地连接到上述设备的端部的连接环和具有装载碎料空间的箱体434，其中箱体434被放置在装载体433的上部并且能够被提升到装卸车上。在这个时刻，一个橡胶件435被连接到装载体433的内侧，与箱体434的外侧相接触，以便减小由于下落碎料的分散而引起的损坏和噪音。

如图9A到9C所示，在安装用于清除碎料的设备31之后，对倾斜装药孔22和纵向装药孔23实施装药。在这个时刻，在倾斜装药孔22的长度比设计的长度长的情况下，一个楔形联结装置被安装在倾斜爆破区域的倾斜孔22上，以及形成一个具有适当长度的夹沙层25，于是可以控制用于装药的钻孔长度以实施第一爆破。在这个时刻，楔形联结装置的直径略大于倾斜装药孔22的直径。楔形联结装置1400包括一个橡胶连接件42，在其中形成一个楔形槽42A，一个插入到橡胶连接件42的楔形槽42A中的楔块43。因此，爆破炸药通过楔形联结装置900和夹沙层25被可靠地填充在倾斜爆破部分中。

图9C是描述了用于控制本发明的装药长度的楔形联结装置1400的结构的视图。

首先，在钻取倾斜装药孔22之后，橡胶连接件42被插入到装药孔22的入口并且用一个根据钻孔长度设计的刻度管44将其推入到倾斜装药孔22中。此后，用一个楔杆45将楔块43穿过刻度管44插入到橡胶连接件42中，于是爆破炸药被填充道倾斜爆破区域的钻孔长度之中。

尽管倾斜装药孔的钻取长度大于所设计的长度，使用楔形联结装置1400可以控制用于装药的钻孔长度，于是可以得到一个精确的隧道掘进。

当完成对倾斜装药孔22和纵向装药孔23的装药之后，如图7B所示，可以实施用于倾斜爆破和纵向爆破的第一爆破。

借助于倾斜装药孔22，由第一爆破产生的碎料被集中到隧道面的中间，于是被聚集在放置在装载体33的箱体34中，如图11C所示。包含有碎料的装载体33被快速地后撤，于是获得下一次工作的空间。后撤装载体33的箱体34被提升到装卸车上，以便方便地清除碎料，如图11D所示。同时，没有落入到装载体上的剩余的碎料可以通过使用一个装载铲斗被装载到箱体34中。

在实施完成第一爆破之后，在除了中间部分以外的下半部分上实施纵向孔的钻取，接着实施第二爆破。

由用于扩大的第二爆破产生的碎料被装载进入在装载体上的箱体。此外，同时实施上述第一和第二爆破，于是减少了后续过程的时间，例如通风过程。

在爆破的同时，一个在盖板上的轨道转换装置890被安装在伸长的隧道内，以便于碎料车或机车500的移动。

参考图8A，提供了轨道系统的示意图，其中在引导隧道的下半部分的底部中每距离1-2km的位置上安装盖板，于是碎料车或者牵引车可以沿着轨道相互移动。但是，在本发明中，如图8B和8C所示，安装了一种三向轨道，其中下半部分的剩余的中间部分和已经挖掘的下半部分的两侧被盖板870相互连接，并且支撑880被设置在盖板870的端部。因此，可以容易地移动碎料车和装载体。此外，装载铲斗被设计成可以通过一个水平旋转装置在下半部分的两侧的狭窄的区域旋转，以便由第二爆破产生的碎料可以北轻松地装载到碎料车中。

参考图8D，可以轻松地安装一个可变梯形结构850，用于引导隧道掘进设备。例如车载钻机或装载装置。在这个时刻，可以通过铰链804和在第二盖板802下面的支撑的两个支撑杆805调节第一、第二和第三盖板801、802和803，可以使用一个螺栓806来调节盖板801、802和803的高度。因此，可以调节梯形结构805以改变下半部分的高度。

第二盖板802被连接到一个水平梁807和安装在水平梁807的下面的轮子808上，于是梯形结构805可以根据工作情况轻松地移动。以及第三盖板803可以通过一个铰链804和绞状线809被放置在下半部分上或其上部和其下部。

尽管由于轨道的缘故不能在下半部分的中间部分中实施爆破，在通过TBM实施引导隧道的挖掘期间，如果对诸如电缆、空气和水供给管等TBM的附属设备进行保护防止爆破的损害，则可以实施下半部分的两侧的爆破。

这就是说，可以在第一爆破的同时，可以在距离NATM隧道面几十米距离的区域实施第二爆破，接着在TBM挖掘引导隧道完成之后，可以通过采用横向钻孔和爆破方法准备实施第三爆破，其中在挖掘引导隧道期间可以预先实施钻孔。

现在参考图5A到5D，在第二爆破期间，对于在一个位于下半部分的中间部分和两侧之间的边界中的平稳爆破必须要保护TBM的附属设备。由第二爆破产生的碎料可以通过与上述的第一爆破中的相同方式清除出去。这个工作可以在诸如安装岩栓或钢肋的稳固隧道的期间进行，以便可以缩短总的周期时间。可以使用钻孔设备的空余时间预先钻取用于第三爆破的横截装药孔，接着在TBM完成引导隧道的挖掘和拆除碎料车的轨道之后实施第三爆破。

参考图10A到10G，详细描述了运载爆破产生的碎料的次序步骤，其中借助于碎料车28、装载体27，33和牵引车500将碎料运载。碎料被装载到碎料车28上，该碎料车沿着轨道移动，牵引车500将碎料车28、装载体27，33拉出到隧道的外面。

在通过TBM挖掘引导隧道时产生的碎料通过传送带被运载到碎料车上，接着通过牵引车500将碎料车拉出到隧道外面。

由第一爆破所产生的碎料大部分被收集到在装载体33上的箱体之中，剩余的碎料被装载铲斗装载，于是通过牵引车300将装载体33拉出到隧道的外面。

下一步，由第二爆破所产生的碎料被装载到底部装载体27上或装载体33上，它们被牵引车500拉出到隧道的外面。因为第一爆破和第二爆破所产生的碎料被装载到装载体上并被牵引车拉出到隧道的外面，可以使用于钻孔的工作空间安全可靠并且减少了隧道掘进的周期时间。

如果同时实施第一爆破和第二爆破以减少周期时间，装载有碎料的装载体33和底部装载体27可以被牵引车500快速地拉出隧道。

参考图11A，显示了包括用于挖掘引导隧道的TBM的主体100的隧道掘进设备，带有TBM的支持拖车101；TBM的支持辅助设备102；安装在TBM的支持拖车101的适当位置上的车载钻机200，该车载钻机200用于在上半部分钻取倾斜装药孔；安装在TBM的支持拖车101上的第一旋转装置300用于旋转和倾斜钻机；一个碎料清除装置，设置在下半部分的底部上，用于装载由爆破产生的碎料；一个第二旋转装置，用于使装载铲斗旋转以便将位于下半部分的狭窄区域的碎料装载到装载体上；一个牵引车500，用于将碎料车和装载体牵引到隧道的外面；一个可变梯形结构，用于引导在隧道掘进中使用的全部设备；以及一个盖板870和一个便于碎料车和装载体移动的轨道转换装置。

参考图11A到11C，显示了TBM的主体100，它包括多个高速回转的用于切割岩石的切削刀112；一个被头部套116包围的头部110，头部套116具有多个用于向后运载碎料的铲斗；一个安装在头部110的后面的液压缸122，用于使头部110向前运动；一个具有驱动装置的内部方钻杆120以便对头部110提供回转的动力；多个安装在内部方钻杆120的外部的夹持垫板132；多个设置在外部方钻杆130上的垫板缸134，用于使夹持垫板132朝着引导隧道1的径向方向移动，外部方钻杆130用于支撑头部110；一个传送带装置141和一个辅助传送装置142，用于将在铲斗中的碎料从IBM的主体100传送到TBM的支持拖车101上。

参考图12A，显示了安装在TBM的支持拖车的平台103上的车载钻机200，包括：用于钻取多个装药孔和岩栓孔的钻头210；用于驱动钻头210的冲头220；一个使冲头220前后移动的供给缸230。供给缸230通过外部控制器控制，用于根据隧道面的条件调节钻孔的深度。

尽管在本发明的实施例中，安装在TBM的支持拖车的平台103上的车载钻机200没有与传送带装置141相互干扰，也可以将车载钻机200安装在内部方钻杆120或者TBM的主体100的主杆上。在这个时刻，车载钻机200的位置与TBM的主体100相距一定距离的原因是为了获得足够的钻孔间距。

下面参考图12A到12C描述钻孔设备的操作机构。

通过在内部方钻杆120上的液压缸122推进TBM的主体100的头部以便使用头部的切削刀挖掘引导隧道，驱动力是通过驱动装置124传递的。由爆破产生的碎料被传送带装置运载到支持附属设备102中，以及通过牵引车将碎料车拉出隧道。

在TBM挖掘引导隧道的同时，安装在TBM的支持拖车的平台103上的车载钻机200在上半部分上钻取倾斜装药孔。在这个时刻，考虑到岩石的条件，可以同时钻取岩栓孔或者与装药孔分别钻取。

参考图12A和12B，显示了旋转装置300，该旋转装置300包括：用于使进料器沿着圆周方向旋转的旋转传动装置，该旋转传动装置的中心轴线与引导隧道的中心轴线重合并且装备有车载钻机200；用于优选在-90度～+90度的旋转角中单独使进料器旋转的第一电动机330；一个安装在旋转支架320上的支架装置340用于倾斜地旋转钻机；以及一个安装在支架装置340上的步进电机350，用于沿着倾斜的方向供给上述旋转的动力。

参考图12B，描述了支架装置1200，包括：一个支架341，用于通过螺栓安装旋转轴320，支架的形状是凹入的“U”形并且在支架的中间具有孔341A；一个插入到孔341A中的轴承346；一个连接到步进电机350的芯轴上的圆周齿轮342；以及一个齿圈板343，该齿圈板具有一个与圆周齿轮342啮合的内齿圈344，其中该内齿圈被连接到一个板345上。

通过借助于在旋转支架320上的旋转齿轮的齿轮，可以调整钻孔的角度，该旋转齿轮被第一电动机330通过旋转装置300和支架装置1300所驱动。借助于步进电机的动力通过圆周齿轮和内齿圈342，344进行倾斜装药孔的钻取。在这个时刻，优选的是，被步进电机350驱动的齿圈板343的倾斜角度大约为20度到40度。以及借助于由冲头220和供给缸230传递的驱动力进行倾斜装药孔的钻取。

参考图13和14，显示了用于运载碎料的设备，包括：一个安装在隧道底部的两侧的轨道432；一个借助于轮子433a在轨道432上移动的装载体433和具有一个连接到另一个装载体上的连接件；一个在装载体433上箱体434用于装载碎料，一个在装载体433和箱体434之间的橡胶板435，用于减小冲击和振动；以及一个装载体下面的弹簧，用于减小冲击。在这个时刻，装载体433和箱体434被设计成尽可能多地装载碎料，例如它们的高度略低于引导隧道的中心轴线。

通过扩大爆破的区域的工作情况来确定装载体和底部装载体。如果装载体的高度高于扩大爆破部分的高度，可以装载更多的碎料，但是装载体不能在爆破过程得到保护。因此，装载体的选择应当考虑工作的情况。

装有碎料的设备400被牵引车500牵引。也就是说，只有一个牵引车500将碎料车或装载体拉出隧道，于是增加了工作效率。

在完成倾斜装药孔的钻取、纵向孔的钻取和装药孔的装药过程之后，实施第一爆破。第一爆破产生的碎料的大部分被集聚在引导隧道的中间，即集聚在箱体和装载体上，然后被牵引车拉出隧道。

辅助设备必须要得到保护防止遭到爆破的破坏。在本发明图14中的实施例中，电缆、供气管和供水管被放置在装载体的下面以便得到保护防止被爆破破坏，于是可以在引导隧道的挖掘的同时安全地实施钻孔和爆破。因此，与现有技术相比，增加了隧道掘进的速度，在本发明中更有效地利用了引导隧道的上半部分和下半部分。这就是说，当倾斜装药孔实施第一爆破时使用了上半部分，在第二和第三爆破时使用了下半部分，以及通过盖在引导隧道的下半部分上的装载体保护附属设备不受到爆破的破坏。因此显著地提高了引导隧道的效率。

参考图15，显示了根据本发明的三维多阶段隧道掘进方法的通风管道系统的透视图。

通风管道600可以被安装在引导隧道的顶部区域或者安装在侧部区域之中。在本发明的实施例中，用于TBM挖掘的通风管道600仍然被使用，于是主管道602可以与放置在NATM隧道面的后部中的管道603分开，接着实施用于扩大的爆破。因为通风管道600被设计成活扣700的形式并且被吊架悬挂以便方便分离，可以实施扩大爆破和灰尘可以被通风排出。在TBM挖掘的情况下，可以将在挖掘期间产生的灰尘再次通过连接主管道602和放置在NATM隧道面的后部中的管道603被清除排出。

放置在NATM隧道面的后部中的管道603被用于进行NATM隧道面的通风，以及通过再次连接两个管道被用于TBM隧道面的通风。因为用于TBM隧道掘进的通风管道600被利用于扩大爆破，增加了管道的效率。在这点上，用于TBM隧道面的通风管道和用于NATM隧道面的通风管道可以被平行安装。在这个情况下，诸如灰尘的污染物借助于使用两个通风管道被有效地清除排出。

在完成爆破和岩栓的安装以及混凝土喷浆完成之后，可以在隧道的外表面上实施诸如混凝土灌浆过程的隧道掘进的最后过程。在传统的方法中，只有在引导隧道的挖掘和扩大爆破完成之后才实施混凝土灌浆。可是，在本发明中使用了特殊设计的加衬型式以便诸如碎料车，装载体的输送附属设备的穿过移动。此外，借助于在图16A到16C所示的加衬型式的上部部分中的铰链和绞盘，可以实施混凝土衬砌过程。

在下半部分的剩余中间部分的爆破期间，对于混凝土衬砌，可以通过使用具有轮子和橡胶板的钢制的壳体防止遭到爆破的破坏。

以上只是通过优选实施例对本发明进行了描述，在不脱离本发明的精神和保护范围的情况下，可以对所述的描述进行进一步的改进。

Claims (28)

1.一种用于挖掘隧道的方法，包括以下步骤：

a)在一个引导隧道中的一个上半部分上钻取倾斜装药孔，上述引导隧道是通过一个隧道掘进机(TBM)进行挖掘的，和在挖掘上述引导隧道期间在一个最外隧道部分沿着隧道掘进的方向(纵向方向)钻取具有一预定长度的最外装药孔，以及对上半部分实施装药和爆破，其中上述倾斜装药孔从一个横截方向项一个纵向方向偏转一个预定的角度；以及

b)在钻取纵向孔之后，对与隧道面分隔一预定距离的除了中间部分的下半部分实施装药和爆破。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤b)之后，还包括步骤：

c)在上述下半部分的中间部分上钻取装药孔；

d)实施连续的横截爆破；

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a)之后，还包括步骤：

a1)在引导隧道的底面上的一个轨道上安装一个碎料车；

a2)借助于一个牵引车将装载有爆破产生的碎料的碎料车拉出隧道。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a)之后，还包括步骤：

a1)在完成钻取最外纵向装药孔之后，在一个用于扩大爆破的区域，在引导隧道的底面上的轨道上安装一个装载体；

a2)在对倾斜装药孔和纵向装药孔实施装药之后，实施扩大爆破：

a3)借助于一个牵引车将装载有爆破产生的碎料的装载体拉出隧道。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤a2)之后，还包括步骤：在安装装载体之前，在装载体和引导隧道的底部之前安装用于TBM的辅助设备。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤a2)之后，还包括步骤：对于围绕着隧道面的剩余岩石，再次在一预定长度处实施纵向钻孔和爆破。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤a)还包括步骤：借助于安装在任何一个位于TBM的支持拖车和主体之间的地点车载钻机的装置进行倾斜孔的钻取。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，倾斜孔的钻取长度等于装药孔和岩栓孔的长度的和。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，倾斜装药孔具有一个预定的角度，以便由扩大爆破产生的碎料被集聚在上述隧道的中间。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，上述的预定角度为20度到40度。

11.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤a)还包括步骤：在一个倾斜爆破区域的倾斜爆破孔上安装一楔形联结装置和一夹沙层，以便将爆破炸药在一预定的长度上填埋到倾斜装药孔。

12.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤a1)还包括步骤：

a1)在形成上述倾斜装药孔之后将一个橡胶连接件插入到装药孔的入口，和使用一个刻度管将上述橡胶连接件推入到上述倾斜装药孔中；

a2)使用上述刻度管将一个楔块插入到橡胶连接件中，以便将爆破炸药装填到倾斜爆破区域的倾斜装药孔中。

13.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤a)还包括步骤：

a1)在隧道的预定区域安装通风管道；

a2)在位于隧道面的后面的一预定区域上的扩大爆破中，将一个主管道与放置在隧道面的后面中的管道分离开。

14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b)还包括步骤：

b1)在扩大爆破区域的引导隧道的底部的上方的预定区域上安装底部装载体；

b2)在除了中间部分的下半部分上钻取纵向装药孔；

b3)在实施装药之后实施爆破；

b4)将爆破产生的碎料装载到装载体或底部装载体上；

b5)借助于牵引车将上述装载碎料的装载体或底部装载体拉出隧道。

15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤b)之后，还包括步骤：

e)在隧道中安装一个加衬型式，以便于使装载体和其它附属设备穿过加衬型式移动；

f)用混凝土对隧道的内部区域进行灌浆。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，一个钢制的壳体具有一个连接到其上的吸振材料以保护混凝土衬砌形式不受到第三爆破的破坏，例如下半部分的中间部分的扩大爆破，以及便于轮子移动。

17.一种用于挖掘隧道的设备，包括：

挖掘一引导隧道的隧道掘进机(TBM)的主体，沿着掘进方向前进，并且具有一个拖车；

一个钻孔装置，在上述主体挖掘引导隧道的同时，说话速钻孔装置在引导隧道的上半部分上钻取倾斜孔，以及上述钻孔装置被安装在TBM的主体上，其中手术钳胸口从一个横截方向向一个纵向方向偏转一个预定的角度；

一第一旋转装置，用于沿着倾斜方向和一个圆周方向旋转上述钻孔装置；

一个碎料清除装置，设置在下半部分的底部上，用于将由爆破产生的碎料运载到隧道的外面；以及

一用于旋转一个铲斗的第二旋转装置，安装在一个装载机的前面，通过使铲斗在一水平面旋转一预定的角度，便于装载位于上半部分和下半部分的狭窄区域的碎料。

18.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，钻孔装置被安装在可以在TBM的一个内部方钻杆、一个主杆和拖车的平台之中选择的任一位置上。

19.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，钻孔装置包括一个用于驱动钻头的冲头，以及一个准备有冲头的供给缸，用于向前和向后移动。

20.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，旋转装置还包括：

一装备有旋转传递装置的旋转支架，用于使钻孔装置的进料器沿着圆周方向旋转，带有一个与引导隧道的中心轴线平行的中心轴线；

在一预定角度旋转上述旋转传递装置的第一电动机；

一个安装在旋转支架前面的两侧上的支架装置，用于倾斜地旋转钻孔装置；以及

一个安装在支架装置上的步进电机，用于供给驱动力以沿着一预定的角度倾斜地旋转。

21.根据权利要求20所述的设备，其特征在于，支架装置还包括：

一个支架，用于将一个支撑手柄固定成形在上述支架的中间的槽中；

一个安装在上述步进电机的芯轴上的圆周齿轮，上述芯轴穿过上述位于支架中间的槽；以及

一个固定在钻孔装置上的齿轮支架，用于使上述圆周齿轮与一个内齿圈相啮合。

22.根据权利要求20所述的设备，其特征在于，步进电机对支架装置供给驱动力，能够使钻孔装置沿着倾斜方向旋转20度～40度。

23.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，用于清除碎料的碎料清除装置还包括：

一个用于在TBM的支持拖车上装载的碎料的运载装置，用于将爆破产生的碎料运载到一个位于隧道面的后面的一预定区域中；

一个安装在引导隧道的底面的两侧上的轨道；

一个具有可以在轨道上移动的轮子的装载体；

一个箱体，安装在上述装载体上，用于将碎料装载到箱体中；以及

一个牵引车，位于隧道的外面，用于拉出碎料车和装载体。

24.根据权利要求23所述的设备，其特征在于，还包括安装在装载体和箱体之间的第一吸振装置，用于减少碎料的振动和噪音。

25.根据权利要求23所述的设备，其特征在于，还包括安装在装载体下面的第二吸振装置，用于防止轨道受到下落的碎料的冲击。

26.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，还包括：

安装在引导隧道的预定区域的通风管道，用于将在挖掘引导隧道和扩大爆破中产生的灰尘排出出去，该管道可以被分离装置分隔开；

一个可变得梯形结构，用于使钻孔装置和碎料清除装置在扩大爆破中方便地移动；以及

盖板和轨道转换装置，用于使碎料车和装载体可以方便地在附加安装盖板上的另一个轨道上移动，上述盖板使下半部分的中间部分和下半部分的两侧结合在一起。

27.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，还包括：

一个在加衬型式的上部分中的扩大装置，用于使装载体和其它的附属设备穿过上述加衬型式移动；以及

一个安装在上述加衬型式下的混凝土衬砌的保护装置，用于保护混凝土衬砌不受到第三爆破的损坏。

28.根据权利要求27所述的设备，其特征在于，钢制的壳体具有可移动的轮子，和在混凝土衬砌的保护装置的后侧连接一个吸振材料。

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