一种斜井TBM掘进系统及掘进方法

摘要

本发明涉及一种斜井TBM掘进系统及掘进方法。斜井TBM掘进系统，包括：前盾，其内部设有驱动装置，前盾的前端设有刀盘，驱动装置用于驱动刀盘转动；支撑盾，其前端插装在前盾的后端或套装在前盾的后端，支撑盾和前盾之间设有推进油缸，以实现前盾在前后方向上相对支撑盾向前移动；撑靴组件，设置在支撑盾内，撑靴组件与推进油缸协同工作，以实现斜井TBM的换步；支撑组件，设置在支撑盾的后方，支撑组件包括拱架和拱架锚杆，拱架锚杆插装在隧洞的洞壁上，拱架安装在拱架锚杆上并贴靠洞壁布置；轴向防溜油缸，沿隧洞的前后方向延伸，其设置在支撑盾内，轴向防溜油缸的驱动端设有轴向撑靴，轴向撑靴用于支撑在拱架上，以防止斜井TBM溜车。

说明书

技术领域

本发明涉及一种斜井TBM掘进系统及掘进方法。

背景技术

硬岩隧道掘进机（TBM），是一种隧道掘进的专用工程机械，具有开挖切削土体、输送泥渣、拼装隧道衬砌等功能，已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。常规TBM适用于±5%坡度的平洞施工，而斜井TBM向上掘进时需要设置安全防溜装置，以避免斜井TBM向下溜滑的问题。

申请公布号为CN112412478A的中国发明专利申请公开了一种隧道斜井施工系统，包括始发装置、斜井TBM以及接收装置，斜井TBM包括掘进主机和后配套，掘进主机和后配套之间设有安全防溜装置，安全防溜装置防止斜井TBM在斜井内掘进时发生溜车或不必要的滑动。

上述的安全防溜装置类似于TBM的撑靴，由于其安装在掘进主机与后配套之间，因此安全防溜装置会占用一节拖车的长度，这样增加了斜井TBM的整机长度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种斜井TBM掘进系统，以解决现有技术中的安全防溜装置会占用一节拖车长度而导致斜井TBM的整机长度增加的技术问题；本发明的目的还在于提供一种斜井TBM掘进方法。

为实现上述目的，本发明斜井TBM掘进系统的技术方案是：

斜井TBM掘进系统，包括：

前盾，其内部设有驱动装置，前盾的前端设有刀盘，驱动装置用于驱动刀盘转动；

支撑盾，其前端插装在前盾的后端或套装在前盾的后端，支撑盾和前盾之间设有推进油缸，以实现前盾与支撑盾在前后方向上相对移动；

撑靴组件，设置在支撑盾内，撑靴组件与推进油缸协同工作，以实现斜井TBM的换步；

支撑组件，设置在支撑盾的后方，支撑组件包括拱架和拱架锚杆，拱架锚杆插装在隧洞的洞壁上，拱架安装在拱架锚杆上并贴靠洞壁布置；

轴向防溜油缸，沿隧洞的前后方向延伸，其设置在支撑盾内，轴向防溜油缸的驱动端设有轴向撑靴，轴向撑靴用于支撑在拱架上，以防止斜井TBM后溜。

有益效果是：本发明的斜井TBM掘进系统通过在洞壁上铺设拱架，并利用支撑盾内轴向防溜油缸的轴向撑靴支撑在拱架上，在防止斜井TBM后溜的同时，安全可靠；而且相比于现有技术中的安全防溜装置，能够减少斜井TBM的总长度，有利于斜井TBM向上掘进。

作为进一步的改进，所述拱架和拱架锚杆之间设有拱架混凝土层。

有益效果是：拱架通过拱架混凝土层固定在洞壁上，以保证拱架的稳定性。

作为进一步的改进，在拱架设置有两个以上时，所述支撑组件的所有拱架沿前后方向抵接布置。

有益效果是：将支撑组件的所有拱架沿前后方向抵接布置，使得各拱架均能分摊一部分受力，使得整个支撑组件能够承受较大的顶推力。

作为进一步的改进，所述支撑组件还包括托架，托架具有沉入段和承托段，沉入段沉入洞壁设置，承托段承托最后端的拱架。

有益效果是：托架不仅对最后端的拱架起到定位作用，以便于最后端拱架的安装，而且对最后端的拱架起到支撑作用，提高整个支撑组件的支撑力。

作为进一步的改进，所述托架的前侧与洞壁、最后端的拱架之间设有托架混凝土层。

有益效果是：保证托架与最后端的拱架连接的稳定性。

作为进一步的改进，所述承托段和最后端的拱架通过螺栓固定连接。

有益效果是：保证托架与最后端的拱架连接的稳定性。

作为进一步的改进，每个拱架对应布置有至少两个拱架锚杆。

有益效果是：这样设计，以提高每个拱架的稳定性。

作为进一步的改进，所述支撑组件设置有至少两组，各组支撑组件在隧洞的周向上间隔布置。

有益效果是：通过设置至少两组支撑组件，以提高斜井TBM的防止后溜的能力。

作为进一步的改进，所述轴向防溜油缸与支撑组件一一对应。

有益效果是：这样设计，便于轴向防溜油缸与相应支撑组件的顶推配合。

作为进一步的改进，所述支撑盾的后部设置有锚杆钻机和拱架安装器，锚杆钻机用于在洞壁上钻孔并安装所述的拱架锚杆，拱架安装器用于将拱架安装在拱架锚杆上。

有益效果是：这样设计，有利于实现自动化。

作为进一步的改进，所述前盾内设有径向防溜油缸，径向防溜油缸沿隧洞的径向延伸，径向防溜油缸的驱动端设有径向撑靴，径向撑靴用于支撑在洞壁上，所述前盾上设有避让孔，避让孔用于避让径向撑靴。

有益效果是：径向撑靴能够与轴向撑靴一起防止斜井TBM后溜，进一步保证斜井TBM换步时不会后溜。

作为进一步的改进，所述径向防溜油缸沿隧洞的周向间隔布置有至少两个。

为实现上述目的，本发明斜井TBM掘进方法的技术方案是：

斜井TBM掘进方法，包括以下步骤：

1）在撑靴组件的换步撑靴撑紧洞壁后，推进油缸推动刀盘、前盾斜向上掘进，到达掘进行程后，停止掘进；

2）先在洞壁上预钻锚杆孔并放置拱架锚杆，再在拱架锚杆上安装拱架；

3）支撑盾内轴向防溜油缸的轴向撑靴伸出，顶在最前端的拱架上，以防止斜井TBM后溜；

4）撑靴组件的换步撑靴收回，在推进油缸拉动支撑盾斜向上运动一个掘进行程后，撑靴组件的换步撑靴再次撑紧洞壁；

5）收回轴向防溜油缸的轴向撑靴；

6）重复步骤1）至5）完成斜井TBM掘进。

有益效果是：本发明的斜井TBM掘进系统通过在洞壁上铺设拱架，并利用支撑盾内轴向防溜油缸的轴向撑靴支撑在拱架上，在防止斜井TBM后溜的同时，安全可靠；而且相比于现有技术中的安全防溜装置，能够减少斜井TBM的总长度，有利于斜井TBM向上掘进。

作为进一步的改进，在步骤1）中，停止掘进后，将前盾内的径向撑靴伸出，并撑紧在洞壁上；在步骤5）中，收回前盾内的径向撑靴。

有益效果是：径向撑靴能够与轴向撑靴一起防止斜井TBM后溜，进一步保证斜井TBM换步时不会后溜。

作为进一步的改进，在步骤2）中，采用锚杆钻机在洞壁上预钻锚杆孔并放置拱架锚杆；采用拱架安装器在拱架锚杆上安装拱架。

有益效果是：这样设计，有利于实现自动化。

作为进一步的改进，在步骤2）中，在拱架锚杆上安装拱架后，在洞壁和拱架之间注浆以固定拱架。

有益效果是：这样设计，以保证拱架的稳定性。

附图说明

图1为本发明斜井TBM掘进系统的结构示意图；

图2为图1中锚杆钻机处的截面图；

图3为图1中径向防溜油缸处的截面图；

图中：1、刀盘；2、前盾；3、辅助支撑装置；4、传动机构；5、驱动电机；6、轴向撑靴；7、推进油缸；8、轴向防溜油缸；9、支撑盾；10、撑靴组件；11、拱架安装器；12、锚杆钻机；13、支撑组件；14、托架；15、托架锚杆；16、径向撑靴；17、径向防溜油缸；18、拱架锚杆；19、拱架；20、拱架混凝土层；21、洞壁。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。此外，术语“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”是基于附图所示的方位和位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示所指的装置或部件必须具有特定的方位，因此不能理解为对本发明的限制。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

本发明斜井TBM掘进系统的实施例1：

如图1所示，斜井TBM掘进系统包括前盾2和支撑盾9，前盾2的内部设有驱动装置，前盾2的前端设有刀盘1，驱动装置包括驱动电机5和传动机构4，驱动电机5工作时通过传动机构4驱动刀盘1转动，以实现对土体的切削。

本实施例中，支撑盾9的前端插装在前盾2的后端，支撑盾9和前盾2之间设有推进油缸7，以使前盾2在前后方向上相对支撑盾9向前移动。其中，推进油缸7的一端连接在支撑盾9的下部，推进油缸7的另一端连接在前盾2的下部。

本实施例中，支撑盾9内设有撑靴组件10，撑靴组件10包括撑靴油缸和换步撑靴，撑靴油缸驱动换步撑靴在隧洞的径向上往复移动；其中，撑靴组件10和推进油缸7协同作用，以实现斜井TBM的换步。

本实施例中，隧洞的洞壁21上设有支撑组件13，支撑组件13设置在洞壁21的底部且处于支撑盾9的后方。如图2所示，支撑组件13包括拱架19和拱架锚杆18，拱架锚杆18插装在隧洞的洞壁21上，拱架19安装在拱架锚杆18上并贴靠洞壁21布置。其中，拱架19为由防溜滑的钢材拼焊而成的仰拱钢衬。在其他实施例中，拱架可以为混凝土管片。

如图2所示，在拱架19和洞壁21之间浇注有混凝土，以使得拱架19和洞壁21之间形成拱架混凝土层20，以进一步保证拱架19的稳定性。其中，每个拱架19对应三个拱架锚杆18，以保证拱架19的稳定性。在其他实施例中，拱架和洞壁之间可以不浇注混凝土。

本实施例中，支撑组件13设置有两组，两组支撑组件13沿隧洞的周向间隔布置；每组支撑组件13包括多个拱架19，同一支撑组件13所包含的拱架19在隧洞的轴向上抵接布置。其中，斜井TBM每换步一次，需要施工多个拱架19，之后多个拱架19与洞壁21之间一起浇注混凝土。在其他实施例中，支撑组件可以设置一组。

本实施例中，支撑组件13还包括托架14，托架14通过托架锚杆15固定在洞壁21上；托架14具有沉入段和承托段，沉入段沉入洞壁21设置，承托段承托最后端的拱架19，且承托段与最后端的拱架19通过螺栓连接。其中，托架14的前侧与洞壁21、最后端的拱架19之间设有托架混凝土层，托架14处于斜井的入口处。

如图1所示，支撑盾9内设有轴向防溜油缸8，轴向防溜油缸8沿隧洞的前后方向延伸，轴向防溜油缸8的驱动端设有轴向撑靴6，轴向撑靴6用于支撑在拱架19上，以防止斜井TBM溜车。

本实施例中，轴向防溜油缸8设置有两个，两个轴向防溜油缸8分别与相应的支撑组件13对应。

本实施例中，支撑盾9的后部设置有拱架安装器11和锚杆钻机12，锚杆钻机12用于在洞壁21上钻孔并安装拱架锚杆18，拱架安装器11用于将拱架19安装在拱架锚杆18上，以实现自动化施工支撑组件13。其中，拱架安装器11和锚杆钻机12均为现有成熟产品，二者的具体结构和工作原理在此不再赘述。

如图1和图3所示，前盾2内设有辅助支撑装置3，辅助支撑装置3包括径向撑靴16和径向防溜油缸17，径向防溜油缸17沿隧洞的径向延伸，径向撑靴16设置在径向防溜油缸17的驱动端上，前盾2上设有避让孔，避让孔用于避让径向撑靴16。在正常掘进时，径向撑靴16收缩在前盾2内，需要换步时，径向撑靴16穿过避让孔并支撑在洞壁21上，以防止斜井TBM后溜。在其他实施例中，在轴向防溜油缸的支撑力足够大的情况下，可以不设置辅助支撑装置。

本实施例中，径向防溜油缸17沿隧洞的周向间隔布置有六个，以提高斜井TBM的防溜能力。在其他实施例中，径向防溜油缸17的数量可以根据需要设置。

本实施例中，锚杆孔径为25-35mm，深度大于1.2m。

本发明斜井TBM掘进系统的掘进工艺如下：

1、在撑靴组件10的换步撑靴撑紧洞壁后，推进油缸7推动刀盘1、前盾2斜向上掘进，到达掘进行程后，停止掘进；

2、前盾2内的径向撑靴16伸出，并撑紧在洞壁21上；

3、先采用锚杆钻机12在洞壁21上预钻锚杆孔并放置拱架锚杆18，再采用拱架安装器11在拱架锚杆18上安装拱架19，并洞壁21和拱架19之间注浆以固定拱架19；

4、支撑盾9内轴向防溜油缸8的轴向撑靴6伸出，顶在最前端的拱架19上，以与径向撑靴16一起防止斜井TBM后溜；

5、撑靴组件10的换步撑靴收回，在推进油缸7拉动支撑盾9斜向上运动一个掘进行程后，撑靴组件10的换步撑靴再次撑紧洞壁；

6、收回前盾2内的径向撑靴16和支撑盾9内的轴向撑靴6；

7、重复步骤1-6完成斜井TBM掘进。

本发明的斜井TBM掘进系统通过在洞壁上铺设拱架，并利用支撑盾内轴向防溜油缸的轴向撑靴支撑在拱架上，在防止斜井TBM后溜的同时，安全可靠；而且相比于现有技术中的安全防溜装置，能够减少斜井TBM的总长度。此外，前盾内的辅助支撑装置，能够进一步提高斜井TBM的防溜能力。

本发明斜井TBM掘进系统的实施例2：

本实施例与实施例1的区别在于，实施例1中，拱架19和拱架锚杆18之间设有拱架混凝土层20，以提高拱架的稳定性。本实施例中，不设置拱架混凝土层，通过增加拱架锚杆的直径和数量，来提高拱架的稳定性。

本发明斜井TBM掘进系统的实施例3：

本实施例与实施例1的区别在于，实施例1中，支撑组件13包括多个拱架19，该支撑组件13的所有拱架19沿前后方向抵接布置。本实施例中，基于支撑组件包括多个拱架的情况下，该支撑组件的所有拱架沿前后方向间隔布置，且相邻两个拱架的距离等于斜井TBM的一个掘进行程。

本发明斜井TBM掘进系统的实施例4：

本实施例与实施例1的区别在于，实施例1中，每个拱架19对应布置有三个拱架锚杆18。本实施例中，每个拱架根据需要设置相应的拱架锚杆，如设置两个或四个以上。

本发明斜井TBM掘进系统的实施例5：

本实施例与实施例1的区别在于，实施例1中，轴向防溜油缸8设置有两个，支撑组件13设置有两组，轴向防溜油缸8与支撑组件13一一对应。本实施例中，基于两组支撑组件的情况下，轴向防溜油缸设置有一个，该轴向防溜油缸的驱动端连接有轴向撑靴，轴向撑靴的尺寸较大，以同时顶压在两组支撑组件上。在其他实施例中，可以设置一个轴向防溜油缸和一个支撑组件。

本发明斜井TBM掘进方法的实施例，本实施例中的斜井TBM掘进方法与上述斜井TBM掘进系统的实施例1至5中任一个的斜井TBM掘进方法相同，在此不再赘述。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。