一种新的隧道掘进方法及掘进装置与流程

1.本发明涉及隧道施工技术领域，特别是涉及一种新的隧道掘进方法及掘进装置。


背景技术：

2.盾构法是目前隧道建设常用的施工方法，机械化程度高，安全性高。但是常规的盾构法是对整个掌子面进行全面开挖，并且要对开挖后土体进行全面改造后排出，这样容易造成水土污染；而且对土体进行全面开挖和改造增加了隧道建设能耗，也使得隧道建设成本非常高。
3.同时现有的盾构设备构造复杂，不仅设备造价较高，而且维修难度大，多种类型的维修都需要停工处理，另外盾构设备的整体性强，难以洞内组装，施工便捷性较差。


技术实现要素：

4.本发明提供一种新的隧道掘进方法及掘进装置。
5.解决的技术问题是：通过局部土体切削以使隧道筒状掘进装置能够深入地层，然后在敞口的空间内进行出土。掘进方法和设备都更加简单，掘进功率需求低，施工能耗低，并且能最大限度的减小掌子面开挖范围和对原状土进行处理改造。
6.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：本发明一种新的隧道掘进方法，一种新的隧道掘进方法，其特征在于：通过位于筒状的掘进装置前端的框状钻具沿掌子面外周进行切割掘进，同时对切入掘进装置内的土体进行调节出土，以实现隧道的掘进。
7.本发明一种新的隧道掘进方法，进一步的，所述切入掘进装置内的土体在掘进方向后端一侧，通过应力施加装置向前施加轴向应力，形成掌子面稳定所需的土塞；在掘进的同时，在土塞后端敞口出土。
8.本发明一种新的隧道掘进方法，进一步的，所述包括以下步骤：步骤一、场地准备；步骤二、掘进装置的拼装、调试和就位；步骤三、切割掘进；在框状钻具沿掌子面外周切割掘进的同时，实时监测土塞的内压，控制土塞标准内压在0.99
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1.5倍掌子面土体压力范围内，从土塞后端对切割出的土体进行调节出土，实现可控压力掘进。
9.本发明一种新的隧道掘进方法，进一步的，所述步骤三具体包括以下步骤：3.1、启动掘进装置，随着框状钻具的不断切削，掘进装置逐步深入掌子面，掌子面前方土体逐步进入掘进装置内；3.2、进入掘进装置内的土体在应力施加装置的阻挡下形成土塞；3.3、通过监测到的土塞四周的压力，调节出土速率，控制土塞标准内压为掌子面土体压力的0.99
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1.5倍，掘进和出土同步进行。
10.本发明一种新的隧道掘进方法，进一步的，所述步骤3.3具体的调控方法如下：
3.3.1、沿掘进方向，土塞内压自前至后分别为p1、p2和p3，其中靠近掌子面的p1为掌子面土体压力，p2为土塞标准内压，p3为出土段土塞内压，在掌子面稳定状态下，三者的相对关系为：p2>p1，p3<p2；3.3.2、当0.7p1≤p2＜0.99p1时，调整应力施加装置的应力施加程度，对土塞施加压力，使得p2逐步增加并最终大于p1；3.3.3、当0.5p1≤p2≤0.8p1时或通过调整应力施加装置调节效果不明显时，提高掘进速度，通过加大顶进的土量快速提高土塞内的压力，使得p2最终大于p1；3.3.4、当p3>p2时，提高出土速度和出土量，使得p3逐步降低并最终小于p2。
11.本发明一种掘进装置，包括位于掘进方向前端的土仓、中段的动力仓和尾端的衬砌仓，其特征在于：所述土仓为前端敞口的中空筒状结构，前端端面处沿周向设置有切削土体的框状钻具，尾端设置有用于土仓内的土体出土的自动出渣装置。
12.本发明一种掘进装置，进一步的，所述自动出渣装置包括土体输送装置，土体输送装置包括输送外套管和输送钻具，水平或倾斜向上设置于土仓底部，土体输送装置的前端位于土仓底部，土体输送装置与动力仓内的驱动系统连接。
13.本发明一种掘进装置，进一步的，所述土仓的尾端设置有应力施加装置，土仓内壁上设置有土压监测系统；所述应力施加装置包括应力挡板和收拉应力挡板的顶推系统，应力挡板在土仓竖向截面内、水平对称设置在左右两侧，一侧边沿与土仓内壁贴合并铰接，应力挡板的最大水平宽度小于土仓纵截面水平宽度的1/2设置，应力挡板背向掌子面一侧设置有顶推系统。
14.本发明一种掘进装置，进一步的，所述土压监测系统包括土压传感器，所述土压传感器分为三组沿掘进方向前后相邻设置，固定在土仓的内壁表面并与土体直接接触，每组土压传感器沿土仓周向间隔设置。
15.本发明一种掘进装置，进一步的，所述土仓内的应力施加装置后侧还设置有应急闭门系统，应急闭门系统包括门板结构及其控制系统，门板结构与待建隧道断面保持相同形态。
16.本发明一种新的隧道掘进方法及掘进装置与现有技术相比，具有如下有益效果：本发明的一种新的隧道掘进方法，通过掘进装置端头呈环状布置的框状钻具局部切削掌子面前方土体，切削量小，前进阻力小，需要的掘进功率也会小很多，不仅能够用简单方式实现通常意义上的隧道掘进，而且可大大降低施工能耗，减少隧道建设碳排放和施工成本，节能又环保。而且环形切割内部的大块土体受到扰动较小，直接进入掘进设备的土仓内，在应力施加装置的作用下形成密实的土塞，能够最大程度避免目前通常的泥水平衡或土压平衡盾构对围岩进行破坏或改造。
17.本发明施工设备构造简单，造价较低，可适应不同的隧道断面形状；且机械化程度高，人力依赖程度小且作业强度降低；可以在空间狭小的洞内进行拼装施工，具有较强的工程应用价值。
18.本发明隧道掘进和衬砌均在土塞和土仓壳体的保护下进行，适用性较广，能够满足隧道安全施工需求。可对施工中的突发状况及时进行人工干预，施工方法灵活，即使在浅覆土情况下均能保证掌子面的稳定，保证隧道施工的连续性和安全性，施工安全系数高。
19.下面结合附图对本发明的一种新的隧道掘进方法及掘进装置作进一步说明。
附图说明
20.图1为掘进前施工状态俯视示意图；图2为掘进施工下的状态俯视示意图；图3为掘进设备的结构示意图；图4为框状钻具为柔性钻具的一种实施方式；图5为框状钻具为刚性钻具的一种实施方式的侧视图；图6为土压监测系统一种排布的俯视图；图7为土压监测系统一种排布的侧视图。
21.附图标记：1
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土仓；4
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框状钻具；51
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应力挡板；52
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顶推系统；6
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应急闭门系统；7
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自动出渣装置；8
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土压传感器；9
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掌子面。
具体实施方式
22.如图1至图7所示，本发明一种新的隧道掘进方法，通过位于筒状的掘进装置前端的框状钻具4沿掌子面9外周进行切割掘进，同时对切入掘进装置内的土体进行调节出土，以实现隧道的掘进开挖。其中切入掘进装置内的土体在掘进方向后端一侧，通过应力施加装置向前施加轴向应力，形成促进掌子面9稳定的土塞；在掘进的同时，在土塞后端敞口出土。具体包括以下步骤：步骤一、场地准备；本步骤除了对场地进行硬化并确保场地相关硬性条件满足施工要求外，应根据场地大小（尤其是洞内或者其它较为狭小的施工场地）制定合理的设备安装方案。
23.步骤二、掘进装置的拼装、调试和就位；2.1、将掘进装置的各部位根据安装说明进行安装；2.2、安装完毕后，启动设备检查并调试钻具的工作状态、掘进装置的掘进功能、方向调整功能、土体切削功能、应力施加功能等；2.3、根据隧道轴线和技术交底要求，调整掘进装置位置和入土姿态，如图1所示；步骤三、切割掘进；在框状钻具4沿掌子面9外周切割掘进的同时，实时监测土塞的内压，控制土塞内压在0.99
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1.5倍掌子面9土体压力范围内，从土塞后端连续调节出土，实现掘进，如图2所示。
24.具体包括以下步骤：3.1、启动掘进装置，随着框状钻具4的不断切削，掘进装置逐步深入掌子面9，掌子面9前方土体逐步进入掘进装置内；3.2、进入掘进装置内的土体在应力施加装置的阻挡下形成土塞；3.3、通过监测到的土塞四周的压力，调节出土速率，在掘进和出土同步进行的同时，控制土塞标准内压为掌子面9土体压力的0.99
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1.5倍；具体的调控方法如下：3.3.1、沿掘进方向，土塞内压自前至后分别为p1、p2和p3，其中认定靠近掌子面的p1为掌子面土体压力，p2为土塞标准内压，p3为出土段土塞内压，在掌子面稳定状态下，三者的相对关系为：p2>p1，p3<p2；
其中，p1、p2、p3为单一数值或数字序列；这里，p1为隧道轴向方向距离掌子面1m范围内的土塞内压，具体通过设置在距离掌子面1m范围内的前端的土压传感器监测计算获得，因其距离掌子面较近，认定p1为掌子面土体压力；p3为土塞出土段的土塞内压，具体通过设置在距离土塞出土面1m范围内的后端的土压传感器监测计算获得；p2为设置在p1、p3对应土压传感器之间中段的土压传感器监测计算获得的土塞内压标准值；3.3.2、当0.7p1≤p2＜0.99p1时，调整应力施加装置的应力施加程度，对土塞施加压力，使得p2逐步增加并最终大于p1；3.3.3、当0.5p1≤p2≤0.8p1时或通过调整应力施加装置调节效果不明显时，提高掘进速度，通过加大顶进的土量快速提高土塞内的压力，使得p2最终大于p1；3.3.4、当p3>p2时，提高出土速度和出土量，使得p3逐步降低并最终小于p2。
25.本施工方法，地层条件较好时，基本可以通过进入掘进装置内的土体的稳定实现掌子面9及前方围岩的稳定。
26.对于地层条件较差的围岩，当土塞压力较难与掌子面9及地层中的水土压力平衡时，在掘进的同时通过土体应力施加装置对进入掘进装置内的土体施加轴向应力，掘进装置内的土体在轴向应力作用下形成“土塞”，使得土塞压力与掌子面9土体压力保持平衡，进而使得掌子面9保持稳定。
27.步骤四、衬砌安装；当掘进一定深度后，掘进装置尾端产生一定长度的空腔，在掘进装置的保护下进行衬砌施工，衬砌主要为格栅、管片或其它预制件、波纹管等形式。
28.步骤五、循环步骤三
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步骤四，直至隧道全部施工完毕。
29.以上所述隧道掘进方法中使用的掘进装置，包括位于掘进方向前端的土仓1、中段的动力仓和尾端的衬砌仓。动力仓内设置有土体切削控制系统、土仓1推进系统、方向调整系统，土仓1推进系统为若干油缸间隔设置在动力仓四周，主要用于推动土仓1的掘进，方向调整系统主要包含纠偏系统和测量系统，纠偏系统主要通过纠偏油缸改变掘进装置轨迹，根据掘进装置轨迹调整目标启动相应纠偏油缸，直至姿态调整完毕。与常规盾构机内的相同功能的系统设置一致即可；衬砌仓与常规盾构机中的结构相同。
30.当需要采用顶管方式施工时，动力仓的土仓1的推进系统需要调整至尾端衬砌仓后方。
31.如图3所示，土仓1为前端敞口的中空筒状结构，前端端面处沿周向设置有框状钻具4，尾端设置有应力施加装置和自动出渣装置7，土仓1内壁上设置有土压监测系统，用以实施监测土仓1内土体的压力。
32.土仓1的轴向长度为0.5
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2倍隧道直径，竖向截面与隧道掌子面9一致。必要时可适当增加土仓1长度以使掌子面9稳定。土仓1前端不做具体限定，可以为平整的纵面也可以做楔形面处理，前端形状可以为圆形、方形、马蹄形或异形结构。为了进一步减少掘进阻力，如图3所示，前端土仓1为异形结构，整体呈顶端向前伸出的楔形端面设置，两侧从中心位置逐步成弧形向仓体内部过渡到底部，并连接形成拉链状的底端内凹的异形端头。
33.框状钻具4为沿土仓1前端端面一周设置的切削钻具，用以直接与掌子面9土体接触，进行切削，以减小顶进的阻力和所需功率。框状钻具4可以为连续的柔性钻具，如图3所
示，也可以为沿端面周向间隔布设的刚性钻具，如图5所示，也可以为柔性钻具与刚性钻具的组合。
34.柔性钻具沿土仓1前端环向设置，柔性钻具为绳锯或由若干钻杆短节、链条刀具或万向节等通过若干接头拼装而成。如图3和4所示，该柔性钻具为由外附螺旋叶的万向节连接而成，沿周向设置在土仓1前端的端面上，并通过动力仓的土体切削控制系统控制其切削速率。切削土体可进入土仓1壳体的内腔并在壳体内排出，或者直接进入仓体内部，并与土塞一同经土仓1内的自动出渣装置7排出。
35.刚性钻具主要为刮刀、截齿钻头、三叶钻头、复合钻头潜孔锤锤头中的一种或几种，但是不限于以上所述种类。如图5所示，该刚性钻具为潜孔锤锤头，沿周向间隔排布，间隔距离不大于0.5m，同柔性钻具类似，切削土体可借助风等外力从土仓1壳体内排出。
36.钻具的类型选择主要取决于地层条件。当掌子面9前方围岩地质均匀且以土层、砂层等为主时，主要采用柔性钻具，当围岩地质为岩层或较硬地层时，主要采用刚性钻具组合，钻具按照一定间距排列于土仓1端头。如果掌子面9围岩上软下硬时则土仓1端头上部设置柔性钻具，下部为刚性钻具。
37.此外，钻具分布和形态和土仓1端头形状等有关，比如，当土仓1端头形状为圆形或方形时，钻具可采用整体柔性钻具或拼装式柔性钻具（地层较软情况）或刚性钻具组合（地层较硬情况），如土仓1端头形状为异形结构时，钻具只能采取拼装式柔性钻具（地层较软情况）或刚性钻具组合（地层较硬情况）。
38.切削钻具外还可设置保护套，切削钻具内嵌于保护套中，保证钻具工作的安全性和稳定性。
39.应力施加装置设置在掘进装置的土仓1尾端，包括应力挡板51和收拉应力挡板51的顶推系统52，通过顶推系统52调整可伸缩应力挡板51的收拉状态和推出的角度，进而调整土仓1内土体压力，最终达到土塞压力与掌子面9压力保持平衡。应力挡板51在土仓1竖向截面内、水平对称设置在左右两侧，一侧边沿与土仓1内壁贴合并铰接，应力挡板51的最大水平宽度小于土仓1纵截面水平宽度的1/2设置，即两个应力挡板51之间不闭合、不接触设置，始终留有敞口，用于出土。应力挡板51背向掌子面9一侧设置有顶推系统52，本实施例中顶推系统52为伸缩油缸。
40.自动出渣装置7包括土体输送装置和驱动系统，土体输送装置包括输送外套管和输送钻具，水平或倾斜向上设置于土仓1底部，土体输送装置的前端位于土仓1底部，一般情况下，与应力施加装置的固定侧位于同一竖向截面内即可，如若地层黏性较大，其前端可超出土体应力施加装置固定侧。驱动系统位于动力仓，根据土压监测数据调整出土速度和出土量。
41.土体输送装置一般设置1套或多套，其数量根据隧道断面大小和地层条件灵活调整。当隧道断面较大或者土体排出较难，则设置多套，均匀分布于土仓1底部。当断面较小或土体排出较快时，可设置1套，位于土仓1的底部。
42.土体输送装置的种类不做具体限定，可以为 螺旋输送装置，将土仓1内土体排出并结合运渣装置将渣土进行转运，种类可根据地层地质情况进行选择。
43.土塞内压通过土压监测系统实时监测，用以确保施工安全及指导施工。
44.p1为隧道轴向方向距离掌子面1m范围内的土塞内压，具体通过设置在距离掌子面
1m范围内的前端的土压传感器监测计算获得，因其距离掌子面较近，认定p1为掌子面土体压力；p3为土塞出土段的土塞内压，具体通过设置在距离土塞出土面1m范围内的后端的土压传感器监测计算获得；p2为设置在p1、p3对应土压传感器之间中段的土压传感器监测计算获得的土塞内压标准值。
45.土压监测系统包括土压传感器8，土压传感器8分为三组沿掘进方向前后相邻设置，如图6和图7所示，每组内所有土压传感器8测得的实时土压值的加权平均值或土压序列分别为p1、p2和p3。每组土压传感器8沿土仓1周向环形间隔设置，在土仓1内壁上与土体直接接触，位于前端的一组土压传感器与掌子面的轴向距离在1m以内，位于后端的一组土压传感器与土塞出土面的轴向距离在1m以内，位于中部的一组土压传感器设置在前端和后端土压传感器中段。
46.土仓1尾端的应力施加装置后侧还设置有应急闭门系统6，应急闭门系统6包括门板结构及其控制系统，其与待建隧道断面保持相同形态；正常掘进时，门板结构为打开状态，当地层突发涌水或涌砂等情况时，撤出出土装置，通过控制系统及时将门板结构闭合。此时掌子面9与掘进装置的动力仓和衬砌仓内的设备及人员分隔开来，保证了掘进装置内设备和人员安全。 当掌子面9情况稳定后，通过控制系统收起门板结构，并组织人员及设备对掌子面9及前方围岩进行加固或改良。
47.必要时应力施加装置和应急闭门系统6可合二为一。掘进时，如不需施加应力，通过油缸调整阻挡板为张开状态，使得土体不受力；如发生突水涌泥等情况，通过油缸调整阻挡板为闭合状态（阻挡板板宽度应满足闭合条件）。
48.以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。