一种多地质隧道掘进装备及其施工方法与流程

1.本发明涉及盾构机技术领域，特别涉及一种多地质隧道掘进装备。还涉及一种多地质隧道掘进装备的施工方法。


背景技术：

2.近年来国产盾构机的发展达到了一个质的进步，土压平衡盾构机、泥水平衡盾构机、tbm的技术已经达到了很高的一个水平，能适应绝大部分的地质条件。随着隧道掘进需求的不断增加，地层多样性出现的频率越来越频繁，此时绝大部分单一模式的盾构机已经很难满足对复杂地层的掘进，在此条件基础上盾构机的发展开始转向多模式共用同一个盾体，目前已经出现的多模式盾构机主要是土压-泥水平衡盾构机、土压-tbm盾构机、泥水-tbm盾构机。多模式盾构机改变了之前单一模式盾构机只能适应单一地层的技术缺点，对复杂地层表现出优秀的适应性，能够满足绝大部分当前隧道施工的条件。
3.当前多模式盾构机土压-tbm主要是在土压模式与双护盾tbm盾构机工作模式间的转换，其主要转换方式是通过螺旋输送机与主机皮带机的交替工作来实现模式的转换，也有直接通过调整螺旋螺旋轴端头的位置来实现土压和tbm模式的转换。此系列的多模式盾构机结构较为简单，能实现的功能也较单一，无法充分的发挥出盾构机掘进的优势，处于多模式盾构机的初级发展阶段。
4.因此，如何能够提供一种解决上述技术问题的多地质隧道掘进装备是本领域技术人员亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种多地质隧道掘进装备，采用了三模式盾构机的工作方式，适应多地层的快速掘进。本发明的另一目的是提供一种多地质隧道掘进装备的施工方法。
6.为实现上述目的，本发明提供一种多地质隧道掘进装备，包括盾体，所述盾体的前部设置有可挖掘隧道岩土的刀盘，所述盾体的内部设置有用于驱动所述刀盘的主驱动，所述盾体的内部还设置有主机皮带机预留接口和螺旋输送机预留接口，所述主机皮带机预留接口可安装主机皮带机，所述螺旋输送机预留接口可安装螺旋输送机，所述盾体的后部可拼装盾尾。
7.优选地，包括用于移动所述主机皮带机的平移油缸以及用于移动所述螺旋输送机的驱动油缸；当所述平移油缸将所述主机皮带机向后移动处于非工作位置且所述驱动油缸将所述螺旋输送机向前移动处于工作状态时，所述多地质隧道掘进装备实现tbm模式向土压模式的转换；当所述驱动油缸将所述螺旋输送机向后移动处于非工作状态且所述平移油缸将所述主机皮带机向前移动处于工作位置时，所述多地质隧道掘进装备实现土压模式向tbm式的转换。
8.优选地，所述主机皮带机和所述螺旋输送机属于出渣系统，所述出渣系统还包括
后配套皮带机，所述后配套皮带机用于将所述主机皮带机和所述螺旋输送机运输的渣土排出。
9.优选地，还包括设置于所述盾体后方的管片拼装系统、临时支护系统、液压系统、推进系统及后配套系统。
10.优选地，所述管片拼装系统包括管片拼装机和管片吊机，所述管片吊机用于将管片吊往所述管片拼装机的下方，所述管片拼装机用于抓取所述管片并调整位姿后置于隧道内壁。
11.优选地，所述临时支护系统包括拱架安装机和锚杆钻机，所述拱架安装机通过钢结构连接所述盾尾。
12.优选地，所述推进系统包括推进油缸，所述推进油缸设置于所述盾体，所述推进油缸用于在掘进时伸出并顶在拼装完成的管片上以利用支撑反力提供掘进的推进力。
13.优选地，还包括设置于所述盾体的导向纠偏系统；所述导向纠偏系统包括铰接油缸和控制系统，所述铰接油缸设置于所述盾体的中部周向，所述盾体通过所述铰接油缸与所述盾尾相连，所述控制系统用于监控并通过控制所述铰接油缸的伸出量以控制掘进方向。
14.本发明还提供一种多地质隧道掘进装备的施工方法，应用于上述多地质隧道掘进装备，包括：
15.主隧道施工位置周边加固；
16.设备整体组装和调试；
17.切削始发洞门，切削渣土通过所述主机皮带机或所述螺旋输送机运输。
18.优选地，还包括：
19.所述管片拼装机拼装顶进；
20.不同模式采用不同的临时支护形式；
21.隧道成型，后期处理。
22.相对于上述背景技术，本发明所提供的多地质隧道掘进装备，包括盾体，盾体的前部设置有可挖掘隧道岩土的刀盘，盾体的内部设置有用于驱动刀盘的主驱动，盾体的内部还设置有主机皮带机预留接口和螺旋输送机预留接口，主机皮带机预留接口可安装主机皮带机，螺旋输送机预留接口可安装螺旋输送机，盾体的后部可拼装盾尾。
23.上述多地质隧道掘进装备可以实现土压平衡盾构机、单护盾tbm和双护盾tbm工作模式的转化，在地层结构不稳定的条件下使用土压模式可最小程度的减小施工对地面的影响，在自稳性条件差的硬岩地层采用双护盾tbm，其利用主机皮带机运输渣土能实现岩石快速出洞和对螺旋输送机的保护，在自稳性条件好的硬岩地层采用单护盾tbm工法掘进，其能实现快速挖掘，大大提高施工速度。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
25.图1为本发明实施例提供的多地质隧道掘进装备的主机结构示意图；
26.图2为本发明实施例提供的多地质隧道掘进装备处于土压模式的主机结构示意图；
27.图3为本发明实施例提供的多地质隧道掘进装备处于单护盾tbm模式的主机结构示意图；
28.图4为本发明实施例提供的多地质隧道掘进装备处于双护盾tbm模式的主机结构示意图。
29.其中：
30.1-刀盘、2-主机皮带机预留接口、3-主机皮带机、4-主驱动、5-稳定器、6-伸缩油缸、7-拱架安装机、8-托梁、9-管片拼装机、10-螺旋输送机、11-推进油缸、12-盾体、13-锚杆钻机、14-前盾、15-中盾、16-盾尾。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
32.为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
33.请参考图1至图4，其中，图1为本发明实施例提供的多地质隧道掘进装备的主机结构示意图，图2为本发明实施例提供的多地质隧道掘进装备处于土压模式的主机结构示意图，图3为本发明实施例提供的多地质隧道掘进装备处于单护盾tbm模式的主机结构示意图，图4为本发明实施例提供的多地质隧道掘进装备处于双护盾tbm模式的主机结构示意图。
34.在第一种具体的实施方式中，本发明所提供的多地质隧道掘进装备，包括盾体12，盾体12由前盾14和中盾15组成，前盾14的前部设置有可挖掘隧道岩土的刀盘1，中盾15的内部设置有用于驱动刀盘1的主驱动4，中盾15的内部还设置有出渣系统，中盾15的后部可拼装盾尾16
35.在本实施例中，上述多地质隧道掘进装备具有三种模式，是一种三模式盾构机掘进装备；出渣系统包括主机皮带机3和螺旋输送机10，盾体12的内部设置有可安装主机皮带机3的主机皮带机预留接口2和可安装螺旋输送机10的螺旋输送机预留接口。
36.该设备采用预留接口的方式，在变换掘进模式的时候通过预留接口分别安装主机皮带机3和螺旋输送机10，将土仓内的渣土运输出去；与此同时，在由单护盾tbm转变为双护盾tbm时需要拼接盾尾16。
37.其中，预留接口的方式可实现对于模式变换过程中的防止重新制作支撑点位和主机皮带机3、螺旋输送机10的快速安装；利用盾尾16的支护对自稳性条件差的地层进行支护。
38.其中，在该设备的施工中，在始发和正常掘进通过刀盘1来实现切削，在穿越不同地层时通过盾构机结构的调整来进行不同掘进模式具体而言，该三模式盾构机掘进装备在
两隧道之间的掘进过程采用刀盘1快速开挖，接收端采用钢结构接收装置，刀盘1使用主驱动4提供的扭矩对土层进行开挖，通过变更内部结构可实现土压平衡盾构机、单护盾tbm、双护盾tbm三种模式掘进。
39.在地层结构不稳定的条件下使用土压模式可最小程度的减小施工对地面的影响，在自稳性条件差的硬岩地层采用双护盾tbm，其利用主机皮带机3运输渣土能实现岩石快速出洞和对螺旋输送机10的保护，在自稳性条件好的硬岩地层采用单护盾tbm工法掘进，其能实现快速挖掘，大大提高施工速度。
40.需要注意的是，上述用作主驱动4电机的变频电机也可采用液压驱动方式的液压电机，同应属于本实施例的说明范围。
41.进一步的，出渣系统除主机皮带机3和螺旋输送机10以外，还包括驱动电机和后配套皮带机，后配套皮带机用于将主机皮带机3和螺旋输送机10运输的渣土排出。
42.在本实施例中，螺旋输送机10为轴式，呈一定角度固定在盾体12上，依靠土仓压力和水土压力的平衡以及螺旋轴与叶片的转动将土仓内的渣土运送到后配套皮带机；主机皮带机3的端头在刀盘1中部，土仓内岩石掉落在主机皮带机3上由皮带运送到后配套皮带机。出渣系统保证了盾构机掘进过程中的土仓内渣土快速运输至后配套拖车尾部。
43.进一步的，包括用于移动主机皮带机3的平移油缸以及用于移动螺旋输送机10的驱动油缸，通过平移油缸的前后伸缩实现主机皮带机3的前后移动以及工作状态与非工作状态的切换，通过驱动油缸的前后伸缩实现螺旋输送机10的前后移动以及工作状态与非工作状态的切换。
44.当平移油缸将主机皮带机3向后移动处于非工作位置且驱动油缸将螺旋输送机10向前移动处于工作状态时，多地质隧道掘进装备实现tbm模式向土压模式的转换；当驱动油缸将螺旋输送机10向后移动处于非工作状态且平移油缸将主机皮带机3向前移动处于工作位置时，多地质隧道掘进装备实现土压模式向tbm式的转换。
45.在本实施例中，上述主机皮带机3和螺旋输送机10的位移可移动变化，使土压平衡盾构模式与tbm模式的相互转换更简易可靠，达到在隧道洞内完成掘进模式的转换目的，适应复杂地质空间，节约施工成本，提高施工效率，地层适应性毫，技术先进性高。
46.在此基础上，盾体12后设置有与隧道开挖、支护、管片拼装相关的一系列后配套设备。
47.在本实施例中，该多地质隧道掘进装备针对现有的多模式盾构机不能灵活地根据地层的变化实现地层适应和快速挖掘的结合统一，提供了一种三模式隧道掘进机掘进装备和施工方法，集开挖、出渣、导向、支护于一体，隧道一次成型，采用复合刀盘1通过主机皮带机3或螺旋输送机10将土仓内渣土运输到后配套皮带输送机，可实现管片拼装功能。大大提高施工效率及安全性，在洞内变换掘进模式，灵活地针对不同地层选用最适宜的掘进方法，大大提高施工效率和施工安全性。
48.其中，采用弧形的刀盘1直接破碎始发端的混凝土加固区域，并能直接破碎排出，使盾构机顺利完成始发大大提高效率及安全性；在接收端采用全回转方式(筒体伸出)切削钢筋混凝土加固区域，实现更高的施工效率。
49.具体而言，该多地质隧道掘进装备还包括设置于盾体12后方的管片拼装系统、临时支护系统、液压系统、推进系统及后配套系统。
50.示例性的，管片拼装系统包括管片拼装机9和管片吊机。
51.在本实施例中，管片吊机将后配套小车上的管片吊往管片拼装机9下方，管片拼装机9抓取管片后通过旋转、平移运动将管片放置在隧道内壁，最后由人工负责拧紧管片上的纵向和轴向连接螺栓。
52.示例性的，临时支护系统包括拱架安装机7和锚杆钻机13，拱架安装机7通过钢结构连接盾尾16。
53.需要注意的是，上述用来实现拱架安装机7和盾尾16伸缩的伸缩油缸6除了图示的单杆液压缸之外，还可采用双杆液压缸或其他任何形式的液压缸，同应属于本实施例的说明范围。
54.在本实施例中，临时支护系统主要用于盾构机单护盾tbm模式下快速掘进时对已挖隧道的临时支护，可以实现快速掘进的目的；后续的支护则由管片拼装系统完成已开挖隧道的永久支护；通过伸缩油缸6连接盾尾16和拱架安装机7，实现推进力的可靠传递。
55.其中，锚杆钻机13和管片拼装机9安装在盾体12后方的托梁8。
56.其中，盾尾16在拱架安装机7后拼接，进而在盾尾16内拼装管片形成对已成形隧道的支护作用。
57.示例性的，推进系统包括推进油缸11。
58.在本实施例中，推进油缸11在盾构机掘进时将一段伸出顶在拼装完成的管片上，通过管片的支撑反力提供盾构机掘进的推进力。
59.示例性的，液压系统包括混凝土喷射系统、同步注浆系统、膨润土系统、泡沫系统、工业供水及冷却系统、盾尾油脂系统、排污系统、壁后注浆系统、豆砾石注入系统。液压系统主要通过液压元器件将准备好的各种浆液喷射相应的位置，对整个机器起到润滑、填充、清洗、改良渣土的作用。
60.示例性的，后配套系统包括后配套台车、压缩空气系统、除尘喷雾系统、保压及呼吸系统、二次供风系统、供电系统、导向系统、控制系统、监控系统、通信系统、数据采集系统、照明系统、消防系统、有害气体检测系统。前后台车间设置有连接结构，各节台车上的设备可在出厂前安装完成，为盾构机的掘进过程中提供一系列的保障作用，实现了快速组装、快速掘进的目的。
61.进一步的，还包括设置于盾体12的导向纠偏系统。
62.在本实施例中，导向纠偏系统包括铰接油缸和控制系统，共同实现掘进机预计掘进轨迹的控制及纠偏。铰接油缸设置在盾体12中部周向，盾体12中的中盾15通过铰接油缸与盾尾16相连，通过控制各纠偏油缸的伸出量来控制掘进方向；控制系统在主隧道内台车上，实时监控掘进方向并控制纠偏油缸进行纠偏。
63.除此以外，盾体12的形状为圆环形，除上述主驱动4等以外，还具有人舱、稳定器5等主要部件以及相应的支撑结构。
64.具体而言，在盾体12内部设置有主驱动4、主机皮带机3、螺旋输送机10、人舱、稳定器5、拱架安装机7等主要部件以及相应的支撑结构。包含系统有出渣系统、临时支护系统、后配套系统、hbw密封系统、主驱动密封系统、排污系统、辅助推进系统。此设备采用盾体12作为保护结构，主要部件安置在圆形的盾体12内部，各个部件之间采用钢结构连接，通过控制系统相互结合在一起形成一个有机的整体。
65.为了更清楚的说明上述多地质隧道掘进装备的各类模式，现对各模式下的组成结构进行说明。
66.在土压平衡盾构机中，由刀盘1、主驱动4、托梁8、管片拼装机9、螺旋输送机10、推进油缸11、盾体12、锚杆钻机13、铰接油缸、液压系统、管片吊运系统、出渣系统、后配套台车、压缩空气系统、除尘喷雾系统、保压及呼吸系统、二次供风系统、供电系统、导向系统、控制系统、监控系统、通信系统、数据采集系统、照明系统、消防系统、有害气体检测系统组成。刀盘1的法兰通过螺栓与主驱动4轴承连接，由主驱动4带动刀盘1转动切削土体，切削下来的土体进入土仓中通过底部的螺旋输送机10的转动带出土仓，将渣土运输到后配套皮带机上。在盾构隧道掘进过程中出现的盾构姿态偏移可以通过导向和控制系统进行姿态纠偏。
67.出渣系统包括螺旋输送机10、驱动电机、后配套皮带机，出渣采用螺旋输送的形式。螺旋输送机10是轴式的，与盾体12呈一定角度固定在盾体12上，依靠土仓压力和水土压力的平衡以及螺旋轴 叶片的转动来实现渣土输送；驱动电机连接在螺旋输送机10外壳上，为螺旋输送机10提供动力；后配套皮带机与螺旋输送机10出渣口连接，可将渣土通过皮带输送机直接排至后配套拖车尾部，实现快速连续排渣。
68.在单护盾tbm模式盾构机中，由刀盘1、主机皮带机预留接口2、主机皮带机3、主驱动4、稳定器5、伸缩油缸6、拱架安装机7、托梁8、管片拼装机9、推进油缸11、盾体12、锚杆钻机13、铰接油缸、液压系统、管片吊运系统、出渣系统、后配套台车、压缩空气系统、除尘喷雾系统、保压及呼吸系统、二次供风系统、供电系统、导向系统、控制系统、监控系统、通信系统、数据采集系统、照明系统、消防系统、有害气体检测系统组成。刀盘1的法兰通过螺栓与主驱动4轴承连接，由主驱动4带动刀盘1转动切削土体，切削下来的土体进入土仓中通过土仓中间的主机皮带机3出土仓，将渣土运输到后配套皮带机上。在盾构隧道掘进过程中出现的盾构姿态偏移可以通过导向和控制系统进行姿态纠偏。
69.出渣系统包括主机皮带机预留接口2、主机皮带机3、驱动电机、后配套皮带机，主机皮带机3安装在主机皮带机预留接口2上，一端伸入土仓，与盾体12呈一定角度固定在盾体12上，依靠主机皮带机3上的电机带动皮带运动来实现渣土输送；电机连接在主机皮带机3上，为皮带运动提供动力；后配套皮带机与主机皮带机3连接，可将渣土通过皮带输送机直接排至后配套拖车尾部，实现快速连续排渣。
70.在双护盾tbm模式盾构机中，由刀盘1、主机皮带机预留接口2、主机皮带机3、主驱动4、稳定器5、伸缩油缸6、拱架安装机7、托梁8、管片拼装机9、推进油缸11、锚杆钻机13、前盾14、中盾15、盾尾16、铰接油缸、液压系统、管片吊运系统、出渣系统、后配套台车、压缩空气系统、除尘喷雾系统、保压及呼吸系统、二次供风系统、供电系统、导向系统、控制系统、监控系统、通信系统、数据采集系统、照明系统、消防系统、有害气体检测系统组成。
71.出渣系统包括主机皮带机预留接口2、主机皮带机3、驱动电机、后配套皮带机。主机皮带机3安装在主机皮带机预留接口2上，一端伸入土仓，与盾体12呈一定角度固定在盾体12上，依靠主机皮带机3上的电机带动皮带运动来实现渣土输送；电机连接在主机皮带机3上，为皮带运动提供动力；后配套皮带机与主机皮带机3连接，可将渣土通过皮带输送机直接排至后配套拖车尾部，实现快速连续排渣。
72.本发明还提供一种多地质隧道掘进装备的施工方法，应用于上述多地质隧道掘进装备，包括：
73.主隧道施工位置周边加固；
74.设备整体组装和调试；
75.切削始发洞门，切削渣土通过主机皮带机3或螺旋输送机10运输。
76.其中，在上述掘进的切削过程中，根据不同地层地质条件进行盾构机模式的转化，复杂地层采用土压平衡模式、自稳性条件好的地层用单护盾tbm掘进、自稳性条件差的地层采用双护盾tbm掘进。
77.在本实施例中，地层较为复杂时采用土压平衡模式掘进，盾构最前面的全断面切削刀盘1，将正面土体切削下来进入刀盘1后面的贮留密封仓内，并使舱内具有适当压力与开挖面水土压力平衡，以减少盾构推进对地层土体的扰动，从而控制地表沉降，在出土时由安装在密封仓下部的螺旋输送机10向排土口连续的将土碴排出。掘进地质条件为硬岩时：当地层自稳性条件较好，此时采用单护盾tbm模式，开挖作业能连续进行，施工速度快，工期短。，特别是在稳定的围岩中长距离施工时，此特征尤其明显。开挖表面平滑，在圆形隧洞的情况下，受力条件好；当地层自稳性条件较差时，采用双护盾tbm掘进模式，边开挖边支护的方式，振动和噪声对周围的居民和结构物的影响小。施工安全，密闭式操纵室、高性能集尘机等的采用，使安全性和作业环境有了较大的改善，作业人员少。
78.进一步的，上述施工方法还包括：
79.管片拼装机9拼装顶进；
80.不同模式采用不同的临时支护形式；
81.隧道成型，后期处理。
82.综合而言，上述施工方法如下：
83.步骤一、主隧道施工位置周边加固。对盾构隧道的始发端和接收端处及其周边的主隧道土体进行加固处理，始发端安装支撑反力架为盾构始发提供支撑反力；
84.步骤二、设备整体组装和调试。将盾构隧道施工装备刀盘1、主机皮带机预留接口2、主驱动4、稳定器5、伸缩油缸6、托梁8、管片拼装机9、推进油缸11、前盾14、中盾15、盾尾16、铰接油缸、后配套台车等机械部件依次安装在已铺设轨道上，调试液压系统、管片吊运系统、出渣系统、后配套台车、压缩空气系统、除尘喷雾系统、保压及呼吸系统、二次供风系统、供电系统、导向系统、控制系统、监控系统、通信系统、数据采集系统、照明系统、消防系统、有害气体检测系统等系统是否能够正常运行。采用不同模式掘进时安装相应的额外装置；
85.步骤三、刀盘1开始切削始发洞门，切削下来的渣土通过螺旋输送机10或主机皮带机3运输到后配套皮带机上，时刻注意盾体12姿态，对盾构姿态偏移隧道轴线时通过纠偏系统进行姿态调整；
86.步骤四、管片拼装机9拼装顶进。完成一个行程的推进后，通过管片吊运系统将轨道小车上的管片运送到管片拼装机9下方，管片拼装机开始进行管片拼装工作，每环管片拼装完成后通过液压系统进行管片后注浆，填充管片外部与开挖隧道的间隙，自此完成一环的推进；
87.步骤五、土压模式、单护盾tbm模式、双护盾tbm模式采用不同形式的临时支护方式，tbm工作模式中可以通过锚杆钻机13进行已开挖隧道的临时支护，土压工作模式通过管片支护。盾构机掘进过程中可进行超前加固的方式稳定前方土体；
88.步骤六、隧道成型，后期处理。
89.需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
90.以上对本发明所提供的多地质隧道掘进装备及其施工方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。