一种软弱围岩敞开式TBM施工围岩加固装置及施工方法

一种软弱围岩敞开式tbm施工围岩加固装置及施工方法
技术领域
1.本发明涉及敞开式tbm施工技术领域，特别涉及一种与tbm主机相结合的软弱围岩加固装置及其相应的施工方法。


背景技术：

2.敞开式tbm掘进机在相对较软围岩中掘进作业时为了稳固洞壁、保证人员及设备的安全，要通过立钢拱架、打描杆、挂钢筋网、喷射混凝土等方式对开挖出来的岩壁进行同步支护，才能使tbm得以正常作业。然而当面对ⅳ、
ⅴ
类围岩的断层、破碎带，或岩壁有坍塌、岩爆等工况时，尤其是当隧洞侧壁存在坍塌或破碎状的围岩时，隧洞侧壁不足以支撑住敞开式tbm的撑靴，撑靴会出现滑移或扭转，这样tbm就失去了前向掘进所需的足够支反力而不能掘进，严重时还会损坏撑靴的关节或与其相关的结构件。
3.目前敞开式tbm施工过程中当遇到上述的断层或破碎带围岩，撑靴所对的侧壁围岩松散或存在塌腔时通常采取的2种通用做法是向塌腔内人工填注混凝土对围岩加固，或是采取向塌腔内垫衬木方等临时性方案。人工填注混凝土方法人员劳动作业强度高，施工效率低下，且隧洞侧壁的弧形洞面成形质量差，导致随后的tbm撑靴撑紧洞壁时的贴合度差，撑紧力低，tbm所获得的前向掘进支反力还是有限。向塌腔内垫衬木方撑靴所获取的支反力同样受限，同时木方易出现扭转，这种作业的安全性差，只适用于零星、偶发的小的断层的临时性应对方案。
4.当遇到上述的断层或破碎带围岩时，目前工程上还偿式的一种做法是对tbm主机进行改造，在原有tbm的主机结构上增加一套撑紧盾壳，一套撑紧油缸(通常要20余组)，一套钢管片拼装机，一套钢管片拆除机，这样当遇到大范围的长距离断层或破碎带时，通过向洞壁上拼装钢模板然后让撑紧油缸撑紧再拼装好的钢模板的侧断面上来提拱tbm的前向掘进推力使tbm向前掘进。这种方法的弊端是需要给敞开式tbm进行大规模的改造，需要向tbm的厂家订制撑紧盾壳，撑紧油缸装置，模板拼装机，模板拆除机同时还需要增加钢模板吊运系统，改造设备的投入成本高(多达数百万)，周期长，面对局部相对较短的断层或破碎带时效性和经济效益性均较差。


技术实现要素：

5.发明目的：利用原有的敞开式tbm施工作业形式，不大幅增加设备成本，又能相对快速高效的解决敞开式tbm面对断层或破碎带围岩的施工掘进作业问题，提出了一种软弱围岩敞开式tbm施工围岩加固装置及其施工方法。
6.技术方案：一种软弱围岩敞开式tbm施工围岩加固装置，该加固装置以主架体为中心、两边对称的结构，该装置的中间处设有主架体，主架体通过主架体固定法兰与tbm鞍架ⅱ固定连接；主架体的轴端处分别通过法兰连接中间移动横梁的一端，中间移动横梁的另一端连接端部移动横梁的一端，端部移动横梁为中空结构，其中空处设有伸缩油缸，伸缩油缸的伸出部分朝向端部移动横梁的另一端，伸缩油缸的伸出部分连接端部伸缩横梁的一
端，端部伸缩横梁的另一端设有弹性隔环，弹性隔环通过钢模板固定销和球窝关节连接钢模板，钢模板为垂直于水平面的且圆心朝内的半圆结构，在半圆结构的中心偏上位置设有注浆球阀和快联接头。
7.主架体的框架左、右两侧面开有矩形长孔，两个中间移动横梁穿过两侧的矩形长孔横置在主架体内部，两个中间移动横梁在对应于平移导杆的位置开有孔，孔内固定有导套，平移导杆分别穿过两个固定的导套，使中间移动横梁和平移导杆间构成移动副，中间移动横梁与主架体之间通过平移油缸铰接，中间移动横梁能够在两个平移导杆上平行移动，两个中间移动横梁的两端通过中间移动横梁法兰和端部移动横梁法兰分别与端部移动横梁连接。
8.平移导杆与中间移动横梁垂直设置，通过平移导杆将两组钢模板连接起来；平移导杆的伸出端设有主架体固定法兰。
9.两个中间移动横梁分别连接平移油缸a和平移油缸b，平移油缸a的一端固定于主架体内部的支座上，另一端固定于一个中间移动横梁的侧部支座上，平移油缸b的两端分别固定于两个中间移动横梁的侧部支座上。
10.钢模板通过球窝关节与端部伸缩横梁的球窝关节构成转动副。
11.端部伸缩横梁的外径小于端部移动横梁的内径。
12.钢模板的圆心朝内即圆心位于对称结构的中心。
13.软弱围岩敞开式tbm施工围岩加固装置的施工方法：通过tbm鞍架在tbm主梁上前行移动能够以软快的速度将该装置定位于软弱围岩处；伸缩油缸伸出，带动端部伸缩横梁伸出使钢模板接近侧壁围岩；通过伸缩油缸a和平移油缸b分别单独微调两个中间移动横梁的相对位置，使其带动钢模板前后微动调节以壁开围岩侧壁上已经拼装好的钢拱架；伸缩油缸继续伸出将钢模板顶紧于围岩侧壁上，并以足够的压力维持撑紧状态；通过钢模板上的注浆球阀、快联接头连接注浆管路向钢模板背后的软弱围岩或塌腔进行压力注浆；当注浆充实并有一定固化后，伸缩油缸a和平移油缸b缩回使钢模板与围岩侧壁脱离接触；注浆后的软弱围岩彻底固化后，tbm撑紧靴能够撑紧该处围岩，tbm继续向前掘进。
14.有益效果：本发明具有结构简单、通过模块化搭载方式，可以与敞开式tbm有机的结合，不影响原有tbm的功能动作和基本开挖掘进工序。相比工作手工灌浆加固围岩塌腔的方式，能够提高注浆效率，保证施工安全性，节约人工成本，注浆加固后围岩侧壁成型质量高。与现有对tbm主机进行大幅结构改进，加装撑紧盾壳和钢管片拼装机的技术方案相比，具有结构简单，不必对原有tbm主机结构进行改装、改造，可以大幅节约tbm改制成本，节约设备改制周期，且施工过程中不需要制备大量的钢管片，可以大幅节约辅助工装制备成本。
附图说明
15.下面结合附图及实施例对本发明装置及其相应施工工艺步骤进行详细说明。
16.图1是本发明装置的正视结构示意图；
17.图2是图1的钢模板球型关节处的局部放大图；
18.图3是图1的a-a向剖视图；
19.图4是图1的俯视图；
20.图5是本发明装置与敞开式tbm主机装配好后的侧向剖视图；
21.图6是图5中本发明装置与tbm主机装配结合部位的局部放大图；
22.图7是图5的俯视图；
23.图8是本发明装置在软弱围岩工况的工作结构示意图。
24.附图标记：
25.1.主架体，2.中间移动横梁，3.中间移动横梁法兰，4.端部移动横梁法兰，5.端部移动横梁，6.伸缩油缸，7.端部伸缩横梁，8.弹性隔环，9.钢模板固定销，10.球窝关节，11.钢模板，12.注浆球阀，13.快联接头，14.平移导杆，15.主架体固定法兰，16.主架体焊接法兰，17.平移油缸a，18.平移油缸b，19.球头关节；i.围岩整套装置，ⅱ.tbm鞍架，ⅲ.tbm主梁。
具体实施方式
26.结合附图1-3，一种软弱围岩敞开式tbm施工围岩加固装置，该加固装置以主架体1为中心、两边对称的结构，该装置的中间处设有主架体1，主架体1通过主架体固定法兰与tbm鞍架ⅱ固定连接；主架体1的轴端处分别通过法兰连接中间移动横梁2的一端，中间移动横梁2的另一端连接端部移动横梁5的一端，端部移动横梁5为中空结构，其中空处设有伸缩油缸6，伸缩油缸6的伸出部分朝向端部移动横梁5的另一端，伸缩油缸的伸出部分连接端部伸缩横梁7的一端，端部伸缩横梁7的另一端设有弹性隔环8，弹性隔环8通过钢模板固定销9和球窝关节10连接钢模板11，钢模板11为垂直于水平面的且圆心朝内的半圆结构，在半圆结构的中心偏上位置设有注浆球阀12和快联接头13；
27.详见附图1、图4所示的主架体1的框架左、右两侧面开有矩形长孔，两个中间移动横梁2穿过两侧的矩形长孔横置在主架体内部，两个中间移动横梁2在对应于平移导杆14的位置开有孔，孔内固定有导套，平移导杆14分别穿过两个固定的导套，使中间移动横梁2和平移导杆14间构成移动副，中间移动横梁2与主架体1之间通过平移油缸铰接，中间移动横梁2能够在两个平移导杆14上平行移动，两个中间移动横梁2的两端通过中间移动横梁法兰3和端部移动横梁法兰4分别与端部移动横梁5连接；
28.具体的，端部移动横梁5的内部安装有伸缩油缸6，伸缩油缸6的一端固定于端部移动横梁5内部的支座上，另一端固定于端部伸缩横梁7内部的支座上，端部伸缩横梁7的一端设计有球头关节19，球头关节19连接球窝关节10共同构成球关节转动副，钢模板固定销9和弹性隔环8用于固定和调节球关节转动副的运动幅度，球窝关节10通过法兰与钢模板11连接，钢模板11上连接有注浆球阀12，注浆球阀12一端接有快联接头13。
29.更为具体的，端部伸缩横梁7的外径小于端部移动横梁5的内径。
30.平移导杆14与中间移动横梁2垂直设置，通过平移导杆14将两组钢模板11连接起来；平移导杆14的伸出端设有主架体固定法兰15。
31.具体的，钢模板11的圆心朝内即圆心位于对称结构的中心。
32.两个中间移动横梁2分别连接平移油缸a17和平移油缸b18，平移油缸a17的一端固定于主架体1内部的支座上，另一端固定于一个中间移动横梁2的侧部支座上，平移油缸b18的两端分别固定于两个中间移动横梁2的侧部支座上，两个中间移动横梁2能够在平移油缸a17和平移油缸b18的驱动下，在平移导杆14上移动调节。
33.具体的，中间移动横梁2与平移导杆14之间构成移动副，中间移动横梁2与主架体1
之间通过平移油缸铰接。端部移动横梁5内部有内导套，通过该导套内部设有端部伸缩油缸6，端部伸缩横梁7通过伸缩油缸6与端部移动横梁7进行驱动连接，端部伸缩横梁7的外侧设有球窝关节10；钢模板11通过球窝关节10与端部伸缩横梁7的球窝关节10构成转动副，球窝关节10通过钢模板固定销9与钢模板11连接，钢模板11上设有注浆球阀12和快联接头13，能够连接注浆管路对转岩的塌落腔体进行压力注浆；整套加固装置的液压动力源可以取自敞开式tbm的主机液压站，不需要额外增加液压动力装置。
34.本装置的工作原理为：结合附图5-8：该装置整体安装于敞开式tbm鞍架ⅱ上，tbm鞍架ⅱ可以在tbm主梁ⅲ上沿主梁进行快速前后平移，这样该装置整体可以随tbm鞍架ⅱ在tbm主梁ⅲ上沿隧道轴线方向上进行前、后的平移运动，同时2个平移油缸a17和平移油缸b18可以分别对2个中间移动横梁2在隧道轴线方向进行微动平移调节，4个端部移动横梁5在4个伸缩油缸6的作用下，可以带动钢模板11沿水平径向方向伸出或缩回，并能以足够的撑紧力将钢模板撑紧于岩壁上，球窝关节10、钢模板固定销9、弹性隔环8可以提供一个微动的转动自由度，使得钢模板撑紧于岩壁上时移动横梁5和钢模板11之间可以随动自由调节相互间的位置姿态，不至于出现死点而导致结构受损。这样当隧洞侧壁出现软弱围岩或塌腔时，通过该装置可以灵活的将钢模板对准于软弱围岩或塌腔所在的位置，平移油缸a17和平移油缸b18的微动平移可以使钢模板避开已经立好的钢拱架(一种tbm旋工时的围岩支护结构件耗材)进而撑紧岩壁，当钢模板撑紧于岩壁后即可通过其上的注浆球阀12和快联接头13连接注浆软管，通过注浆泵向软弱围岩或塌腔处进行注浆加固。加固后的围岩强度可以承载tbm撑靴的掘进撑紧力后，tbm继续向前掘进。
35.本装置的施工方法为：如图8所示，整套加固装置通过主架体的固定法兰安装于敞开式tbm鞍架ⅱ中部侧端面，这样加固装置可以随tbm鞍架ⅱ一起沿tbm主梁ⅲ进行沿隧洞轴线方向的主平移运动。通常情况下，加固装置的端部移动横梁5在伸缩油缸6的控制下处于回缩状态，当隧洞的某处侧壁出现塌腔时，整套加固装置可以随tbm鞍架ⅱ一起快速平移，将钢模板11初步定位于塌腔处；如果侧壁围岩出现较长距离塌腔加固装置可以随tbm鞍架ⅱ边续换步对塌腔实现连续支护加固。当钢模板11初步定位于塌腔处后伸缩油缸6伸出以驱动端部移动横梁5向外伸出，当钢模板11快要接近隧洞侧壁围岩时，端部移动横梁5停止外伸，此时通过平移油缸可以对两个中间移动横梁2进行平移微调，使两组钢模板11之间的间隙刚好避开隧洞内壁已经架设好的钢拱架，然后继续伸出伸缩油缸6，将钢模板11撑紧于隧洞内壁塌腔处，通过液压控制系统维持伸缩油缸6的撑紧压力。撑紧固定好钢模板11后，可以通过钢模板11上的快联接头13与tbm后配套拖车上配备的压力注浆设备的注浆管路相连接，然后打开钢模板11上的注浆球阀12向钢模板11背后的塌腔内注入水泥砂浆对塌腔进行压力注浆加固。当塌腔背部通过压力注浆填实并初凝后，端部移动横梁5的伸缩油缸6缩回使钢模板11与洞壁脱离接触。当塌腔围岩注浆填充彻底固化，强度足够后，可以调节tbm的撑靴撑紧洞壁tbm继续对前方围岩开挖掘进。
36.本发明的装置提供一种相对简单、有效的，机械自动化的软弱围岩敞开式tbm施工时对围岩进行加固的装置及其施工方法，优势在于以法兰安装的形式灵活的固接于tbm鞍架ⅱ与tbm主梁ⅲ的下部闲置空间，并能随tbm鞍架ⅱ沿tbm主梁ⅲ上的轴向平移主运动进行快速前后平移，方便钢模板对围岩塌腔的快速定位。同时加固装置又具有移动横梁的微调平移和径向伸缩的微动伸缩调节自由度，液压系统的应用可以灵活可靠的保证功能动作
和作业时序与注浆加固及tbm主机的作业时序有机匹配。整套加固装置各功能部件采取模块化架构，可以根据工程工况进行组合化搭载，在围岩条件比较好的工况下端部伸缩横梁和钢模板可以不进行搭载，当有需要时再进行组装。
37.该装置结构简单，可以模块化安装，不改变原有敞开式tbm的掘进原理及总体掘进步骤，具有与敞开式tbm施工作业时序高度匹配的特点；在面对断层及破碎带等软弱围岩时，可以通过该装置采取压力注浆的方法对隧洞的侧壁围岩进行同步注浆加固，钢模板可以使注浆加固后的洞壁与隧洞设计的理论洞型完全吻合，为后续敞开式tbm撑靴的撑紧提供完好的贴合度和足够的支反力；同时该装置具有机构灵活的自由度，可以灵活的调整撑靴与钢模板的相对位置，灵活的避开已经拱装好的钢拱架，从工艺方法角度可以做到与原有的敞开式tbm掘进和支护工艺完全兼容。