一種具有多重掘進模式及隧道支護方式的混合式tbm的製作方法
2023-12-10 01:02:46
專利名稱：一種具有多重掘進模式及隧道支護方式的混合式tbm的製作方法
技術領域：
本發明屬於盾構及TBM工程技術領域，具體為一種混合式TBM隧道施工工程裝備， 具體為一種既適用於軟土、軟巖、硬巖等單一地層，同時適用於軟硬交替地層、複合過渡地層，並具有雙重掘進模式、多重出渣方式、靈活支護方式的隧道工程施工裝備。
背景技術：
在具有世界地質博物館之稱的中國，地層工程、水文地質複雜，對於許多地下市政工程，施工區間以一種地質為主，同時存在其它過渡地層及複雜地層的地質。盾構法施工因具有對周圍環境影響小、施工速度快、工程質量優良、施工安全環保、地質適應性廣等優點， 成為城市地下工程建設中首選施工方式。盾構機的地質適應性、整機性能是盾構隧道施工成敗的關鍵。地下市政工程盾構及TBM應用技術大致可以分為三種地層，以上海、鄭州等為主要代表的軟弱地層；以北京、廣州、成都等為代表的沙層、砂卵石及風化巖等軟硬不均地層； 以重慶、大連、青島等為代表的砂巖、板巖、花崗巖等硬巖地層。EPB盾構在軟巖地質中施工優勢明顯，造價低廉，但設備對於超強硬巖地質需要特殊設計。TBM在地質單一的硬巖地層中掘進效率佔居優勢，但設備總長過長，工籌難度大，造價昂貴、應用於市政地下工程優勢難以充分發揮。TBM通用缺點為遇到不良地質或軟、硬巖交替地層，施工難度及風險急劇增大。具有多重開挖模式、出渣方式及靈活支護模式功能的複合式TBM是今後地下市政工程施工裝備發展方向。針對國內市政地下工程地質中可能存在軟巖、硬巖、過渡複合地層工程地質工況，並能夠根據具體特定地層選用合適的支護方式的隧道施工裝備，具有越來越廣泛的應用前景。傳統的只具有相對單一地層適應性及單一洞壁支護方式的EPB盾構及 TBM已不能滿足複雜地層現代施工要求。提供一種既能在軟弱地層或圍巖較差地層中掘進又兼具有硬巖掘進機功能，特別是適用於市政地下工程項目的隧道施工裝備，在地層地質變化時轉換掘進模式及支護模式，使一臺設備具有更廣泛的地質適應性，並具有靈活的支護模式，同時配套施工幹擾小，能有效降低工程風險，是隧道掘進機設計及施工中的一大難題，也是制約隧道掘進機使用範圍的重要原因。
發明內容
為了克服上述現有技術中的不足，本發明公開一種既能適用於軟土、軟巖、硬巖等相對單一地層，同時兼具有適用於軟硬交替地層、複合過渡地層，具體為淤泥、粘土、砂土、 沙礫、風化巖、硬巖以及複合過渡地層的混合式TBM隧道施工裝備。本發明可以根據不同地層地質情況及施工隧道支護要求可以採用土壓平衡模式、盾構敞開模式、TBM模式三種模式施工；同時可根據地層及施工要求採用兩種出渣方式螺旋輸送機出渣和主機皮帶機出渣方式；並可根據實際情況採取兩種洞壁支護方式管片襯砌支護方式及靈活的後期支護方式。設備具有很強的地質適應性，尤其適用於市政地下工程軟、硬、複合地層施工，同時整機造價低廉，對配套施工幹擾小、控制方便，設備造價低廉、經濟實用，滿足靈活支護施工功能需求。所述的具有多重掘進模式的混合式TBM，包括刀盤1，以及與刀盤連接的驅動系統 4，支撐驅動系統4與刀盤1的前盾2、與前盾2連接的中盾6、安裝在中盾6內部的推進系統7、與中盾6相連的主梁44、安裝在前盾2上的的穩定器3、安裝在前盾2上的前盾擺動缸 31與安裝在中盾6上的與中盾擺動缸15、與主梁44連的後配套皮帶機13 ；土壓平衡模式與盾構敞開式還包括與刀盤1相連的中心迴轉接頭18，安裝在主梁44上的管片拼裝機10 ； TBM模式還包括與布置在刀盤上的刮渣鬥16及刀盤1背部的溜渣板17、連接在驅動系統4 上的溜槽21、撐靴系統47，支撐環48、主機皮帶機一段22、主機皮帶機二段28。—種具有多重掘進模式及隧道支護方式的混合式TBM，其特徵在於包括土壓平衡掘進模式、盾構敞開掘進模式、TBM掘進模式三種施工模式，三種施工模式相互轉換，以及根據相應地質工況及施工需要與三種施工方式配套的螺旋輸送機12出渣或者主機皮帶機出渣方式，及相應管片拼裝襯砌及後期洞壁支護方式；具體為(1)當開挖面穩定性差或者為含水較多的軟土、軟巖、沙礫及軟硬不均地層，具體為淤、粘、粉、砂、卵礫地層時，可根據地質及埋深情況採用土壓平衡掘進模式施工，由螺旋輸送機12配合後配套皮帶機13出渣，伴隨管片拼裝機10拼裝管片11、背襯注漿支護方式施工；在此種模式掘進時，刀盤1帶壓推進，利用刀盤1及土倉內土壓及氣壓實現與開挖面的水壓、土壓動態平衡，；同時管片拼裝機10拼裝管片11循環向前掘進，由預先鋪設的管片 11為掘進提供反力，伴隨管片11背襯的同步注漿加固，推進油缸循41環換步向前推進，最終形成由環形管片襯砌的隧道；(2)當地層地質為硬巖地層，開挖掌子面能夠自穩，根據施工要求採用管片支護隧道時可以採用盾構敞開模式掘進；洞壁採用管片拼裝、襯砌支護，出渣方式可以採用主機皮帶機配合後配套皮帶機13出渣方式施工；硬巖地質中盾構敞開模式施工，具體為複合式刀盤1在開挖掌子面時不需要建立水土壓力，刀盤1切削下來的渣土通過螺旋輸送機12配合後配套皮帶機13出渣；同時管片拼裝機10拼裝管片11循環向前掘進，由預先鋪設的管片 11為掘進提供反力，伴隨管片背襯的同步注漿加固，推進油缸41循環換步向前推進，最終形成由環形管片襯砌的隧道；(3)當開挖地層為硬巖地層，施工要求採用後期洞壁支護方式時，可根據施工要求採用TBM掘進模式；出渣方式採用主機皮帶機配合後配套皮帶機13出渣，洞壁支護採用靈活的後期洞壁支護進行施工；此時主機無尾盾8，無管片拼裝機10，無螺旋輸送機12，並更換刀具，增加溜渣板17、溜槽21、主機皮帶機、撐靴系統47、支撐環48 ；掘進時無需建立掌子面水土壓力；推進反力由撐靴系統47中的撐靴支撐在巖壁上產生的摩擦反力提供，調向由推進油缸41撐緊支撐環48獲得行程差來實現；(4)當開挖地層軟弱底層轉變為穩定性較好的硬巖地層，根據施工需求採用靈活的後期洞壁支護進行施工時，需將掘進模式由土壓平衡模式或盾構敞開式轉換為TBM模式；需拆除管片拼裝機10、尾盾8、中心迴轉接頭18，安裝溜渣板17、溜槽21、主機皮帶機、 撐靴系統47、支撐環48 ；由撐靴油缸49伸出撐靴系統47中的撐靴撐緊巖壁產生的摩擦力作為推進反力，由推進油缸41推進調向，循環換步向前掘進，按照隧道先貫通再洞壁支護的方式施工，最終形成成型隧道；
(5)當開挖地層轉變為軟巖、軟土、過渡複合地層或者根據施工需要將支護方式有後期洞壁支護轉換為管片襯砌支護時，此時需將掘進模式由TBM掘進模式轉換為盾構敞開式或土壓平衡模式；拼裝一環至兩環管片11，同時在管片11附近巖體60圓周打錨杆59，並澆築混凝土 58。當混凝土 58澆築完成後，並以此澆築的混凝土 58為主機推進系統7提供推進反力，至此模式轉換為管片拼裝模式完成，此後掘進按照土壓平衡模式和盾構敞開式掘進開挖，兩種掘進模式交接區域支護做後期過渡處理；所述的前盾2的前盾殼體30左上部與右上部布置有穩定器3，右下部與左下部設置有兩組前盾擺動缸31 ；與前盾2的前盾殼體30連接的隔板上設置有超前注漿口、螺旋機前閘門32、膨潤土口 34、平行與隧道中軸線方向的超前鑽機預留口 35、噴水口 36、泡沫口 37、工業空氣口 38、土壓傳感器39、可拆解的前盾攪拌棒33，前盾攪拌棒33上加焊條網狀耐磨焊條；所述的中盾6的中盾殼體40內布置有推進油缸41，在推進油缸41的連接處間設置有超前注漿管42，以及位於左下方與右下方的兩組共計四個的中盾擺動缸15，尾盾8為可拆解筒體結構，殼體外設置膨潤土注入系統；所述的TBM模式下前盾2、中盾6、及尾盾8的盾構體內的主梁44為鉸接浮動，主梁44設計形式及強度滿足管片拼裝機10行程及拼裝管片1及TBM撐靴系統47行程要求； 主梁44上部布置有主梁連接杆46，下部布置有主梁油缸45 ；管片拼裝機10及撐靴系統47 與主梁44間為滑道51支撐；撐靴系統47與主梁44間布置有微調彈簧52 ；撐靴系統47中的撐靴外設置有撐靴伸縮套53並連接有靴板50及撐靴油缸49，靴板50與撐靴油缸49間為球餃連接；撐靴系統47與主梁44間為滑動柔性連接，靴板50與洞壁間為柔性過渡支撐。積極有益效果本發明所述的混合式TBM，是以傳統的土壓平衡盾構為基礎，吸取了硬巖掘進機(TBM)的原理及優點的一種隧道掘進機，適應於軟土、硬巖、及軟硬交替地層，具體為淤、粘、粉、砂、卵礫、硬巖地層的隧道施工工程機械。在軟弱地層掘進時對控制掌子面穩定，地表沉降和保證施工安全時十分有利；在硬巖地層中對施工靈活性特別有利。混合式TBM可根據地層地質情況、埋深情況、隧道支護要求採用土壓平衡式、盾構敞開式、TBM 模式施工，並在需要的情況下進行模式轉換施工，尤其適用於市政地下工程，能同時適用於軟土、軟巖、硬巖、過渡地層及交替地的地下工程施工設備。本發明解決了設備同時在軟土、 軟巖、過渡複合地層、硬巖地層中地質適應性及隧道洞壁支護靈活性施工需求。設備既具有硬巖快速掘進功能，又具有開挖面平衡功能；不但具有管片拼裝襯砌支護功能，而且又可以實現洞壁靈活支護的功能、出渣方式可以採用螺旋輸送機出渣方式，也可以採用主機皮帶機出渣方式。使土壓平衡盾構技術與TBM相互滲透、相互融合，拓展了設備的地質適應範圍，使單臺隧道掘進設備具有更廣泛的地質適應性，適用於國內絕大多數市政地下工程施工。
圖1是本發明土壓平衡模式及盾構敞開模式主機結構示意圖；圖2是本發明的TBM掘進模式主機結構示意圖；圖3是本發明TBM模式或盾構敞開模式下出渣模式結構示意圖；圖4本發明TBM模式刀盤結構示意圖5是本發明前盾結構示意圖；圖6是本發明中盾結構結構示意圖；圖7為圖1中A-A向剖面示意圖；圖8為圖2中B-B向剖面結構示意圖；圖9為本發明掘進模式向TBM轉換前洞壁支護方式結構示意圖；圖10為本發明掘進模式向TBM轉換後洞壁支護方式結構示意圖；圖11為本發明TBM掘進模式轉換為土壓平衡模式或盾構敞開式支護方式的結構示意圖；圖中為刀盤1、前盾2、穩定器3、驅動系統4、保壓人倉系統5、中盾6、推進系統 7、尾盾8、超前鑽機9、管片拼裝機10、管片11、螺旋輸送機12、後配套皮帶機13、鉸接油缸 14、中盾擺動缸15、刮渣鬥16、溜渣板17、中心迴轉接頭18、切口耐磨層19、刀盤鋼結構20、 溜槽21、主機皮帶機一段22、橡膠板防塵23、鏈條防塵24、噴水降塵25、防塵護罩26、主機皮帶機伸縮油缸27、主機皮帶機二段28、皮帶張緊油缸29、前盾殼體30、前盾擺動缸31、螺機前閘門32、前盾攪拌棒33、膨潤土口 34、超前鑽機預留口 35、噴水口 36、泡沫口 37、工業空氣口 38、土壓傳感器39、中盾殼體40、推進油缸41、超前注漿管42、米字梁43、主梁44、主梁油缸45、主梁拉杆46、撐靴系統47、支撐環48、撐靴油缸49、靴板50、滑道51、自適應彈簧52、撐靴伸縮套53、第一管片環54、第二管片環55 ；第三管片環56、第四管片環57、混硬土 58、錨杆59、巖體60。
具體實施例方式下面結合附圖，對本發明作進一步的說明所述的具有多重掘進模式的混合式TBM，包括刀盤1，以及與刀盤連接的驅動系統 4，支撐驅動系統4與刀盤1的前盾2、與前盾2連接的中盾6、安裝在中盾6內部的推進系統7、與中盾6相連的主梁44、安裝在前盾2上的的穩定器3、安裝在前盾2上的前盾擺動缸 31與安裝在中盾6上的與中盾擺動缸15、與主梁44連的後配套皮帶機13 ；土壓平衡模式與盾構敞開式還包括與刀盤1相連的中心迴轉接頭18，安裝在主梁44上的管片拼裝機10 ； TBM模式還包括與布置在刀盤上的刮渣鬥16及刀盤1背部的溜渣板17、連接在驅動系統4 上的溜槽21、撐靴系統47，支撐環48、主機皮帶機一段22、主機皮帶機二段28。如圖4，所述的刀盤1為複合式刀盤，複合式刀盤1具有適應不同地層的能力，刀具可以更換、換裝或者混裝。刀盤1為一整體焊接焊接鋼結構20，，刀盤結構強度能滿足硬巖掘進強度要求，刀盤1設計可以滿足雙向旋轉開挖需求，通過調整刀盤1轉向可以有效調節硬巖掘進過程中盾體滾動。刀盤1可同時適應於硬巖或者軟巖，刀盤1破巖方式既可採用滾壓破巖，又可採用切削破巖，或者二者的複合。在硬巖地層中掘進應以滾刀破巖為主，軟巖地層中以切刀和齒刀為主，施工中可以確保刀盤對本地層的適應性和施工的可靠性。刀盤背部設置有可拆卸的前盾攪拌棒33，刀盤1前部和後部布置有渣土改良端埠，可改善刀盤1適應掌子面的能力，保證刀盤能適應不同地質地層掘進要求。本發明所述的驅動系統2，可以滿足硬巖掘進低貫入度，高轉速，大功率掘進要求及刀盤脫困所需扭矩；如圖1、圖2、圖4，前盾2為整體焊接前盾殼體30，具有在硬巖地質條件下均進具有吸收主機振動作用，並在換刀時具有獲取換刀空間及穩定盾體功能；布置在前盾2左上、 右上的油缸伸靴式穩定器3，掘進時伸出支撐在徑向開挖面上隨主機向前移動；穩定器3與盾體底部與開挖面的接觸點一起形成三角形支撐結構，伸靴的油缸可以吸收主機傳來的振動，對刀盤1振動形成半剛性約束，可有效減少刀盤的振動及噪音；同時由於增加了約束點，增大了盾體與開挖面的摩擦力以獲得較大的反扭矩，減少盾體由於刀盤1扭矩引起的滾轉速率。如遇盾體發生滾轉時，刀盤1可向相反方向旋轉開挖掘進，使盾體逐步回到正常位置。前盾殼體30連接的隔板上設置有超前注漿口、螺旋機前間門32、膨潤土口 34、平行與隧道中軸線方向的超前鑽機預留口 35、噴水口 36、泡沫口 37、工業空氣口 38、土壓傳感器 39。如圖1、圖2、圖5所示，中盾6的中盾殼體40內布置有推進油缸41，在推進油缸41 的連接處間設置有超前注漿管42，以及位於左下方與右下方的兩組共計四個的中盾擺動缸 15，跟前盾擺動缸31 —起其功能是通過盾體帶動刀盤1擺動獲得邊刀的更換空間，同時也可以在硬巖地質中掘進時輔助主機轉向和糾偏功能。中盾6周圍預留有超前注漿口，在硬巖地層中遇到破碎圍巖時，可在管片拼裝機10部位設置超前鑽機9，進行超前地質注漿加固作業，中盾內的支架梁米字梁43。尾盾8為可拆解筒體結構，殼體外設置膨潤土注入系統，在掘進過程中起到潤滑尾盾與巖土作用，可減少大約600-1000T的推阻力，降低尾盾被卡風險，提高掘進效率。所述的螺旋輸送機12為軸式或帶式輸送機，焊接在軸上的葉片在筒體內形成半封閉結構利於輸送鬆散碴土，葉片軸前部鑲焊複合耐磨合金塊，並在複合耐磨合金塊上再堆焊耐磨焊條；螺旋輸送機12設置有底部滑塊導向裝置，補焊修復時拆除螺旋機前部筒體與前盾2的聯結法蘭螺栓，藉助人工導鏈吊拽螺旋機沿滑塊裝置抽出，在主機內對葉片軸及前部筒體進行補焊耐磨層。如圖1、圖2、圖7、圖8，位於前盾2、中盾6、及尾盾8的盾構體內的主梁44為鉸接浮動，主梁44設計形式及強度滿足管片拼裝機10行程及拼裝管片1及TBM撐靴系統47行程要求 』主梁44上部布置有主梁連接杆46，下部布置有主梁油缸45 ；管片拼裝機10及撐靴系統47與主梁44間為滑道51支撐；撐靴系統47與主梁44間布置有微調彈簧52 ；撐靴系統47中的撐靴外設置有撐靴伸縮套53並連接有靴板50及撐靴油缸49，靴板50與撐靴油缸49間為球餃連接；撐靴系統47與主梁44間為滑動柔性連接，靴板50與洞壁間為柔性過渡支撐。盾構敞開式或者TBM掘進模式中如遇到破碎圍巖，需要超前地質加固時，可臨時在適當部位布置超前鑽機9，具有在穿越不穩定圍巖地層時進行超前地質鑽孔，超前注漿地質加固作用，有效降低工程施工風險。在需要進行超前地質勘測時利用布置在前盾2隔板上的超前鑽機預留口 35進行平行於隧道中軸線方向地質勘測。本發明根據不同地層地質情況及施工隧道支護方式要求可以採用土壓平衡模式、 盾構敞開掘進模式、TBM掘進模式三種模式施工，並在需要的情況下土壓平衡模式、盾構敞開式、TBM掘進模式相互轉換，分別滿足不同地層施工及隧洞支護方式需求。以下分別對不同模式施工及模式轉換做進一步闡述1、土壓平衡掘進模式與盾構敞開掘進模式共有特徵如圖1，圖6所示，掘進過程中，以前盾2、中盾6作為驅動系統4及刀盤1的支撐，由推進系統7為整機掘進提供推力，並由驅動系統4帶動複合式刀盤1迴轉開挖掘進。能適應不同地層的複合式刀盤1中部布置有中心迴轉接頭18，中心迴轉接頭18上設置有各自獨立的膨潤土及泡沫通道，可同時向刀盤1前面注入膨潤土和泡沫，在第一時間內對切削的碴土進行攪拌獲得較好的混合效果。經過改良的渣土通過複合式刀盤1進入前盾2中的土壓倉，在通過螺旋輸送機12輸送至後配套皮帶機13，然後經後配套皮帶機13輸送至後配套拖車，然後由編組列車或者連續皮帶機運出洞外。主機由推經系統7協調控制提供推進力向前推進，並通過多組鉸接油缸14拖拉尾盾8向前掘進。同時，管片拼裝機10拼裝管片11循環向前掘進，由預先鋪設的管片11為掘進提供反力，伴隨管片背襯的同步注漿加固，推進系統7循環換步向前推進，最終形成由環形管片襯砌的隧道。2、土壓平衡掘進模式特徵如圖1、圖6所示，盾構在推進系統7向前推進掘進的過程中，複合式刀盤1開挖下來的渣土充滿前盾2內的土壓倉，同時控制螺旋輸送機12的出渣速率，必要時通過前盾 2隔板上的工業空氣口 38使土壓倉內保持一定氣壓，最終達到土壓倉內的渣土產生的土壓力及空氣壓力平衡刀盤掌子面水土壓力，防止掌子面坍塌，湧水，最大限度的控制地表沉降，達到安全施工的目的。在此種掘進模式下，穩定器3、前盾擺動缸31、中盾擺動缸15收回不予工作，超前鑽機9暫不安裝。前盾2切口耐磨層19可增強切口耐磨性。土壓平衡模式掘進必要建立部分氣壓時利用設置在前盾2隔板上的工業空氣口 38建立部分氣壓，與土壓一起平衡掌子面水土壓力。在進行保壓檢修需要進入土倉時，通過保壓人倉系統5作為進入土倉過渡空間，為作業人員安全提供保障。3、盾構敞開式掘進模式特徵如圖1，盾構敞開式掘進模式中由推進系統7提供推力，由驅動系統4帶動複合式刀盤1切削掌子面巖土，掉落下來的巖土進入前盾中的2 土壓倉。掘進過程中不需要建立土壓倉壓力，土壓倉內的渣塊經螺旋輸送機12及後配套皮帶機13排出。4、TBM模式特徵如圖2，圖3，TBM掘進模式下，需組裝撐靴系統47中的撐靴、支撐環48。如圖2所示。撐靴系統47中的撐靴與主梁44間為滑道支撐，並可與主梁44間通過自適應彈簧52 適應撐靴與主梁44間動態微調。撐靴系統47中的撐靴由撐靴油缸49協調控制靴板50撐緊巖壁獲得摩擦反力，亦即為主機提供推進反力。靴板50與撐靴油缸49間為球餃連接，可實現與洞壁間柔性接觸，便於獲得穩定的摩擦推進反力。支撐環48為可拆解環形鋼結構連接位於撐靴系統47中的撐靴外圍。曲線段掘進調向有推進油缸協調控制實現。5、TBM掘進循環特徵如圖2、圖7，TBM掘進循環過程為撐靴油缸49伸出帶動撐靴系統47中的撐靴向外伸出撐緊巖壁，獲得摩擦反推進力，待撐靴系統47中的撐靴的靴板50撐緊巖壁後，開始一個掘進行程，由推進油缸7頂緊連接在撐靴系統47中的撐靴上的支撐環48獲得推進反力。一個掘進行程結束後，撐靴油缸49收回帶動靴板50收回，同時通過撐靴系統47中的撐靴與主梁44間的行程油缸實現撐靴系統47中的撐靴向前移動一個行程，至此一個掘進換步結束。如此掘進循環反覆，掘進不斷向前換步前進。TBM模式出渣過程為硬巖渣塊通過刀盤1破巖後並經過刮渣鬥16，隨著刀盤1旋轉帶動渣塊順著溜渣板17溜進溜槽21，渣塊掉進主機皮帶機一段22，並依次進過橡膠板防塵23、鏈條防塵24、噴水降塵25，防塵護罩26進入主機皮帶機二段28，並最終由後配套皮帶機13將硬巖渣塊輸送到後部。主機皮帶機在需要換刀時可以將主機皮帶機一段22通過主機皮帶機伸縮油缸後退一定行程得到換刀空間。主機皮帶機二段28出渣鬥處設置有皮帶張緊油缸29可以需要時張緊皮帶。6、土壓平衡模式或盾構敞開式——TBM模式轉換推進系統中7的推進油缸41在管片拼裝模式推進主機至一個管片寬度行程後， 收回推進系統中7的推進油缸41。此時去除管片拼裝機10、尾盾6，停機拆除第一管片環 54、第二管片環55兩環管片，剩餘第三管片環56、第四管片環57，為後續工作留出空間，臨時組裝撐靴系統47中的撐靴、支撐環48，此時狀態如圖9。調整主梁油缸45使主梁44能滿足主梁44動態微調要求，主梁拉杆46隻起到保險作用，全面進行推進系統調試。調試完畢後，至此土壓平衡模式或盾構敞開式至TBM模式轉換結束，如圖10所示。之後掘進按照 TBM模式進行，隧道洞壁支護加固可與後期以靈活方式展開，兩種模式轉換交接部位洞內過渡修復伴隨支護進行。7、TBM模式——土壓平衡模式或盾構敞開模式轉換當掘進模式需要向土壓平衡模式或盾構敞開式轉換時，停機將撐靴系統47中的撐靴從主梁44滑出，同時拆除支撐環48 ；並安裝尾盾6、管片拼裝機10，並拼裝一環至兩環管片11。同時在管片11附近巖體60圓周打錨杆59，並澆築混凝土 58。當混凝土 58澆築完成後，此時狀態如圖10，並以此澆築的混凝土 58為主機推進油缸7提供推進反力，至此模式轉換為管片拼裝模式完成。此後，掘進按照土壓平衡模式和盾構敞開式掘進開挖，兩種掘進模式交接區域支護做後期過渡處理。以上實施例僅用於說明本發明的優選實施方式，但本發明並不限於上述實施方式，在所述領域普通技術人員所具備的知識範圍內，本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替代和改進等，其均應涵蓋在本發明請求保護的技術方案範圍之內。
權利要求
1.一種具有多重掘進模式及隧道支護方式的混合式TBM，其特徵在於包括土壓平衡掘進模式、盾構敞開掘進模式、TBM掘進模式三種施工掘進模式，三種施工掘進模式相互轉換，以及根據相應地質工況及施工需要與三種施工方式配套的螺旋輸送機出渣或者主機皮帶機出渣方式，及相應管片拼裝襯砌及後期洞壁支護方式；所述的三種掘進模式的發明包括刀盤，以及與刀盤(1)連接的驅動系統G)，支撐驅動系統⑷與刀盤⑴的前盾O)、前盾⑵連接保壓人倉(5)及中盾(6)、安裝在中盾(6) 內部的推進系統(7)、與中盾(6)相連的主梁(44)、安裝在前盾(2)上的穩定器(3)、安裝在前盾(2)上的前盾擺動缸(31)與安裝在中盾(6)上的與中盾擺動缸(15)、與主梁04) 連的後配套皮帶機(1 ；土壓平衡模式與盾構敞開式還包括與刀盤(1)相連的中心迴轉接頭(18)，連接於前盾(2)的螺旋輸送機(12)、與中盾(6)通過鉸接油缸(14)與尾盾⑶鉸接；安裝在主梁G4)上的管片拼裝機(10) ；TBM模式還包括與布置在刀盤上的刮渣鬥(16) 及刀盤(1)背部的溜渣板(17)、連接在驅動系統(4)上的溜槽、撐靴系統(47)，支撐環 (48)、控制主機皮帶機一段0 後退的主機皮帶機伸縮油缸(XT)、主機皮帶機二段08)及皮帶張緊油缸( )、橡膠板防塵(23)、鏈條防塵(M)、噴水降塵(25)，防塵護罩( )，位於中盾(6)部位的超前鑽機(9)。
2.根據權利要求1所述的一種具有多重掘進模式及隧道支護方式的混合式TBM，其特徵在於當開挖面穩定性差或者為含水較多的軟土、軟巖、沙礫及軟硬不均地層，具體為淤、 粘、粉、砂、卵礫地層時，可根據地質及埋深情況採用土壓平衡掘進模式施工，由螺旋輸送機 (12)配合後配套皮帶機(13)出渣，伴隨管片拼裝機(10)拼裝管片(11)、背襯注漿支護方式施工；在此種模式掘進時，刀盤(1)帶壓推進，利用刀盤(1)及土倉內土壓及氣壓實現與開挖面的水壓、土壓動態平衡；同時管片拼裝機(10)拼裝管片循環向前掘進，由預先鋪設的管片(11)為掘進提供反力，伴隨管片(11)背襯的同步注漿加固，推進油缸循Gl)環換步向前推進，最終形成由環形管片襯砌的隧道。
3.根據權利要求1所述的一種具有多重掘進模式及隧道支護方式的混合式TBM，其特徵在於當地層地質為硬巖地層，開挖掌子面能夠自穩，根據施工要求採用管片支護隧道時可以採用盾構敞開模式掘進；洞壁採用管片拼裝、襯砌支護，出渣方式可以採用主機皮帶機配合後配套皮帶機(1 出渣方式施工；硬巖地質中盾構敞開模式施工，具體為複合式刀盤 (1)在開挖掌子面時不需要建立水土壓力，刀盤切削下來的渣土通過螺旋輸送機配合後配套皮帶機(13)出渣；同時管片拼裝機(10)拼裝管片(11)循環向前掘進，由預先鋪設的管片(11)為掘進提供反力，伴隨管片背襯的同步注漿加固，推進油缸Gl)循環換步向前推進，最終形成由環形管片襯砌的隧道。
4.根據權利要求1所述的一種具有多重掘進模式及隧道支護方式的混合式TBM，其特徵在於當開挖地層為硬巖地層，施工要求採用後期洞壁支護方式時，可根據施工要求採用 TBM掘進模式；出渣方式採用主機皮帶機配合後配套皮帶機13出渣，洞壁支護採用靈活的後期洞壁支護進行施工；此時主機無尾盾(8)、管片拼裝機(10)、螺旋輸送機(12)，並更換刀具，增加溜渣板(17)、溜槽、主機皮帶機、撐靴系統G7)、支撐環08)；掘進時無需建立掌子面水土壓力，推進反力由撐靴系統G7)中的撐靴支撐在巖壁上產生的摩擦反力提供，調向由推進油缸Gl)撐緊支撐環G8)獲得行程差來實現；隧道支護可採用靈活的後期支護方式，打錨杆、掛鋼筋網、噴砼、鋼支撐方式施工，最終形成由後期支護結構形成的連續隧道。
5.根據權利要求1所述的一種具有多重掘進模式及隧道支護方式的混合式TBM，其特徵在於當開挖地層軟弱底層轉變為穩定性較好的硬巖地層，根據施工需求採用靈活的後期洞壁支護進行施工時，需將掘進模式由土壓平衡模式或盾構敞開式轉換為TBM模式；需拆除管片拼裝機(10)、尾盾(8)、中心迴轉接頭(18)，安裝溜渣板(17)、溜槽、主機皮帶機、撐靴系統(47)、支撐環08)；由撐靴油缸09)伸出撐靴系統07)中的撐靴撐緊巖壁產生的摩擦力作為推進反力，由推進油缸Gl)推進調向，循環換步向前掘進，按照隧道先貫通再洞壁支護的方式施工，最終形成成型隧道。
6.根據權利要求1所述的一種具有多重掘進模式及隧道支護方式的混合式TBM，其特徵在於當開挖地層轉變為軟巖、軟土、過渡複合地層或者根據施工需要將支護方式有後期洞壁支護轉換為管片襯砌支護時，此時需將掘進模式由TBM掘進模式轉換為盾構敞開式或土壓平衡模式；拼裝一環至兩環管片(11)，同時在管片(11)附近巖體(60)圓周打錨杆 (59)，並澆築混凝土(58)；當混凝土(58)澆築完成後，並以此澆築的混凝土(58)為主機推進油缸Gl)提供推進反力，至此模式轉換為管片拼裝模式完成，此後，掘進按照土壓平衡模式和盾構敞開式掘進開挖，兩種掘進模式交接區域支護做後期過渡處理。
7.根據權利要求1所述的一種具有多重掘進模式及隧道支護方式的混合式TBM，其特徵在於前盾O)的前盾殼體(30)左上部與右上部布置有穩定器(3)，右下部與左下部設置有兩組前盾擺動缸(31)；與前盾( 的前盾殼體(30)連接的隔板上設置有超前注漿口、 螺旋機前閘門(32)、膨潤土口(34)、平行與隧道中軸線方向的超前鑽機預留口(35)、噴水口(36)、泡沫口(37)、有工業空氣口(38)、土壓傳感器(39)、可拆解的前盾攪拌棒(33)，前盾攪拌棒(3 上加焊條網狀耐磨焊條。
8.根據權利要求1所述的一種具有多重掘進模式及隧道支護方式的混合式TBM，其特徵在於中盾(6)的中盾殼體00)內布置有推進油缸(41)，在推進油缸的連接處間設置有超前注漿管(42)，以及位於左下方與右下方的兩組共計四個的中盾擺動缸(15)，尾盾(8)為可拆解筒體結構，殼體外設置膨潤土注入系統。
9.根據權利要求1所述的一種具有多重掘進模式及隧道支護方式的混合式TBM，其特徵在於前盾O)、中盾(6)、及尾盾⑶的盾構體內的主梁04)為鉸接浮動，主梁04)設計形式及強度滿足管片拼裝機(10)行程及拼裝管片(1)及TBM撐靴系統07)行程要求; 主梁G4)上部布置有主梁連接杆(46)，下部布置有主梁油缸0 ；管片拼裝機(10)及撐靴系統G7)與主梁04)間為滑道(51)支撐；撐靴系統07)與主梁04)間布置有微調彈簧(52)；撐靴系統07)中的撐靴外設置有撐靴伸縮套(53)並連接有靴板(50)及撐靴油缸(49)，靴板(50)與撐靴油缸09)間為球餃連接；撐靴系統G7)與主梁04)間為滑動柔性連接，靴板(50)與洞壁間為柔性過渡支撐。
全文摘要
本發明公開了一種既能適用淤泥、粘土、砂土、沙礫、風化巖、硬巖以及複合過渡地層的多重掘進模式的混合式TBM隧道施工裝備。本發明可以根據不同地層地質情況及施工隧道支護要求可以採用土壓平衡模式、盾構敞開模式、TBM模式三種模式施工。出渣方式可以採用螺旋輸送機出渣或者TBM皮帶機出渣，同時支護方式亦可採用管片襯砌及靈活的後期支護方式。本發明具有很強的地質適應性，尤其適用於市政地下工程軟、硬、複雜地層施工，同時整機造價低廉，模式轉換相對簡單、對配套施工幹擾小、控制方便，設備造價低廉、經濟實用，滿足施工靈活支護方式使用需求。
文檔編號E21D9/08GK102383805SQ20111031749
公開日2012年3月21日 申請日期2011年10月19日 優先權日2011年10月19日
發明者卓興建, 張寧川, 李建斌, 袁文徵, 賀飛, 趙華 申請人:中鐵隧道裝備製造有限公司