專利名稱：一種具有多重掘進(jìn)模式及隧道支護(hù)方式的混合式tbm的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于盾構(gòu)及TBM工程技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種混合式TBM隧道施工工程裝備， 具體為一種既適用于軟土、軟巖、硬巖等單一地層，同時適用于軟硬交替地層、復(fù)合過渡地層，并具有雙重掘進(jìn)模式、多重出渣方式、靈活支護(hù)方式的隧道工程施工裝備。
背景技術(shù)：
在具有世界地質(zhì)博物館之稱的中國，地層工程、水文地質(zhì)復(fù)雜，對于許多地下市政工程，施工區(qū)間以一種地質(zhì)為主，同時存在其它過渡地層及復(fù)雜地層的地質(zhì)。盾構(gòu)法施工因具有對周圍環(huán)境影響小、施工速度快、工程質(zhì)量優(yōu)良、施工安全環(huán)保、地質(zhì)適應(yīng)性廣等優(yōu)點， 成為城市地下工程建設(shè)中首選施工方式。盾構(gòu)機的地質(zhì)適應(yīng)性、整機性能是盾構(gòu)隧道施工成敗的關(guān)鍵。地下市政工程盾構(gòu)及TBM應(yīng)用技術(shù)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(fēng)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(gòu)在軟巖地質(zhì)中施工優(yōu)勢明顯，造價低廉，但設(shè)備對于超強硬巖地質(zhì)需要特殊設(shè)計。TBM在地質(zhì)單一的硬巖地層中掘進(jìn)效率占居優(yōu)勢，但設(shè)備總長過長，工籌難度大，造價昂貴、應(yīng)用于市政地下工程優(yōu)勢難以充分發(fā)揮。TBM通用缺點為遇到不良地質(zhì)或軟、硬巖交替地層，施工難度及風(fēng)險急劇增大。具有多重開挖模式、出渣方式及靈活支護(hù)模式功能的復(fù)合式TBM是今后地下市政工程施工裝備發(fā)展方向。針對國內(nèi)市政地下工程地質(zhì)中可能存在軟巖、硬巖、過渡復(fù)合地層工程地質(zhì)工況，并能夠根據(jù)具體特定地層選用合適的支護(hù)方式的隧道施工裝備，具有越來越廣泛的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的只具有相對單一地層適應(yīng)性及單一洞壁支護(hù)方式的EPB盾構(gòu)及 TBM已不能滿足復(fù)雜地層現(xiàn)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(jìn)又兼具有硬巖掘進(jìn)機功能，特別是適用于市政地下工程項目的隧道施工裝備，在地層地質(zhì)變化時轉(zhuǎn)換掘進(jìn)模式及支護(hù)模式，使一臺設(shè)備具有更廣泛的地質(zhì)適應(yīng)性，并具有靈活的支護(hù)模式，同時配套施工干擾小，能有效降低工程風(fēng)險，是隧道掘進(jìn)機設(shè)計及施工中的一大難題，也是制約隧道掘進(jìn)機使用范圍的重要原因。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明公開一種既能適用于軟土、軟巖、硬巖等相對單一地層，同時兼具有適用于軟硬交替地層、復(fù)合過渡地層，具體為淤泥、粘土、砂土、 沙礫、風(fēng)化巖、硬巖以及復(fù)合過渡地層的混合式TBM隧道施工裝備。本發(fā)明可以根據(jù)不同地層地質(zhì)情況及施工隧道支護(hù)要求可以采用土壓平衡模式、盾構(gòu)敞開模式、TBM模式三種模式施工；同時可根據(jù)地層及施工要求采用兩種出渣方式螺旋輸送機出渣和主機皮帶機出渣方式；并可根據(jù)實際情況采取兩種洞壁支護(hù)方式管片襯砌支護(hù)方式及靈活的后期支護(hù)方式。設(shè)備具有很強的地質(zhì)適應(yīng)性，尤其適用于市政地下工程軟、硬、復(fù)合地層施工，同時整機造價低廉，對配套施工干擾小、控制方便，設(shè)備造價低廉、經(jīng)濟(jì)實用，滿足靈活支護(hù)施工功能需求。所述的具有多重掘進(jìn)模式的混合式TBM，包括刀盤1，以及與刀盤連接的驅(qū)動系統(tǒng) 4，支撐驅(qū)動系統(tǒng)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(nèi)部的推進(jìn)系統(tǒng)7、與中盾6相連的主梁44、安裝在前盾2上的的穩(wěn)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連的后配套皮帶機13 ；土壓平衡模式與盾構(gòu)敞開式還包括與刀盤1相連的中心回轉(zhuǎn)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斗16及刀盤1背部的溜渣板17、連接在驅(qū)動系統(tǒng)4 上的溜槽21、撐靴系統(tǒng)47，支撐環(huán)48、主機皮帶機一段22、主機皮帶機二段28?！N具有多重掘進(jìn)模式及隧道支護(hù)方式的混合式TBM，其特征在于包括土壓平衡掘進(jìn)模式、盾構(gòu)敞開掘進(jìn)模式、TBM掘進(jìn)模式三種施工模式，三種施工模式相互轉(zhuǎn)換，以及根據(jù)相應(yīng)地質(zhì)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(yīng)管片拼裝襯砌及后期洞壁支護(hù)方式；具體為(1)當(dāng)開挖面穩(wěn)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(jù)地質(zhì)及埋深情況采用土壓平衡掘進(jìn)模式施工，由螺旋輸送機12配合后配套皮帶機13出渣，伴隨管片拼裝機10拼裝管片11、背襯注漿支護(hù)方式施工；在此種模式掘進(jìn)時，刀盤1帶壓推進(jìn)，利用刀盤1及土倉內(nèi)土壓及氣壓實現(xiàn)與開挖面的水壓、土壓動態(tài)平衡，；同時管片拼裝機10拼裝管片11循環(huán)向前掘進(jìn)，由預(yù)先鋪設(shè)的管片 11為掘進(jìn)提供反力，伴隨管片11背襯的同步注漿加固，推進(jìn)油缸循41環(huán)換步向前推進(jìn)，最終形成由環(huán)形管片襯砌的隧道；(2)當(dāng)?shù)貙拥刭|(zhì)為硬巖地層，開挖掌子面能夠自穩(wěn)，根據(jù)施工要求采用管片支護(hù)隧道時可以采用盾構(gòu)敞開模式掘進(jìn)；洞壁采用管片拼裝、襯砌支護(hù)，出渣方式可以采用主機皮帶機配合后配套皮帶機13出渣方式施工；硬巖地質(zhì)中盾構(gòu)敞開模式施工，具體為復(fù)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配合后配套皮帶機13出渣；同時管片拼裝機10拼裝管片11循環(huán)向前掘進(jìn)，由預(yù)先鋪設(shè)的管片 11為掘進(jìn)提供反力，伴隨管片背襯的同步注漿加固，推進(jìn)油缸41循環(huán)換步向前推進(jìn)，最終形成由環(huán)形管片襯砌的隧道；(3)當(dāng)開挖地層為硬巖地層，施工要求采用后期洞壁支護(hù)方式時，可根據(jù)施工要求采用TBM掘進(jìn)模式；出渣方式采用主機皮帶機配合后配套皮帶機13出渣，洞壁支護(hù)采用靈活的后期洞壁支護(hù)進(jìn)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，并更換刀具，增加溜渣板17、溜槽21、主機皮帶機、撐靴系統(tǒng)47、支撐環(huán)48 ；掘進(jìn)時無需建立掌子面水土壓力；推進(jìn)反力由撐靴系統(tǒng)47中的撐靴支撐在巖壁上產(chǎn)生的摩擦反力提供，調(diào)向由推進(jìn)油缸41撐緊支撐環(huán)48獲得行程差來實現(xiàn)；(4)當(dāng)開挖地層軟弱底層轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定性較好的硬巖地層，根據(jù)施工需求采用靈活的后期洞壁支護(hù)進(jìn)行施工時，需將掘進(jìn)模式由土壓平衡模式或盾構(gòu)敞開式轉(zhuǎn)換為TBM模式；需拆除管片拼裝機10、尾盾8、中心回轉(zhuǎn)接頭18，安裝溜渣板17、溜槽21、主機皮帶機、 撐靴系統(tǒng)47、支撐環(huán)48 ；由撐靴油缸49伸出撐靴系統(tǒng)47中的撐靴撐緊巖壁產(chǎn)生的摩擦力作為推進(jìn)反力，由推進(jìn)油缸41推進(jìn)調(diào)向，循環(huán)換步向前掘進(jìn)，按照隧道先貫通再洞壁支護(hù)的方式施工，最終形成成型隧道；
(5)當(dāng)開挖地層轉(zhuǎn)變?yōu)檐泿r、軟土、過渡復(fù)合地層或者根據(jù)施工需要將支護(hù)方式有后期洞壁支護(hù)轉(zhuǎn)換為管片襯砌支護(hù)時，此時需將掘進(jìn)模式由TBM掘進(jìn)模式轉(zhuǎn)換為盾構(gòu)敞開式或土壓平衡模式；拼裝一環(huán)至兩環(huán)管片11，同時在管片11附近巖體60圓周打錨桿59，并澆筑混凝土 58。當(dāng)混凝土 58澆筑完成后，并以此澆筑的混凝土 58為主機推進(jìn)系統(tǒng)7提供推進(jìn)反力，至此模式轉(zhuǎn)換為管片拼裝模式完成，此后掘進(jìn)按照土壓平衡模式和盾構(gòu)敞開式掘進(jìn)開挖，兩種掘進(jìn)模式交接區(qū)域支護(hù)做后期過渡處理；所述的前盾2的前盾殼體30左上部與右上部布置有穩(wěn)定器3，右下部與左下部設(shè)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(shè)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鉆機預(yù)留口 35、噴水口 36、泡沫口 37、工業(yè)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(wǎng)狀耐磨焊條；所述的中盾6的中盾殼體40內(nèi)布置有推進(jìn)油缸41，在推進(jìn)油缸41的連接處間設(shè)置有超前注漿管42，以及位于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(jié)構(gòu)，殼體外設(shè)置膨潤土注入系統(tǒng)；所述的TBM模式下前盾2、中盾6、及尾盾8的盾構(gòu)體內(nèi)的主梁44為鉸接浮動，主梁44設(shè)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(tǒng)47行程要求； 主梁44上部布置有主梁連接桿46，下部布置有主梁油缸45 ；管片拼裝機10及撐靴系統(tǒng)47 與主梁44間為滑道51支撐；撐靴系統(tǒng)47與主梁44間布置有微調(diào)彈簧52 ；撐靴系統(tǒng)47中的撐靴外設(shè)置有撐靴伸縮套53并連接有靴板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(tǒng)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(fā)明所述的混合式TBM，是以傳統(tǒng)的土壓平衡盾構(gòu)為基礎(chǔ)，吸取了硬巖掘進(jìn)機(TBM)的原理及優(yōu)點的一種隧道掘進(jìn)機，適應(yīng)于軟土、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(jìn)時對控制掌子面穩(wěn)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(jù)地層地質(zhì)情況、埋深情況、隧道支護(hù)要求采用土壓平衡式、盾構(gòu)敞開式、TBM 模式施工，并在需要的情況下進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換施工，尤其適用于市政地下工程，能同時適用于軟土、軟巖、硬巖、過渡地層及交替地的地下工程施工設(shè)備。本發(fā)明解決了設(shè)備同時在軟土、 軟巖、過渡復(fù)合地層、硬巖地層中地質(zhì)適應(yīng)性及隧道洞壁支護(hù)靈活性施工需求。設(shè)備既具有硬巖快速掘進(jìn)功能，又具有開挖面平衡功能；不但具有管片拼裝襯砌支護(hù)功能，而且又可以實現(xiàn)洞壁靈活支護(hù)的功能、出渣方式可以采用螺旋輸送機出渣方式，也可以采用主機皮帶機出渣方式。使土壓平衡盾構(gòu)技術(shù)與TBM相互滲透、相互融合，拓展了設(shè)備的地質(zhì)適應(yīng)范圍，使單臺隧道掘進(jìn)設(shè)備具有更廣泛的地質(zhì)適應(yīng)性，適用于國內(nèi)絕大多數(shù)市政地下工程施工。


圖1是本發(fā)明土壓平衡模式及盾構(gòu)敞開模式主機結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的TBM掘進(jìn)模式主機結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明TBM模式或盾構(gòu)敞開模式下出渣模式結(jié)構(gòu)示意圖；圖4本發(fā)明TBM模式刀盤結(jié)構(gòu)示意圖5是本發(fā)明前盾結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明中盾結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖；圖9為本發(fā)明掘進(jìn)模式向TBM轉(zhuǎn)換前洞壁支護(hù)方式結(jié)構(gòu)示意圖；圖10為本發(fā)明掘進(jìn)模式向TBM轉(zhuǎn)換后洞壁支護(hù)方式結(jié)構(gòu)示意圖；圖11為本發(fā)明TBM掘進(jìn)模式轉(zhuǎn)換為土壓平衡模式或盾構(gòu)敞開式支護(hù)方式的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中為刀盤1、前盾2、穩(wěn)定器3、驅(qū)動系統(tǒng)4、保壓人倉系統(tǒng)5、中盾6、推進(jìn)系統(tǒng) 7、尾盾8、超前鉆機9、管片拼裝機10、管片11、螺旋輸送機12、后配套皮帶機13、鉸接油缸 14、中盾擺動缸15、刮渣斗16、溜渣板17、中心回轉(zhuǎn)接頭18、切口耐磨層19、刀盤鋼結(jié)構(gòu)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(hù)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、超前鉆機預(yù)留口 35、噴水口 36、泡沫口 37、工業(yè)空氣口 38、土壓傳感器39、中盾殼體40、推進(jìn)油缸41、超前注漿管42、米字梁43、主梁44、主梁油缸45、主梁拉桿46、撐靴系統(tǒng)47、支撐環(huán)48、撐靴油缸49、靴板50、滑道51、自適應(yīng)彈簧52、撐靴伸縮套53、第一管片環(huán)54、第二管片環(huán)55 ；第三管片環(huán)56、第四管片環(huán)57、混硬土 58、錨桿59、巖體60。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明所述的具有多重掘進(jìn)模式的混合式TBM，包括刀盤1，以及與刀盤連接的驅(qū)動系統(tǒng) 4，支撐驅(qū)動系統(tǒng)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(nèi)部的推進(jìn)系統(tǒng)7、與中盾6相連的主梁44、安裝在前盾2上的的穩(wěn)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連的后配套皮帶機13 ；土壓平衡模式與盾構(gòu)敞開式還包括與刀盤1相連的中心回轉(zhuǎn)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斗16及刀盤1背部的溜渣板17、連接在驅(qū)動系統(tǒng)4 上的溜槽21、撐靴系統(tǒng)47，支撐環(huán)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為復(fù)合式刀盤，復(fù)合式刀盤1具有適應(yīng)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(jié)構(gòu)20，，刀盤結(jié)構(gòu)強度能滿足硬巖掘進(jìn)強度要求，刀盤1設(shè)計可以滿足雙向旋轉(zhuǎn)開挖需求，通過調(diào)整刀盤1轉(zhuǎn)向可以有效調(diào)節(jié)硬巖掘進(jìn)過程中盾體滾動。刀盤1可同時適應(yīng)于硬巖或者軟巖，刀盤1破巖方式既可采用滾壓破巖，又可采用切削破巖，或者二者的復(fù)合。在硬巖地層中掘進(jìn)應(yīng)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(yīng)性和施工的可靠性。刀盤背部設(shè)置有可拆卸的前盾攪拌棒33，刀盤1前部和后部布置有渣土改良端端口，可改善刀盤1適應(yīng)掌子面的能力，保證刀盤能適應(yīng)不同地質(zhì)地層掘進(jìn)要求。本發(fā)明所述的驅(qū)動系統(tǒng)2，可以滿足硬巖掘進(jìn)低貫入度，高轉(zhuǎn)速，大功率掘進(jìn)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(zhì)條件下均進(jìn)具有吸收主機振動作用，并在換刀時具有獲取換刀空間及穩(wěn)定盾體功能；布置在前盾2左上、 右上的油缸伸靴式穩(wěn)定器3，掘進(jìn)時伸出支撐在徑向開挖面上隨主機向前移動；穩(wěn)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(jié)構(gòu)，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；同時由于增加了約束點，增大了盾體與開挖面的摩擦力以獲得較大的反扭矩，減少盾體由于刀盤1扭矩引起的滾轉(zhuǎn)速率。如遇盾體發(fā)生滾轉(zhuǎn)時，刀盤1可向相反方向旋轉(zhuǎn)開挖掘進(jìn)，使盾體逐步回到正常位置。前盾殼體30連接的隔板上設(shè)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鉆機預(yù)留口 35、噴水口 36、泡沫口 37、工業(yè)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(nèi)布置有推進(jìn)油缸41，在推進(jìn)油缸41 的連接處間設(shè)置有超前注漿管42，以及位于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(zhì)中掘進(jìn)時輔助主機轉(zhuǎn)向和糾偏功能。中盾6周圍預(yù)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(shè)置超前鉆機9，進(jìn)行超前地質(zhì)注漿加固作業(yè)，中盾內(nèi)的支架梁米字梁43。尾盾8為可拆解筒體結(jié)構(gòu)，殼體外設(shè)置膨潤土注入系統(tǒng)，在掘進(jìn)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(fēng)險，提高掘進(jìn)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(nèi)形成半封閉結(jié)構(gòu)利于輸送松散碴土，葉片軸前部鑲焊復(fù)合耐磨合金塊，并在復(fù)合耐磨合金塊上再堆焊耐磨焊條；螺旋輸送機12設(shè)置有底部滑塊導(dǎo)向裝置，補焊修復(fù)時拆除螺旋機前部筒體與前盾2的聯(lián)結(jié)法蘭螺栓，借助人工導(dǎo)鏈吊拽螺旋機沿滑塊裝置抽出，在主機內(nèi)對葉片軸及前部筒體進(jìn)行補焊耐磨層。如圖1、圖2、圖7、圖8，位于前盾2、中盾6、及尾盾8的盾構(gòu)體內(nèi)的主梁44為鉸接浮動，主梁44設(shè)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(tǒng)47行程要求 ’主梁44上部布置有主梁連接桿46，下部布置有主梁油缸45 ；管片拼裝機10及撐靴系統(tǒng)47與主梁44間為滑道51支撐；撐靴系統(tǒng)47與主梁44間布置有微調(diào)彈簧52 ；撐靴系統(tǒng)47中的撐靴外設(shè)置有撐靴伸縮套53并連接有靴板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(tǒng)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(gòu)敞開式或者TBM掘進(jìn)模式中如遇到破碎圍巖，需要超前地質(zhì)加固時，可臨時在適當(dāng)部位布置超前鉆機9，具有在穿越不穩(wěn)定圍巖地層時進(jìn)行超前地質(zhì)鉆孔，超前注漿地質(zhì)加固作用，有效降低工程施工風(fēng)險。在需要進(jìn)行超前地質(zhì)勘測時利用布置在前盾2隔板上的超前鉆機預(yù)留口 35進(jìn)行平行于隧道中軸線方向地質(zhì)勘測。本發(fā)明根據(jù)不同地層地質(zhì)情況及施工隧道支護(hù)方式要求可以采用土壓平衡模式、 盾構(gòu)敞開掘進(jìn)模式、TBM掘進(jìn)模式三種模式施工，并在需要的情況下土壓平衡模式、盾構(gòu)敞開式、TBM掘進(jìn)模式相互轉(zhuǎn)換，分別滿足不同地層施工及隧洞支護(hù)方式需求。以下分別對不同模式施工及模式轉(zhuǎn)換做進(jìn)一步闡述1、土壓平衡掘進(jìn)模式與盾構(gòu)敞開掘進(jìn)模式共有特征如圖1，圖6所示，掘進(jìn)過程中，以前盾2、中盾6作為驅(qū)動系統(tǒng)4及刀盤1的支撐，由推進(jìn)系統(tǒng)7為整機掘進(jìn)提供推力，并由驅(qū)動系統(tǒng)4帶動復(fù)合式刀盤1回轉(zhuǎn)開挖掘進(jìn)。能適應(yīng)不同地層的復(fù)合式刀盤1中部布置有中心回轉(zhuǎn)接頭18，中心回轉(zhuǎn)接頭18上設(shè)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(nèi)對切削的碴土進(jìn)行攪拌獲得較好的混合效果。經(jīng)過改良的渣土通過復(fù)合式刀盤1進(jìn)入前盾2中的土壓倉，在通過螺旋輸送機12輸送至后配套皮帶機13，然后經(jīng)后配套皮帶機13輸送至后配套拖車，然后由編組列車或者連續(xù)皮帶機運出洞外。主機由推經(jīng)系統(tǒng)7協(xié)調(diào)控制提供推進(jìn)力向前推進(jìn)，并通過多組鉸接油缸14拖拉尾盾8向前掘進(jìn)。同時，管片拼裝機10拼裝管片11循環(huán)向前掘進(jìn)，由預(yù)先鋪設(shè)的管片11為掘進(jìn)提供反力，伴隨管片背襯的同步注漿加固，推進(jìn)系統(tǒng)7循環(huán)換步向前推進(jìn)，最終形成由環(huán)形管片襯砌的隧道。2、土壓平衡掘進(jìn)模式特征如圖1、圖6所示，盾構(gòu)在推進(jìn)系統(tǒng)7向前推進(jìn)掘進(jìn)的過程中，復(fù)合式刀盤1開挖下來的渣土充滿前盾2內(nèi)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(yè)空氣口 38使土壓倉內(nèi)保持一定氣壓，最終達(dá)到土壓倉內(nèi)的渣土產(chǎn)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，涌水，最大限度的控制地表沉降，達(dá)到安全施工的目的。在此種掘進(jìn)模式下，穩(wěn)定器3、前盾擺動缸31、中盾擺動缸15收回不予工作，超前鉆機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(jìn)必要建立部分氣壓時利用設(shè)置在前盾2隔板上的工業(yè)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(jìn)行保壓檢修需要進(jìn)入土倉時，通過保壓人倉系統(tǒng)5作為進(jìn)入土倉過渡空間，為作業(yè)人員安全提供保障。3、盾構(gòu)敞開式掘進(jìn)模式特征如圖1，盾構(gòu)敞開式掘進(jìn)模式中由推進(jìn)系統(tǒng)7提供推力，由驅(qū)動系統(tǒng)4帶動復(fù)合式刀盤1切削掌子面巖土，掉落下來的巖土進(jìn)入前盾中的2 土壓倉。掘進(jìn)過程中不需要建立土壓倉壓力，土壓倉內(nèi)的渣塊經(jīng)螺旋輸送機12及后配套皮帶機13排出。4、TBM模式特征如圖2，圖3，TBM掘進(jìn)模式下，需組裝撐靴系統(tǒng)47中的撐靴、支撐環(huán)48。如圖2所示。撐靴系統(tǒng)47中的撐靴與主梁44間為滑道支撐，并可與主梁44間通過自適應(yīng)彈簧52 適應(yīng)撐靴與主梁44間動態(tài)微調(diào)。撐靴系統(tǒng)47中的撐靴由撐靴油缸49協(xié)調(diào)控制靴板50撐緊巖壁獲得摩擦反力，亦即為主機提供推進(jìn)反力。靴板50與撐靴油缸49間為球餃連接，可實現(xiàn)與洞壁間柔性接觸，便于獲得穩(wěn)定的摩擦推進(jìn)反力。支撐環(huán)48為可拆解環(huán)形鋼結(jié)構(gòu)連接位于撐靴系統(tǒng)47中的撐靴外圍。曲線段掘進(jìn)調(diào)向有推進(jìn)油缸協(xié)調(diào)控制實現(xiàn)。5、TBM掘進(jìn)循環(huán)特征如圖2、圖7，TBM掘進(jìn)循環(huán)過程為撐靴油缸49伸出帶動撐靴系統(tǒng)47中的撐靴向外伸出撐緊巖壁，獲得摩擦反推進(jìn)力，待撐靴系統(tǒng)47中的撐靴的靴板50撐緊巖壁后，開始一個掘進(jìn)行程，由推進(jìn)油缸7頂緊連接在撐靴系統(tǒng)47中的撐靴上的支撐環(huán)48獲得推進(jìn)反力。一個掘進(jìn)行程結(jié)束后，撐靴油缸49收回帶動靴板50收回，同時通過撐靴系統(tǒng)47中的撐靴與主梁44間的行程油缸實現(xiàn)撐靴系統(tǒng)47中的撐靴向前移動一個行程，至此一個掘進(jìn)換步結(jié)束。如此掘進(jìn)循環(huán)反復(fù)，掘進(jìn)不斷向前換步前進(jìn)。TBM模式出渣過程為硬巖渣塊通過刀盤1破巖后并經(jīng)過刮渣斗16，隨著刀盤1旋轉(zhuǎn)帶動渣塊順著溜渣板17溜進(jìn)溜槽21，渣塊掉進(jìn)主機皮帶機一段22，并依次進(jìn)過橡膠板防塵23、鏈條防塵24、噴水降塵25，防塵護(hù)罩26進(jìn)入主機皮帶機二段28，并最終由后配套皮帶機13將硬巖渣塊輸送到后部。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后退一定行程得到換刀空間。主機皮帶機二段28出渣斗處設(shè)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(gòu)敞開式——TBM模式轉(zhuǎn)換推進(jìn)系統(tǒng)中7的推進(jìn)油缸41在管片拼裝模式推進(jìn)主機至一個管片寬度行程后， 收回推進(jìn)系統(tǒng)中7的推進(jìn)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(huán) 54、第二管片環(huán)55兩環(huán)管片，剩余第三管片環(huán)56、第四管片環(huán)57，為后續(xù)工作留出空間，臨時組裝撐靴系統(tǒng)47中的撐靴、支撐環(huán)48，此時狀態(tài)如圖9。調(diào)整主梁油缸45使主梁44能滿足主梁44動態(tài)微調(diào)要求，主梁拉桿46只起到保險作用，全面進(jìn)行推進(jìn)系統(tǒng)調(diào)試。調(diào)試完畢后，至此土壓平衡模式或盾構(gòu)敞開式至TBM模式轉(zhuǎn)換結(jié)束，如圖10所示。之后掘進(jìn)按照 TBM模式進(jìn)行，隧道洞壁支護(hù)加固可與后期以靈活方式展開，兩種模式轉(zhuǎn)換交接部位洞內(nèi)過渡修復(fù)伴隨支護(hù)進(jìn)行。7、TBM模式——土壓平衡模式或盾構(gòu)敞開模式轉(zhuǎn)換當(dāng)掘進(jìn)模式需要向土壓平衡模式或盾構(gòu)敞開式轉(zhuǎn)換時，停機將撐靴系統(tǒng)47中的撐靴從主梁44滑出，同時拆除支撐環(huán)48 ；并安裝尾盾6、管片拼裝機10，并拼裝一環(huán)至兩環(huán)管片11。同時在管片11附近巖體60圓周打錨桿59，并澆筑混凝土 58。當(dāng)混凝土 58澆筑完成后，此時狀態(tài)如圖10，并以此澆筑的混凝土 58為主機推進(jìn)油缸7提供推進(jìn)反力，至此模式轉(zhuǎn)換為管片拼裝模式完成。此后，掘進(jìn)按照土壓平衡模式和盾構(gòu)敞開式掘進(jìn)開挖，兩種掘進(jìn)模式交接區(qū)域支護(hù)做后期過渡處理。以上實施例僅用于說明本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但本發(fā)明并不限于上述實施方式，在所述領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替代和改進(jìn)等，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明請求保護(hù)的技術(shù)方案范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種具有多重掘進(jìn)模式及隧道支護(hù)方式的混合式TBM，其特征在于包括土壓平衡掘進(jìn)模式、盾構(gòu)敞開掘進(jìn)模式、TBM掘進(jìn)模式三種施工掘進(jìn)模式，三種施工掘進(jìn)模式相互轉(zhuǎn)換，以及根據(jù)相應(yīng)地質(zhì)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(yīng)管片拼裝襯砌及后期洞壁支護(hù)方式；所述的三種掘進(jìn)模式的發(fā)明包括刀盤，以及與刀盤(1)連接的驅(qū)動系統(tǒng)G)，支撐驅(qū)動系統(tǒng)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(nèi)部的推進(jìn)系統(tǒng)(7)、與中盾(6)相連的主梁(44)、安裝在前盾(2)上的穩(wěn)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) 連的后配套皮帶機(1 ；土壓平衡模式與盾構(gòu)敞開式還包括與刀盤(1)相連的中心回轉(zhuǎn)接頭(18)，連接于前盾(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斗(16) 及刀盤(1)背部的溜渣板(17)、連接在驅(qū)動系統(tǒng)(4)上的溜槽、撐靴系統(tǒng)(47)，支撐環(huán) (48)、控制主機皮帶機一段0 后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(hù)罩( )，位于中盾(6)部位的超前鉆機(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有多重掘進(jìn)模式及隧道支護(hù)方式的混合式TBM，其特征在于當(dāng)開挖面穩(wěn)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(jù)地質(zhì)及埋深情況采用土壓平衡掘進(jìn)模式施工，由螺旋輸送機 (12)配合后配套皮帶機(13)出渣，伴隨管片拼裝機(10)拼裝管片(11)、背襯注漿支護(hù)方式施工；在此種模式掘進(jìn)時，刀盤(1)帶壓推進(jìn)，利用刀盤(1)及土倉內(nèi)土壓及氣壓實現(xiàn)與開挖面的水壓、土壓動態(tài)平衡；同時管片拼裝機(10)拼裝管片循環(huán)向前掘進(jìn)，由預(yù)先鋪設(shè)的管片(11)為掘進(jìn)提供反力，伴隨管片(11)背襯的同步注漿加固，推進(jìn)油缸循Gl)環(huán)換步向前推進(jìn)，最終形成由環(huán)形管片襯砌的隧道。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有多重掘進(jìn)模式及隧道支護(hù)方式的混合式TBM，其特征在于當(dāng)?shù)貙拥刭|(zhì)為硬巖地層，開挖掌子面能夠自穩(wěn)，根據(jù)施工要求采用管片支護(hù)隧道時可以采用盾構(gòu)敞開模式掘進(jìn)；洞壁采用管片拼裝、襯砌支護(hù)，出渣方式可以采用主機皮帶機配合后配套皮帶機(1 出渣方式施工；硬巖地質(zhì)中盾構(gòu)敞開模式施工，具體為復(fù)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后配套皮帶機(13)出渣；同時管片拼裝機(10)拼裝管片(11)循環(huán)向前掘進(jìn)，由預(yù)先鋪設(shè)的管片(11)為掘進(jìn)提供反力，伴隨管片背襯的同步注漿加固，推進(jìn)油缸Gl)循環(huán)換步向前推進(jìn)，最終形成由環(huán)形管片襯砌的隧道。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有多重掘進(jìn)模式及隧道支護(hù)方式的混合式TBM，其特征在于當(dāng)開挖地層為硬巖地層，施工要求采用后期洞壁支護(hù)方式時，可根據(jù)施工要求采用 TBM掘進(jìn)模式；出渣方式采用主機皮帶機配合后配套皮帶機13出渣，洞壁支護(hù)采用靈活的后期洞壁支護(hù)進(jìn)行施工；此時主機無尾盾(8)、管片拼裝機(10)、螺旋輸送機(12)，并更換刀具，增加溜渣板(17)、溜槽、主機皮帶機、撐靴系統(tǒng)G7)、支撐環(huán)08)；掘進(jìn)時無需建立掌子面水土壓力，推進(jìn)反力由撐靴系統(tǒng)G7)中的撐靴支撐在巖壁上產(chǎn)生的摩擦反力提供，調(diào)向由推進(jìn)油缸Gl)撐緊支撐環(huán)G8)獲得行程差來實現(xiàn)；隧道支護(hù)可采用靈活的后期支護(hù)方式，打錨桿、掛鋼筋網(wǎng)、噴砼、鋼支撐方式施工，最終形成由后期支護(hù)結(jié)構(gòu)形成的連續(xù)隧道。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有多重掘進(jìn)模式及隧道支護(hù)方式的混合式TBM，其特征在于當(dāng)開挖地層軟弱底層轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定性較好的硬巖地層，根據(jù)施工需求采用靈活的后期洞壁支護(hù)進(jìn)行施工時，需將掘進(jìn)模式由土壓平衡模式或盾構(gòu)敞開式轉(zhuǎn)換為TBM模式；需拆除管片拼裝機(10)、尾盾(8)、中心回轉(zhuǎn)接頭(18)，安裝溜渣板(17)、溜槽、主機皮帶機、撐靴系統(tǒng)(47)、支撐環(huán)08)；由撐靴油缸09)伸出撐靴系統(tǒng)07)中的撐靴撐緊巖壁產(chǎn)生的摩擦力作為推進(jìn)反力，由推進(jìn)油缸Gl)推進(jìn)調(diào)向，循環(huán)換步向前掘進(jìn)，按照隧道先貫通再洞壁支護(hù)的方式施工，最終形成成型隧道。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有多重掘進(jìn)模式及隧道支護(hù)方式的混合式TBM，其特征在于當(dāng)開挖地層轉(zhuǎn)變?yōu)檐泿r、軟土、過渡復(fù)合地層或者根據(jù)施工需要將支護(hù)方式有后期洞壁支護(hù)轉(zhuǎn)換為管片襯砌支護(hù)時，此時需將掘進(jìn)模式由TBM掘進(jìn)模式轉(zhuǎn)換為盾構(gòu)敞開式或土壓平衡模式；拼裝一環(huán)至兩環(huán)管片(11)，同時在管片(11)附近巖體(60)圓周打錨桿 (59)，并澆筑混凝土(58)；當(dāng)混凝土(58)澆筑完成后，并以此澆筑的混凝土(58)為主機推進(jìn)油缸Gl)提供推進(jìn)反力，至此模式轉(zhuǎn)換為管片拼裝模式完成，此后，掘進(jìn)按照土壓平衡模式和盾構(gòu)敞開式掘進(jìn)開挖，兩種掘進(jìn)模式交接區(qū)域支護(hù)做后期過渡處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有多重掘進(jìn)模式及隧道支護(hù)方式的混合式TBM，其特征在于前盾O)的前盾殼體(30)左上部與右上部布置有穩(wěn)定器(3)，右下部與左下部設(shè)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(shè)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鉆機預(yù)留口(35)、噴水口(36)、泡沫口(37)、有工業(yè)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(wǎng)狀耐磨焊條。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有多重掘進(jìn)模式及隧道支護(hù)方式的混合式TBM，其特征在于中盾(6)的中盾殼體00)內(nèi)布置有推進(jìn)油缸(41)，在推進(jìn)油缸的連接處間設(shè)置有超前注漿管(42)，以及位于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(jié)構(gòu)，殼體外設(shè)置膨潤土注入系統(tǒng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有多重掘進(jìn)模式及隧道支護(hù)方式的混合式TBM，其特征在于前盾O)、中盾(6)、及尾盾⑶的盾構(gòu)體內(nèi)的主梁04)為鉸接浮動，主梁04)設(shè)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(tǒng)07)行程要求; 主梁G4)上部布置有主梁連接桿(46)，下部布置有主梁油缸0 ；管片拼裝機(10)及撐靴系統(tǒng)G7)與主梁04)間為滑道(51)支撐；撐靴系統(tǒng)07)與主梁04)間布置有微調(diào)彈簧(52)；撐靴系統(tǒng)07)中的撐靴外設(shè)置有撐靴伸縮套(53)并連接有靴板(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(tǒng)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(fā)明公開了一種既能適用淤泥、粘土、砂土、沙礫、風(fēng)化巖、硬巖以及復(fù)合過渡地層的多重掘進(jìn)模式的混合式TBM隧道施工裝備。本發(fā)明可以根據(jù)不同地層地質(zhì)情況及施工隧道支護(hù)要求可以采用土壓平衡模式、盾構(gòu)敞開模式、TBM模式三種模式施工。出渣方式可以采用螺旋輸送機出渣或者TBM皮帶機出渣，同時支護(hù)方式亦可采用管片襯砌及靈活的后期支護(hù)方式。本發(fā)明具有很強的地質(zhì)適應(yīng)性，尤其適用于市政地下工程軟、硬、復(fù)雜地層施工，同時整機造價低廉，模式轉(zhuǎn)換相對簡單、對配套施工干擾小、控制方便，設(shè)備造價低廉、經(jīng)濟(jì)實用，滿足施工靈活支護(hù)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(yōu)先權(quán)日2011年10月19日
發(fā)明者卓興建, 張寧川, 李建斌, 袁文征, 賀飛, 趙華 申請人:中鐵隧道裝備制造有限公司