敞开式tbm环形钢构支护施工方法
【专利摘要】敞开式TBM护盾之后处于敞开状态，使得锚网喷等支护得以实现，但当遭遇破碎带等不良地质时，破碎围岩坍塌跌落不仅给作业人员和设备安全造成极大威胁，又导致施工效率大幅降低。本发明敞开式TBM环形钢构支护施工方法，配套TBM选用具有环形钢构安装空间的护盾，当面临上述情况时，在护盾防护下流水线式快速架设环形钢构，随TBM掘进接替护盾支撑围岩，在其保护下利用环形钢格栅、钢网镂空结构进而实施锚喷等支护，将以往粗放的施工变为可控的标准化作业，将原本敞开不安全环境变为封闭有保护的作业区；有别于围岩塌落后被动支护，环形钢构主动封闭破碎围岩，使其反而成为支护结构的组成，大量节省回填砼和清渣工程量，因而更高效、安全、节省成本和易于操作。
【专利说明】敞开式TBM环形钢构支护施工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种隧道开挖及支护工程全断面硬岩掘进机(TBM)施工技术，特别是涉及一种敞开式TBM面对破碎围岩等不良地质条件的施工方法。
【背景技术】
[0002]敞开式TBM最大的优势是因为其“敞开”的特点，在其短护盾以后的区域，围岩处于临空状态，使得锚网喷等支护易于实现。但也正是由于这一特点，当面临破碎围岩等不良地质条件时，处于临空状态的破碎围岩将坍塌、跌落，不仅给在此作业的人员、设备带来极大安全威胁，而且在这种情况下实施的支护作业效率极低，且效果不佳；此外坍塌跌落的碎石全部堆积在洞底，由于底部空间有限，又需要花费大量的人工和时间去清除，而围岩塌落形成的塌腔又需要回填大量砼，费工费时、成本高。根本显现不出TBM高效、安全、环保的优势，反而不如传统钻爆法灵活。因此一旦破碎带地质条件在整个掘进洞段占比较多时，TBM掘进进度更多有赖于围岩的好坏，极大地限制了敞开式TBM的广泛应用。
[0003]钢拱架或称环形梁是处理破碎围岩等不良地质重要的手段，一般是由H型钢弯曲成的环形结构，当面对状况较差、类别达到IV级、V级围岩的不良地质条件时，隧洞一般在锚网喷的基础上增加钢拱架支护。敞开式TBM利用自身配备的钢拱架安装器在护盾后方直接面对围岩安装钢拱架，但总体机械化程度不高，大量工作需要在洞内完成，主要依靠劳动力，综合效率很低、成本高，且效果不佳。现有TBM安装钢拱架与钻爆法类同，都是将单榀钢拱架分段设计成标准节在加工厂制作。然后将每节拱架运输至洞内拼装成完整的一榀拱架，并用锚杆锁定。随TBM向前掘进一定间距后，再次安装下一榀钢拱架，并用连接筋间隔将两榀钢拱架焊接在一起，与锚喷支护一起形成隧洞的初期支护。如附图1现有敞开式TBM安装钢拱架施工方法示意图所示，与钻爆法不同的是，TBM安装方法首先是将钢拱架预拼装在拱架存储环上，预先形成环形，然后由机械手将存储环上的钢拱架抓取出来，接着撑开钢拱架并将其压紧在围岩上，紧固标准节之间的螺栓，安装最后一节非标准节完成整圈钢拱架的安装，并用锚杆5锁定；附图1中标记I为拼装在存储环上的钢拱架、2为机械手抓取出来的钢拱架、3为机械手撑开的钢拱架、4为已经安装好的钢拱架。在此之前需要对洞底进行彻底清理，以确保钢拱架安装空间。同时利用钢拱架运输设备将钢拱架输送到钢拱架安装器。不同的TBM采用的钢拱架安装器和输送设备形式不同，但实现的功能大致相同。这个过程并不复杂，但实际操作却苦难重重，存在诸多不利因素，如下:
虽然TBM预拼装钢拱架标准节可在护盾内的拱架存储环上完成，但随后撑开压紧在围岩上的过程需要在紧跟护盾后的位置完成。由于已经失稳的破碎围岩无可避免的陆续掉落甚至坍塌。为了安装钢拱架，跌落在洞底的岩渣必须被清理腾出拱架安装空间，处于顶拱和腰拱随时要跌落的破碎围岩也要清理出来，这些工作都必须由人工完成。而且塌方掉块较多时，由于没有其它手段辅助，人工清理极其费时，也非常不安全；
如附图2现有敞开式TBM钢拱架在存储环内的拼装示意图所示，现有的TBM安装钢拱架需要将分段制造的标准节预先拼装在钢拱架安装器存储环6上，由于钢拱架直径远大于存储环直径，最后一节标准节只能重叠在第一节外侧或上面，而每一节标准节都需要开通孔以便让位于存储仓上的销子7临时固定。拱架和存储环直径的不一样同时也造成每一节标准节开孔的位置其实是不一样的，这给实际操作带来比较大的麻烦，我们注意到施工人员往往是在拼装过程中根据实际情况现场临时开孔，这样的工效可想而知。也有的存储环预拼钢拱架的方式是在存储环外圈上固定，由于拱架的刚性作用，这种方式实际更难操作；
TBM安装钢拱架最关键的环节是利用机械手撑开预拼装好的钢拱架，并使其紧贴岩面。实际上这个过程才是最困难的，附图1所示标记I为拼装在存储环上的钢拱架、2为机械手抓取出来的钢拱架、3为机械手撑开的钢拱架，演示了这个过程。由于暴露出来的围岩已经松散、局部出现塌腔部位，钢拱架局部可能无围岩可贴；而钢拱架按照圆环制作，全部连接后自然形成环体，整体显得比较“柔软”，但单节拱架刚性又非常大，加之制作过程中的误差，如钢拱架扭曲、螺栓孔不对位、连接板错位等全部在此时集中显现出来，拱架显得难以被驯服并乖乖按预期固定在想要的位置上。此时的钢拱架机械手既需要紧紧抓牢拱架给予其约束，又需要给予拱架一定的滑动空间以便其顺利撑开，待拱架贴紧岩面固定后又要松开拱架，因此需要非常复杂的机械结构来实现，操作也相当不易。而当围岩条件非常恶劣的情况下，这个过程实际上很难受到控制，往往安装时间一而再的推迟。同时经过这几个过程，TBM安装出来的钢拱架也往往难尽如人意。常常存在着诸如未紧贴岩面、扭曲变形、整体偏斜等的毛病，甚至部分拱架已侵占了二次衬砌的空间，与此同时钢拱架的承载能力也降低了 ；
虽然钢拱架直接在岩面上安装，但由于此时的围岩已经过塌落，并形成不同程度的塌腔。所以和钻爆法的施工一样，钢拱架在局部较大范围内不能接触围岩，实际上反而不能实现贴紧岩面。必要时需采用“拱上拱”的方式贴紧围岩。钻爆法施工中也存在无法紧贴围岩的钢拱架安装；
单榀拱架安装后，拱架间尚未横向连接，只能独立受力。然后TBM开始掘进，围岩陆续从护盾的保护中暴露出来，处于临空状态，直至下一榀拱架安装。由于拱架之间的间距一般为0.5?1.5米，所以暴露出来的破碎围岩在此空间内开始新一轮破坏，并在洞底堆积，如此反复；
为了增强拱架的整体受力能力，在两榀拱架间还需要及时焊接联系筋，这又是一个漫长的过程。实际上在洞内进行这项工序既不安全又费工费时，并且由于工作环境条件恶劣，整个过程让施工人员厌烦，所以往往被应付，不仅焊接质量难得到保证，数量也常常不足，加之加工质量存在问题，拱架整体承载能力降低了。因此，常常出现扭曲变形、侵线等情况，导致撑靴难以通过。
[0004]上述可供参考的【背景技术】资料有王梦恕等著《TBM通过断层破碎带的施工技术》、王立华等著《TBM在软弱破碎围岩段通过方法分析》、刘芄呈等著《浅谈TBM掘进中的地质灾害及防治措施》、邓青力著《敞开式TBM掘进过节理密集带施工技术》、欧阳艳著《西秦岭隧道不良地质段TBM施工技术》、杨庆辉著《锦屏TBM掘进效率的影响因素分析及思考》等。
【发明内容】
[0005]如前所述，本发明是敞开式TBM面对破碎围岩等不良地质条件的施工方法。针对上述情况，本发明综合护盾式TBM和敞开式TBM各自优势，当面对破碎围岩等不良地质条件时，采用环形钢构作为支护手段；环形钢构是以钢材为主制作的环形结构，可以是用钢板和热扎、冷弯或焊接型材通过连接件连接而成的能承受和传递荷载的环形结构，具体材料、大小、形式根据隧洞支护的实际需要选择，形成的环形钢构呈环形格栅形状称为环形钢格栅，呈环形网状称为环形钢网，呈环形瓦片形状称为环形钢瓦片，环形钢构根据运输、制作、安装需要分段加工；敞开式TBM采用覆盖范围具有环形钢构安装空间的护盾，当敞开式TBM面对破碎围岩等不良地质条件时，将事先分段制造的环形钢构片段在护盾防护空间内拼接、架设成整圈或局部环形钢构，不同形式的环形钢构片段可视情况交替拼接，随着TBM向前掘进固定不动的整圈或局部环形钢构逐步接替向前移动的护盾支撑围岩，待护盾向前移动再次形成安装空间时，视情况架设下一榀，重复上述操作，一榀或多榀、整圈或局部环形钢构形成对围岩的支撑和防护；在其保护下，利用环形钢格栅、环形钢网镂空的结构实施喷锚等支护，并视围岩情况选择增加超前锚杆、小导管、注浆等支护措施，整圈或局部环形钢构和这些支护措施联合作用形成对隧洞的支护。在上述基础上，本发明还可做如下改进:进一步，为了提高环形钢构片段的制作工效、加工质量、安装工效，根据环形钢构制作、运输、安装条件要求选择适合的环形钢构片段尺寸，按此尺寸将环形钢构分段成数个完全一样的标准片段和单个非标准片段，片段两端采用端面连接板，分段的环形钢构在加工厂批量加工制作；
进一步，TBM护盾采用指形结构，当环形钢构安装就位、其一侧正好位于指形护盾缺口处时，分别在指形护盾缺口、围岩与环形钢构的外圈表面之间，延钢构外圈环向间隔塞入塞子，塞子数量视围岩情况确定，随TBM向前掘进环形钢构另一侧正好位于指形护盾缺口处时，重复上述步骤，环形钢构通过塞子支撑围岩，从而贴紧围岩；
进一步，使用具有抓取机构、摆头机构、转向机构、伸缩机构、回转机构的装置，从运输车上抓取环形钢构片段，通过摆头机构、转向机构、伸缩机构和回转机构调整姿态和位置，将其运送和放置在对接部位，实现灵活、快速的拼装；
进一步，环形钢构片段两端的端面连接板“俩俩”配对加工锥形定位孔，在环形钢构制作、安装过程中，使用锥形定位销插入两节环形钢构片段对接的端面连接板锥形定位孔内，实现快速精确对位；
进一步，在环形钢构的环形梁结构中增加“伸缩”节(已有的抗岩爆技术)，增强环形钢构抗岩爆能力。
[0006]有别于现有敞开式TBM是在围岩塌落后被动支护，该法充分发展“新奥法”隧洞支护理念，利用环形钢构和锚喷的联合作用主动支撑和封闭破碎围岩，让原本要坍塌的围岩不再塌落，最大限度保持其原始状态，变废为宝，借用这些破碎围岩自身结构间相互作用形成的承载力，获得更好的支护效果，使被动支护变主动支护；不仅可大量节省回填砼，又可大幅减少隧洞底部清渣的工程量，将复杂繁重的以钢拱架为主的支护作业变得简单、轻松和富有成效；最重要的是将原来过分依赖围岩地质情况的施工状况，变为可控的流水线式、标准化、高效的作业过程；让原本“敞开”的不安全空间，变为封闭有保护的施工区域，从而使敞开式TBM不再“敞开”。该法最大的特点是高效、安全、节省成本、作用显著和易于操作，具有非常广泛的实际应用价值。本发明有别于现有施工方法的主要特征:
采用承载能力更强的环形钢构替代“单薄”的钢拱架；支撑能力更强，抗岩爆能力也增强；还可方便架设具有“伸缩”功能的环形钢构，进一步增强抵抗岩爆的能力；
环形钢构片段替代单节拱架在加工厂流水线加工；把洞内大量占关键线路且难以实施的连接件的焊接工作转移至洞外更有利的条件下施工，且不侵占TBM掘进时间，既有利于保证质量，又节省洞内宝贵的时间和节约成本；
采用覆盖范围更大的护盾，形成一定范围的安全区域，在其保护下，利用专用环形钢构安装器，采用流水线标准化作业程序和快速锥形定位方法拼接环形钢构，避免直接在围岩上作业，实现程序化、高效的作业；
随着TBM向前掘进，护盾之后由环形钢构不间断支撑围岩，使TBM不再“敞开”，保护破碎围岩空间下作业人员和设备的安全；该区域由于不再受破碎围岩的侵害，因而更易于维持TBM良好清洁的环境；同时环形钢格栅、环形钢网结构镂空的特点使其既可支撑围岩，又未完全封闭围岩，在其保护下锚网喷等支护更容易实现，工效因而更高。围岩条件有利时，又可利“敞开”的LI区，实施锚网喷的施工，既保留敞开式TBM的特点，又兼纳护盾式TBM的护盾保护功能；
可仍采用指形护盾，在指形护盾缺口与环形钢构的环形梁处塞入塞子，让环形钢构“贴紧”岩面；由于围岩始终被封闭，极少有塌落形成的空腔，因此实际上比现有钢拱架的架设更能够“贴紧”岩面；
有别于围岩塌落后被动支护，环形钢构和锚杆、喷砼、超前锚杆、超前小导管、超前注浆等的不同组合组成拱圈结构，联合作用主动封闭破碎围岩，最大限度保持了破碎围岩的原有状态，变废为宝，使得原本要塌落的围岩反而成为支护结构的组成，也使原本需要在破碎围岩塌落形成塌腔后依赖围岩的自身稳定进行的支护变得可控。在同样、甚至更少投入情况下实现更强的支护效果。后续根据隧洞的功能和实际情况，或采用灌浆等措施进一步固结，完成最终系统支护；既避免了对塌腔部位大量回填混凝土，又基本杜绝了洞底大量的岩渣人工清理，同时减小了对围岩状况的依赖；
应用该法快速、灵活安装的优势，可安装“重型”环形钢构，又可架设不同规格的“轻型”环形钢构；既可安装整圈环形钢构，也可安装局部环形钢构，可根据围岩实际情况进行灵活选择，最大程度节省施工投入。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1为现有敞开式TBM安装钢拱架施工方法示意图；
图2为现有敞开式TBM钢拱架在存储环内的拼装示意图；
图3为本发明整圈环形钢构安装示意图；
图4为本发明环形钢格栅片段示意图；
图5为本发明环形钢网片段示意图；
图6为本发明敞开式TBM护盾选用不意图；
图7为本发明钢筋网存储仓快速拆装装置示意图；
图8为本发明环形钢构机械手示意图；
图9为本发明机械手抓取环形钢构片段的各种姿态演示；
图10为本发明首节环形钢构片段安装示意图；
图11为本发明环形钢构快速对位示意图； 图12为本发明非标准环形钢构片段安装示意图；
图13为本发明护盾保护下局部环形钢构安装示意图；
图14为本发明贴紧围岩安装局部环形钢构示意图；
图15为本发明环形钢构贴紧围岩示意图；
图16为本发明增加了弹性伸缩节的环形钢构；
图17为本发明环形钢构保护下的施工作业示意图。
【具体实施方式】
[0008]以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0009]总体演示
附图3以整圈环形钢格栅安装为例，其中标记8是能够容环形钢构安装的TBM护盾，9为TBM刀盘、10为TBM原有的短护盾；标记12为环形钢构机械手13从运输车15上抓取的环形钢构片段；标记17是正在由机械手拼装的环形钢构片段；标记11是刚拼装到位的位于仰拱部位的环形钢构片段；标记14则是安装完成的连续三榀环形钢构，其形成保护空间，所覆盖的范围内可保护锚杆钻机16等的作业；标记18系为超前小导管、超前锚杆等钻孔的钻杆。
[0010]环形钢构及其设计制造
环形钢构是以钢材为主制作的环形结构，可以是用钢板和热扎、冷弯或焊接型材通过连接件连接而成的能承受和传递荷载的环形结构，具体材料、大小、形式根据隧洞支护的实际需要选择，形成的环形钢构呈环形格栅形状称为环形钢格栅，呈环形网状称为环形钢网，呈环形瓦片形状称为环形钢瓦片，环形钢构根据运输、制作、安装条件需要分段加工。为了提高环形钢构片段的加工工效、制作质量、安装工效，根据环形钢构制作、运输、安装要求选择适合的环形钢构片段尺寸，按此尺寸将环形钢构分段成数个完全一样的标准片段和单个非标准片段，片段两端采用端面连接板，分段的环形钢构在加工厂批量加工制作。以下是一种环形钢构片段的设计、制作方法:
将型钢作为主要材料，根据隧洞情况设计及与之相适合的环形钢构，确定环形钢构的材料规格和分段尺寸；然后根据环形钢构片段的尺寸和选材定制用于焊接组装环形钢构片段的工装，从而实现环形钢构片段工厂快速流水线式加工，该工装应该确保尺寸精度满足环形钢构的加工需要；按设计尺寸截取型钢、弯曲加工成环形梁片段，与事先固定在工装上的端面连接板焊接，用连接件间隔将两个或多个环形梁片段焊接成整体，形成环形钢格栅片段；连接件可选择螺纹钢、角钢或T型钢等，根据实际情况可疏可密，也可在连接件之间再增加连接件；在环形钢格栅片段的基础上增设或在几个环形梁片段上直接铺设钢筋网或钢丝网，形成环形钢网片段；在环形钢格栅片段的基础上增设或在几个环形梁片段上直接铺设钢板、铁皮或波形瓦形成环形钢瓦片片段。如附图4环形钢格栅片段示意图所示，本例采用由两榀H型钢弯曲成环形梁19，H型钢的型号可根据洞径围和围岩类别选择(本例采用200*200型)，并采用配套的螺纹钢20 (本例028)和T型钢21 (本例50*100)作为连接件(长度可根据围岩类别选择，本例1.2米)将两榀环形梁焊接成整体，成为环形钢格栅，螺纹钢焊接在H型钢的外圈，T型钢焊接在H型钢的内圈，螺纹钢和H型钢的外表面之间正好存有一定的间距，可用于铺设网眼较小的钢丝网、钢筋网，形成环形钢网，也可可用于铺设薄钢板或波形瓦，形成环形钢瓦片，环形钢瓦片可安放在洞内出水部位用于导水。而T型钢正好配合环形钢构安装器上的机械手抓取机构抓起；环形钢构片段的4个环形梁端头焊接端面连接板22。如附图5环形钢网片段示意图所示，如在环形钢格栅的基础上增设或在环形梁上直接铺设钢筋网或钢丝网23等，称之为环形钢网，环形钢网可采用网眼较小的柔性钢丝网、普通钢丝网或钢筋网等，仰拱仍采用结构较为简单的环形钢格栅。本例12.5米的洞径，环形钢构划分为7片标准片段和一节非标准的搭接段，每片环形钢构的4个环形梁端头焊接端面连接板22用于拼装时两节之间的对接。非标准片段建议不要太大，以便于最后的拼装，非标准片段宜经过现场的安装试验来决定最终的长度。每个工程都可设计多中规格的环形钢构片段以适应不同的地质情况，并根据需要进行制造。环形钢构可选择型钢，也可用其它钢材组合。环形钢构可以整圈使用，也可以局部进行安装。“重型”的环形钢构用于偏弱的围岩，“轻型”的则反之。环形钢构结构设计和选材不是本文的重点，相信本例在结构设计上还可做进一步优化。本文要强调的是，为了实现在洞内快速流水线式的拼装，环形钢构片段在工厂的加工极为重要。除了焊接质量，环形钢构的对位尺寸必须精确保证。差之毫厘，失之千里，如果环形钢构片段尺寸有一定误差，根本无法拼装成完整的环片。所以用于加工环形钢构片段的工装尺寸必须严格控制、及时校正。加工好的环形钢构片段除日常检查外，达到一定数量时，必须在洞外进行整环拼装检验。由于环形钢构的拼装需要在护盾的保护下完成，考虑到安装空间的需要，最终形成的环形半径要小于护盾f 3cm，加上护盾的厚度约4cm，最终环形钢构成环后较之隧洞半径小5?8cm，这要在环形钢构设计时注意。
[0011]敞开式TBM的护盾
敞开式TBM的刀盘顶支撑、两个侧支撑上附带有一定长度的护盾10，随伸缩式刀盘支撑可调节直径，一般覆盖范围较小，用于保护驱动电机等设备，范围较小。如附图6敞开式TBM护盾示意图所示，为了给环形钢构的安装提供安全的空间，本发明需选用具有能够安装环形钢构空间的护盾，由于一般的敞开式TBM原有的护盾较短(也可在护盾式TBM基础上做类似改进)，不能满足这个需要，为此需要加长，加长的护盾标记为8，但该护盾8与原护盾10为一体，分别由顶支撑和两个侧支撑附带的护盾延长，延伸的长度虽然越长越好，但受制于盾体的自身承载能力，本例采用1.5m。在环形钢构承载围岩前，该护盾将对围岩进行封闭防护。按照现有的TBM成熟的办法，该护盾在尾部按一定间距(本例采用30cm)开孔形成指形25 (本例长40cm宽5cm),用于锚杆施工。同时在护盾靠前的适当位置按一定间距(本例采用30cm)开孔24，用于超前锚杆和小导管向前方的造孔。护盾底部是敞开的，因此位于底部的环形钢构可直接安放和固定在围岩上。顶护盾内侧可采用现有的技术，设钢筋网存储仓26以方便钢筋网的安装。但该装置将影响环形钢构的安装，因此设计为可灵活拆卸的装置，以便根据情况随时转换。如图7钢筋网存储仓快速拆装装置示意图所示，钢筋网存储仓由环片28 (用于放置钢筋网)、撑杆27、撑杆支座31组成。为了实现快速的拆装，本设计将环片分成小片，使用时放置在撑杆上的凹槽29内固定，拆除时可搭在撑杆尾端的支座上；撑杆和支座的连接采用插接结构30，拆装快速方便。
[0012]环形钢构机械手
环形钢构由可在主梁上回转的机械手安装，回转机构可沿用现有的做法，本文不另作介绍。机械手则需要灵活，以便于从运输车上抓取环形钢构片段和在安装时调整其姿态实现对位。如附图8环形钢构机械手示意图所示，本设计的机械手主要包括抓取机构32、摆头机构33、转向机构34、伸缩机构35，采用液压油缸驱动的方式，可实现多方位的动作。附图9机械手抓取环形钢构片段的各种姿态示意图，演示了机械手抓取环形钢构片段实现的各种姿态。
[0013]整圈环形钢构的安架设
如附图3整圈环形钢构安装示意图所示，整圈环形钢构片段自洞底开始架设，然后依次交替向两侧拼接，最后拼接非标准片段，形成一榀整圈环形钢构，一榀整圈环形钢构可根据围岩情况选用环形钢格栅、环形钢网、环形钢瓦片不同的组合交替拼接。如附图10首节环形钢构片段安装示意图所示，洞底首节环形钢构片段的安装尤为重要，必须要严格控制安装精度，否则后续的环形钢构片段可能出现扭转、错位，与护盾干涉。注意首节环形钢构片段外圈需要垫高一定高度，从而使环形钢构整圈都与护盾内壁均距。为此，在底支撑37环向两侧分别增设一个用来控制环形钢构片段安装尺寸的对位尺36，以校正环形钢构片段安装定位尺寸。底部首节环形钢构片段定位后必须用冲击钻在底拱打孔，然后用多个U型插筋将其牢牢锁定在底拱上，以防止拼装瓦片过程中产生移位。
[0014]环形钢构的对位
细节决定成败，环形钢构快速、精确对位是实现其高效拼装的关键；如附图11环形钢构对位示意图所示，本法采用锥形定位的方式；在环形钢构片段两端的四个端面22连接板上俩俩配对加工锥形定位孔39，用锥形定位销38在洞内安装环形钢构片段时，快速、准确实现环形钢构片段之间的对位；同时锥形定位销38在工厂加工期间也用来定位，以确保环形钢构安装尺寸的精准；为了保证准确对位的效果，环形钢构端面连接板需要采用较厚的钢板，本例采用3cm的钢板。每个端面连接螺栓孔的位置需精心设计，以方便气动扳手的操作；如果可能可选择直径较大的螺栓替代直径较小的螺栓以减少螺栓数量方便安装。
[0015]环形钢构非标准片段
除了最后一片，环形钢构均设计成标准节制造；如附图12非标准环形钢构片段安装示意图所示，非标准环形钢构片段40 —般在最后一片安装；为便于安装，其环向长度设计较短，两片之间预留一定间距便于安装时调整；非标准片段的环向长度宜根据现场拼装实际情况确定。
[0016]局部环形钢构的架设
虽然整圈环形钢构结构稳定、承载能力强，但造价较高。在实际工程中，大多情况下只需要对围岩顶拱及局部边拱封闭，而仰拱及边拱偏下部位的环形钢构片段主要起到形成一体拱圈整体承载的作用。因此，在实际施工中，强烈建议根据围岩实际情况，尽可能架设拱圈上部的局部环形钢构，这样既可以达到封闭破碎围岩的目的，又可以节约大量投入，更重要的是如果安装的局部环形钢构越过撑靴影响范围，则能很有效的规避环形钢构架设对撑靴就位不利影响的大麻烦。如附图13护盾保护下局部环形钢构安装示意图所示，根据需要确定局部环形钢构覆盖的范围和安装位置，在围岩两侧分别将两个纵向支撑41 (本例采用H型钢)的一段固定在围岩确定好的安装位置上(本例采用锚杆43及三角支架42固定)，另一段悬空并伸进护盾内，将环形钢构片段的一端放置在纵向支撑伸进护盾的一段上并固定，然后依次拼接环形钢构片段，最后完成非标准片段的拼接，形成一榀局部环形钢构；一榀局部环形钢构可根据围岩情况选用环形钢格栅、环形钢网、环形钢瓦片不同的组合交替拼接；随着TBM掘进悬空的纵向支撑逐步暴露出护盾，接着固定悬空的纵向支撑，同时视情况延伸纵向支撑，用于下一榀局部环形钢构的安装。利用环形钢构安装器还可紧贴围岩实现局部环形钢构的安装。如附图14贴紧围岩安装局部环形钢构示意图所示，局部环形钢构片段在护盾之后紧贴围岩安装，并用锚杆锁定；由于机械手具有多方位的运动功能，可以实现360度范围内任意位置的安装。
[0017]环形钢构网贴紧岩面的方法
整圈或局部环形钢构拼装完成从护盾中露出后，由于其直径小于洞径，无法紧贴岩面。为此本法利用指形护盾的特点，分别在指形护盾缺口、围岩与环形钢构的外圈表面之间，延钢构外圈环向间隔塞入塞子，从而使其“贴紧”岩面。如附图15环形钢构紧贴围岩示意图所示，指形护盾8的每个缺口间距可根据实际需要设计(本例30cm)，这样可按照此间距均匀布设一圈塞子45，使得环形钢构整圈“贴紧”围岩均匀受力。塞子的设计当然可采用多种方式，本例采用三根螺纹钢(本例采用0 28，长30cm)焊接的结合体，断面呈三角形，尺寸略大于指形缺口 ；上部小有利于塞入围岩；上小下大，随着入岩深度增加与围岩的接触面积逐步增加；下部大与环形梁的接触面积大；塞子底面加工卡子44，正好利用环形梁的外圈卡紧塞子，防止塞子“跑位”。
[0018]可伸缩环形钢构
环形钢构较钢拱架承载能力更强，因而抗岩爆的能力得以提高。同时利用该法快速安装环形钢构的优势，可选用加装了弹性伸缩节(已有成果)的环形钢构，在突发高压时可被压缩释放能量，进一步增强抵抗岩爆能力。如附图16增加了弹性伸缩节46的环形钢构所示，弹性伸缩节由弹簧47及嵌套在一起的“子母”伸缩节48组成，可在环形钢构安装过程中加装在两节环形钢构片段之间，当然最后的非标准节长度需要调整；需要注意的是加装的伸缩节两端面需在隧洞的法线方向，否则整圈环形钢构将难以安装。
[0019]环形钢构保护下的作业
如附图17环形钢构保护下的施工作业示意图所示，锚杆、喷砼、超前小导管和灌浆等可在环形钢构的保护下施工；由于可根据围岩情况增设网眼更小的柔性钢丝网，杜绝了大块破碎围岩的塌落，因而施工过程变得顺畅，工效大幅提高，并且易于保持环境清洁。
[0020]环形钢构的运输
环形钢构片段可通过TBM下部的通道运输至环形钢构安装器下部。为此，TBM的后配套宜采用门架式结构，便于运输车辆的通行无阻。有些项目为了解决富水带涌水的排水通道，仰拱上架设了门架支撑，并在门架支撑上铺设轨道，但无法覆盖到环形钢构机械手所在区域，因而运输车辆无法直接到位。为此需采取中转运输的方式，在轨道车到达极限位置后，由吊机将轨道车上的环形钢构片段直接转移到位，或在轨道未覆盖的区域采用履带运输车来实现材料转运。本法由于采用环形钢构对围岩封闭施工，底部清渣工作基本杜绝，因此非常有条件实现这一运输方式。相对于现有施工方法采用的二层通道运输，一层通道的运输将简单、高效、易于实现。
[0021]以上所述仅为本发明实施例，并不用以限定本发明。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0022]TBM掘进法本是一种高度机械化、精细、先进的施工技术，但当敞开式TBM面对破碎带等不良地质条件时，其作业过程却粗放、缓慢、危险和不可控，根本无法发挥TBM快速掘进的优势。本法充分发展“新奥法”隧洞支护理念，利用环形钢构的特点，采用主动封闭围岩的方式，使敞开式TBM在此条件下最关键最薄弱作业环节的施工技术彻底改良，并促使整个作业过程变得安全、高效和可控，从而使敞开式TBM不再“敞开”。初步估计每榀完整的环形钢构架设预计需要广2小时，依此推算在IV级、V级围岩条件下敞开式TBM的掘进速度成倍增加可期，效果显著，具有极其广泛的应用价值。
【权利要求】
1.本发明敞开式TBM环形钢构支护施工方法，是一种敞开式TBM面对破碎围岩等不良地质条件的施工方法，其特征是:敞开式TBM采用覆盖范围具有以下所说环形钢构安装空间的护盾，当敞开式TBM面对破碎围岩等不良地质条件时，选用与围岩状况相适合的环形钢构作为支护手段，将事先分段制造的环形钢构片段在护盾的防护空间内拼接、架设成整圈或局部环形钢构，不同形式的环形钢构片段可视情况交替拼接，随着TBM向前掘进固定不动的整圈或局部环形钢构逐步接替向前移动的护盾支撑围岩，待护盾向前移动再次形成安装空间时，视情况架设下一榀，重复上述操作，一榀或多榀、整圈或局部环形钢构形成对围岩的支撑和防护。
2.根据权利要求1所述，所说的环形钢构，其特征是:所说的环形钢构是以钢材为主制作的环形结构，可以是用钢板和热扎、冷弯或焊接型材通过连接件连接而成的能承受和传递荷载的环形结构，具体材料、大小、形式根据隧洞支护的实际需要选择，形成的环形钢构呈环形格栅形状称为环形钢格栅，呈环形网状称为环形钢网，呈环形瓦片形状称为环形钢瓦片，环形钢构根据运输、制作、安装需要分段加工。
3.根据权利要求1所述，其特征是:所说的整圈或局部环形钢构安装就位后，在其保护下，利用环形钢格栅、环形钢网镂空的结构实施喷锚等支护，并视围岩情况选择增加超前锚杆、小导管、注浆等支护措施，整圈或局部环形钢构和这些支护措施联合作用形成对隧洞的支护。
4.根据权利要求1所述，所说的环形钢构贴紧围岩的一种方法，其特征是:TBM护盾采用指形结构，当环形钢构安装就位、其一侧正好位于指形护盾缺口处时，分别在指形护盾缺口、围岩与环形钢构的外圈表面之间，延环形钢构外圈环向间隔塞入塞子(45)，塞子数量视围岩情况确定，随TBM向前掘进环形钢构另一侧正好位于指形护盾缺口处时，重复上述步骤，环形钢构通过塞子支撑围岩，从而贴紧围岩。
5.根据权利要求1所述，所说的环形钢构的一种拼装方法，其特征是:使用具有抓取机构(32)、摆头机构(33)、转向机构(34)、伸缩机构(35)、回转机构的装置，从运输车上抓取环形钢构片段，通过摆头机构`、转向机构、伸缩机构和回转机构调整姿态和位置，将其运送和放置在对接部位拼装。
6.根据权利要求1所述，所说的整圈环形钢构的一种架设方法，其特征是:环形钢构片段首节放置在洞底，用数个U型插筋固定在洞底围岩上，然后逐片依次从两侧交替拼接，最后完成非标准片段拼接，形成整圈环形钢构。
7.根据权利要求1所述，所说的局部环形钢构的一种架设方法，其特征是:根据需要确定局部环形钢构覆盖的范围和安装位置，在围岩两侧分别将两个纵向支撑(41)的一段固定在围岩确定好的安装位置上，另一段悬空并伸进护盾内，接着分别在两侧将环形钢构片段的一端放置在纵向支撑伸进护盾的一段上并固定，然后依次拼接环形钢构片段，最后完成非标准片段拼接，形成局部环形钢构，随着TBM掘进悬空的纵向支撑逐步暴露出护盾，接着固定悬空的纵向支撑，并视情况延伸纵向支撑，用于下一榀环形钢构的安装。
8.根据权利要求2所述，环形钢构的一种加工方法，其特征是:根据环形钢构制作、运输、安装要求选择相适合的环形钢构片段尺寸，按此尺寸将环形钢构分段成数个完全一样的标准片段和单个非标准片段，片段两端采用端面连接板，分段的环形钢构在加工厂批量加工制作。
9.根据权利要求8所述，所说的环形钢构拼接过程的对位方法，其特征是:环形钢构片段两端的端面连接板“俩俩”配对加工锥形定位孔(39)，在环形钢构制作、安装过程中，使用锥形定位销(38 )插入两节环形钢构片段对接的端面连接板锥形定位孔(39 )内，实现对位。
10.根据权利要求8所述，环形钢构片段的一种制作方法，其特征是:选用型钢作为主要制作材料，根据隧洞情况设计环形钢构、确定环形钢构的材料规格和分段尺寸，定制与环形钢构片段匹配用于其焊接组装的工装，该工装应该确保尺寸精度满足环形钢构的加工需要，按设计尺寸截取型钢并弯曲加工成环形梁片段，与事先固定在工装上的端面连接板焊接，用连接件间隔将两个或多个环形梁片段焊接成整体，形成环形钢格栅片段，连接件可选择螺纹钢、角钢或T型钢等，根据实际情况可疏可密，也可在连接件之间再增加连接件，在环形钢格栅片段的基础上增设或在几个环形梁片段上直接铺设钢筋网或钢丝网，形成环形钢网片段，在环形钢格栅片段的基础上增设或在几个环形梁片段上直接铺设钢板、铁皮或波形瓦形成环形钢瓦片片段。
【文档编号】E21D11/18GK103557013SQ201310544338
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月6日 优先权日:2013年11月6日
【发明者】赵贺雨, 王伟, 王静, 其他发明人请求不公开姓名 申请人:王静