本发明涉及隧道及地下工程施工领域，具体而言，涉及一种组合式tbm(tunnelboringmachine，全断面隧道掘进机)及实现超前导洞和超前探测的掘进方法。
背景技术
近年来，我国隧道建设如火如荼，其中采用tbm施工的比例越来越高。tbm是一种利用回转刀具开挖，同时破碎洞内围岩掘进，从而形成整个隧道断面的新型、先进的隧道施工机械。与传统的钻爆法施工相比，tbm具有掘进效率高、成洞质量高、围岩扰动小等优点，且配合搭载于tbm上的超前探测系统，能及时收集前方数据，并通过分析数据进行地质预报及计算围岩变形等，可在一定程度上保证隧道施工与机械安全，为隧道信息化施工提供一定的地质依据。但是tbm对地质条件的适应性较差，在复杂地质条件下，常遇到断层、破碎带、溶洞、强岩爆、软弱大变形、超长、超大埋深等不良地质因素，往往会造成tbm机械被卡、被埋甚至机械报废的严重事故。
目前深部地下洞室开挖主要采用分部开挖法，工程上常采用钻爆法与tbm相结合的施工方案，而对于tbm，机械系统过于庞大，由于自身结构的限制，施工支护的灵活性较差，常造成卡机，tbm也往往被迫直接接触高强度的岩爆，而且目前的支护手段无法保证能有效承受极强岩爆，存在坍塌的风险。
有鉴于此，需要设计出一种能保证深部地下洞室开挖的灵活性及安全性，且避免由围岩大变形或坍塌造成的卡机的开挖方式。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种组合式tbm，其实现超前tbm与扩挖tbm组合开挖形式，保证了深部地下洞室开挖的灵活性及安全性；且能防治岩爆，有效减轻由围岩大变形或坍塌造成的tbm卡机，有利于提高破岩效率。
本发明的另一目的在于提供一种实现超前导洞和超前探测的掘进方法，该方法实现分部开挖，降低tbm工作能耗，操作方便；通过该掘进方法开挖洞室，围岩能更充分的释放能量，减小了开挖造成的围岩扰动，有利于保障人机安全。
本发明的实施例是这样实现的：
一种组合式tbm，其包括掘进方向相同的超前tbm和扩挖tbm，超前tbm沿组合式tbm的中轴线设置，扩挖tbm包围在超前tbm外侧，超前tbm和扩挖tbm之间预留间隙，超前tbm可沿中轴线方向移动。
在本发明较佳的实施例中，上述扩挖tbm的掘进面包围在超前tbm的掘进面的外侧，超前tbm的刀盘ⅰ呈圆盘形，扩挖tbm的刀盘ⅱ呈圆环形，扩挖tbm的刀盘ⅱ包围在超前tbm的刀盘ⅰ的外侧。
在本发明较佳的实施例中，上述超前tbm包括沿掘进方向连接设置的刀盘ⅰ和旋转驱动ⅰ，以及推进油缸ⅰ，刀盘ⅰ上安装有刀具，旋转驱动ⅰ用于驱动刀盘ⅰ旋转破岩，推进油缸ⅰ用于推进刀盘ⅰ。
在本发明较佳的实施例中，上述超前tbm还包括设置于旋转驱动ⅰ外侧的外机架ⅰ和设置于外机架ⅰ后方的外机架上撑靴ⅰ，推进油缸ⅰ的两端分别连接外机架ⅰ和外机架上撑靴ⅰ。
在本发明较佳的实施例中，上述刀盘ⅰ后设置有铲斗ⅰ用于铲起经刀盘ⅰ破碎的岩渣，铲斗ⅰ下方设置有皮带运输机ⅰ用于将岩渣输送出去。
在本发明较佳的实施例中，上述扩挖tbm包括沿掘进方向连接设置的刀盘ⅱ和旋转驱动ⅱ，以及推进油缸ⅱ，刀盘ⅱ上安装有刀具，旋转驱动ⅱ用于驱动刀盘ⅱ旋转破岩，推进油缸ⅱ用于推进刀盘ⅱ。
在本发明较佳的实施例中，上述扩挖tbm还包括设置于旋转驱动ⅱ外侧的外机架ⅱ和设置于外机架ⅱ后方的外机架上撑靴ⅱ，推进油缸ⅱ的两端分别连接外机架ⅱ和外机架上撑靴ⅱ。
在本发明较佳的实施例中，上述刀盘ⅱ后设置有铲斗ⅱ用于铲起经刀盘ⅱ破碎的岩渣，铲斗ⅱ下方设置有皮带运输机ⅱ用于将岩渣输送出去。
在本发明较佳的实施例中，上述超前tbm或扩挖tbm的外侧套设有封闭的可伸缩式护盾，可伸缩式护盾与对应的超前tbm或扩挖tbm之间设置有油压缸。
一种基于上述的组合式tbm的实现超前导洞和超前探测的掘进方法，其包括以下步骤：
s1、将超前tbm和扩挖tbm的掘进面齐平并对准待开挖洞室位置；
s2、固定扩挖tbm的位置，启动超前tbm，使超前tbm向前掘进一个行程，停止超前tbm；
s3、启动扩挖tbm，使扩挖tbm向前掘进一个行程；
s4、重复步骤s1-s3，直至完成洞室开挖。
本发明实施例的有益效果是：本发明实施例的组合式tbm包括掘进方向相同的超前tbm和扩挖tbm，超前tbm沿组合式tbm的中轴线设置，扩挖tbm包围在超前tbm外侧，超前tbm和扩挖tbm之间预留间隙，超前tbm可沿中轴线方向移动，该组合式tbm其实现超前tbm与扩挖tbm组合开挖形式，保证了深部地下洞室开挖的灵活性及安全性；且能防治岩爆，有效减轻由围岩大变形或坍塌造成的tbm卡机，有利于提高破岩效率。本发明实施例的实现超前导洞和超前探测的掘进方法采用上述的组合式tbm进行，该方法实现分部开挖，降低tbm工作能耗，操作方便；通过该掘进方法开挖洞室，围岩能更充分的释放能量，减小了开挖造成的围岩扰动，有利于保障人机安全。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的一种组合式tbm的结构示意图；
图2为本发明实施例的组合式tbm在超前tbm工作时的结构示意图；
图3为本发明实施例的组合式tbm在扩挖tbm工作时的结构示意图；
图4为本发明实施例的组合式tbm中的组合式刀盘的结构示意图；
图5为本发明实施例的组合式tbm中的可伸缩式护盾的结构示意图。
图标：100-组合式tbm；110-超前tbm；111-刀盘ⅰ；112-旋转驱动ⅰ；113-推进油缸ⅰ；114-外机架ⅰ；115-外机架上撑靴ⅰ；116-铲斗ⅰ；117-皮带运输机ⅰ；120-扩挖tbm；121-刀盘ⅱ；122-旋转驱动ⅱ；123-推进油缸ⅱ；124-外机架ⅱ；125-外机架上撑靴ⅱ；126-铲斗ⅱ；127-皮带运输机ⅱ；130-可伸缩式护盾；131-预制混凝土壳体；132-伸缩支杆；133-纵向钢筋；134-可伸缩式护盾ⅰ；135-可伸缩式护盾ⅱ；136-油压缸ⅰ；137-油压缸ⅱ；138-后支撑ⅰ；139-后支撑ⅱ；140-刀具。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参照图1，本实施例提供一种组合式tbm100，其包括掘进方向相同的超前tbm110和扩挖tbm120，超前tbm110沿组合式tbm100的中轴线设置，扩挖tbm120包围在超前tbm110外侧，超前tbm110和扩挖tbm120之间预留适当间隙，超前tbm110可沿中轴线方向移动。超前tbm110用以洞室的试探性开挖，扩挖tbm120用以洞室的扩大开挖，实现超前tbm110与扩挖tbm120组合开挖形式，保证了深部地下洞室开挖的灵活性及安全性；且能防治岩爆，有效减轻由围岩大变形或坍塌造成的tbm卡机，有利于提高破岩效率。超前tbm110和扩挖tbm120之间的间隙用以减小超前tbm110推进抽回和扩挖tbm120推进时的摩擦力，而且在遭遇岩爆或卡机时，方便拖车将超前tbm110抽回；进一步地，该间隙搭载超前探测设备，在超前tbm110掘进时，探测地质情况及围岩变形。
参照图4所示，扩挖tbm120的掘进面包围在超前tbm110的掘进面的外侧，即超前tbm110的刀盘ⅰ111包围在扩挖tbm120的刀盘ⅱ121的外侧，刀盘ⅰ111和刀盘ⅱ121形成组合式刀盘，组合式刀盘表面安装有刀具140。具体的，超前tbm110的刀盘ⅰ111呈圆盘形，该圆盘的中轴线位于组合式tbm100的中轴线上，超前tbm110的刀盘ⅰ111可沿中轴线转动；扩挖tbm120的刀盘ⅱ121呈圆环形，扩挖tbm120的刀盘ⅱ121包围在超前tbm110的刀盘ⅰ111的外侧，扩挖tbm120的刀盘ⅱ121可沿圆周方向转动。超前tbm110的刀盘ⅰ111和扩挖tbm120的刀盘ⅱ121之间预留适当间隙，扩挖tbm120的刀盘ⅰ111上配置的刀具140不能碰到超前tbm110的刀盘ⅱ121，以减小超前tbm110的刀盘ⅰ111和扩挖tbm120的刀盘ⅱ121之间的摩擦力。
本实施例中，超前tbm110或扩挖tbm120的外侧可套设封闭的可伸缩式护盾130，可伸缩式护盾130与对应的超前tbm110或扩挖tbm120之间设置有油压缸，利用可伸缩式护盾130和油压缸实现超前tbm110或扩挖tbm120的支护。参见图5所示，可伸缩式护盾130具体包括预制混凝土壳体131、伸缩支杆132和纵向钢筋133，该混凝土壳体可由特定机制旋转安置到指定位置，该伸缩支杆132能上下伸缩，为护盾的伸缩创造可能，增加支护的灵活性，该纵向钢筋133锚固在混凝土壳体内，用于分担护盾中的拉应力，尤其在可伸缩式护盾130的左下方和右上方，应布置相对多的纵向钢筋133。可伸缩式护盾130紧邻推进轴外壳，在组合式tbm100掘进过程中，由人工控制安装系统，对可伸缩式护盾130进行跟进安装，隔开围岩，保证组合式tbm100正常掘进。
参见图1和图2所示，超前tbm110包括沿掘进方向连接设置的刀盘ⅰ111和旋转驱动ⅰ112，以及推进油缸ⅰ113，即刀盘ⅰ111位于超前tbm110的前端，刀盘ⅰ111上安装有刀具140，旋转驱动ⅰ112位于刀盘ⅰ111后方用于驱动刀盘ⅰ111旋转破岩，推进油缸ⅰ113用于推进刀盘ⅰ111。具体的，超前tbm110还包括设置于旋转驱动ⅰ112外侧的外机架ⅰ114和设置于外机架ⅰ114后方的外机架上撑靴ⅰ115，推进油缸ⅰ113的两端分别连接外机架ⅰ114和外机架上撑靴ⅰ115，即推进油缸ⅰ113位于超前tbm110的机架外，且位于外机架ⅰ114后方，推进油缸ⅰ113能够推进超前tbm110；外机架上撑靴ⅰ115可向外侧伸缩，用于撑紧围岩洞壁，从而固定超前tbm110的机架；推进油缸ⅰ113的后方还可以安装设置后支撑ⅰ138用于支撑超前tbm110。刀盘ⅰ111后设置有铲斗ⅰ116用于铲起经刀盘ⅰ111破碎的岩渣，铲斗ⅰ116下方设置有皮带运输机ⅰ117用于将岩渣输送出去。超前tbm110配套的工作系统包括传动箱体、液压进给系统、地质探测系统，具体的，旋转驱动ⅰ112内装有电机、扭矩转速传感器、减速器，该扭矩转速传感器两端分别连接电机和减速器，用以控制超前tbm110的刀盘ⅰ111的旋转，液压进给系统包括推进油缸ⅰ113，推进油缸ⅰ113与推力杆铰接，并连接压力传感器，实现进刀和退刀。
超前tbm110用以洞室的试探性开挖，超前tbm110工作时，由工人将刀具140安装到刀盘ⅰ111上，旋转驱动ⅰ112控制刀盘ⅰ111旋转，推进油缸ⅰ113推进刀盘ⅰ111向前掘进，超前tbm110从组合式tbm100中被慢慢推出。掘进过程中，由工人控制机械安装可伸缩式护盾ⅰ134和油压缸ⅰ136，油压缸ⅰ136两端分别连接可伸缩式护盾ⅰ134和外机架ⅰ114，通过油压缸ⅰ136实现可伸缩式护盾ⅰ134的伸缩。外机架上撑靴ⅰ115用于撑紧围岩洞壁，固定超前tbm110的机架；后支撑ⅰ138用于支撑超前tbm110，方便掘进。铲斗ⅰ116用于铲起经刀盘破碎的岩渣，由皮带运输机ⅰ117运输出洞外。地质探测系统包括超前探测设备和后方分析计算机，超前探测设备安装于超前tbm110机头，用于探测前方地质情况及变形，传输到后方分析计算机，指导正洞扩挖tbm120的施工。
参见图1和图3所示，扩挖tbm120包括沿掘进方向连接设置的刀盘ⅱ121和旋转驱动ⅱ122，以及推进油缸ⅱ123，即刀盘ⅱ121位于扩挖tbm120的前端，刀盘ⅱ121上安装有刀具140，旋转驱动ⅱ122位于刀盘ⅱ121后方用于驱动刀盘ⅱ121旋转破岩，推进油缸ⅱ123用于推进刀盘ⅱ121。具体的，扩挖tbm120还包括设置于旋转驱动ⅱ122外侧的外机架ⅱ124和设置于外机架ⅱ124后方的外机架上撑靴ⅱ125，推进油缸ⅱ123的两端分别连接外机架ⅱ124和外机架上撑靴ⅱ125，即推进油缸ⅱ123位于扩挖tbm120的机架外，且位于外机架ⅱ124后方，推进油缸ⅱ123能够推进扩挖tbm120；外机架上撑靴ⅱ125可向外侧伸缩，用于撑紧围岩洞壁，从而固定扩挖tbm120的机架；推进油缸ⅱ123的后方还可以安装设置后支撑ⅱ139用于支撑扩挖tbm120。刀盘ⅱ121后设置有铲斗ⅱ126用于铲起经刀盘ⅱ121破碎的岩渣，铲斗ⅱ126下方设置有皮带运输机ⅱ127用于将岩渣输送出去。扩挖tbm120配套的工作系统包括传动箱体、液压进给系统，具体的，旋转驱动ⅱ122内装有电机、扭矩转速传感器、减速器，该扭矩转速传感器两端分别连接电机和减速器，用以控制扩挖tbm120放入刀盘ⅱ121的旋转，液压进给系统包括推进油缸ⅱ123，推进油缸ⅱ123与推力杆铰接，并连接压力传感器，实现进刀和退刀。
扩挖tbm120用以洞室的扩大开挖，扩挖tbm120工作时，由工人将刀具140安装到刀盘ⅱ121上，该扩挖tbm120的刀盘ⅱ121上配有的刀具140有足够的强度和刚度，能够承受主机掘进时由于刀盘ⅱ121旋转推进所产生的巨大反作用力和剪切应力。旋转驱动ⅱ122控制刀盘ⅱ121旋转，推进油缸ⅱ123推进刀盘ⅱ121向前掘进，扩挖tbm120慢慢跟进先行的超前tbm110，直到超前tbm110重新回到组合式tbm100中，恢复组合式tbm100初始状态。掘进过程中，由工人控制机械安装可伸缩式护盾ⅱ135和油压缸ⅱ137，油压缸ⅱ137两端分别连接可伸缩式护盾ⅱ135和外机架ⅱ124，通过油压缸ⅱ137实现可伸缩式护盾ⅱ135的伸缩。外机架上撑靴ⅱ125用于撑紧围岩洞壁，固定扩挖tbm120的机架；后支撑ⅱ139用于支撑扩挖tbm120，方便掘进。铲斗ⅱ126用于铲起经刀盘破碎的岩渣，由皮带运输机ⅱ127运输到洞外。
参见图1、图2和图3所示，本实施例还提供一种基于上述的组合式tbm100的实现超前导洞和超前探测的掘进方法，在掘进前先确定待开挖洞室位置，并将组合式tbm100安置到该位置，在刀盘ⅰ111和刀盘ⅱ121上安装好刀具140，调试系统，准备掘进，具体的掘进方法包括以下步骤：
s1、将超前tbm110和扩挖tbm120的掘进面齐平并对准待开挖洞室位置。
s2、固定扩挖tbm120的位置，启动超前tbm110，使超前tbm110向前掘进一个行程，停止超前tbm110。参阅图2，具体过程为：外机架上撑靴ⅱ125撑紧围岩洞壁，固定整个组合式tbm100的机架；超前tbm110的刀盘ⅰ111由旋转驱动ⅰ112驱动旋转，推进油缸ⅰ113向刀盘ⅰ111施加推力，超前tbm110被慢慢推出，向前掘进，外机架上撑靴ⅰ115撑紧围岩洞壁，固定超前tbm110的机架，后支撑ⅰ138提供支撑，刀具140自身旋转的同时随刀盘ⅰ111旋转，破碎岩体，崩落的岩渣由铲斗ⅰ116铲入带式输送机ⅰ，运至带式输送机ⅱ，最后运至机后卸载。推进油缸ⅰ113伸长一个行程，刀盘ⅰ111及与刀盘ⅰ111连接的构件相应向前移动一个行程。推进油缸ⅰ113收缩，停止推进，利用减速器使超前tbm110的刀盘ⅰ111旋转速度降为零，与此同时，由人工操纵机械安装可伸缩式护盾ⅰ134和油压缸ⅰ136提供支护。
超前tbm110向前掘进时进行地质情况探测，超前探测设备收集前方数据，传输到后方分析计算机进行分析，将超前tbm110经历岩爆的参数进行相似换算，用于指导正洞扩挖tbm120的施工。若掘进正常，进行s3；若掘进异常，则确认卡机，需抽回超前tbm110。收缩可伸缩式护盾ⅰ134，将超前tbm110及其推进轴与拖车连接，由拖车将其拽回。该方法可以使施工人员提前做好岩爆应急预案，将风险降至最低。
s3、启动扩挖tbm120，使扩挖tbm120向前掘进一个行程。参阅图3，具体过程为：刀盘ⅱ121由旋转驱动ⅱ122驱动旋转，推进油缸ⅱ123向刀盘ⅱ121施加推力，扩挖tbm120向前掘进，刀具140自身旋转的同时随刀盘ⅱ121旋转，破碎岩体，崩落的岩渣由铲斗ⅱ126铲入带式输送机ⅱ，运至机后卸载。推进油缸ⅱ123伸长一个行程，刀盘ⅱ121及与刀盘ⅱ121连接的构件相应向前移动一个行程，直至与超前tbm110的刀盘ⅰ111处于同一平面。与此同时，由人工操纵机械安装可伸缩式护盾ⅱ135和油压缸ⅱ137提供支护。换步，外机架上撑靴ⅱ125缩回，推进油缸ⅱ123收缩，外机架ⅱ124向前移，后支撑ⅱ139在换步过程中予以配合，组合式tbm100恢复原始状态。
s4、重复步骤s1-s3，开始下一个行程作业，直至掘进到指定距离，即完成洞室开挖。
需要注意的是：在上述掘进过程中，将岩体内部的锚杆和完整的开挖面表面支护通过连接装置紧密的连接在一起，利用表面支护的抗冲击能力来避免岩体的破坏，利用锚杆的承载力来承担冲击表面系统的载荷，保障支护的系统性。
综上所述，本发明实施例的组合式tbm实现超前tbm与扩挖tbm组合开挖形式，实现分部开挖，提高了复杂地质条件下深部地下洞室开挖的灵活性及适应性，且操作方便，有利于极端条件下的tbm脱困；超前tbm开挖使围岩更充分地提前释放能量，大幅降低岩爆风险，且便于在超前tbm上布置各种岩爆预处理措施，从而实现防治岩爆的目的；超前tbm开挖形成自由面，有利于提高总体破岩效率，降低综合能耗；便于在超前tbm上布置各种超前探测手段，实现对复杂地质条件进行超前探测的目的；减小开挖造成的围岩扰动和变形破坏，有效减轻由围岩大变形造成的tbm卡机，有利于保障人机安全。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。