专利名称：隧道施工方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及各项独立权利要求前序部分所述的隧道施工的一种方法和装置。这种方法和装置适用于在土壤参数可望具有有限停留时间的山地掘进隧道。“隧道”一词在这里是泛指任一种待掘进的管形隧道，例如或多或少水平延伸的道路隧道或通道，但也可能是岩洞或空洞。
为了在上述条件下掘进隧道，必须防止支护设置之前刚完成的掘进段发生崩落，或者松动的石块从隧道壁上掉到隧道中。为此，现有的方法都采用喷混凝土施工法和有掩护支架或无掩护支架的机械式隧道掘进。
在用喷混凝土施工法的情况下，用挖土机或部分断面掘进机进行掘进。在掘进后，隧道衬筒容许变形，所以引起托环形式的变形阻力。这种托环包围空腔并阻止岩石继续移入空腔中。但这种变形不容许变得太大，以至由于超载而引起松动。薄的喷混凝土支护限制这种变型，即这种支护象变形的弹簧那样随不断增加的变形而反方向作用一个变大的阻力。喷混凝土施工方法的主要应用范围为坚硬岩石。这种岩石可能有很小的裂缝，但也可能有大的裂缝，并失去了坚固性。粘聚性的和无粘聚性的松动岩石也是可能的应用范围。
在带有掩护支架的机械式隧道掘进的情况下，用机械的工具开挖系统进行施工。其中，工具可以是具有切割轮或掘进机刀盘的整体断面掘进机的形式同时加工整个开挖面。在采用部分断面掘进机的情况下，开挖面前壁进行多次开挖。掩护支架是一种随着隧道掘进机不断移动的支护，在它的保护下装入围岩支护。带有掩护支架和切割轮的隧道掘进机用在稳定的开挖面的松动岩石中，而带有掘进机刀盘的掘进机则用于不稳定的工作面。部分断面掘进机用于稳定的工作面。
在无掩护支架的机械式隧道掘进时，工作面的开挖与有掩护支架的机械式隧道掘进是相同的。在使用过程中，掘进机锚紧在围岩上。支护工程与掘进分开在稍后的时间进行。这种掘进机的使用范围是坚硬岩石。
喷混凝土施工法具有如下的缺点
工作安全性在隧道掘进开挖一次后，工人处于不安全的范围并特别危险。由于喷射混凝土时大的反弹和产生尘土，工人健康受到严重损害。
费用由于在喷射混凝土时出现反弹，这时喷射的混凝土没有被完全利用，所以这种方法造成很高的材料费用。
可能需要的提前的支护引起附加的费用，因为这种支护没有对喷射混凝土壳层的以后的承载能力一起考虑。
人员施工需要良好培训的人员，而今天则只有很少的这种人员。
施工速度因为掘进和喷混凝土支护必须相继进行，施工过程不能同步，因此，施工速度慢。
承载能力难于进行工程状况的静力核算。在短的停留时间情况下，横断面需要多次部分开挖，从而增加沉陷。
带掩护支架的机械式隧道掘进具有如下的缺点由于隧道掘进机是根据相应的隧道几何形状和地质情况单独制造的，这种隧道掘进机常常只适用于一种任务，所以造成高昂的设备费用。由于高昂的设备费用，掩护支架式掘进机用于掘进短的隧道是不经济的。只可能开挖圆形横截面。在给定建筑接近限界图的情况下，最小的隧道横断面只有在特殊情况中才是圆形的，所以由于超挖的原因而引起费用增加。在隧道纵向内改变的隧道横断面(例如道路施工的停车场或地下铁道的火车站)不可能用机器开挖。
除了带掩护支架的机械式隧道掘进的这些缺点外，无掩护支架的掘进机具有如下的缺点由于支护的设置在时间上迟于掘进并单独进行，所以难于反应变化的岩石情况。如果在掘进机范围内必须进行支护工程，则会妨碍掘进。此外，存在着掘进机被掩埋的危险。
本发明旨在提出一种可在山地进行快速的、经济的和安全的掘进隧道的隧道施工方法和装置。
这个目的是由各项独立权利要求的各种特征来实现的。各项从属权利要求叙述本发明的各个优选实施例。
下面参照附图来说明本发明的各种实施例，附图表示
图1A、B表示本发明的基本的第一实施例；图2A-C表示本发明方法的示意的单个步骤；图3-5表示该方法的部分示意的特殊实施例；图6表示本发明的一种装置；图7表示本发明的另一种装置；图8表示本发明的又一种装置。
在图1A中，示意地和不按比例地示出了平行于纵轴的待掘进的隧道10的断面图，在图1B中则示出了垂直于纵轴剖开的几个剖面。在围岩11、12中掘进隧道10。参照号11表示包围隧道的基岩，12表示要挖掉的石料。参照号13表示用一种有承载能力的材料例如混凝土制成的人造支承层。14表示本发明的装置(开槽机)，15表示由该开槽机14制成的槽，16表示工作面前壁，17表示隧道的支护。
本发明方法具有下列步骤，这些步骤在图2A-2C中示意地示出(1)在工作面前壁16开始对要开挖的隧道的要支护的范围开凿一条缝15，此缝大致沿隧道10的圆周方向和掘进方向(图2A中的箭头A和B)延伸，且其厚度大致位于径向内(箭头C)。该槽15在圆周方向至少延伸整个要支护的范围，并在隧道掘进方向延伸到各种结构参数和/或机构参数容许的程度。该槽位于以后的支护17所在的范围内或更向外一些。
(2)已开挖的槽15用一种有承载能力的材料、最好用快速凝固的混凝土灌注，并变成支承层13。
(3)然后工作面前壁16在支承层13的保护下进行开挖，并在必要时设置另一个支护17。
(4)紧接着再次依次进行1-3的步骤。
用步骤(1)-(4)描述了隧道掘进的本发明方法。在这种方法中，槽15是提前制作的。该槽用一种有承载能力的材料例如混凝土灌注。在这样形成的具有承载能力的支承层13的保护下，对隧道10进行掘进。如果把注意力只放在支承层13的施工方法上，则只需注意步骤(1)和(2)，并在必要时重复进行这两个步骤。如果只注意槽15的制作方法，则只需必要时重复进行步骤(1)。
本发明的方法用于这种情况的隧道掘进是特别有利的，即隧道掘进的岩石一侧是独立的、带斜坡的工作面前壁，另一侧强度不大，以致隧道只用钻爆掘进即可。
这个方法可用于变化的几何形状和地质情况。工人在提前的支护的保护下进行施工。与常规的方法比较，减少了工人的健康损害。这种方法可实现较小变形的掘进，因而对地表面的损害较小。如果支承层设计成可计及隧道衬筒的承载能力，则后面要设置的内支护(图1A中的参照号17)便可设计得弱一些，或者完全取消，这会带来明显的经济效益。在掘进过程中可制造不同的隧道横断面形状和/或隧道横断面面积。在这种情况下，只须分别相应地控制制作支承层的装置14即可。
下面叙述上述步骤(1)至(4)的几种方案和改进。
待开挖的和待灌注的槽15的-从而待形成的支承层13的尺寸和位置的确定取决于不同的参数。在图1和2所示的实施例中，槽15只在隧道圆周的一部分延伸。这在由于地质的局部障碍而只须支护隧道的一部分的情况下可能是意义重大的。这时，槽15设计成使支承层13在挖掉位于下面的岩石后支承在一个具有承载能力的支座上。但该槽也可作成环形，如图3所示。例如当隧道在一种岩石中掘进、而这种岩石在常规方法情况下需要径向环绕的支护时则可选择这种可能性。此时形成一层完整的环绕支承层13，下面叫做托圈，该托圈不需要单个支座，而是面积支承。
承受支承层13的槽15提前制成，并跟随设计的隧道轮廓。只要涉及的是一个完整的环绕托坏，则可跟随一条螺旋线(图4A)。该螺施线的螺距与开槽机的加工宽度一致。该螺旋线可沿隧道轮廓这样倾斜，即它在隧道掘进方向内上方位于下方的前面(图4B)。相对于垂直线的这个倾斜度也可体现到待形成的工作面前壁，所以这种工作面崩落的危险较小。倾斜角度根据岩石参数选择。
特别是在倾斜工作面16的情况中，该螺旋线可在不同的观点、特别是机械结构的观点和工作面16稳定的观点的情况下实现最佳化。
在对机械来说最简单的情况中，螺旋线是这样设计的，即在一圈内，该螺旋线的曲率的变化在由土壤条件(岩石参数)预先给定的工作面坡度时最小。从而对槽机操作灵活性的要求变得很小。
螺旋线也可在工作面稳定性的观点的情况下实现最佳化。工作面稳定所需的坡度是由岩石参数预先确定的。从而可得出相应一圈中待产生的支承层的位于最前面的点的位置。在位于最前面的点和位于最后面的点之间的最短的连接线在螺旋线展开时为一条直线。从这种途径得出的边缘曲线在隧道侧具有一个最小的曲率，从而导致一个具有几乎恒定的坡度的工作面，因此达到最大的稳定性。
运动的顶点在这种情况中不位于隧道的顶部和底部。
一个完整的环作为螺旋线的特殊情况也是可能的(图4C)。
在一圈的过程中，通过槽宽(开槽的宽度)的变化可实现隧道走向的曲率。为此，开槽机的开槽宽度或者加大或者减少，或者在开槽机恒定的开槽宽度的情况下，将前面一圈制作的支承层的一部分重新用开槽机除去。
在开槽时挖松的石料用适当的装置运送到工作面。为此，必要时朝工作面挖掘。挖掘可用开槽机14同时进行和由开槽机本身或一种单独的机具进行。通过这种挖掘进行石料、能量和信号传输。
开槽装置14的第一次驶入岩石中，在一般制作的工作面16的情况下例如可简单地由一种运输工具例如一辆载重汽车的载货面积来进行，为此只需考虑开槽机在该处有一个支座即可。开槽机从该处掘进岩石，然后沿隧道圆周加工，并在该处进行它的有规律的作业。
最好在槽挖好后立即用混凝土灌注该槽15。混凝土可从工作面、也可从开槽机的后面送入空的槽中。可用快速凝固的混凝土，这种混凝土的凝固时间只以秒计。
在这里应当指出，虽然上面述及用混凝土灌注，但也可用别的材料，只要这类材料在其主要参数上(例如开始时可造型，然后可承受压力)与混凝土相似即可。
如果制成的支承层要计及以后隧道的承载能力，则该支承层必须建造在隧道轮廓的位置上。可取消常规隧道掘进的其他超前支护，例如对以后隧道的承载能力不起作用的超前插板或桩。
在该槽中灌注的混凝土在几秒钟内凝固并附加地受模板支承，所以混凝土不会由于开挖而流入隧道中。
在环绕的托环13的情况下，可连续掘进隧道10，例如可按这样的方式进行，即工作面16分别在其暴露在开槽机14前面的区段被挖掉。
工作面可用常规的隧道掘进机，亦可用部分断面掘进机开挖。开挖与支承层或托圈的制作同步，但在时间上错开，使工作面的开挖在支承体的保护下进行。为此，有必要将工作面的开挖分成几部分和使掘进机空间移动。开槽机的供电装置可能需要的超挖可与工作面的开挖一起进行。
工作面的开挖可沿隧道掘进方向一直进行到制作的支承层的前缘前面不远或正好到前缘(图5A)。但工作面的开挖也可根据岩石情况掘进得稍远一些(图5B)，但不得远于开槽装置14的工作宽度的40％。这样开槽机14就不用通过整个的开挖。确切地说，开槽机的工作面一侧的端部是可见的，而且或多或少可自由通过。
下面叙述一种可用来实施上述各个施工步骤的装置，这种装置可以是单机，也可以是多个或多或少相互独立工作的机具。参照图6叙述第一种结构型式。
该装置具有各种不同的部分在其前端设置挖掘工具61，后面是一个将挖掘出来的石料从槽中输出的装置62。此外，还具有一个向前移动的装置68、71，必要时还有一个混凝土浇灌装置64和一个控制单元65。
挖掘工具61最好与开槽机14连接而可控其运动，这样，该工具便可在开槽15所需的各个方向内回转或移动。必要时该装置可具有一个密封装置66，该装置把开槽的范围与前进运动装置和槽的灌注范围隔开。
这种工具可设计成能够制作这样的一个槽15，即该槽在整个槽宽或其一部分比待制作的支承层13厚。由于相对于上一个圈制成的支承层产生的超挖而在从槽到工作面前面的空间形成一个通道81。通过该通道向掘进机供应运送挖出石料的运送介质并通过臂72实现铰接。
在适当选择工具的情况下，例如选用螺旋输送机可通过借助于超挖产生的通道81将挖出的石料直接输送到工作面前面的空间。如果超挖例如位于挖掘工具的中间，则朝隧道内部深挖一个凹槽，以便供电线路穿过。
该通道也可通过在臂72上装的一个工具来产生。
工具61的进给力经铰接装置67传递到工具上。反力必须由实现挖掘机前进运动的单元来承受。一种优选的结构包括反力的承受和挖掘机的前进运动借助于一个臂72(图7)组成一个整体，该臂从一个位于工作面前面的运载工具73伸出和运动。通过该臂72也可将供电导线从挖掘机和到挖掘机引入槽中。在臂72上的工具单元14的铰接可实现全部空间方向的运动，而与运载工具73的运动无关。
组成整体或单元设置的该装置可具有一个用混凝土灌注挖掘的槽13的混凝土浇灌装置。下面叙述整体的结构型式。混凝土浇灌装置64包括一块混凝土浇灌板69，这块板把该装置和已经灌注混凝土的槽隔开。为了阻止混凝土与以后要挖掉的岩石之间的粘结以及为了工作面的挖掘一直进行到刚好制作的支承层下面的范围，可在托圈以后的内侧留一块模板70，如图6示意示出。
在浇灌混凝土时最好设置一个喷嘴，混凝土的各种成分在干状态下输送到该喷嘴。在该喷嘴处将水和可能的添加料加入。
混凝土浇灌装置也可以是一个单独设置的普通的装置。
挖掘工具61的一种优选结构型式为一个铣削装置，它由多个单元组成。面朝挖掘机的侧面的单元既可铣前侧，也可铣圆周，朝已经作好的托圈进行的铣削通过铣削的形状保证了新浇的混凝土和已凝固的混凝土之间的良好粘结。指向隧道掘进方向的铣刀头可沿这个方向移动，从而可加宽槽。通过一个圈走向的槽宽的改变而可实现弯道行车或隧道的上坡或下坡。至少另一把只在圆周上铣削的铣刀同样也可沿隧道纵向移动，并保证与两把另外的铣刀一起铣掉整个所需的槽宽的石料。
铣削石料的工具的另一种优选结构型式是两把逆铣刀，其旋转轴大致位于隧道轴的径向。这种铣刀的优点是，垂直于挖掘机纵向产生最小的反力，并在适当的旋转方向的情况下同时可作为输送单元使用。
另一种优选结构型式为螺旋输送机，这种螺旋输送机不但能够开挖土石料，而且还能输送土石料。在指向存在的隧道一侧的螺旋输送机产生超挖的情况下，可将挖出的土石料直接运送到工作面前面。
另一类可设想的结构型式是链条传动的循环的切削工具、螺旋输送机或滑车。挖掘土石料的工具61通过一种适当的(图中未示出的)传动例如一台液压马达或电动机传动，该传动装置可直接位于工具的附近。
挖掘土石料的工具在其整个宽度上产生一个连续的加工面。在运行时，工具宽度通常几乎平行于隧道掘进方向延伸。工具的导向装置和悬挂都不凸出这种加工面的任一侧。所以供电导线67虽然放在侧部范围，但从下侧(在运行时面向隧道的内部)法兰连接。
土石料的输送可用或不用输送介质进行。优选的输送介质为空气和水。可能的机械式输送装置例如为刷子或螺旋输送机。
在又一种优选结构型式中，反力由开槽机本体14自身来产生，该开槽机通过适当的装置68支承在周围的土壤上。这时本发明装置与工作面前面的机具机械脱开。只需要进线和出线。支承可通过液压机或斜撑(锚具)来进行。通过使用多个支承件可使开槽机的掘进与工具的进给脱开。从而可进行连续的挖掘。工具61从该装置的撑住的机体向前移动。这种进刀可通过液压的、气动的或电动的装置来进行。
掘进机最好这样支承，即它作用到工作面上的荷载不至于危及工作面的稳定性。掘进机可侧向对着已经制成的支承层13和围岩11支承，或向上和向下锚固到围岩上，或向后支承到已浇灌的混凝土上或上述各种可能性的组合。
还有一种结构型式是，把掘进机所需的掘进力和运动所需的力从外边作用到岩石支撑组合和铰接装置上。
掘进机分成几个区段，这些区段在掘进机高度约为200毫米、槽厚250毫米和隧道直径大约6000毫米时可达到大约1000毫米的长度。掘进机的加工宽度大约1米至2米。
前进区段至少由相互与提升装置71连接的两个链节组成。通过单个链节交替的锁紧和松开使掘进机象蠕虫那样向前运动。
提升装置71例如可以是四个液压缸。通过单个液压缸的不同长度的开出可使掘进区段的链节相互翻转，从而可在任一空间方向特别是沿隧道圆周实现前进运动。
在用自掘进的优选结构型式中，可设想槽的制作与一个附加的竖井制作同步进行。该竖井沿槽的螺旋线平行延伸并朝隧道轴方向移动。可将供电线引入这个竖井中，这可在一定程度上实现超前支护的设置与工作面的开挖分开。
掘进机可防止土石料掉入，特别是在前进运动装置68、71的范围内，例如这可用一块形状和长度可改变的盖板来实现。这样，在施工过程中，该盖板适应掘进机的长度变化或扭转，例如通过一块钢板的折弯或作成卷折机构的形式。
作为运载工具73可用重型的履带式挖掘机底盘。如果底盘由于大的重量而不可能停在养生期龄不足的混凝土上时，则在槽制成后用挖掘的土石料填充底部。
底盘可修改成既可附装开槽机14用的挖掘工具又可根据施工方法附装放缆工具或臂72。
为了运载工具可停在工作面16前面的任一位置上和为了开槽机14与工作面的开挖在几何尺寸上设计成相互无关，挖掘工具75必须交替地在臂42的两侧上与开槽机连接。
在运载工具73上可设置一个喷混凝土装置，在进水或工作面崩溃的情况下，可借助于该装置设置快速的支护。
作为运载单元也可设置一辆拖车81，它可支承在隧道的圆周上。操纵掘进机和可能推动它前进的臂72装在该拖车上。该臂可在整个圆周上运动。
该拖车由一个可在掘进方向运动的钢架82组成，该钢架适合相应的隧道横断面。这可用不同半径的型钢来实现，并用起重机具运出。
在该拖车上可设置一个平台83，该平台在隧道中的位置可在全部空间方向内改变。在该平台上可停放挖掘机或部分断面挖掘机，它们借助于这种起重机具可达到甚至大的隧道横断面的全部范围。
只要支承层13中的支承材料(例如混凝土)虽然已经凝固，但仍未达到它的全部承载能力时，拖车可承担支撑阻力的任务。
作为挖掘机控制的参考，可借助于相应的模板在混凝土壳体中制作一个槽，这个槽在下一圈中对挖掘机起参考点作用。
如果开槽机14工作与运载工具无关，则该开槽机的前进运动或者通过遥控或全自动化来进行。遥控例如通过一个工人进行，他站在工作面前面观察工作进展并相应地通过有线或无线的遥控使开槽机向前运动。在全自动向前运动的情况下，必须配置一个适当的导航系统，借助于该导航系统可使开槽机14在空间中定位。作为测量和控制技术的辅助方法可用陀螺仪、激光器、用激射光的光学器件或测斜仪。
权利要求
1．隧道掘进的方法，在这种方法中，隧道从工作面开始沿掘进方向掘进并灌注一层支承层，其特征在于，从工作面开始超前设置支承层，然后在其保护下掘进隧道。
2．按权利要求1的方法，其特征在于，支承层是这样制作的，首先在将来的支承层部位制作一个槽，然后用一种具有承载能力的材料特别是用混凝土灌注该槽。
3．按权利要求2的方法，其特征在于，围绕隧道圆周制造一层完整的连续的支承层。
4．按权利要求3的方法，其特征在于，在制作支承层时沿一条螺旋线进行，该螺旋线具有一个大致等于制作该槽的装置的加工宽度的螺距。
5．按权利要求3或4的方法，其特征在于，在支承层的一圈中，位于上面的部分在隧道掘进方向内比位于下面的部分在前面。
6．按权利要求1至5任一项的方法，其特征在于，支承层的制作和隧道掘进至少有时是同时进行的。
7．隧道掘进的装置，其特征在于有一把位于前面的、用来挖掘土石料的工具(61)，该工具可在一定的宽度和一定的高度内并借助于它的铰接装置(67、68、71)在全部方向内挖掘土石料；有一个前进运动装置(63、67、68、71、72、73)，用该装置可使挖掘装置向前运动并转向；有一个控制或调节装置，该装置用来控制或调节土石料挖掘工具和向前运动装置的动作。
8．按权利要求7的装置，其特征在于，有一个混凝土浇灌装置，用它可把混凝土浇灌在由土石料挖掘工具(61)挖出的空间中。
9．按权利要求7或8的装置，其特征在于，宽度小于0.5米，最好小于0.3米。
10．按权利要求7至9任一项的装置，其特征在于，向前运动装置(63,67,68,71)设置在土石料挖掘工具(61)后面并包括一个用来把该挖掘装置锚固在周围土壤中的装置(68)。
11．按权利要求7至9任一项的装置，其特征在于，向前运动装置(63,67,72,73)包括一个运载工具(71)和一个铰接在该运载工具上的臂(72)，其中，土石料挖掘工具(61)铰接在该臂(72)上。
全文摘要
本发明涉及隧道施工的一种方法,在这种方法中,隧道(10)从工作面(16)开始沿掘进方向掘进,并制作支承层(15),从工作面开始超前制作支承层,然后挖掉下面的岩石。隧道掘进装置包括:一个位于前面的、挖掘土石料的工具(61),用该工具可在一定宽度和高度上挖掘土石料;一个向前运动装置(68,71),用该装置可使掘进装置向前运动和转向;一个控制或调节装置(65),用该装置调节或控制土石料挖掘工具(61)和向前运动装置(68,71)的动作。
文档编号E21D9/10GK1233311SQ97198820
公开日1999年10月27日 申请日期1997年8月14日 优先权日1996年8月16日
发明者T·哈格多尔恩, V·朱尼尔, J·朱尼尔 申请人:塔胡斯股份有限公司