一种多模式硬岩掘进机的制作方法

本发明涉及工程施工技术领域，具体涉及一种隧道施工使用的硬岩掘进机，尤其是一种多模式硬岩掘进机。

背景技术：

随着中国西部铁路隧道的建设，硬岩掘进机（简称tbm）得到了广泛应用。tbm的分类包括敞开式tbm和护盾式tbm。

敞开式tbm技术已经非常成熟，但有一定的局限性。敞开式tbm主要适用于ⅱ、ⅲ类稳定性、自立性较好的硬岩地层，对破碎带、软岩地层适应性较差。敞开式tbm通过断层破碎带地层时，一般采用超前注浆加固、钢筋排、拱架、锚杆联合支护方式，破碎带导致撑靴易踏空，支撑力不够等问题。在大断层极破碎地段，由于支护的工作量大，长时间停机支护，导致破碎体进一步坍塌卡机；由于现有支护承载有限，出现塌方、变形等灾害，对施工安全、工期造成重大影响。敞开式tbm穿越岩爆地层时采用超前钻孔泄压，高压注水、喷水软化围岩、钢筋排、拱架、锚杆联合支护方式，现有手段采用防护棚、防护网片防护，但对于强岩爆下，较大岩块塌落支护不住，可能发生伤人、破坏设备的事故。由此可见，敞开式tbm通过破碎带、软岩时，易出现掘不动、塌方、卡机等，由于敞开式tbm仅依靠拱架、钢筋排和混喷对围岩进行加固封闭，往往由于初支强度不够、不及时引起塌方事故的发生，同时在大变形、强岩爆隧道中出现围岩收敛侵限、岩爆崩塌等事故，对安全生产、工期、人员财产等造成不可估量的损失。

护盾式tbm采用管片支护方式，由推进油缸为主机提供前进推力。由于盾体较长，容易发生卡机，特别在大变形收敛地层，卡机处理时间较长，影响掘进效率。

由于地层结构的复杂多样，单一模式的tbm无法满足施工要求。目前已有双结构tbm设计，如申请号为cn201910260246.5的专利申请所公开的双结构tbm，此tbm虽然可以实现喷锚支护与管片支护的灵活切换，但喷锚支护安全性较低，施工周期较长，管片支护成本较高。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种既能够灵活切换支护方式，又可以实现实时支护封闭、强支护，从而保证施工安全，提高施工速度，有效降低施工成本的多模式硬岩掘进机。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种多模式硬岩掘进机，包括护盾、设置于所述护盾内的主驱动、设置于所述主驱动前方并用于在所述主驱动的驱动下挖掘围岩而形成隧道的刀盘、设置于所述主驱动后方的主梁、设置于所述主梁后部的后支撑以及钢拱架喷混支护机构和压注式混凝土支护机构；

所述钢拱架喷混支护机构包括滑动设置于所述主梁上的支撑推进系统、设置于所述主梁上而用于向所述隧道的内壁上安装锚杆的锚杆钻机、设置于所述后支撑上并能够伸出和缩回的后支撑靴板；所述支撑推进系统包括滑动设置于所述主梁上的鞍架、与所述鞍架相连接并能够伸出和缩回的撑靴、分别与所述撑靴和所述主梁相连接的主推进油缸；

所述压注式混凝土支护机构包括分布于所述护盾内周上的多个辅助推进油缸、设置于所述后支撑上并能够伸出和缩回的后支撑车轮组、用于安装钢模板或拼装钢拱架的钢模板拼装机、用于拆除钢模板的钢模板拆除机、用于向安装好的所述钢模板与所述隧道的内壁之间压注混凝土的注浆装置，所述辅助推进油缸与安装好的所述钢模板相对应。

所述护盾通过护盾油缸与所述主驱动相连接。

所述主梁和所述鞍架通过滑轨相滑动连接。

所述主推进油缸与所述撑靴相铰接。

所述钢模板拼装机设置于所述主梁上，所述后支撑后方设置有连接桥，所述钢模板拆除机设置于所述连接桥上。

所述注浆装置包括设置于所述护盾内侧并开设有多个注浆口的挡浆环、分别由混凝土搅拌装置连接至各所述注浆口的注浆管。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的多模式硬岩掘进机，不仅可以实现不同支护方式的灵活切换，还能实现实时支护封闭、强支护、快通过，从而保证施工安全，提高施工速度，还可以有效降低施工成本。

附图说明

附图1为本发明的多模式硬岩掘进机的主视剖视示意图。

附图2为本发明的多模式硬岩掘进机在钢拱架喷混支护掘进模式下的掘进过程中的主视剖视示意图。

附图3为本发明的多模式硬岩掘进机在钢拱架喷混支护掘进模式下的掘进过程中的撑靴位置的右视示意图。

附图4为本发明的多模式硬岩掘进机在钢拱架喷混支护掘进模式下的掘进过程中的后支撑靴板位置的右视示意图。

附图5为本发明的多模式硬岩掘进机在钢拱架喷混支护掘进模式下的换步过程中的主视剖视示意图。

附图6为本发明的多模式硬岩掘进机在钢拱架喷混支护掘进模式下的换步过程中/在压注式混凝土支护掘进模式下的掘进过程中的撑靴位置的右视示意图。

附图7为本发明的多模式硬岩掘进机在钢拱架喷混支护掘进模式下的换步过程中的后支撑靴板位置的右视示意图。

附图8为本发明的多模式硬岩掘进机在压注式混凝土支护掘进模式下的掘进过程中的局部主视剖视示意图。

附图9为本发明的多模式硬岩掘进机在压注式混凝土支护掘进模式下的掘进过程中的后支撑车轮组位置的右视示意图。

附图10为本发明的多模式硬岩掘进机在压注式混凝土支护掘进模式下的支护过程中的局部主视剖视示意图。

附图11为本发明的多模式硬岩掘进机在压注式混凝土支护掘进模式下的换步过程中的局部主视剖视示意图。

以上附图中：1、刀盘；2、主驱动；3、护盾；4、主梁；5、支撑推进系统；5-1、鞍架；5-2、撑靴；5-3、主推进油缸；6、辅助推进油缸；7、钢模板拼装机；8、锚杆钻机；9、后支撑；9-1、后支撑靴板；9-2、后支撑车轮组；10、连接桥；11、钢模板拆除机；12、挡浆环；13、一次衬砌混凝土；14、钢模板；15、隧道的内壁。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：如附图1所示，一种多模式硬岩掘进机，包括护盾3、主驱动2、刀盘1、主梁4、后支撑9、钢拱架喷混支护机构、压注式混凝土支护机构。定义该多模式硬岩掘进机在掘进时的前进方向为其前方，而反方向为其后方。

主驱动2设置在护盾3内，护盾3通过护盾3油缸与主驱动2相连接。刀盘1设置在主驱动2的前方，从而刀盘1能够在主驱动2的驱动下挖掘围岩而形成隧道，护盾3及其后方的各部分位于挖掘后的隧道内。主梁4设置在主驱动2后方并与主驱动2相连接。后支撑9设置于主梁4后部。

钢拱架喷混支护机构包括滑动设置于主梁4上的支撑推进系统5、设置于主梁4上而用于向隧道的内壁15上安装锚杆的锚杆钻机8、设置于后支撑9上并能够伸出和缩回的后支撑靴板9-1。支撑推进系统5包括滑动设置于主梁4上的鞍架5-1、与鞍架5-1相连接并能够伸出和缩回的撑靴5-2、分别与撑靴5-2和主梁4相连接的主推进油缸5-3。主梁4和鞍架5-1通过滑轨相滑动连接，主推进油缸5-3与撑靴5-2相铰接，撑靴5-2一般对称设置两个，朝向隧道的左右两侧，并具有与隧道的内壁15相匹配的弧形面。

压注式混凝土支护机构包括分布于护盾3内周上的多个辅助推进油缸6、设置于后支撑9上并能够伸出和缩回的后支撑车轮组9-2、用于安装钢模板14或拼装钢拱架的钢模板拼装机7、用于拆除钢模板14的钢模板拆除机11、用于向安装好的钢模板14与隧道的内壁15之间压注混凝土的注浆装置。辅助推进油缸6与安装好的钢模板14相对应。可以将钢模板拼装机7设置于主梁4上，并在后支撑9后方设置有连接桥10，而钢模板拆除机11设置于连接桥10上。注浆装置包括设置于护盾3内侧并开设有多个注浆口的挡浆环12、分别由混凝土搅拌装置（图中未示出）连接至各注浆口的注浆管。后支撑车轮组9-2可以与后支撑靴板9-1制作为一体的后支撑9。

上述多模式硬岩掘进机具有两种工作模式，分别为钢拱架喷混支护掘进模式、压注式混凝土支护掘进模式。

钢拱架喷混支护掘进模式下，多模式硬岩掘进机依次循环掘进、支护、换步过程，具体流程如下：

1、掘进：如图2、图3和图4所示，撑靴5-2伸出并撑紧在隧道的内壁15上，用以克服刀盘1推进反力和刀盘1旋转破岩产生的扭矩。后支撑靴板9-1和后支撑车轮组9-2均缩回而不与隧道内部（底面）接触。此时，主推进油缸5-3伸出，主梁4相对支撑推进系统5向前滑动，从而通过主梁4带动刀盘1向前掘进。

2、支护：在刀盘1掘进过程中，控制钢模板拼装机7对钢拱架进行拼装，利用锚杆钻机8进行锚杆支护，同时喷射混凝土进行支护，与现有技术类似。

3、换步：如图5、图6和图7所示，当主推进油缸5-3达到最大行程后，后支撑靴板9-1伸出撑紧在隧道的内壁15（底部）上，撑靴5-2缩回而脱离隧道的内壁15，此时主推进油缸5-3缩回到最小行程，该过程中，带动鞍架5-1和撑靴5-2沿主梁4向前滑动至下一个撑紧位置。

压注式混凝土支护掘进模式下，多模式硬岩掘进机依次循环掘进、支护、换步过程，具体流程如下：

1、掘进：如图8、图6和图9所示，后支撑车轮组9-2伸出，后支撑靴板9-1缩回，撑靴5-2缩回，同步控制辅助推进油缸6伸出，辅助推进油缸6顶压在其后方已安装的钢模板14的侧部，从而提供向前掘进的反力，刀盘1同步向前掘进，刀盘1后方的主梁4、支撑推进系统5、后支撑靴板9-1和后支撑车轮组9-2也同步向前移动，且后支撑车轮组9-2沿支护结构内壁滚动。该压注式混凝土支护掘进模式下，多个筒状钢模板14循环拼接使用。

2、支护，如图10所示，在掘进的同时，通过注浆管向后方设置的挡浆环12上的注浆口注入超过水土压的一次衬砌混凝土13，从而在已安装的钢模板14和隧道的内部之间形成的间隙内压注混凝土而形成支护结构。

3、换步：如图11所示，一环钢模板14的掘进和对应一次衬砌混凝土13压注完成后，控制连接桥10上的钢模板拆除机11拆除最后方的一环钢模板14并向其运送，辅助推进油缸6缩回而在前方余出用于安装钢模板14的空间，控制安装在主梁4上的钢模板拼装机7将运送到前方的钢模板14进行安装，新安装的钢模板14紧邻辅助推进油缸6，使得辅助推进油缸6能够抵在其前侧部，以便下一次掘进。

围岩、地应力等条件较好地层段及微弱变形地层段，采用钢拱架喷混支护掘进模式，安全、快速、经济。在破碎带、软弱围岩、中等变形、中等岩爆地层采用压注式混凝土支护掘进模式。

上述多模式硬岩掘进机的主要优点有：

1、可以实现不同掘进模式的灵活切换，适应复杂多变的地质条件，有效保证施工安全；

2、压注式混凝土支护掘进模式与新奥法施工比较，有较高的安全性，同时掘进速度大幅提升。另外在经济性方面与新奥法施工的价格差不多，比管片支护成本低；

3、压注式混凝土支护掘进模式自动化程度高，施工人员强度小，无需安装拱架、喷浆及清渣，施工效率高；无污染，不会对空气及环境造成污染，安全环保，文明施工。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。