一种开敞式TBM在软弱地层中掘进预防坍塌的装置的制作方法

本发明涉及开敞式tbm设备领域，具体来说，涉及一种开敞式tbm在软弱地层中掘进预防坍塌的装置。

背景技术：

tbm掘进机主要适应于长距离硬岩地质隧洞施工，但长距离隧洞地质单一为硬岩地质的概率几乎为零，往往在tbm掘进过程中，会经常遭遇不可预见的不适应于tbm掘进的软弱地层，如断层、软土、泥夹石地层等，遇到该类地层时，因tbm盾尾位置露出的软弱围岩无法得到及时支护，会导致经常性坍塌，安全风险很大，同时坍落体散落在洞内需花费大量的人工清理，导致tbm掘进非常缓慢甚至不能掘进。

开敞式tbm是掘进机的一种类型，是集开挖、支护(如锚杆、拱架、喷射砼、mcnally系统支护等)、出渣等一整套隧洞施工工艺的自动化成洞设备。在tbm盾尾，设备厂家配置相应的支护设备，依次为拱架安装器、锚杆钻机、喷锚机等。

如《tbm支护设备布置断面示意图》所示，拱顶120°范围密排钢筋排(也即mcnally系统支护，该工序为预先将钢筋排插入顶护盾内，随着tbm盾体往前移动，钢筋排自然露出盾尾配合后续支立钢拱架起到支护拱顶围岩的作用)对露出盾尾拱顶120°范围围岩实施同步支护，可确保拱顶120°范围在掘进过程不发生坍塌；如图，tbm配置的支护设备按照先后顺序还有拱架支护、锚杆支护、喷射砼支护等。先开挖，后支护，这是开敞式tbm掘进工艺特点。

应用开敞式tbm掘进遇到软弱地层时，常规方法一般采用对tbm前方软弱地层进行超前加固，如采用超前大管棚灌浆加固或者采用小管棚灌浆加固，对于富水软弱地层甚至采取冷冻法进行加固等，加固经检测安全后再掘进通过。因常规加固方法耗时长、效率低、成本高、施工难度大，不能充分发挥tbm设备掘进效率高的优势。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

针对相关技术中的问题，本发明提出一种开敞式tbm在软弱地层中掘进预防坍塌的装置，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种开敞式tbm在软弱地层中掘进预防坍塌的装置，包括盾机壳体、喷锚机、大撑靴、锚杆钻机、钢筋网、拱架安装器、顶护盾、侧护盾和刀盘，所述刀盘设置在盾机壳体的前端，所述喷锚机、大撑靴、锚杆钻机、钢筋网和拱架安装器均设置在盾机壳体的尾部，所述顶护盾和侧护盾设置在刀盘的后方，且顶护盾呈120°设置；

所述侧护盾和拱架安装器之间设置有预防坍塌装置，且预防坍塌装置与刀盘之间留有焊接缝隙；

所述顶护盾的内侧壁上对称连接有两个一号支撑板，且一号支撑板通过一号转动杆转动连接有一号连接杆的一端，所述一号连接杆的另一端连接有一号抵触板，所述一号抵触板通过若干个固定螺钉固定在侧护盾的内侧壁上；

所述顶护盾的内侧壁上连接有l型板，所述侧护盾的内侧壁上连接有安装板，且安装板活动插接在l型板内。

进一步的，所述安装板位于l型板内的一端设置有一号防卡凸起。

进一步的，所述l型板上开设有移动通孔，且移动通孔内活动插接有锁定杆，所述锁定杆上缠绕连接有支撑弹簧，且支撑弹簧的两端分别连接在锁定杆的侧壁上和l型板的侧壁上，所述安装板远离侧护盾的一端开设有锁定槽，所述锁定杆的一端活动插接在锁定槽内。

进一步的，所述锁定杆位于锁定槽内的一端设置有二号防卡凸起。

进一步的，所述锁定杆位于锁定槽外的一端连接有一号限位块。

进一步的，同一所述一号抵触板上的固定螺钉数量设置为三个。

进一步的，所述顶护盾和侧护盾之间设置有支撑组件。

进一步的，所述支撑组件包括驱动电机，所述驱动电机固定在顶护盾的下端面中部上，且驱动电机的驱动端通过转动轴转动连接有螺纹杆，所述螺纹杆外螺纹设置有内螺纹移动管，且内螺纹移动管的外侧壁连接有限位支撑块，所述限位支撑块上活动插接有限位滑杆，且限位滑杆的上端连接在驱动电机的侧壁上，所述内螺纹移动管外活动套设有抵触管，且抵触管的外侧壁连接有一号固定杆的一端，所述一号固定杆的另一端固定连接在顶护盾的下端面上，所述抵触管的上端对称抵触设置有两个二号连接杆，且二号连接杆的一端上固定插接有二号转动杆，所述二号转动杆转动插接在二号支撑板上，且二号支撑板固定连接在内螺纹移动管的外侧壁上，所述二号连接杆的上端抵触设置有二号抵触块，且二号抵触块远离二号连接杆的一端连接有三号固定杆的一端，所述三号固定杆的另一端固定连接在二号固定杆的侧壁上，所述二号固定杆固定连接在内螺纹移动管的外侧壁上，所述二号连接杆的另一端连接有抵触板，且抵触板与侧护盾的侧壁抵触设置。

进一步的，所述限位滑杆的下端连接有二号限位块。

进一步的，所述一号固定杆的数量设置有两个，且来个一号固定杆关于抵触管对称设置。

本发明的有益效果：

(1)本发明中，装置与tbm设备盾体连接结合，对发生塌方的范围予以同步支撑，无需超前或临时加固，便可达到预防坍塌的目的，因此即使在软弱地层，也可确保tbm正常掘进。

(2)本发明中，采用一定强度和刚度的弧形钢板将两侧侧护盾延长(封闭侧护盾缺口)超出拱架安装器位置，此时拱架安装器已位于侧护盾内(原拱架安装器位于侧护盾后部，在延长的侧护盾保护下，此时工人可以预先安全的(因拱顶120°范围有mcnally密排钢筋网支护)在延长的盾尾内进行拱架安装，tbm往前推进时，已安装的钢拱架自动脱出盾尾，与拱顶120°mcnally支护系统同时作用，达到预防坍塌的目的。

(3)本发明中，增设了一号支撑板、一号转动杆、一号连接杆、一号抵触板和固定螺钉的组合结构，该组合结构的设置，用于固定顶护盾和侧护盾，具体地，在顶护盾和侧护盾安装好以后，为了确保顶护盾和侧护盾起到更好的支撑固定作用，增设了上述组合结构。

(4)本发明中，安装板和l型板组合结构的增加，用于起到便捷安装的效果，具体地，在对顶护盾和侧护盾进行安装时，可以先期对准安装板和l型板的位置，这样可以准确找准顶护盾和侧护盾的安装位置，从而快速安装的效果，同时，安装板和l型板在设计时，将二者设计为可抵触设置，这样通过该组合结构，可以起到对顶护盾更好的支撑作用。

(5)本发明中，锁定杆、锁定槽、二号防卡凸起、移动通孔和支撑弹簧组合结构的增加，可以起到锁定安装板和l型板的作用，具体地，在将安装板插接到l型板内时，通过支撑弹簧会推着锁定杆进入到锁定槽内，从而起到对安装板和l型板的锁定，同时在拆分安装板和l型板时，可通过夹持设备机械拔出锁定杆。

(6)本发明中，支撑组件的增设，用于起到对顶护盾和侧护盾支撑的作用，具体地，在顶护盾和侧护盾安装完成以后，为了保证顶护盾和侧护盾在泥土软层中受到挤压力作用，可以起到更加稳固的工作，增加了支撑组件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1是根据本发明开敞式tbm在软弱地层中掘进预防坍塌的装置实施例的结构示意图；

图2是根据本发明开敞式tbm在软弱地层中掘进预防坍塌的装置实施例的又一结构示意图；

图3是根据本发明开敞式tbm在软弱地层中掘进预防坍塌的装置实施例中顶护盾和侧护盾组合结构示意图；

图4是根据本发明开敞式tbm在软弱地层中掘进预防坍塌的装置实施例中顶护盾和侧护盾又一结构示意图；

图5是根据本发明开敞式tbm在软弱地层中掘进预防坍塌的装置实施例图4中局部放大结构示意图；

图6是根据本发明开敞式tbm在软弱地层中掘进预防坍塌的装置实施例中顶护盾和侧护盾第三结构示意图；

图7是根据本发明开敞式tbm在软弱地层中掘进预防坍塌的装置实施例中a结构放大结构示意图。

图中：

盾机壳体1、喷锚机2、地基3、大撑靴4、锚杆钻机5、钢筋网6、拱架安装器7、顶护盾8、侧护盾9、刀盘10、预防坍塌装置11、焊接缝隙12、钢筋排存储仓13、安装板14、l型板15、一号支撑板16、一号转动杆17、一号连接杆18、一号抵触板19、固定螺钉20、一号防卡凸起21、锁定杆22、锁定槽23、二号防卡凸起24、移动通孔25、支撑弹簧26、一号限位块27、支撑组件28、驱动电机281、转动轴282、螺纹杆283、内螺纹移动管284、限位滑杆285、限位支撑块286、二号限位块287、抵触管288、一号固定杆289、二号固定杆2810、三号固定杆2811、二号抵触块2812、二号支撑板2813、二号转动杆2814、二号连接杆2815、抵触板2816。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的实施例，提供了一种开敞式tbm在软弱地层中掘进预防坍塌的装置，包括盾机壳体1、喷锚机2、大撑靴4、锚杆钻机5、钢筋网6、拱架安装器7、顶护盾8、侧护盾9和刀盘10，刀盘10设置在盾机壳体1的前端，喷锚机2、大撑靴4、锚杆钻机5、钢筋网6和拱架安装器7均设置在盾机壳体1的尾部，顶护盾8和侧护盾9设置在刀盘10的后方，且顶护盾8呈120°设置，当tbm在软弱不稳定地层往前推进时，由于tbm盾体两侧侧护盾存在缺口，缺口位置软弱地层不能得到及时支护/封闭(如图示，需待掘进一定距离到达拱架安装器才可以安装拱架进行支护)，会发生经常性的坍塌，为确保tbm掘进安全，同时减少在tbm侧护盾内部狭窄空间内清理坍落体工作量，加快推进效率，一般采取临时同步(与掘进同步)加固措施，如打入插筋，再增加喷锚设备喷射砼封闭缺口。由于侧护盾内部空间狭小，导致操作难度大，效率低，且存在较大的安全风险，为更好地解决tbm两侧侧护盾缺口位置坍塌问题，在软弱地层同样也可发挥tbm掘进效率高的优势，通过分析研究tbm设备结构，结合现场实际坍塌特点，装置与tbm设备盾体连接结合，对发生塌方的范围予以同步支撑，无需超前或临时加固，便可达到预防坍塌的目的，因此即使在软弱地层，也可确保tbm正常掘进。

侧护盾9和拱架安装器7之间设置有预防坍塌装置11，且预防坍塌装置11与刀盘10之间留有焊接缝隙12，焊接缝隙12的设置，用于对侧护盾9和预防坍塌装置11的焊接安装，预防坍塌装置11采用钢板材质。

顶护盾8的内侧壁上对称连接有两个一号支撑板16，且一号支撑板16通过一号转动杆17转动连接有一号连接杆18的一端，一号连接杆18的另一端连接有一号抵触板19，一号抵触板19通过若干个固定螺钉20固定在侧护盾9的内侧壁上，增设了一号支撑板16、一号转动杆17、一号连接杆18、一号抵触板19和固定螺钉20的组合结构，该组合结构的设置，用于固定顶护盾8和侧护盾9，具体地，在顶护盾8和侧护盾9安装好以后，为了确保顶护盾8和侧护盾9起到更好的支撑固定作用，增设了上述组合结构。

顶护盾8的内侧壁上连接有l型板15，侧护盾9的内侧壁上连接有安装板14，且安装板14活动插接在l型板15内，安装板14和l型板15组合结构的增加，用于起到便捷安装的效果，具体地，在对顶护盾8和侧护盾9进行安装时，可以先期对准安装板14和l型板15的位置，这样可以准确找准顶护盾8和侧护盾9的安装位置，从而快速安装的效果，同时，安装板14和l型板15在设计时，将二者设计为可抵触设置，这样通过该组合结构，可以起到对顶护盾8更好的支撑作用。

安装板14位于l型板15内的一端设置有一号防卡凸起21，防卡凸起21的设置，用于起到防卡的作用，具体地，在安装板14向l型板15内运动时，为了避免被卡住，在安装板14的前进端增加了防卡凸起21，并且防卡凸起21设计呈半圆形结构。

l型板15上开设有移动通孔25，且移动通孔25内活动插接有锁定杆22，锁定杆22上缠绕连接有支撑弹簧26，且支撑弹簧26的两端分别连接在锁定杆22的侧壁上和l型板15的侧壁上，安装板14远离侧护盾9的一端开设有锁定槽23，锁定杆22的一端活动插接在锁定槽23内，锁定杆22、锁定槽23、二号防卡凸起24、移动通孔25和支撑弹簧26组合结构的增加，可以起到锁定安装板14和l型板15的作用，具体地，在将安装板14插接到l型板15内时，通过支撑弹簧26会推着锁定杆22进入到锁定槽23内，从而起到对安装板14和l型板15的锁定，同时在拆分安装板14和l型板15时，可通过夹持设备机械拔出锁定杆22。

锁定杆22位于锁定槽23内的一端设置有二号防卡凸起24，二号防卡凸起24的作用为防卡作用，并且二号防卡凸起24设计呈半圆形结构。

锁定杆22位于锁定槽23外的一端连接有一号限位块27，一号限位块27的设置，一方面，可以起到限位的作用，避免锁定杆22完全的进入到移动通孔25内，另一方面，在拔出锁定杆22时，一号限位块27可以起到更加便捷的拔出效果。

同一号抵触板19上的固定螺钉20数量设置为三个，这样可以起到更好的固定效果。

顶护盾8和侧护盾9之间设置有支撑组件28，支撑组件28的增设，用于起到对顶护盾8和侧护盾9支撑的作用，具体地，在顶护盾8和侧护盾9安装完成以后，为了保证顶护盾8和侧护盾9在泥土软层中受到挤压力作用，可以起到更加稳固的工作，增加了支撑组件28。

支撑组件28包括驱动电机281，驱动电机281固定在顶护盾8的下端面中部上，且驱动电机281的驱动端通过转动轴282转动连接有螺纹杆283，螺纹杆283外螺纹设置有内螺纹移动管284，且内螺纹移动管284的外侧壁连接有限位支撑块286，限位支撑块286上活动插接有限位滑杆285，且限位滑杆285的上端连接在驱动电机281的侧壁上，内螺纹移动管284外活动套设有抵触管288，且抵触管288的外侧壁连接有一号固定杆289的一端，一号固定杆289的另一端固定连接在顶护盾8的下端面上，抵触管288的上端对称抵触设置有两个二号连接杆2815，且二号连接杆2815的一端上固定插接有二号转动杆2814，二号转动杆2814转动插接在二号支撑板2813上，且二号支撑板2813固定连接在内螺纹移动管284的外侧壁上，二号连接杆2815的上端抵触设置有二号抵触块2812，且二号抵触块2812远离二号连接杆2815的一端连接有三号固定杆2811的一端，三号固定杆2811的另一端固定连接在二号固定杆2810的侧壁上，二号固定杆2810固定连接在内螺纹移动管284的外侧壁上，二号连接杆2815的另一端连接有抵触板2816，且抵触板2816与侧护盾9的侧壁抵触设置，驱动电机281采用正反转电机，驱动电机281的型号为s42d110a-macr6s2；

具体地工作原理如下：

启动驱动电机281，驱动电机281会带着螺纹杆283转动，由于螺纹杆283与内螺纹移动管284螺纹设置，且内螺纹移动管284通过限位滑杆285和限位支撑块286的组合进行限位，保证内螺纹移动管284只能在垂直方向上发生运动，因此螺纹杆283的转动，会使得内螺纹移动管284向下运动或者向上运动，内螺纹移动管284的向下运动会进入到抵触管288内，并通过抵触管288推着二号连接杆2815发生旋转，随着二号连接杆2815的继续旋转，会使得二号连接杆2815抵触到二号抵触块2812上，使得二号连接杆2815停止向上旋转，此时，抵触板2816抵触到侧护盾9的侧壁上，从而起到支撑的作用，内螺纹移动管284的向上运动，会使得内螺纹移动管284运动到抵触管288外，使得二号连接杆2815失去向上的抵触里，从而在二号连接杆2815和抵触板2816自重的作用下向下发生旋转，并使得抵触板2816失去对侧护盾9的抵触作用。

限位滑杆285的下端连接有二号限位块287，二号限位块287的设置，用于起到限位的作用，具体地，避免限位滑杆285从限位支撑块286上脱离。

一号固定杆289的数量设置有两个，且来个一号固定杆289关于抵触管288对称设置，这样设置，可以起到更好的支撑固定作用。

预防坍塌装置的工作原理如下：

针对侧护盾9存在缺口的问题，采用一定强度和刚度的弧形钢板将两侧侧护盾延长(封闭侧护盾缺口)超出拱架安装器7位置，此时拱架安装器7已位于侧护盾9内(原拱架安装器7位于侧护盾9后部，在延长的侧护盾9保护下，此时工人可以预先安全的(因拱顶120°范围有mcnally密排钢筋网支护)在延长的盾尾内进行拱架安装，tbm往前推进时，已安装的钢拱架自动脱出盾尾，与拱顶120°mcnally支护系统同时作用，达到预防坍塌的目的。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。