一种敞开式TBM施工快速支护系统及方法与流程

本发明涉及tbm施工，具体涉及一种敞开式tbm施工快速支护系统及方法。

背景技术：

1、tbm施工大概分为五个阶段。第一阶段：采用同心多把多径多圆的多把滚刀，在前方掌子面铅垂面上，滚压破碎围岩进行开挖→刀盘面板支护。第二阶段：随着tbm设备向前掘进移动，被刀具破碎后围岩洞壁由tbm护盾支护。护盾一般由五块组成，分别为顶护盾(1块)、侧护盾(左右各1块)、底护盾1块组成。护盾长度一般为5～6m。第三阶段：随着tbm继续掘进向前移动，围岩洞臂脱出护盾完全暴露，进入tbm的l1(leam1，主梁1区)区，该区长度一般为70～100m，该区为钢架、锚杆、网片安装区，一般不设置喷射混凝土系统。第四阶段：随着tbm继续掘进向前移动，围岩洞臂不断脱出护盾，进入tbm的l1(leam1，主梁1区)区，在该区跟进安装钢架、锚杆、网片，但因缺少喷射混凝土系统而无法喷射混凝土，直到该l1区完全暴露的长度超过70～100m至l2区(leam2，主梁2区)后，才能用l2区喷射混凝土系统喷射混凝土完成最终初期支护。第五阶段：在tbm后配套拖车尾部，如同钻爆法隧道一样施作拱墙二衬，完成隧道最终支护。

2、一般稳定地质情况下，按上述五个阶段可以正常施工，但遇到不良地质情况时，往往受难以及时支护影响诱发隧道安全险情。当隧道遇断层泥及蚀变带时，在第一阶段的刀盘因为开敞式不密闭无法像盾构一样保压，极易发生刀盘前方的突泥涌水，此时就需要停机提前施作超前大管棚，甚至帷幕注浆。当隧道遇岩爆、节理密集带、断层破碎带等时，在第二阶段的围岩洞臂在刀盘与盾尾之间的护盾背后已经出现了大量掉落的破碎岩块体，一旦脱出护盾，还来不及安装钢架、锚杆、网片，就出现岩块的剥落、掉块甚至坍塌，而且还挤压护盾导致变形失圆。目前该类问题受限于l1区的锚杆钻机只能在铅垂圆上径向打设、钢架安装机重量较大安装速度较慢、喷射混凝土污染机械设备密封、混凝土运输系统受限、通风质量差等原因影响，还未通过tbm搭载常态化设备机具管路解决上述问题。因此不良地质下tbm施工严重威胁施工人员、设备安全，降低施工效率。

技术实现思路

1、本发明针对tbm在不良地质条件下施工，尤其是敞开式tbm在不良地质条件下施工时，能够及时对前方探测的不良围岩进行快速支护，保障施工人员、设备的安全，同时提高施工效率，设计了一种敞开式tbm施工快速支护系统及方法。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、设计一种敞开式tbm施工快速支护系统，包括钢拱架拼装机构、钢拱架撑紧机构、锚杆支护机构和混喷机构，

4、所述钢拱架拼装机构包括旋转环、浮动支撑组件、固定支撑轮、支撑驱动轮组；

5、所述钢拱架撑紧机构包括操作平台、撑紧装置、行走装置；

6、所述锚杆支护机构包括上部锚杆钻机和下部锚杆钻机；

7、所述混喷机构包括设置在上部锚杆钻机后方的第一混凝土喷射装置、设置在下部锚杆钻机后方的第二凝土喷射装置，以及分别与第一混凝土喷射装置和第二凝土喷射装置对应连接的混凝土输送泵。

8、优选的，所述钢拱架拼装机构设置在l1区最前端，位于盾体内，所述固定支撑轮通过轴承与连杆铰接在支撑驱动轮组上，支撑驱动轮组上设置有传动齿轮，在旋转环内侧设置有与传动齿轮相配合的啮合齿；支撑驱动轮组固定在l1主梁上，支撑驱动轮组上设有驱动电机，驱动电机带动传动齿轮转动实现旋转环的旋转。

9、优选的，所述固定支撑轮和支撑驱动轮组分别设有两组。

10、优选的，所述浮动支撑组件包括设置在l1主梁上的支撑架、设置在支撑架两侧的液压千斤顶，以及与液压千斤顶伸缩杆前端铰接的浮动支撑轮，通过液压千斤顶顶伸作用，实现浮动支撑轮的上下移动；在进行拱架拼装成环作业时，液压千斤顶带动浮动支撑轮收回，将钢拱架固定在浮动支撑轮与旋转环之间。

11、优选的，所述操作平台用于工人对拱架进行固定操作，撑紧装置通过油缸驱动机械臂前后位移实现对钢拱架撑紧，行走装置为钢拱架撑紧机构提供一定范围内的行程移动。

12、优选的，所述上部锚杆钻机相对于下部锚杆钻机后置0.8m，且上部锚杆钻机相对于下部锚杆钻机或横剖面前倾10°。

13、优选的，所述混凝土输送泵设置在设备桥区域。

14、本发明还涉及一种敞开式tbm施工快速支护方法，使用上述支护系统，包括下列步骤：

15、(1)不良地质探测预警：针对断层泥及蚀变带、岩爆、节理密集带等不良地质融合搭载超前激发极化探测、破岩震源主动探测、微震检测设备，自动探测不良地质，对掌子面地质风险进行综合探测、精准预报；

16、(2)根据tbm不良地质探测预警结果，针对不良地质采用(3)(4)(5)(6)步骤进行隧道快速支护；

17、(3)采用不良地质快速支护措施，应对不良地质掘进开挖：在tbm的l1区段设置了快速支护系统，具体包括：钢拱架安装、打入锚杆、喷射混凝土初支；

18、(4)钢拱架安装：通过钢拱架拼装机构进行安装，钢拱架先安装在旋转环下部，然后通过自转将拱架旋转至上部，然后通过撑紧装置将钢拱架固定在围岩结构上；

19、(5)锚杆支护：采用上部锚杆钻机对隧道上部180°范围进行支护，采用下部锚杆钻机对隧道下部180°范围进行支护；

20、(6)喷射混凝土：对施作钢拱架和锚杆的隧道围岩左右125°范围进行混喷，混喷系统布置在锚杆钻机系统后方，混凝土输送泵布置在设备桥区域。

21、本发明对钢拱架拼装机进行了轻量化设计，与传统钢拱架拼装机由旋转环和支撑环构成相比，步骤(4)拼装机构中的支撑环换成支撑轮组，大大降低了拼装机构的重量。

22、步骤(5)中，对上部锚杆钻机增加了前倾功能。上部锚杆钻机通过后退0.8m实现向前倾斜10°(相对于下部锚杆钻机后置0.8m)。使得上部锚杆钻机可对护盾前0.6m范围内进行锚杆支护，增加了上部锚杆钻机支护范围。同时上部锚杆钻机负责对隧道上部180°范围进行支护。增加了下部锚杆钻机，负责对隧道下部180°范围进行支护。与传统tbm锚杆支护仅能对上部180°范围进行支护相比，提升对隧道初支强度施工安全性更高。

23、所述步骤(6)中，混喷系统是l1区常驻支护设备，与以往临时布设在l1区的混凝土喷射装置相比，其特征在于，可在锚杆钻机平台上进行移动。

24、在现有技术方案中存在以下问题：

25、一是钢拱架安装机笨重，安装时间长。现场使用情况来看，拱架提前放置在拼装器后，立拱架不清渣的情况下，工作时间在30分钟左右；拱架提前放置在拼装器且不清渣的情况下，从放拱架到拼装器上再到拼完约55分钟；需要清渣最少要多出20分钟左右。

26、二是锚杆钻机不具备倾斜功能，锚杆钻机范围小、操作不灵活。现场使用情况来看，同时锚杆钻机施工范围仅左右120范围，无法对隧道拱脚进行支护。

27、三是tbm施工l1区不具备或只是临时搭载喷射混凝土设备。对于l1区没有搭载喷射混凝土设备的tbm，随着tbm掘进向前移动，围岩洞臂不断脱出护盾，直到该l1区完全暴露的长度超过70～100m至l2区(leam2，主梁2区)后，才能用l2区喷射混凝土系统喷射混凝土完成最终初期支护。对于临时搭载喷射混凝土设备的tbm，临时混凝土输送泵、速凝剂泵、控制柜集成在一起(简称“集成装置”)布置在后配套5号拖车处，并在主机尾部预留了控制、管路接口。从现场反应情况来看：对生产组织有一定影响，须提前准备平板车用于将集成装置从5号拖车移至主机尾部；其次l1区喷浆作业时，混凝土输送集成装置及混凝土罐车长时间停在主机尾部，影响其它物料(仰拱块、锚杆、钢拱架)转用；若使用l2区混凝土输送泵向l1区喷浆机械手直接泵送混凝土，由于距离长会造成堵管。

28、本发明的技术方案的有益效果在于：一是对钢拱架拼装机构进行了轻量设计，通过支撑轮组替换支撑环，大大减轻了拱架拼装机构的重量，同时各个支撑轮之间的空间相比支撑环更大，清渣速度更快，为钢拱架拼装节省了更多时间。二是通过让上部锚杆钻机后退0.8m实现向前倾斜10°的能力，增加了上部锚杆钻机的支护范围，同时增加了下部锚杆钻机负责对隧道下部180°进行支护，使得整个锚杆支护系统能对隧道全环进行支护。三是在l1区常态化搭载混凝土喷射装置，同时在设备桥区域设置混凝土输送泵，减少了对tbm尾部运输空间的占用。

29、采用本发明中的敞开式tbm施工快速支护系统，拱架成环与安装速度更快、拱架拼装机构更容易清洗。锚杆支护钻孔范围更大。两套锚杆支护设备可以实现对tbm施工断面的全环支护。