实现岩爆预处理的组合式TBM及岩爆预处理掘进方法

技术领域

本发明涉及隧道及地下工程施工领域，具体而言，涉及一种实现岩爆预处理的组合式TBM(Tunnel Boring Machine，全断面隧道掘进机)及岩爆预处理掘进方法。

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。

在隧道建设施工过程中，围岩级别为I类围岩中常发生岩爆，岩爆是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下的突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象。国内外对岩爆的预处理措施总的来说有两种方法：第一种是预释放岩体中的高能量；第二种是采用围岩支护技术增强岩体储能能力。但由于TBM机械系统过于庞大，TBM对地质条件的适应性较差，目前搭载于庞大TBM上的岩爆预处理措施对复杂地质洞段岩爆问题的预处理不够灵活，TBM会被迫直接接触高强度的岩爆，往往会造成TBM机械被卡、被埋甚至机械报废的严重事故，对现场施工人员人身安全构成威胁。

如今在隧道等工程中，工程地质条件越来越复杂，高应力、强岩爆隧道增多，TBM及掘进方法应对岩爆问题存有很大局限性，因此研究并优化适用于TBM掘进方法的岩爆预处理措施成为必然。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现岩爆预处理的组合式TBM，其实现超前TBM与扩挖TBM组合开挖形式，超前TBM开挖使围岩充分预释放能量，大幅降低岩爆风险，超前TBM上搭载有各种岩爆预处理措施，既能防止自身遭遇岩爆，又能保证扩挖TBM在掘进工作时不再遭遇岩爆，有利于提高破岩效率。

本发明的另一目的在于提供一种岩爆预处理掘进方法，在开挖时进行围岩能量预释放，同时灵活预处理掘进过程中遭遇的岩爆问题，克服因TBM机械系统过于庞大造成的局限性，保障人身安全。

本发明的实施例是这样实现的：

一种实现岩爆预处理的组合式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上搭载有用于对掌子面前方或围岩洞壁钻掘超前钻孔或应力释放孔的地质钻机，用于向掌子面前方或围岩喷水的喷水装备，用于向围岩激发振动的高频振动装备。

在本发明较佳的实施例中，上述地质钻机包括钻杆和电机，电机驱动钻杆转动，对掌子面前方或围岩洞壁钻掘超前钻孔或应力释放孔。

在本发明较佳的实施例中，上述喷水装备包括水泵、水管、喷头、喷嘴和止水阀，水管的两端分别连接水泵和喷头，喷头上设置有喷嘴，喷头可以伸入超前钻孔或应力释放孔内。

在本发明较佳的实施例中，上述高频振动装备包括高频振动器和传振杆，高频振动器与传振杆连接，高频振动器可带动传振杆振动，传振杆可伸入围岩洞壁上的应力释放孔内。

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；

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；

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；

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。

一种基于上述的实现岩爆预处理的组合式TBM的岩爆预处理掘进方法，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，并拽回所述超前TBM；

S3、启动地质钻机，在超前TBM对应的围岩洞壁钻掘多个应力释放孔，然后启动喷水装备，向应力释放孔内喷水，接着启动高频振动装备，向应力释放孔内激发振动；

S4、启动扩挖TBM，使扩挖TBM向前掘进一个行程；

S5、重复步骤S1-S4，直至完成洞室开挖。

在本发明较佳的实施例中，在超前TBM向前掘进的过程中，若掌子面前方出现岩爆危险区域，停止超前TBM，启动地质钻机，在掌子面钻掘超前钻孔，再启动喷水装备，向超前钻孔内喷水，进行水力压裂处理，释放高应力后重新启动超前TBM。

本发明实施例的有益效果是：本发明实施例的实现岩爆预处理的组合式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上搭载有用于对掌子面前方或围岩洞壁钻掘超前钻孔或应力释放孔的地质钻机，用于向掌子面前方或围岩喷水的喷水装备，用于向围岩激发振动的高频振动装备，该实现岩爆预处理的组合式TBM实现超前TBM与扩挖TBM组合开挖形式，超前TBM开挖使围岩充分预释放能量，大幅降低岩爆风险，超前TBM上搭载有各种岩爆预处理措施，既能防止自身遭遇岩爆，又能保证扩挖TBM在掘进工作时不再遭遇岩爆，有利于提高破岩效率。本发明实施例的岩爆预处理掘进方法在开挖时进行围岩能量预释放，同时灵活预处理掘进过程中遭遇的岩爆问题，克服因TBM机械系统过于庞大造成的局限性，保障人身安全。

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实现岩爆预处理的组合式TBM在超前TBM工作时的结构示意图；

图2为图1所示的实现岩爆预处理的组合式TBM在使用地质钻机进行钻掘应力释放孔时的结构示意图；

图3为图1所示的实现岩爆预处理的组合式TBM在使用喷水装备进行喷水软化处理时的结构示意图；

图4为图1所示的实现岩爆预处理的组合式TBM在使用高频振动装备进行高频振动处理时的结构示意图；

图5为图1所示的实现岩爆预处理的组合式TBM在使用地质钻机进行钻掘超前钻孔时的结构示意图；

图6为图1所示的实现岩爆预处理的组合式TBM在使用喷水装备进行水力压裂处理时的结构示意图。

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；137-油压缸；138-后支撑Ⅰ；139-后支撑Ⅱ；140-地质钻机；141-钻杆；142-电机；150-喷水装备；151-水泵；152-水管；153-喷头；154-喷嘴；155-止水阀；160-高频振动装备；161-高频振动器；162-传振杆；171-应力释放孔；172-超前钻孔。

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。

参照图1至图6所示，本实施例提供一种实现岩爆预处理的组合式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之间预留间隙，超前TBM110上搭载有用于对掌子面前方或围岩洞壁钻掘超前钻孔172或应力释放孔171的地质钻机140，用于向掌子面前方或围岩喷水的喷水装备150，用于向围岩激发振动的高频振动装备160。超前TBM110用以洞室的试探性开挖(即开挖超前导洞)，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；且超前TBM110开挖使围岩充分预释放能量，大幅降低岩爆风险，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上搭载有各种岩爆预处理措施：地质钻机140、喷水装备150和高频振动装备160，既能防止自身遭遇岩爆，又能保证扩挖TBM120在掘进工作时不再遭遇岩爆，有利于提高破岩效率。

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。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137，利用可伸缩式护盾130和油压缸137实现超前TBM110或扩挖TBM120的支护。

参见图1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，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。

参见图1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，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。

参见图2所示，地质钻机140包括钻杆141和电机142，电机142驱动钻杆141转动，对掌子面前方或围岩洞壁钻掘超前钻孔172或应力释放孔171。本实施例中，钻杆141具有一定的长度，钻杆141可穿过通孔垂直于围岩洞壁，对围岩洞壁钻掘应力释放孔171，应力释放孔171能起到应力释放作用。

当超前TBM110前方出现岩爆危险区域，地质钻机140还可以用于在掌子面钻掘一个超前钻孔172，超前钻孔172能起到应力释放作用，具体的结构参见图5所示：超前TBM110的刀盘Ⅰ111的中心位置设有通孔，钻杆141可穿过通孔垂直于掌子面，对掌子面钻掘超前钻孔172。

参见图3所示，喷水装备150包括水泵151、水管152、喷头153和止水阀155，水管152的两端分别连接水泵151和喷头153，喷头153可以伸入围岩洞壁上的应力释放孔171内。本实施例中，喷头153上还设置有喷嘴154，水管152伸入围岩洞壁上预先钻好的应力释放孔171内，喷头153喷射的水流方向垂直于应力释放孔171的轴线方向，水从喷嘴154喷出冲刷岩体，软化岩石，降低围岩强度，释放能量，减小岩爆发生风险。

当超前TBM110前方出现岩爆危险区域，喷水装备150还可以用于向掌子面上的超前钻孔172内喷水，进一步破碎岩体，降低岩体的完整性，释放高应力，具体的结构参见图6所示：水管152从超前TBM110的刀盘Ⅰ111上的通孔穿出，伸入超前钻孔172内，水从喷嘴154喷出压裂岩体。

参见图4所示，高频振动装备160包括高频振动器161和传振杆162，高频振动器161与传振杆162连接，高频振动器161可带动传振杆162振动，传振杆162可伸入围岩洞壁上的应力释放孔171内。本实施例中，传振杆162伸入围岩洞壁上钻取的应力释放孔171内，高频振动器161带动传振杆162产生高频振动，振动激发冲击围岩洞壁岩体，岩体内的裂隙加速扩展，达到应力释放的效果，降低岩爆发生风险。

参见图1所示，本发明实施例还提供一种基于上述的实现岩爆预处理的组合式TBM100的岩爆预处理掘进方法，其包括以下步骤：

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，并用拖车拽回所述超前TBM至初始位置。超前TBM110开挖超前导洞，实现隧道应力预释放。

超前TBM110具体工作过程为：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130和油压缸137提供支护。

在超前TBM110向前掘进的过程中，若掌子面前方出现岩爆危险区域，立即停止超前TBM110，确定岩爆危险区域具体范围后，设定待钻取超前钻孔172的半径和深度。参见图5所示，启动地质钻机140，在掌子面钻掘一个超前钻孔172，超前钻孔172能起到应力释放作用。参见图6所示，再启动喷水装备150，向超前钻孔172内喷水，具体是将喷嘴154放置到超前钻孔172内，并进行固定，打开止水阀155，高压水从喷嘴154喷出切入岩体裂隙中，进一步破碎岩体，降低岩体的完整性，释放高应力，减小岩爆发生风险，实现超前TBM110岩爆预处理；达到预期致裂效果后，关闭止水阀155，收回喷头153和喷嘴154，停止高压喷水，重新启动超前TBM110。

S3、参见图2所示，启动地质钻机140，在超前TBM110对应的围岩洞壁钻掘多个应力释放孔171，需钻掘的应力释放孔171的数量由超前导洞长度及围岩高应力程度决定，应力释放孔171的深度大于扩挖TBM120外半径，应力释放孔171延伸到扩挖TBM120开挖区域外，即在扩挖TBM完成正洞开挖后，围岩洞壁仍存在一定深度的应力释放孔171，缓解开挖后围岩洞壁存在的应力集中，给围岩提供一定的变形空间。

参见图3所示，然后启动喷水装备150，向应力释放孔171内喷水，具体是将喷水装备150的喷嘴154放置到应力释放孔171内，并进行固定，打开止水阀155，水从喷嘴154喷出冲刷岩体，软化岩石，冲刷完毕后，关闭止水阀155，停止喷水，收回喷头153和喷嘴154。

参见图4所示，接着启动高频振动装备160，向应力释放孔171内激发振动，具体是将高频振动装备160的传振杆162放置到应力释放孔171内，并进行固定，使高频振动器161产生高频振动，由传振杆162激发振动，冲击围岩洞壁岩体。

本实施例中的步骤S3实现后续扩挖TBM120岩爆预处理。

S4、启动扩挖TBM120，使扩挖TBM120向前掘进一个行程。

扩挖TBM120具体工作过程为：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130和油压缸137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。

S5、重复步骤S1-S4，直至完成洞室开挖。

综上所述，本发明的实现岩爆预处理的组合式TBM实现超前TBM与扩挖TBM组合开挖形式，超前TBM开挖使围岩充分预释放能量，大幅降低岩爆风险，超前TBM上搭载有各种岩爆预处理措施，既能防止自身遭遇岩爆，又能保证扩挖TBM在掘进工作时不再遭遇岩爆，有利于提高破岩效率。本发明的岩爆预处理掘进方法在开挖时进行围岩能量预释放，同时灵活预处理掘进过程中遭遇的岩爆问题，克服因TBM机械系统过于庞大造成的局限性，保障人身安全。

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。