CN113638741B - 一种降低隧道围岩应力的掘进机及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种降低隧道围岩应力的掘进机及其施工方法，包括盾体和刀盘，刀盘上设置有安装孔，刀盘后侧的盾体上设置有与安装孔对应的超前钻孔装置，超前钻孔装置可以通过安装孔在前方的掌子面钻出超前导洞，盾体通过第一轴向伸缩机构连接有第一震动冲击器，第一震动冲击器距刀盘回转中心的距离与超前钻孔装置距刀盘回转中心的距离相等，通过在超前导洞中安装第一震动冲击器，可以对掌子面岩体进行预裂弱化，最后再通过刀盘上的金属刀具对岩体进行破碎。本发明利用震动冲击器对岩层施加冲击力，再使用掘滚刀或刮刀可以轻易能将岩石破碎，大大降低了金属刀具的磨损，延长了其使用寿命，提高了施工效率，降低了施工成本。
Description
技术领域
本发明涉及掘进机掘进机构技术领域，特别是指一种降低隧道围岩应力的掘进机及其施工方法。
背景技术
目前隧道掘进针对于岩层来讲，主要是依靠盘型滚刀挤压岩石达到破碎岩体的目的，其主要克服的是岩石的抗压强度，针对一般强度的岩层其破岩效率尚可。但是，当掘进机掘进过程中碰到较硬的岩石时，滚刀挤压破岩的效率会明显下降，滚刀异常磨损和更换频率的增加，随之带来盾构掘进效率的降低，掘进成本增加。
经检索现有申请公布日为2018.10.26、申请公布号为CN108708738A的发明专利公开了一种实现岩爆预处理的组合式TBM及岩爆预处理掘进方法，涉及隧道及地下工程施工领域，组合式TBM包括超前TBM和扩挖TBM，扩挖TBM包围在超前TBM外侧，超前TBM上搭载有地质钻机、喷水装备、高频振动装备，超前TBM开挖使围岩充分预释放能量，降低岩爆风险。该发明的技术方案应高频振动装备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，但是高频振动装备设置在周向方向，并不能辅助掘进机的滚刀对掌子面前方的硬岩进行有效弱化。
发明内容
针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种降低隧道围岩应力的掘进机及其施工方法，解决了现有掘进机滚刀掘进硬岩时效率低且成本高的技术问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种降低隧道围岩应力的掘进机及其施工方法，包括盾体和刀盘，所述刀盘上设置有安装孔，刀盘后侧的盾体上设置有与安装孔对应的超前钻孔装置，超前钻孔装置可以通过安装孔在前方的掌子面钻出超前导洞，盾体通过第一轴向伸缩机构连接有第一震动冲击器，第一震动冲击器距刀盘回转中心的距离与超前钻孔装置距刀盘回转中心的距离相等，通过在超前导洞中安装第一震动冲击器，可以对掌子面岩体进行预裂弱化，最后再通过刀盘上的金属刀具对岩体进行破碎。
进一步地，所述刀盘上设置有可向前伸缩的小刀盘，可以在掌子面先行掘出超前孔洞，超前导洞有助于第一震动冲击器在超前导洞中震动波的传递和震动增强，使掌子面更加容易预裂，而且安装即使需要更换小刀盘上的刀具，也不会花费过多的更换时间。
进一步地，所述小刀盘的外周设置有第二震动冲击器，能够在第一震动冲击器启动之前对岩体进行超前预裂，也能够与第一震动冲击器同步使用，具有更好的预裂作用。
进一步地，所述小刀盘通过第二轴向伸缩机构设置在刀盘的中心位置，使得震动预裂的穿透性更加优越。
进一步地，所述安装孔与超前钻孔装置成对设置且设置有若干对，安装孔与超前钻孔装置的数量可以根据刀盘的尺寸以及掌子面的岩石硬度进行选择。
进一步地，各个安装孔与刀盘回转中心的距离各不相同。
或者各个安装孔与刀盘回转中心的距离相同且等圆周角分布在刀盘的边缘部分。
所述第一轴向伸缩机构为气动伸缩机构或液压伸缩机构或机械传动伸缩机构；所述第二轴向伸缩机构为液压伸缩机构或机械传动伸缩机构。
一种降低隧道围岩应力的掘进机的施工方法，包括以下步骤：
首先控制刀盘保持静止，使小刀盘向前掘进出超前孔洞，然后启动第二震动冲击器使围岩预裂。
然后控制刀盘旋转使安装孔与超前钻孔装置的钻杆前后对应，启动超前钻孔装置钻出超前钻导洞。
然后控制刀盘旋转至安装孔与超前钻孔和第一震动冲击器相对的位置，控制第一轴向伸缩机构带动第一震动冲击器穿过安装孔，将第一震动冲击器放置在超前超前导洞中。
然后启动第一震动冲击器或同时启动第二震动冲击器作用于岩层，直至岩石弱化。
最后使第一震动冲击器和第二震动冲击器恢复原位，启动刀盘。通过刀盘上的金属刀具挤压或撕裂岩石完成掘进。
进一步地，所述超前钻孔装置的钻头可更换，包括可选择打孔孔径若干，根据岩石硬度情况，计算相应第一震动冲击器和第二震动冲击器的规格，从而确定超前钻孔装置的规格。
进一步地，所述震动冲击器的工作功率可调节，根据不同的岩石硬度，推算出需要的震动频率、深度、振幅，从而调整震动冲击器的工作参数。
本发明利用震动冲击器对岩层施加冲击力，迫使岩层产生震动裂纹，从而达到释放围岩应力，达到降低岩石抗压强度的目的，弱化后的岩石强度降低，脆性增加，岩石内部裂纹拓展多且深，此时掘进机滚刀或刮刀可以轻易能将岩石破碎，大大降低了金属刀具的磨损，延长了其使用寿命，提高了施工效率，降低了施工成本。主动震动降低隧道围岩应力施工方法的另一个特点在于，可以通过多点同时作业加强冲击力的穿透效果，随冲击作业次数的增加，岩层裂隙条数和长度亦会不断发展，裂隙连通性不断增强，形成裂隙网格，加强岩石的弱化作用。本发明不仅适用于硬岩地质的掘进，而且也适用于软岩地层的掘进。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述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为本发明的剖视结构示意图；
图2为本发明中刀盘的正视图；
其中：1、盾体，2、刀盘，3、超前钻孔装置，4、第一震动冲击器，5、小刀盘，6、第二震动冲击器，7、安装孔。
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在没有付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。
实施例1，一种降低隧道围岩应力的掘进机，如图1所示，包括盾体1和刀盘2，所述刀盘2上设置有安装孔7，刀盘2后侧的盾体1上设置有与安装孔7对应的超前钻孔装置3，超前钻孔装置3可以通过安装孔7在前方的掌子面钻出超前导洞。盾体1通过第一轴向伸缩机构连接有第一震动冲击器4，第一轴向伸缩机构为气动伸缩机构或液压伸缩机构或机械传动伸缩机构。第一震动冲击器4距刀盘2回转中心的距离与超前钻孔装置3距刀盘2回转中心的距离相等，通过在超前导洞中安装第一震动冲击器4，可以对掌子面岩体进行预裂弱化，最后再通过刀盘2上的金属刀具对岩体进行破碎。
所述安装孔7与超前钻孔装置3成对设置且设置有若干对，安装孔7与超前钻孔装置3的数量可以根据刀盘2的尺寸以及掌子面的岩石硬度进行选择。如图2所示，各个安装孔7与刀盘2回转中心的距离相同且等圆周角分布在刀盘2的边缘部分。或者各个安装孔7与刀盘2回转中心的距离各不相同。
所述刀盘2上设置有可向前伸缩的小刀盘5，可以在掌子面先行掘出超前孔洞，超前导洞有助于第一震动冲击器4在超前导洞中震动波的传递和震动增强，使掌子面更加容易预裂，而且安装即使需要更换小刀盘5上的刀具，也不会花费过多的更换时间。所述小刀盘5通过第二轴向伸缩机构设置在刀盘2的中心位置，使得震动预裂的穿透性更加优越。所述第二轴向伸缩机构为液压伸缩机构或机械传动伸缩机构。
所述小刀盘5的外周设置有第二震动冲击器6，能够在第一震动冲击器4启动之前对岩体进行超前预裂，也能够与第一震动冲击器6同步使用，具有更好的预裂作用。
实施例2，一种降低隧道围岩应力的掘进机的施工方法，包括以下步骤：
首先控制刀盘2保持静止，使小刀盘5向前掘进出超前孔洞，然后启动第二震动冲击器6使围岩预裂；
然后控制刀盘2旋转使安装孔7与超前钻孔装置3的钻杆前后对应，启动超前钻孔装置3钻出超前钻导洞；
然后控制刀盘2旋转至安装孔7与超前钻孔和第一震动冲击器4相对的位置，控制第一轴向伸缩机构带动第一震动冲击器4穿过安装孔7，将第一震动冲击器4放置在超前超前导洞中；
然后启动第一震动冲击器4或同时启动第二震动冲击器6作用于岩层，直至岩石弱化；
最后使第一震动冲击器4和第二震动冲击器6恢复原位，启动刀盘2。通过刀盘2上的金属刀具挤压或撕裂岩石完成掘进。
进一步地，所述超前钻孔装置3的钻头可更换，包括可选择打孔孔径若干，根据岩石硬度情况，计算相应第一震动冲击器4和第二震动冲击器6的规格，从而确定超前钻孔装置3的规格。
进一步地，所述震动冲击器的工作功率可调节，根据不同的岩石硬度，推算出需要的震动频率、深度、振幅，从而调整震动冲击器的工作参数。
本实施例的结构与实施例1相同。
本发明未详尽之处均为本领域技术人员所公知的常规技术手段。
以上所述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。
Claims (3)
1.一种降低隧道围岩应力的掘进机的施工方法，所述掘进机包括盾体（1）和刀盘（2），其特征在于：所述刀盘（2）上设置有安装孔（7），刀盘（2）后侧的盾体（1）上设置有与安装孔（7）对应的超前钻孔装置（3），盾体（1）通过第一轴向伸缩机构连接有第一震动冲击器（4），第一震动冲击器（4）距刀盘（2）回转中心的距离与超前钻孔装置（3）距刀盘（2）回转中心的距离相等；
所述刀盘（2）上设置有可向前伸缩的小刀盘（5）；
所述小刀盘（5）的外周设置有第二震动冲击器（6）；
所述小刀盘（5）通过第二轴向伸缩机构设置在刀盘（2）的中心位置；
所述安装孔（7）与超前钻孔装置（3）成对设置且设置有若干对；
各个安装孔（7）与刀盘（2）回转中心的距离各不相同；或者各个安装孔（7）与刀盘（2）回转中心的距离相同且等圆周角分布在刀盘（2）的边缘部分；
所述第一轴向伸缩机构为气动伸缩机构或液压伸缩机构或机械传动伸缩机构；所述第二轴向伸缩机构为液压伸缩机构或机械传动伸缩机构；
所述施工方法为：首先控制刀盘（2）保持静止，使小刀盘（5）向前掘进出超前孔洞，然后启动第二震动冲击器（6）使围岩预裂；
然后控制刀盘（2）旋转使安装孔（7）与超前钻孔装置（3）的钻杆前后对应，启动超前钻孔装置（3）钻出超前钻导洞；
然后控制刀盘（2）旋转至安装孔（7）与超前钻孔和第一震动冲击器（4）相对的位置，控制第一轴向伸缩机构带动第一震动冲击器（4）穿过安装孔（7），将第一震动冲击器（4）放置在超前导洞中；
然后启动第一震动冲击器（4）或同时启动第二震动冲击器（6）作用于岩层，直至岩石弱化；
最后使第一震动冲击器（4）和第二震动冲击器（6）恢复原位，启动刀盘（2），通过刀盘（2）上的金属刀具挤压或撕裂岩石完成掘进。
2.根据权利要求1所述的降低隧道围岩应力的掘进机的施工方法，其特征在于：所述超前钻孔装置（3）的钻头可更换，包括可选择打孔孔径若干，根据岩石硬度情况，计算相应第一震动冲击器（4）和第二震动冲击器（6）的规格，从而确定超前钻孔装置（3）的规格。
3.根据权利要求1所述的降低隧道围岩应力的掘进机的施工方法，其特征在于：所述震动冲击器的工作功率可调节，根据不同的岩石硬度，推算出需要的震动频率、深度、振幅，从而调整震动冲击器的工作参数。
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