[发明专利]敞开式TBM环形钢构支护施工方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种隧道开挖及支护工程全断面硬岩掘进机（TBM）施工技术，特别是涉及一种敞开式TBM面对破碎围岩等不良地质条件的施工方法。

背景技术

敞开式TBM最大的优势是因为其“敞开”的特点，在其短护盾以后的区域，围岩处于临空状态，使得锚网喷等支护易于实现。但也正是由于这一特点，当面临破碎围岩等不良地质条件时，处于临空状态的破碎围岩将坍塌、跌落，不仅给在此作业的人员、设备带来极大安全威胁，而且在这种情况下实施的支护作业效率极低，且效果不佳；此外坍塌跌落的碎石全部堆积在洞底，由于底部空间有限，又需要花费大量的人工和时间去清除，而围岩塌落形成的塌腔又需要回填大量砼，费工费时、成本高。根本显现不出TBM高效、安全、环保的优势，反而不如传统钻爆法灵活。因此一旦破碎带地质条件在整个掘进洞段占比较多时，TBM掘进进度更多有赖于围岩的好坏，极大地限制了敞开式TBM的广泛应用。

钢拱架或称环形梁是处理破碎围岩等不良地质重要的手段，一般是由H型钢弯曲成的环形结构，当面对状况较差、类别达到IV级、V级围岩的不良地质条件时，隧洞一般在锚网喷的基础上增加钢拱架支护。敞开式TBM利用自身配备的钢拱架安装器在护盾后方直接面对围岩安装钢拱架，但总体机械化程度不高，大量工作需要在洞内完成，主要依靠劳动力，综合效率很低、成本高，且效果不佳。现有TBM安装钢拱架与钻爆法类同，都是将单榀钢拱架分段设计成标准节在加工厂制作。然后将每节拱架运输至洞内拼装成完整的一榀拱架，并用锚杆锁定。随TBM向前掘进一定间距后，再次安装下一榀钢拱架，并用连接筋间隔将两榀钢拱架焊接在一起，与锚喷支护一起形成隧洞的初期支护。如附图1现有敞开式TBM安装钢拱架施工方法示意图所示，与钻爆法不同的是，TBM安装方法首先是将钢拱架预拼装在拱架存储环上，预先形成环形，然后由机械手将存储环上的钢拱架抓取出来，接着撑开钢拱架并将其压紧在围岩上，紧固标准节之间的螺栓，安装最后一节非标准节完成整圈钢拱架的安装，并用锚杆5锁定；附图1中标记1为拼装在存储环上的钢拱架、2为机械手抓取出来的钢拱架、3为机械手撑开的钢拱架、4为已经安装好的钢拱架。在此之前需要对洞底进行彻底清理，以确保钢拱架安装空间。同时利用钢拱架运输设备将钢拱架输送到钢拱架安装器。不同的TBM采用的钢拱架安装器和输送设备形式不同，但实现的功能大致相同。这个过程并不复杂，但实际操作却苦难重重，存在诸多不利因素，如下：

虽然TBM预拼装钢拱架标准节可在护盾内的拱架存储环上完成，但随后撑开压紧在围岩上的过程需要在紧跟护盾后的位置完成。由于已经失稳的破碎围岩无可避免的陆续掉落甚至坍塌。为了安装钢拱架，跌落在洞底的岩渣必须被清理腾出拱架安装空间，处于顶拱和腰拱随时要跌落的破碎围岩也要清理出来，这些工作都必须由人工完成。而且塌方掉块较多时，由于没有其它手段辅助，人工清理极其费时，也非常不安全；

如附图2现有敞开式TBM钢拱架在存储环内的拼装示意图所示，现有的TBM安装钢拱架需要将分段制造的标准节预先拼装在钢拱架安装器存储环6上，由于钢拱架直径远大于存储环直径，最后一节标准节只能重叠在第一节外侧或上面，而每一节标准节都需要开通孔以便让位于存储仓上的销子7临时固定。拱架和存储环直径的不一样同时也造成每一节标准节开孔的位置其实是不一样的，这给实际操作带来比较大的麻烦，我们注意到施工人员往往是在拼装过程中根据实际情况现场临时开孔，这样的工效可想而知。也有的存储环预拼钢拱架的方式是在存储环外圈上固定，由于拱架的刚性作用，这种方式实际更难操作；