[发明专利]一种适用于极硬岩地层掘进与岩爆防控的TBM装置及方法

说明书

一种适用于极硬岩地层掘进与岩爆防控的TBM装置及方法，所述装置包括TBM刀盘、TBM护盾、水刀喷头、钢质水管、内载高压水泵、滑槽和进水管路，还包括在TBM刀盘的辐条上预设圆孔。圆孔穿入带水刀喷头的钢质水管，钢质水管连接到TBM装置内部设置的内载高压水泵；每个所述水刀喷头、钢质水管以及内载高压水泵形成的整体沿机器内部的滑槽移动或固定，从而调整水刀喷头伸出TBM刀盘的距离。所述方法包括岩爆发生潜在风险等级较低时和岩爆发生潜在风险等级较高时掘进与岩爆的防控方法。本发明的装置构造简易，但设计新颖、适用；本发明工作方法对实现极硬岩地层破岩掘进与岩爆防控具有重要的指导作用。

技术领域

本发明涉及一种适用于极硬岩地层掘进与岩爆防控的TBM装置及方法，属掘进施工机械设备技术领域。

背景技术

全断面隧道掘进机（Full Face Tunnel Boring Machine，以下简称TBM）由于其施工效率高、隧洞成型好、作业环境安全等诸多优势，目前已广泛应用于我国的深埋长大隧道建设中。在TBM掘进过程中，经常遭遇极硬岩地层，特别是埋深较大、地应力水平较高时，部分施工问题逐步显现。首先，TBM通过系统提供推力和扭矩促使刀盘上的盘形滚刀循环滚压掌子面岩体，当岩体强度高且围压较大时，将抑制裂纹向深部扩展贯通，从而大大降低破岩掘进效率；一味地提高推力和扭矩无法有效破岩，且将导致刀圈损坏及机器耗能升高，而采用窄刃滚刀虽然可以在一定程度上提升破岩效率，但也会造成刀圈磨耗严重、频繁换刀等问题，影响施工进度。此外，该类地层环境中岩爆发生概率较高，给TBM掘进作业带来安全隐患。

目前所采用的超前钻孔卸压方法卸载面积小、作业效率低，且该类接触式的方法也存在一定的施工风险。

因此，为了实现在极硬岩地层特别是深埋高围压情况下的TBM安全、高效掘进作业，需要对目前常规的TBM掘进机械进行改装更新，从而提出一种简易可行的装置及工作方法。

发明内容

本发明的目的是，为了实现在极硬岩地层特别是深埋高围压情况下的TBM安全、高效掘进作业，提出一种适用于极硬岩地层掘进与岩爆防控的TBM装置及方法。

实现本发明的技术方案如下，一种适用于极硬岩地层掘进与岩爆防控的TBM装置，包括TBM刀盘、TBM护盾、水刀喷头、圆孔、钢质水管、内载高压水泵、滑槽、进水管路、TBM盘形滚刀和高压水刀。在所述TBM刀盘的辐条上预设圆孔若干；所述圆孔布置于两两相邻盘形滚刀之间，沿TBM刀盘转动方向领先盘形滚刀所在轴线一个相位角差Δφ；每个圆孔穿入一端带水刀喷头的钢质水管，钢质水管另一端连接到TBM装置内部设置的内载高压水泵；所述水刀喷头、钢质水管以及内载高压水泵形成的整体可沿机器内部的滑槽移动以及固定，从而调整水刀喷头伸出TBM刀盘的距离。

一种适用于极硬岩地层掘进与岩爆防控方法，包括岩爆发生潜在风险等级较低时和岩爆发生潜在风险等级较高时掘进与岩爆的防控方法。

当岩爆发生潜在风险等级较低时，则通过水刀切割掌子面成槽，促进相邻滚刀滚压岩面过程中侧向裂纹的扩展并与水刀切割沟槽贯通完成高效破岩，步骤如下：

（1）根据掌子面岩体强度选择适当的水压，采用外部水源供水并通过内载高压水泵调整水刀压力至切割浅槽水平。

（2）通过机器内部滑槽移动高压水泵及钢质水管并最终固定，从而调整水刀喷头伸出TBM刀盘的距离为最短并固定，确保盘形滚刀滚压掌子面岩体过程中水刀喷头不接触岩面以及破碎的岩片。

（3）启动高压水泵形成高压水刀，与此同时提供刀盘足够推力及扭矩，促使先行高压水刀切割掌子面成槽，后行TBM滚刀滚压破碎岩面。

当岩爆发生潜在风险等级较高时，则需要通过水刀切割深槽释放围岩压力，步骤如下：