[发明专利]大直径小转弯隧道TBM掘进方向姿态调控方法

权利要求书

1.一种大直径小转弯隧道TBM掘进方向姿态调控方法，其特征在于，TBM为新型敞开式TBM，包括前盾和支撑盾、分组推进油缸、支撑靴及撑靴油缸、扭矩油缸及扭矩臂，支撑盾的后部主梁通过拖拉油缸与设备桥相连，拖拉油缸设有两根、且左右并排分布，通过调整两根拖拉油缸的行程差，实现对设备桥的姿态调整；刀盘设置于前盾的前侧，多个推进油缸分为ABCD四组，TBM上、下、左、右四个位区中推进油缸相互平行，且TBM在转弯过程中所有推进油缸均保持平行；这种新型TBM在直径≥8m的大直径隧道内进行转弯半径≤300m的小转弯掘进，包括以下步骤：

S1、TBM距离曲线隧道转弯半径切入点的距离大于TBM主机长度的位置时，确定TBM在曲线隧道中的位置和姿态；

S2、TBM距离转弯半径切入点的距离等于TBM主机长度的位置时，通过调整TBM的上、下、左、右四个位区中推进油缸的伸长量，形成推进油缸的行程差，对TBM前盾和刀盘的位置进行调控，并通过控制支撑盾上的左右支撑靴的伸长量，控制支撑盾的位置姿态，使其开始向曲线隧道转弯段内弯方向掘进，随着TBM向前掘进，TBM掘进轴线和隧道设计轴线逐渐偏离，且TBM逐渐向转弯段内弯偏离；在TBM到达转弯段切入点时，TBM掘进轴线和隧道设计轴线偏差达到最大，且不超过隧道设计轴线的最大允许偏差：

第一种情况下，TBM从直线段到曲线段的过渡段进行掘进，推进油缸的行程差值计算步骤如下：

利用公式（1）确定TBM在过渡段所需要的掘进步数：

                                               （1）

其中，N为TBM掘进步数；为支撑靴中心到前盾支撑点的距离，为前盾中心到前盾支撑点的距离，s为掘进距离，函数表示不小于某个数的最大整数；

在转弯半径确定的条件下，利用公式（2）确定刀盘掘进距离与刀盘偏转角度的关系：

                                       （2）

其中，α为刀盘偏转角度，R为转弯段的半径；

根据TBM在掘进过程中的几何关系确定每掘进一步时推进油缸行程差值；当TBM在第一种情况下步进到第n步时（），得出刀盘总的偏转角度，同时根据辅助线和几何关系得出下列计算公式：

；；；；；；；；；；；；；；其中，为支撑靴中心到直线段和曲线段相切点的距离；d为推进油缸分布节圆直径；为支撑靴中心到支撑盾前面板的距离；为内侧推进油缸的总长度；为外侧推进油缸的总长度；

根据上式的计算可以得出在TBM在转弯半径为R的隧道中从初始时刻开始，刀盘每掘进一步时的推进油缸内外侧的行程差值：

；

第二种情况下，利用公式（3）确定初始状态下刀盘与支撑靴的偏转角度：

                                         （3）

其中，N为第一种情况下TBM掘进步数总和；

利用以下公式（4）确定刀盘掘进距离与刀盘偏转角度的关系：

                                      （4）

根据TBM在掘进过程中的几何关系确定每一步的推进油缸行程差值：

；；；；；；；；；；；其中，刀盘向前掘进s后与支撑靴的角度；d为推进油缸分布节圆直径；为支撑靴中心到支撑盾前面板的距离；为内侧推进油缸的总长度；为外侧推进油缸的总长度；

根据上式的计算可以得出TBM在纯曲线段掘进时，刀盘每掘进一步时的推进油缸内外侧的行程差值：

；

S3、在TBM距离转弯段切入点为TBM主机长度一半位置时，通过调整TBM使其提前保持转弯姿态；

S4、在TBM前盾和刀盘刚进入转弯段时，调整TBM的掘进方向，使TBM掘进轴线开始逐步向曲线隧道设计轴线拟合；

S5、在TBM转弯掘进过程中，调整TBM掘进参数并对TBM的位置和姿态定位。

2.根据权利要求1所述的大直径小转弯隧道TBM掘进方向姿态调控方法，其特征在于：步骤S1中，通过TBM上的导向视觉识别系统以及现场测量TBM的姿态来确定TBM的位置和姿态，所述导向视觉识别系统包括全站仪、后视棱镜、支撑盾盾尾的激光靶、支撑盾盾前的相机和前盾盾后的MARK灯。