开敞式全断面岩石掘进机用支护系统及支护方法

304 编辑：中冶有色技术网来源：盾构及掘进技术国家重点实验室

2024-01-12 14:06:05

权利要求书： 1.一种开敞式全断面岩石掘进机用支护系统，其特征在于，包括钢筋排存储安装组件、钢拱架安装器、锚杆钻机、超前钻机和临时喷浆机械手；

所述钢筋排存储安装组件设置在掘进机顶护盾上，包括在掘进机顶护盾顶部依次排列并固定的横截面为形的隔板，相邻的两个隔板之间形成的空腔为钢筋排存储腔，护盾钢筋排预装在所述存储腔内；

所述钢拱架安装器包括支撑架和钢拱架抓取机械手，所述支撑架滑动安装在顶护盾下方的掘进机主梁上，所述钢拱架抓取机械手安装在所述支撑架上；

所述锚杆钻机、超前钻机和临时喷浆机械手分别设置在掘进机顶护盾后侧的主梁上；

所述支撑架围绕掘进机主梁的外周面套装在主梁上，在主梁的外周面上设有多个滑行轨道，在所述支撑架上的对应位置处设有滑块，所述滑块安装在所述滑行轨道内，通过水平油缸驱动支撑架在主梁上沿所述滑行轨道做往复运动；

所述钢拱架机械手包括抓取组件和伸缩油缸，所述抓取组件通过伸缩油缸安装在所述支撑架上。

2.根据权利要求1所述的开敞式全断面岩石掘进机用支护系统，其特征在于，所述滑行轨道为四组，两两对称设置在掘进机主梁的外周面上。

3.根据权利要求1所述的开敞式全断面岩石掘进机用支护系统，其特征在于，所述钢拱架抓取机械手为4?8组，等距分布在所述支撑架的外周面上。

4.根据权利要求1所述的开敞式全断面岩石掘进机用支护系统，其特征在于，所述锚杆钻机、超前钻机和临时喷浆机械手共用一套平移回转机构，所述平移回转机构包括环形旋转支架、行走梁和直线油缸，所述环形旋转支架设置在掘进机主梁的外周，所述环形旋转支架与所述行走梁配合安装在一起，所述直线油缸带动所述行走梁和环形旋转支架沿掘进机主梁做往复运动，所述锚杆钻机、超前钻机和临时喷浆机械手分别安装在所述环形旋转支架上。

5.根据权利要求1所述的开敞式全断面岩石掘进机用支护系统，其特征在于，所述隔板为耐磨钢板，其下端面焊接固定在掘进机顶护盾上，相邻的隔板之间焊接固定在一起。

6.一种开敞式全断面岩石掘进机支护方法，其特征在于，使用权利要求1中所述支护系统进行实施，包括下列步骤：(1)超前钻机通过超前钻探发现掘进前方的破碎地层，利用超前钻机在隧道顶部打注浆孔，通过注浆对围岩进行超前加固；

(2)锚杆钻机选择适当的位置沿隧道径向打入锚杆，钢拱架安装器在打入锚杆的断面处安装一圈钢拱架，四榀钢拱架之间采用螺栓连接成一环，并将钢拱架与各个锚杆焊接在一起，固定钢拱架；

(3)将预装在护盾钢筋排储存腔内的钢筋排的端部依次焊接在钢拱架（16）上，随着TBM掘进距离的增大，护盾钢筋排储存腔内的钢筋排自动被拉出，支护破碎围岩，确保钢筋排与TBM护盾间的无缝衔接支护；

(4)利用临时注浆机械手对已形成初步支护的围岩喷射混凝土进行加固。

说明书：开敞式全断面岩石掘进机用支护系统及支护方法技术领域[0001] 本发明涉及隧道掘进设备技术领域，具体涉及一种开敞式全断面岩石掘进机用支护系统及支护方法。背景技术[0002] 全断面岩石掘进机(TBM)是集机械、电气、液压、控制、测量技术于一体，可实现的隧道的快速开挖、出碴和支护的先进工程机械。相对传统的钻爆法隧道施工，TBM法具有安全、可靠、高效、环保等特点，随着国内山岭隧洞工程的不断增加，TBM已广泛应用于隧道工程、引水工程、煤矿工程等领域中。全断面岩石掘进机主要包括开敞式TBM、双护盾TBM以及单护盾TBM等机型，开敞式TBM由于其地质适应性强、成本较低，得到了最广泛的关注与使用。然而，开敞式TBM支护能力不足，严重制约了开敞式TBM的掘进速度。[0003] 传统的开敞式TBM支护形式单一，支护系统不完善，对于破碎围岩地段需要花费大量的时间进行支护；且支护不及时，无法在围岩漏出护盾的第一时间进行支护，易导致设备的损坏与人员的伤亡。发明内容[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种适用于开敞式TBM、集多种支护方式于一体的开敞式全断面岩石掘进机用支护系统及支护方法。[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：[0006] 设计一种开敞式全断面岩石掘进机用支护系统，包括钢筋排存储安装组件、钢拱架安装器、锚杆钻机、超前钻机和临时喷浆机械手；[0007] 所述钢筋排存储安装组件设置在掘进机顶护盾上，包括在掘进机顶护盾顶部依次排列并固定的横截面为形的隔板，相邻的两个隔板之间形成的空腔为钢筋排存储腔，护盾钢筋排预装在所述存储腔内；[0008] 所述钢拱架安装器包括支撑架和钢拱架抓取机械手，所述支撑架滑动安装在顶护盾下方的掘进机主梁上，所述钢拱架抓取机械手安装在所述支撑架上；[0009] 所述铺杆钻机、超前钻机和临时喷浆机械手分别设置在掘进机顶护盾后侧的主梁上。[0010] 在上述技术方案中，TBM顶护盾上通过隔板设置钢筋排存储腔，钢筋排预装在护盾钢筋排储存腔内，随着TBM掘进距离的增大，储存腔内的钢筋排自动被拉出，支护破碎围岩。[0011] 优选的，所述支撑架围绕掘进机主梁的外周面套装在主梁上，在主梁的外周面上设有多个滑行轨道，在所述支撑架上的对应位置处设有滑块，所述滑块安装在所述滑行轨道内，通过水平油缸驱动支撑架在主梁上沿所述滑行轨道做往复运动。[0012] 优选的，所述滑行轨道为四组，两两对称设置在掘进机主梁的外周面上。[0013] 优选的，所述钢拱架机械手包括抓取组件和伸缩油缸，所述抓取组件通过伸缩油缸安装在所述支撑架上。[0014] 优选的，所述钢拱架抓取机械手为4?8个，等距分布在所述支撑架的外周面上。[0015] 钢拱架安装器的支撑架在水平油缸的作用下通过滑行轨道，沿TBM主梁水平移动，可实现钢拱架沿隧道轴线方向的运动；钢拱架抓取机械手在伸缩油缸的作用下可实现钢拱架的沿隧道径向的运动，能够更好地完成钢拱架的安装。[0016] 优选的，所述锚杆钻机、超前钻机和临时喷浆机械手共用一套平移回转机构，所述平移回转机构包括环形旋转支架、行走梁和直线油缸，所述环形旋转支架设置在掘进机主梁的外周，所述环形旋转支架与所述行走梁配合安装在一起，所述直线油缸带动所述行走梁和环形旋转支架沿掘进机主梁做往复运动，所述锚杆钻机、超前钻机和临时喷浆机械手分别安装在所述环形旋转支架上。[0017] 直线油缸驱动行走梁沿掘进机主梁做水平方向上的往复运动，行走梁带动环形旋转支架同步运动，环形旋转支架可沿掘进机主梁做圆周运动，便于锚杆钻机、超前钻机与临时喷浆机械手在隧道内各个位置进行施工。锚杆钻机、超前钻机与临时喷浆机械手共用一套回转与平移机构，简化了机械结构，降低了制造维护成本。[0018] 优选的，所述隔板为耐磨钢板，其下端面焊接固定在掘进机顶护盾上，相邻的隔板之间焊接固定在一起。[0019] 本发明还涉及一种开敞式全断面岩石掘进机支护方法，其使用上述支护系统进行实施，包括下列步骤：[0020] (1)超前钻机通过超前钻探发现掘进前方的破碎地层，利用超前钻机在隧道顶部打注浆孔，通过注浆对围岩进行超前加固；[0021] (2)锚杆钻机选择适当的位置沿隧道径向打入锚杆，钢拱架安装器在打入锚杆的断面处安装一圈钢拱架，四榀钢拱架之间采用螺栓连接成一环，并将钢拱架与各个锚杆焊接在一起，固定钢拱架；[0022] (3)将预装在护盾钢筋排储存腔内的钢筋排的端部依次焊接在钢拱架16上，随着TBM掘进距离的增大，护盾钢筋排储存腔内的钢筋排自动被拉出，支护破碎围岩，确保钢筋排与TBM护盾间的无缝衔接支护；[0023] (4)利用临时注浆机械手对已形成初步支护的围岩喷射混凝土进行加固。[0024] 本发明的有益效果在于：[0025] 本发明适用于开敞式TBM，集钢筋排储存安装、钢拱架安装、超前加固与锚杆加固、临时喷浆等多种支护功能于一体，可实现钢筋排与护盾间的无缝衔接支护，在破碎围岩地段可实现安全快速稳固围岩的支护系统，避免围岩掉落对设备的损坏和人员的伤亡。[0026] 本发明集多种支护方式于一体，可实现多种支护方法联合使用，增强了开敞式TBM应对不良地层的适应性；多个设备共用一套回转与平移机构，简化了机械结构，降低了制造维护成本；实现开敞式TBM掘进过程中钢筋排安装与锚杆的同步施工，提高了开敞式TBM的掘进效率。附图说明[0027] 图1是本发明开敞式全断面岩石掘进机用支护系统的结构示意图；[0028] 图2是顶护盾上钢筋排存储腔的结构示意图；[0029] 图3是图2中A部放大图；[0030] 图4是钢拱架安装器的结构示意图；[0031] 图5是钢拱架抓取机械手的结构示意图；[0032] 图6是钢筋排和钢拱架安装过程示意图；[0033] 图中标号：1为钢筋排储存腔，2为钢拱架安装器，3为锚杆钻机，4为平移回转机构，5为超前钻机，6为临时喷浆机械手，7为隔板，8为顶护盾，9为钢筋排，10为掘进机主梁，11为抓取组件，12为伸缩油缸，13为滑行轨道，14为支撑架，15为锚杆，16为钢拱架，17为掘进机刀盘。

具体实施方式[0034] 下面结合实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。在以下实施例中所涉及的设备元件如无特别说明，均为常规设备元件；所涉及的工业原料如无特别说明，均为市售常规工业原料。[0035] 实施例1：一种开敞式全断面岩石掘进机用支护系统，参见图1，包括钢筋排存储安装组件、钢拱架安装器2、锚杆钻机3、超前钻机5和临时喷浆机械手6。[0036] 钢筋排存储安装组件设置在掘进机顶护盾8上，参见图2、图3，包括在掘进机顶护盾8顶部依次排列并固定的横截面为形的隔板7，相邻的两个隔板之间形成的空腔为钢筋排存储腔1，护盾钢筋排9预装在该存储腔内，隔板7为耐磨钢板，其下端面焊接固定在掘进机顶护盾8上，相邻的隔板之间焊接固定在一起。[0037] 钢拱架安装器2包括支撑架14和钢拱架抓取机械手，参见图4、图5，支撑架14滑动安装在顶护盾8下方的掘进机主梁10上，钢拱架抓取机械手安装在支撑架14上。支撑架14围绕掘进机主梁10的外周面套装在主梁上，在主梁的外周面上设有多个滑行轨道13，在支撑架14上的对应位置处设有滑块，滑块安装在滑行轨道13内，通过水平油缸驱动支撑架14在主梁上沿滑行轨道13做往复运动。滑行轨道为四组，两两对称设置在掘进机主梁10的外周面上。钢拱架机械手包括抓取组件11和伸缩油缸12，抓取组件11通过伸缩油缸12安装在支撑架14上，钢拱架抓取机械手可以根据具体情况设置不同数量，本实施例中设置了6组，等距分布在支撑架14的外周面上。[0038] 锚杆钻机、超前钻机和临时喷浆机械手分别设置在掘进机顶护盾后侧的主梁上，且共用一套平移回转机构2，平移回转机构2包括环形旋转支架、行走梁和直线油缸，环形旋转支架设置在掘进机主梁的外周，环形旋转支架与行走梁配合安装在一起，直线油缸带动行走梁和环形旋转支架沿掘进机主梁做往复运动，锚杆钻机、超前钻机和临时喷浆机械手分别安装在环形旋转支架上。[0039] 实施例2：一种开敞式全断面岩石掘进机支护方法，使用实施例1中支护系统进行实施，包括下列步骤：[0040] (1)超前钻机通过超前钻探发现掘进前方的破碎地层，利用超前钻机在隧道顶部打注浆孔，通过注浆对围岩进行超前加固；[0041] (2)锚杆钻机选择适当的位置沿隧道径向打入锚杆，钢拱架安装器在打入锚杆的断面处安装一圈钢拱架，四榀钢拱架之间采用螺栓连接成一环，并将钢拱架与各个锚杆焊接在一起，固定钢拱架；[0042] (3)将预装在护盾钢筋排储存腔内的钢筋排的端部依次焊接在钢拱架16上，随着TBM掘进距离的增大，护盾钢筋排储存腔内的钢筋排自动被拉出，支护破碎围岩，确保钢筋排与TBM护盾间的无缝衔接支护；[0043] (4)利用临时注浆机械手对已形成初步支护的围岩喷射混凝土进行加固。[0044] 本发明开敞式全断面岩石掘进机用支护系统及支护方法，集多种支护方式于一体，可实现多种支护方法的联合使用，增强了开敞式TBM应对不良地层的适应性；可实现钢筋排与护盾间的无缝衔接支护，避免围岩掉落对设备的损坏和人员的伤亡；多个设备共用一套回转与平移机构，简化了机械结构，降低了制造维护成本；实现开敞式TBM掘进过程中钢筋排安装与锚杆的同步施工，提高了开敞式TBM的掘进效率。[0045] 上面结合实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。