一种斜井与平洞快速转换装置、TBM掘进机及施工方法

技术领域

本发明涉及斜井隧道开挖技术领域，特别是指一种斜井与平洞快速转换装置、TBM掘进机及施工方法。

背景技术

TBM硬岩隧道掘进机，是一种隧道掘进的专用工程机械，具有开挖切削土体、输送泥渣、拼装隧道衬砌等功能，已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。常规的TBM掘进机适用于±5%坡度的平洞施工，在国内还没有大坡度斜井TBM应用的案例。在抽水蓄能电站中有引水斜井和上平洞通常连通，若采用TBM工法施工，引水斜井需要一台斜井TBM，适应大坡度隧洞施工；平洞则需另外一台常规TBM施工，对一台TBM的转运并无过多介绍。如何使用一台TBM连续施工斜井和平洞，减少设备投入，实现斜井与平洞快速转换仍是斜井开挖研究的重点。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种斜井与平洞快速转换装置、TBM掘进机及施工方法，用以解决上述技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种斜井与平洞快速转换装置，包括设置在斜井与平洞相交处的转换洞室内的起吊机构，转换洞室下部设有摆动支撑机构和拖拉机构，摆动支撑机构设置在斜井与平洞相交处且与拖拉机构相对应。

优选地，所述起吊机构包括设置在转换洞室内的水平导轨，水平导轨上设有起重机。所述摆动支撑机构包括设置在斜井与平洞底面相交处的旋转支架，旋转支架上铰接有旋转步进架，旋转步进架上可拆卸设有支撑架。

使用过程中，旋转步进架处于水平状态时与拖拉机构平滑对接；旋转步进架处于极限倾斜状态时与设置在斜井内的固定步进架平滑对接。所述拖拉机构包括设置在平洞底部的水平步进架，水平步进架上设有拖拉油缸。

一种斜井与平洞快速转换TBM掘进机，该TBM掘进机与所述的快速转换装置相配合，完成该TBM掘进机由斜井到平洞的过渡转换。该TBM掘进机包括TBM主机和后配套，该TBM掘进机在斜井内掘进时，TBM主机和后配套之间设有安全防溜装置。快速转换装置依次对TBM主机、安全防溜装置和后配套进行转运。

所述TBM主机包括刀盘、主驱动和推进系统，刀盘与主驱动相连接，刀盘上设有中心出渣口、底部出渣口和侧面出渣口，中心出渣口、底部出渣口和侧面出渣口内均设有封堵闸门且均与相应的出渣系统相连接。

优选地，所安全防溜装置包括支撑台车，支撑台车上设有伸缩臂，伸缩臂的自由端设有撑靴板，支撑台车的前端设有与TBM主机相连接的连接油缸。

一种所述的斜井与平洞快速转换TBM掘进机的施工方法，步骤如下：

S1：开设转换洞室：在斜井与平洞相交处开设转换洞室；并在转换洞室内安装起吊机构、摆动支撑机构和拖拉机构；

S2：TBM主机由斜井至转换洞室：摆动支撑机构的旋转步进架处于极限倾斜状态，TBM主机运动至旋转步进架的预设位置处，断开TBM主机与安全防溜装置之间的连接，转换洞室内的起吊机构带动旋转步进架转动，将旋转步进架由极限倾斜状态转动至水平状态，TBM主机由斜井转运至转换洞室内；

S3：TBM主机由转换洞室至平洞：拖拉机构的拖拉油缸与TBM主机连接，将TBM主机由处于水平状态的旋转步进架拖拉至水平步进架；

S4：安全防溜装置由斜井至转换洞室：利用起吊机构将旋转步进架放至极限倾斜位置，将安全防溜装置移动至旋转步进架，在起吊机构的辅助下，旋转步进架和安全防溜装置旋转至水平状态，拆除安全装置，平洞掘进过程不需要安全装置；

S5：后配套由斜井至转换洞室：利用起吊机构将旋转步进架放至极限倾斜位置，将后配套移动到旋转步进架，在起吊机构的辅助下，旋转步进架和后配套台车旋转至水平状态；

S6：将后配套与TBM主机连接，并对刀盘溜渣部分、后配套相应设备进行调整，以满足平洞掘进需要。

步骤S6中对刀盘溜渣部分进行调整的具体步骤如下：将刀盘底部出渣口和侧面出渣口闸门封堵，将刀盘的中心出渣口打开，增加刮渣、溜渣板和出渣皮带机，满足刀盘中心出渣。

本发明斜井与平洞快速转换装置的起吊机构的辅助作用下，摆动支撑机构成为斜井与平洞之间的“桥梁”实现TBM掘进机由斜井到平洞的快速转换，提高掘进效率，减少设备投入。本发明斜井与平洞快速转换TBM掘进机与所述的快速转换装置相配合，完成该TBM掘进机由斜井到平洞的过渡转换，安全防溜装置的设置防止TBM掘进机在斜井内掘进时发生溜车或不必要的滑动，提高施工安全系数。本发明施工过程中用一台TBM经过少量改造后可连续开挖斜井和平洞，减少TBM设备始发、接收环节，节约设备成本，节省总工期。转换洞室代替了原斜井TBM的接收洞室，降低成本，转换步骤安全方便，提高了施工效率。

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为本发明快速转换装置结构示意图。

图2为本发明TBM掘进机结构示意图。

图3为TBM掘进机由斜井至转换洞室状态示意图。

图4为TBM主机由转换洞室至平洞状态示意图。

图5为安全防溜装置由斜井至转换洞室状态示意图。

图6为后配套进入平洞状态示意图。

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。

如图1所示，实施例1，一种斜井与平洞快速转换装置，包括起吊机构4，在斜井1与平洞2相交处设置转换洞室3，转换洞室3分别与斜井和平洞连通，转换洞室3上部设有起吊机构4，转换洞室3下部设有摆动支撑机构5和拖拉机构6，起吊机构位于摆动支撑机构5和拖拉机构6上方，起吊机构为摆动支撑机构的摆动提供动力。

进一步，所述起吊机构4包括设置在转换洞室3内的水平导轨401，水平导轨401上设有起重机402，起重机在自身驱动电机的作用下能沿水平导轨运动，起重机带动旋转步进架502绕铰接点转动，辅助TBM掘进机从斜井快速进入平洞。所述摆动支撑机构5包括设置在斜井1与平洞2底面相交处的旋转支架501，旋转支架501上铰接有旋转步进架502，旋转步进架能绕铰接点转动，旋转步进架的长度保证在其旋转过程中不与斜井、转换洞室及平洞发生干涉，旋转步进架502的两端可拆卸设有支撑架503，当旋转步进架502处于水平状态时，旋转步进架502与斜井相对应的一端设有支撑架，当旋转步进架502处于极限倾斜状态（极限倾斜状态即旋转步进架位于斜井底部）时，旋转步进架502与平洞对应的一端设有支撑架，其目的均为提高旋转步进架502的稳定性，同时提高施工安全系数。

进一步，摆动支撑机构5设置在斜井1与平洞2相交处且与拖拉机构6相对应，即摆动支撑机构为斜井与平洞之间的“桥梁”实现TBM掘进机由斜井到平洞的快速转换，提高掘进效率，减少设备投入，具体地，旋转步进架502处于水平状态时与拖拉机构6的水平步进架601平滑对接，保证TBM掘进能顺利经旋转步进架502进入水平步进架601。旋转步进架502处于极限倾斜状态（极限倾斜状态即旋转步进架位于斜井底部）时与设置在斜井1内的固定步进架504平滑对接，保证保证TBM掘进能顺利经固定步进架进入旋转步进架。所述拖拉机构6包括设置在平洞2底部的水平步进架601，水平步进架601上设有拖拉油缸602。水平步进架601的长度根据需要设置，以能满足TBM掘进机的顺利转换，拖拉油缸602与水平步进架平行设置，为TBM主机在平洞中的初始运动提供动力。

如图2所示，实施例2，一种斜井与平洞快速转换TBM掘进机，该TBM掘进机与所述的快速转换装置相配合，完成该TBM掘进机由斜井1到平洞2的过渡转换，即在TBM掘进机由斜井向平洞过渡过程中与实施例1中所述的快速转换装置配合，将斜井中的TBM掘进机快速、安全地运送至平洞内。其中，该TBM掘进机包括TBM主机7和后配套8，该TBM掘进机在斜井1内掘进时，TBM主机7和后配套8之间设有安全防溜装置9，防止TBM掘进机在斜井1内掘进时发生溜车或不必要的滑动，在平洞2内掘进时，将安全防溜装置拆掉即可。后配套8上设有液压油箱及操作室801、人行通道台阶802，TBM主机下面设置溜渣槽10并延伸至后配套尾部，液压油箱及操作室、人行通道台阶安装在后配套台车上，在斜井隧洞中呈水平布置。

进一步，所述TBM主机7包括刀盘701、主驱动702和推进系统，刀盘701与主驱动702相连接，刀盘701上设有中心出渣口、底部出渣口和侧面出渣口，中心出渣口、底部出渣口和侧面出渣口内均设有封堵闸门且均与相应的出渣系统相连接。在斜井掘进过程中，中心出渣口的封堵闸门处于关闭状态，底部出渣口和侧面出渣口内的封堵闸门处于打开状态，掘进过程中产生的渣土，经底部出渣口和侧面出渣口进入溜渣槽进行出渣。在平洞掘进过程中，将溜渣槽拆除，中心出渣口的封堵闸门处于打开状态，并安装相应的中心出渣皮带机，底部出渣口和侧面出渣口内的封堵闸门处于关闭状态，掘进过程中产生的渣土经中心出渣口进入中心出渣皮带机进行出渣。

进一步，所述安全防溜装置9包括支撑台车901，支撑台车901上设有伸缩臂902，伸缩臂可采用伸缩油缸，伸缩臂的数量根据需要设置，伸缩臂902的自由端设有撑靴板903，使用时伸缩臂伸出，将撑靴板撑紧在斜井井壁上，有效防止TBM掘进机发生向下的溜动。支撑台车901的前端设有与TBM主机7相连接的连接油缸904，通过连接油缸实现与TBM主机7的快速连接，并随TBM主机7进行同步随动，提高斜井施工的安全性。

实施例3，一种如实施例2所述的斜井与平洞快速转换TBM掘进机的施工方法，步骤如下：

S1：开设转换洞室3：在斜井1与平洞2相交处开设转换洞室3；并在转换洞室3内安装起吊机构4、摆动支撑机构5和拖拉机构6；起吊机构4的起重机安装在转换洞室的洞壁上，摆动支撑机构5的旋转支架安装在转换洞室的底部，旋转步进架安装在旋转支架上，可绕旋转支架旋转。拖拉机构6的水平步进架与洞壁固定连接；

S2：如图3所示，TBM主机7由斜井至转换洞室：摆动支撑机构5的旋转步进架502处于极限倾斜状态，初始状态下，旋转步进架与平洞对应端处的支撑架（设为上支撑架）支撑在洞壁上，TBM主机7运动至旋转步进架502的预设位置处，断开TBM主机7与安全防溜装置9之间的连接，拆除上支撑架；转换洞室3内的起吊机构4带动旋转步进架502转动，将旋转步进架502由极限倾斜状态转动至水平状态，旋转步进架旋转后与水平步进架相连，TBM主机7由斜井转运至转换洞室3内；并安装旋转步进架与斜井对应端处的支撑架（设为下支撑架），对旋转步进架进行支撑；

S3：如图4所示，TBM主机7由转换洞室至平洞2：拖拉机构6的拖拉油缸602与TBM主机7连接，将TBM主机7由处于水平状态的旋转步进架502拖拉至水平步进架601；及将TBM主机沿水平步进架向前拉动移动距离，便于后配套等的安装；

S4：如图5所示，安全防溜装置9由斜井至转换洞室：拆除下支撑架，利用起吊机构4将旋转步进架放至极限倾斜位置，将安全防溜装置9移动至旋转步进架，在起吊机构4的辅助作用下，旋转步进架502和安全防溜装置9旋转至水平状态，安装下支撑架，拆除安全装置，平洞掘进过程不需要安全装置；

S5：如图6所示，后配套由斜井至转换洞室：拆除下支撑架，利用起吊机构4将旋转步进架放至极限倾斜位置，将后配套移动到旋转步进架，在起吊机构4的辅助下，旋转步进架502和后配套台车旋转至水平状态；

S6：TBM主机在水平步进架上步进至预定位置，将后配套与TBM主机7连接，并对刀盘溜渣部分、后配套相应设备进行调整，以满足平洞2掘进需要。

步骤S6中对刀盘溜渣部分进行调整的具体步骤如下：将刀盘底部出渣口和侧面出渣口闸门封堵，将刀盘701的中心出渣口打开，增加刮渣、溜渣板和出渣皮带机，满足刀盘中心出渣。后配套相应设备进行调整步骤是将原液压箱、水箱改造成水平布置，拆除人行通道的台阶。

在上述施工过程中用一台TBM经过少量改造后可连续开挖斜井和平洞，减少TBM设备始发、接收环节，节约设备成本，节省总工期。转换洞室代替了原斜井TBM的接收洞室，未增加洞室成本，转换步骤安全方便。

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。