一种敞开式TBM穿越岩爆隧洞的防护方法

技术领域

本发明涉及敞开式TBM隧洞防护领域，尤其涉及一种敞开式TBM穿越岩爆隧洞的防护方法。

背景技术

随着地下工程施工技术的飞速发展，敞开式TBM被越来越多地应用于隧洞施工中。但由于敞开式TBM的支护施工空间裸露，在隧洞施工过程中，有时会遇到埋深大、地应力高、岩石完整性好的洞段，此时就非常容易发生岩爆，隧洞岩爆主要集中在顶拱120°范围内，主要表现形式为片帮、脱落及弹射等，不仅严重威胁着施工人员及设备的安全，而且影响施工进度，增加了施工成本。

因此，目前常采用的措施是通过钢拱架和钢筋排的方式对结构进行防护，该方式在一定程度上保护了施工人员及设备的安全，但由于钢筋排之间仍存有6~8cm空隙，难以完全避免破碎岩块频繁掉落的问题，尤其当上部岩体爆坑较深时，钢筋排还存在刚度不足向隧洞内变形等问题。而实用新型专利《一种敞开式TBM的盾尾支护结构》（ZL 2019 20231362.X）在原有基础上提出了改进措施。该改进措施是在“H”型钢筋排的顶部沿着钢筋排长度方向设置条形钢板，并将条形钢板与钢筋排相互焊接形成肋板。这样，在出护盾后形成了一个较为封闭的棚护结构，这一改进提高了纵向支护刚度，减少了顶部岩面出露的面积，解决了岩爆洞段塌落荷载过大导致支护结构变形和破碎岩体塌落的问题。然而，由于受限于敞开式TBM钢筋排系统的限制，顶部肋板之间仍然存在小型间隙，难以完全避免强烈岩爆发生后岩屑和岩粉的滑落问题。此外，条形钢板需要施工人员手动放置到护盾内部，增加了洞内施工人员的工作量，导致施工效率较低。另外，当强烈岩爆发生时，尤其是岩爆发生具有滞后性时，岩体爆裂后冲击能量大，顶部爆坑深，该结构存在易被冲击破坏以及支护刚度不足向洞内变形的问题。

发明内容

本发明提供一种敞开式TBM穿越岩爆隧洞的防护方法，以解决现有技术中岩面封闭程度低导致细颗粒岩体溜渣多和支护刚度不足的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明所述的敞开式TBM穿越岩爆隧洞的防护方法，所述敞开式TBM包括护盾、拱架安装器、控制室、主控制模块，所述护盾内壁两侧分别焊接条形槽钢，所述槽钢开口向上并设置有辅助运动模块，所述主控制模块设置在所述控制室中，所述主控制模块与所述辅助运动模块电连接，对所述辅助运动模块进行控制；

所述防护方法包括以下步骤：

（1）安装前准备：在所述敞开式TBM进行掘进安装前，根据所述敞开式TBM开挖隧洞直径，将钢面板和钢拱架加工成对应尺寸的弧形，并在所述钢面板径向外侧粘贴柔性泡沫板后形成一体结构；

（2）隧洞内安装：将形成一体结构的所述钢面板和所述柔性泡沫板的两侧端部设置在所述条形槽钢的所述辅助运动模块上方，所述主控制模块根据所述敞开式TBM的掘进方向，发送控制信号到所述辅助运动模块，所述辅助运动模块的运动方向与所述掘进方向相反，并且所述辅助运动模块的速度根据掘进速度适应性调整，随着所述敞开式TBM向前掘进，所述钢面板和所述柔性泡沫板沿所述槽钢中的所述辅助运动模块从所述敞开式TBM的护盾内部两侧抽出，同时，所述敞开式TBM的所述拱架安装器同步抓举并拼装所述钢拱架，形成为圆形结构顶托在弧形的所述钢面板内侧，所述钢面板以及所述柔性泡沫板固定于岩壁上，上部岩壁出护盾后即由顶拱范围内的弧形的所述钢面板和所述柔性泡沫板进行封闭，形成外柔内刚的棚护结构。

所述钢面板材质可为Q235钢或Q355钢，半径小于隧洞半径，角度为120°~180°，长度方向为隧洞轴向方向且根据支护需要设置为0.3~0.8m，厚度根据支护刚度需要设置为0.3~1.0cm，所述钢面板在隧洞外加工而成后运输至隧洞内使用。

所述辅助运动模块包括由机架固定设置在所述槽钢上的电动输送皮带，所述电动输送皮带围绕通过驱动电机驱动的皮带轮一和围绕可绕轴旋转的皮带轮二运行，借助所述电动输送皮带，带动所述钢面板和所述柔性泡沫板形成的一体结构保持直线运动。

所述皮带轮一和所述皮带轮二设置在所述槽钢两侧端部，所述电动输送皮带的宽度与所述槽钢的开口宽度相同，所述钢面板及所述柔性泡沫板的长度与所述槽钢长度相同或大于所述槽钢长度，所述钢面板与所述柔性泡沫板的厚度之和小于所述槽钢的开口宽度。

所述电动输送皮带为高强度且耐磨的橡胶材料制成，所述机架由金属或高强度的合成材料制成，用于支撑和保持所述电动输送皮带的形状稳定。

所述辅助运动模块包括由机架固定设置在所述槽钢上的电动输送链条，所述电动输送链条围绕通过驱动电机驱动的链轮一和围绕可绕轴旋转的链轮二运行，借助所述电动输送链条，带动所述钢面板和所述柔性泡沫板形成的一体结构保持直线运动。

所述链轮一和所述链轮二设置在所述槽钢两侧端部，所述电动输送链条的宽度与所述槽钢的开口宽度相同，所述钢面板及所述柔性泡沫板的长度与所述槽钢长度相同或大于所述槽钢长度，所述钢面板与所述柔性泡沫板的厚度之和小于所述槽钢的开口宽度。

所述电动输送链条由高强度合金材料制成，所述机架由金属或高强度的合成材料制成，用于支撑和保持所述电动输送链条的形状稳定。

所述柔性泡沫板为聚乙烯板、聚氨酯板或泡沫铝板，厚度为2~5cm，密度为70~500kg/m³，弹性模量为100~1000MPa，抗压强度为0.5~5MPa，可压缩率为30%~70%。

所述钢拱架由H型钢或工字钢弯制成弧形，半径小于所述钢面板。

本发明的有益效果是：

1.形成了外柔内刚的棚护结构，提高了隧洞内顶部的防护刚度，对施工人员和设备提供了更好的保护，避免了岩爆后顶部岩体塌落掉渣清理的问题。

2.实现了一体结构的钢面板和柔性泡沫板能够在敞开式TBM的护盾内自动化运输，减少了人工的参与，提高了隧洞内搭建防护措施的效率。

附图说明

图1为本发明钢面板径向外侧粘贴柔性泡沫板后形成一体结构放置于敞开式TBM护盾内部剖面示意图；

图2为本发明敞开式TBM护盾抽出后安装的一体结构的钢面板和柔性泡沫板的剖面示意图；

图3为本发明防护结构整体安装示意图。

附图标记：1、护盾；2、槽钢；3、辅助运动模块；4、柔性泡沫板；5、钢面板；6、钢拱架。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

第一实施例

图1至图3所示，本实施例提供一种敞开式TBM穿越岩爆隧洞的防护方法，所述敞开式TBM包括护盾1、拱架安装器、控制室、主控制模块，所述敞开式TBM护盾1为敞开式TBM的尾盾部分，主要作用是支撑和保护隧道壁。在TBM掘进过程中，通过提供支撑力和保护壁面的功能，确保隧道壁的稳定和安全。所述的主控制模块是TBM系统中的核心部件，承担着控制和监测整个TBM系统的重要任务。主控制模块可以启动和停止TBM的运行，调整刀盘的速度和方向，控制推进系统的前进和后退，以及对防护系统的进出料和拱架安装器进行控制。

所述敞开式TBM护盾1内部两侧沿隧洞轴线方向分别焊接条形槽钢2，所述槽钢2开口向上并设置有辅助运动模块3，所述主控制模块设置在所述控制室中，所述主控制模块与所述辅助运动模块电连接，对所述辅助运动模块进行控制，所述辅助运动模块3包括采用高强度、耐磨的橡胶材料制成的具有良好的弹性和耐磨性能的电动输送皮带，由金属或高强度的合成材料制成的用于支撑和保持所述电动输送皮带的形状稳定的机架，用于带动电动输送皮带运动的驱动电机。

所述防护方法包括以下步骤：

（1）安装前准备：在所述敞开式TBM进行掘进安装前，根据所述敞开式TBM开挖隧洞直径，将钢面板5和钢拱架6加工成对应尺寸的弧形，并在所述钢面板5径向外侧粘贴柔性泡沫板4后形成一体结构；

（2）隧洞内安装：将形成一体结构的所述钢面板5和所述柔性泡沫板4的两侧端部设置在所述条形槽钢2的所述辅助运动模块上方，主控制模块将控制信号发送给辅助运动模块。辅助运动模块接收到主控制模块发来的信号后，控制驱动电机的旋转方向与掘进方向相同。这时，将形成一体结构的钢面板5和柔性泡沫板4的一端被放置在电动输送皮带上。电动输送皮带的表面层与形成一体结构的钢面板5和柔性泡沫板4之间产生摩擦力，确保它们能够被牢固地带入护盾1内。当整个形成一体结构的钢面板5和柔性泡沫板4都完全进入护盾1内时，主控制模块发送停止信号给辅助运动模块。辅助运动模块接收到停止信号后，电动输送皮带停止运动，完成进料任务。

这个过程中，主控制模块起到发送控制信号和停止指令的作用。辅助运动模块则负责接收信号并控制驱动电机的旋转方向，使得钢面板5和柔性泡沫板4能够被带入电动输送皮带并进入护盾1内。整个过程在主控制模块的控制下进行，以完成进料任务。

当敞开式TBM遇到埋深大、地应力高、岩石完整性好的洞段时，为防止岩爆发生对设备及人员带来的威胁，此时，主控制模块将给辅助运动模块发送控制信号，控制所述电动输送皮带的运动方向与掘进方向相反，并且所述电动输送皮带的带速根据掘进速度适应性调整，随着所述敞开式TBM向前掘进，所述钢面板5和所述柔性泡沫板4沿所述槽钢2中的电动输送皮带从所述敞开式TBM的护盾1内部两侧抽出，同时，所述敞开式TBM的所述拱架安装器同步的抓举并拼装所述钢拱架6，形成为圆形结构顶托在弧形的所述钢面板5内侧，所述钢面板5以及所述柔性泡沫板4固定于岩壁上，上部岩壁出护盾1后即由顶拱范围内的弧形的所述钢面板5和所述柔性泡沫板4进行封闭，形成外柔内刚的棚护结构。

所述辅助运动模块包括由机架固定设置在所述槽钢2上的电动输送皮带，所述电动输送皮带围绕通过驱动电机驱动的皮带轮一和围绕可绕轴旋转的皮带轮二运行，借助所述电动输送皮带，带动所述钢面板5和所述柔性泡沫板4形成的一体结构保持直线运动。

所述皮带轮一和所述皮带轮二设置在所述槽钢2两侧端部，所述电动输送皮带的宽度与所述槽钢2的开口宽度相同，所述钢面板5及所述柔性泡沫板4的长度与所述槽钢2长度相同或大于所述槽钢2长度，所述钢面板5与所述柔性泡沫板4的厚度之和小于所述槽钢2的开口宽度。

所述柔性泡沫板4为聚乙烯板、聚氨酯板或泡沫铝板，厚度为2~5cm，密度为70~500kg/m³，弹性模量为100~1000MPa，抗压强度为0.5~5MPa，可压缩率为30%~70%。

所述钢拱架6由H型钢或工字钢弯制成弧形，半径小于所述钢面板5。

第二实施例

图1至图3所示，本实施例提供一种敞开式TBM穿越岩爆隧洞的防护方法，所述敞开式TBM包括护盾1、拱架安装器、控制室、主控制模块，所述敞开式TBM护盾1为敞开式TBM的尾盾部分，主要作用是支撑和保护隧道壁。在TBM掘进过程中，通过提供支撑力和保护壁面的功能，确保隧道壁的稳定和安全。所述主控制模块是TBM系统中的核心部件，承担着控制和监测整个TBM系统的重要任务。主控制模块可以启动和停止TBM的运行，调整刀盘的速度和方向，控制推进系统的前进和后退，以及对防护系统的进出料和拱架安装器进行控制。

所述敞开式TBM护盾1内部两侧沿隧洞轴线方向分别焊接条形槽钢2，所述槽钢2开口向上并设置有辅助运动模块，所述主控制模块设置在所述控制室中，所述主控制模块与所述辅助运动模块电连接，对所述辅助运动模块进行控制，所述辅助运动模块包括高强度合金制成的电动输送链条，由金属或高强度的合成材料制成的用于支撑和保持电动输送链条的形状稳定的机架，用于带动电动输送链条运动的驱动电机。

所述防护方法包括以下步骤：

（1）安装前准备：在所述敞开式TBM进行掘进安装前，根据所述敞开式TBM开挖隧洞直径，将钢面板5和钢拱架6加工成对应尺寸的弧形，并在所述钢面板5径向外侧粘贴柔性泡沫板4后形成一体结构；

（2）隧洞内安装：将形成一体结构的所述钢面板5和所述柔性泡沫板4的两侧端部设置在所述条形槽钢2的所述辅助运动模块上方，主控制模块将控制信号发送给辅助运动模块。辅助运动模块接收到主控制模块发来的信号后，控制驱动电机的旋转方向与掘进方向相同。这时，将形成一体结构的钢面板5和柔性泡沫板4的一端被放置在电动输送链条上。电动输送链条的表面层与形成一体结构的钢面板5和柔性泡沫板4之间产生摩擦力，确保它们能够被牢固地带入护盾1内。当整个形成一体结构的钢面板5和柔性泡沫板4都完全进入护盾1内时，主控制模块发送停止信号给辅助运动模块。辅助运动模块接收到停止信号后，电动输送链条停止运动，完成进料任务。

这个过程中，主控制模块起到发送控制信号和停止指令的作用。辅助运动模块则负责接收信号并控制电动机的旋转方向，使得钢面板5和柔性泡沫板4能够被带入电动输送链条并进入护盾1内。整个过程在主控制模块的控制下进行，以完成进料任务。

当敞开式TBM遇到埋深大、地应力高、岩石完整性好的洞段时，为防止岩爆发生对设备及人员带来的威胁，此时，主控制模块将给辅助运动模块发送控制信号，控制所述电动输送链条的运动方向与所述掘进方向相反，并且所述电动输送链条的速度根据所述掘进速度适应性调整，随着所述敞开式TBM向前掘进，所述钢面板5和所述柔性泡沫板4沿所述槽钢2中的电动输送链条从所述敞开式TBM的护盾1内部两侧抽出，同时，所述敞开式TBM的所述拱架安装器同步抓举并拼装所述钢拱架6，形成为圆形结构顶托在弧形的所述钢面板5内侧，所述钢面板5以及所述柔性泡沫板4固定于岩壁上，上部岩壁出护盾1后即由顶拱范围内的弧形的所述钢面板5和所述柔性泡沫板4进行封闭，形成外柔内刚的棚护结构。

所述辅助运动模块包括由机架固定设置在所述槽钢2上的电动输送链条，所述电动输送链条围绕通过驱动电机驱动的链轮一和围绕可绕轴旋转的链轮二运行，借助所述电动输送链条，带动所述钢面板5和所述柔性泡沫板4形成的一体结构保持直线运动。

所述链轮一和所述链轮二设置在所述槽钢2两侧端部，所述电动输送链条的宽度与所述槽钢2的开口宽度相同，所述钢面板5及所述柔性泡沫板4的长度与所述槽钢2长度相同或大于所述槽钢2长度，所述钢面板5与所述柔性泡沫板4的厚度之和小于所述槽钢2的开口宽度。

所述柔性泡沫板4为聚乙烯板、聚氨酯板或泡沫铝板，厚度为2~5cm，密度为70~500kg/m³，弹性模量为100~1000MPa，抗压强度为0.5~5MPa，可压缩率为30%~70%。所述钢拱架6由H型钢或工字钢弯制成弧形，半径小于所述钢面板5。

本实施例其方法与第一实施例的敞开式TBM穿越岩爆隧洞的防护方法大致相同，不同之处在于第二实施例中辅助运动模块的传送装置变为了电动输送链条，电动输送链条具有较高的载荷能力，更适合输送大尺寸高厚度的形成一体结构的所述钢面板5和所述柔性泡沫板4，对于顶部的防护面积更大，对施工人员及其设备保护的更好。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。