适应破碎围岩状态变化的TBM多撑靴调控方法

本发明属于tbm施工，涉及适应破碎围岩状态变化的tbm多撑靴调控方法。

背景技术：

1、随着我国水利、随着社会的发展，人们对空间的需求日益增长，尤其是地下空间。由于地上空间的开发已经越来越有限，人们对地下空间的需求与开发变得紧迫。tbm（全断面隧道掘进机）作为一种重要的地下空间开发设备，其在复杂地质条件下的应用显得尤为重要。tbm能够高效、准确地完成隧道施工，特别是在硬岩和软岩地层中，tbm的应用能够有效提高施工效率和质量，减少对环境的影响。‌

2、支撑机构是tbm连续掘进作业的关键子部件，tbm在推进过程中，支撑系统伸出撑靴将围岩撑紧，提供刀盘前进所需要的作用力，以及刀盘旋转时所需要的扭矩，撑靴是支撑机构的关键构件，撑靴与隧道壁面接触，确保掘进机在掘进过程中的稳定性和安全性。撑靴需要从机芯伸出，承托整个机体，并能在掘进过程中灵活调整，以适应不同隧道壁面的形状和条件。因此，撑靴系统需要具备强大的支撑力、稳定性和灵活性，但现有撑靴系统与围岩接触易产生围岩受力不均、侧壁撑不住、撑靴支撑不稳等问题，特别是对于高磨蚀性地层以及岩溶和断层破碎带等复杂地质条件，撑靴易发生打滑以及撑靴与围岩之间的撑紧力不足的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供适应破碎围岩状态变化的tbm多撑靴调控方法，解决了现有tbm撑靴用于复杂地质时会发生打滑，以及撑靴与围岩之间撑紧力不足的问题。

2、本发明所采用的技术方案是，适应破碎围岩状态变化的tbm多撑靴调控方法，包括以下步骤：

3、步骤1，在tbm撑靴工作面上安装真空吸盘本体，真空吸盘本体中间具有多个真空吸嘴，真空吸盘本体侧边开设有灌浆孔，真空吸嘴连接有真空发生系统，灌浆孔连接有注浆机；

4、步骤2，用单支撑方式将tbm撑靴支撑在隧道围岩上，然后启动tbm机，对隧道进行掘进，此时真空发生系统和注浆机处于关闭状态；

5、步骤3，在围岩上布置测点，监测测点的位移速率；

6、步骤4，根据测点位移速率评估围岩破碎程度，判断围岩是否处于完全破碎状态，若不是，进行步骤5，若是，则开启注浆机，注浆机将浆料输送至灌浆孔，对破碎围岩进行支护注浆，然后进行步骤5；

7、步骤5，计算围岩与撑靴之间的摩擦力f，判断是否大于临界摩擦力，若是，则继续施工，若不是，启动真空发生系统，使真空吸盘吸附于围岩上；

8、步骤6，测量单支撑撑靴的位移速率，与撑靴理论位移速率进行比较，若撑靴位移速率小于或等于理论位移速率，则继续施工，若撑靴位移速率大于理论位移速率，则采用前后撑靴多点受力的方式支撑在隧道顶部和两侧壁，然后继续施工。

9、其中，灌浆孔与注浆机出料口通过注浆管道连通，通过负压将浆料输送至灌浆孔中，完成对破碎围岩的支护注浆。

10、步骤3包括在隧道同一深度不同位置围岩上布置多个测点，使用全站仪对各测点的位移进行监测，然后计算这些测点的平均位移速率 v。

11、步骤4中，判断围岩是否处于完全破碎状态，或者是否有分区裂化现象，若不是，进行步骤5，若是，则开启注浆机。

12、当所有测点的平均位移速率 v≤0.1mm/d时，表明围岩处于稳定完整状态，当0.1mm/d＜ v≤0.15mm/d时，表明围岩处于微破裂状态，此时增大对测点位移的监测频率，当0.15mm/d＜ v≤0.2mm/d时，表明围岩处于急剧变形状态，此时需要配置好浆料，随时准备对围岩进行注浆支护，当 v＞0.20mm/d时，表明围岩处于完全破碎状态。

13、当不同测点的位移速率相差超过0.10mm/d，且 v≤0.20mm/d时，表明围岩有分区裂化现象。

14、在tbm机的皮带机输出端依次安装第一振动筛、第二振动筛、第三振动筛和储料仓，每个振动筛底部都放置有储料桶，第一振动筛用于筛选粒径小于0.0625mm的小粒径岩石，第二振动筛用于筛选粒径介于0.0625mm至2mm的中粒径岩石，第三振动筛用于筛选粒径介于2mm至20mm的粗粒径岩石，储料仓用于接收粒径大于20mm的碎石，在配置浆料时，直接采用储料桶中岩石进行浆料配置。

15、注浆机将浆料输送至灌浆孔，浆料为速凝浆料，含有速凝剂。

16、步骤5中，计算围岩与撑靴之间的摩擦力f，计算过程如下：

17、

18、

19、式中，μ为动摩擦因数，fn为撑靴表面的正压力，p为临界摩擦力，e为弹性模量，i为撑靴与围岩的接触面面积，l为撑靴与围岩的接触面距压杆末端的长度。

20、真空吸盘本体为弧形，与撑靴工作面相贴合，真空吸盘本体表面贴敷有多孔橡胶条纹粘连垫，多孔橡胶条纹粘连垫的孔与真空吸盘本体上的真空吸嘴一一对应。

21、本发明的有益效果如下：

22、（1）通过在撑靴工作面上安装真空吸盘，在围岩与撑靴之间的摩擦力小于临界摩擦力时，开启真空发生系统，使真空吸盘牢固的吸附于围岩上，从而增大围岩与撑靴之间的摩擦力，防止撑靴发生打滑；

23、（2）通过在围岩上布置测点，根据测点位移速率评估围岩破碎程度，若围岩处于完全破碎状态，则对破碎围岩进行支护注浆，从而提高围岩的稳定性；

24、（3）通过测量单支撑撑靴的位移速率，与理论位移速率进行比较，若单支撑撑靴的位移速率大于理论位移速率，则采用前后撑靴多点受力的方式支撑在隧道顶部和两侧壁，满足了对撑靴的稳定性和可靠性的要求，降低了撑靴的维护成本以及平衡了撑靴与围岩之间的受力不均，从而提高掘进机在破碎围岩中的掘进效率。

技术特征：

1.适应破碎围岩状态变化的tbm多撑靴调控方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的适应破碎围岩状态变化的tbm多撑靴调控方法，其特征在于，灌浆孔与注浆机出料口通过注浆管道连通，通过负压将浆料输送至灌浆孔中，完成对破碎围岩的支护注浆。

3.根据权利要求1所述的适应破碎围岩状态变化的tbm多撑靴调控方法，其特征在于，所述步骤3包括在隧道同一深度不同位置围岩上布置多个测点，使用全站仪对各测点的位移进行监测，然后计算这些测点的平均位移速率v。

4.根据权利要求3所述的适应破碎围岩状态变化的tbm多撑靴调控方法，其特征在于，所述步骤4中，判断围岩是否处于完全破碎状态，或者是否有分区裂化现象，若不是，进行步骤5，若是，则开启注浆机。

5.根据权利要求4所述的适应破碎围岩状态变化的tbm多撑靴调控方法，其特征在于，当测点的平均位移速率v≤0.1mm/d时，表明围岩处于稳定完整状态，当0.1mm/d＜v≤0.15mm/d时，表明围岩处于微破裂状态，此时增大对测点位移的监测频率，当0.15mm/d＜v≤0.2mm/d时，表明围岩处于急剧变形状态，此时需要配置好浆料，随时准备对围岩进行注浆支护，当v＞0.20mm/d时，表明围岩处于完全破碎状态。

6.根据权利要求5所述的适应破碎围岩状态变化的tbm多撑靴调控方法，其特征在于，当不同测点的位移速率相差超过0.10mm/d，且v≤0.20mm/d时，表明围岩有分区裂化现象。

7.根据权利要求6所述的适应破碎围岩状态变化的tbm多撑靴调控方法，其特征在于，在tbm机的皮带机输出端依次安装第一振动筛、第二振动筛、第三振动筛和储料仓，每个振动筛底部都放置有储料桶，第一振动筛用于筛选粒径小于0.0625mm的小粒径岩石，第二振动筛用于筛选粒径介于0.0625mm至2mm的中粒径岩石，第三振动筛用于筛选粒径介于2mm至20mm的粗粒径岩石，储料仓用于接收粒径大于20mm的碎石，在配置浆料时，直接采用储料桶中岩石进行浆料配置。

8.根据权利要求1或7所述的适应破碎围岩状态变化的tbm多撑靴调控方法，其特征在于，注浆机将浆料输送至灌浆孔，浆料为速凝浆料，含有速凝剂。

9.根据权利要求1所述的适应破碎围岩状态变化的tbm多撑靴调控方法，其特征在于，所述步骤5中，计算围岩与撑靴之间的摩擦力f，计算过程如下：

10.根据权利要求1所述的适应破碎围岩状态变化的tbm多撑靴调控方法，其特征在于，所述真空吸盘本体为弧形，与撑靴工作面相贴合，真空吸盘本体表面贴敷有多孔橡胶条纹粘连垫，多孔橡胶条纹粘连垫的孔与真空吸盘本体上的真空吸嘴一一对应。

技术总结
本发明公开了适应破碎围岩状态变化的TBM多撑靴调控方法，在撑靴工作面上安装真空吸盘本体，真空吸盘本体侧边开设有灌浆孔，灌浆孔连接有注浆机，用单支撑方式将撑靴支撑在围岩上，启动TBM机对隧道进行掘进，在围岩上布置测点，根据测点位移速率判断围岩是否处于完全破碎状态，若是，则对破碎围岩进行支护注浆，计算围岩与撑靴之间摩擦力，判断是否大于临界摩擦力，若是，继续施工，否则使真空吸盘吸附于围岩上，测量撑靴位移速率，若小于等于理论位移速率，则继续施工，若大于理论位移速率，则采用前后撑靴多点受力的方式支撑在隧道顶部和两侧壁，然后继续施工，解决了TBM撑靴用于复杂地质时易打滑，撑靴与围岩之间撑紧力不足的问题。

技术研发人员：佘磊,李亚楠,李炎隆,许增光,王有德,何明明,李东锋,李兆宇,赵玮,陈晨
受保护的技术使用者：西安理工大学
技术研发日：
技术公布日：2025/4/10