本發(fā)明涉及懸臂掘進(jìn)機(jī)銑挖
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體為一種隧道與地下工程全斷面懸臂掘進(jìn)機(jī)銑挖裝置及方法。
背景技術(shù)：
：目前，針對隧道掌子面穩(wěn)定的問題，主要采用以地下工程圍巖一支護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定性問題為認(rèn)識(shí)和處理對象的典型類比分析方法。但是對隧道掌子面開挖前及開挖后支護(hù)初期，在復(fù)雜多變的地質(zhì)、工程結(jié)構(gòu)和施工條件下，如何有效及時(shí)的防止掌子面失穩(wěn)還缺乏清晰的認(rèn)識(shí)和明確的施工方法。在隧道開挖前，通過對掌子面前方的地質(zhì)層進(jìn)行探測，從而引導(dǎo)施工，以及通過對掌子面前方進(jìn)行鉆心獲取巖樣，分析掌子面前方地質(zhì)情況，得到有關(guān)巖體的力學(xué)參數(shù)，從而采取較為合適的方法進(jìn)行施工。對于大斷面隧道可以采用臺(tái)階法，預(yù)留核心土法，側(cè)壁導(dǎo)坑法等方法去解決掌子面的穩(wěn)定性問題。但是對于小斷面隧道，由于施工空間的限制，一般采用全斷面方法進(jìn)行施工，在施工過程中再對掌子面進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)預(yù)測結(jié)果采取相應(yīng)的解決方案。盡管先前研究己經(jīng)積累了一些成果，但掌子面穩(wěn)定預(yù)測始終是其研究領(lǐng)域中最薄弱的環(huán)節(jié)，并且運(yùn)用到設(shè)計(jì)與施工中都有很大局限性。所以對于小斷面隧道全斷面施工急需一種新的施工工法，以解決掌子面穩(wěn)定問題，隨著人們對隧道掌子面失穩(wěn)現(xiàn)象認(rèn)識(shí)的不斷深化，提出了各式各樣的支護(hù)和措施，例如:支持圍巖的(超前注漿、短管棚等)；改良圍巖的(注漿等)發(fā)揮錨桿作用的(斜錨桿、正面錨桿等)；噴混凝土加強(qiáng)等。從采取的監(jiān)測角度上看，主要進(jìn)行洞身收斂變形、圍巖壓力、鋼支撐應(yīng)力等量測。但是對于懸臂掘進(jìn)機(jī)全斷面施工，由于施工空間的限制以及其他因素的限制，以上的各種措施得不到很好的應(yīng)用。且以上的掌子面失穩(wěn)防治措施的應(yīng)用超前于理論研究，許多加固技術(shù)存在機(jī)理不清、設(shè)計(jì)缺乏理論依據(jù)等缺點(diǎn)。這往往導(dǎo)致兩種結(jié)果：要么措施過強(qiáng)，造成浪費(fèi)；要么掌子面失穩(wěn)得不到有效控制，造成人員傷亡和設(shè)備損失。以上的技術(shù)都是以周邊允許收斂量或允許速率等形式給出，這些都是在隧道開挖形成洞室后，通過監(jiān)控量測等方法并通過回歸分析得到的，它只能粗略的反映隧道開挖后洞室的穩(wěn)定與否。這些都是一種被動(dòng)的掌子面失穩(wěn)防治技術(shù)，而不是從根本上解決掌子面失穩(wěn)問題。眾所周知，掌子面的失穩(wěn)是由于掌子面前方未開挖巖體的擠壓和掌子面的收斂共同作用的結(jié)果。本發(fā)明的目的就是從根本上限制掌子面前方未開挖巖體的擠壓變形和掌子面的收斂變形，以解決掌子面的失穩(wěn)問題，從而實(shí)現(xiàn)隧道的安全施工。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種隧道與地下工程全斷面懸臂掘進(jìn)機(jī)銑挖裝置及方法，以解決上述
背景技術(shù)：
中提出的問題。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種隧道與地下工程全斷面懸臂掘進(jìn)機(jī)銑挖裝置,包括機(jī)身，所述機(jī)身底部設(shè)有行走部，所述機(jī)身與行走部之間通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連接，所述機(jī)身前端下部通過第一氣缸連接鏟板，所述機(jī)身前端上端通過第二氣缸連接切割部，所述切割部前端設(shè)有銑挖頭，所述銑挖頭為半球形結(jié)構(gòu)，所述切割部兩側(cè)分別設(shè)有紅外線測距儀，所述機(jī)身上還設(shè)有電氣控制系統(tǒng)。優(yōu)選的，所述第一氣缸和第二氣缸結(jié)構(gòu)完全一致，包括缸筒，所述缸筒內(nèi)設(shè)有內(nèi)缸，所述內(nèi)缸內(nèi)設(shè)有柱塞桿，所述缸筒和內(nèi)缸側(cè)壁均設(shè)有進(jìn)油孔，所述缸筒和內(nèi)缸的側(cè)壁及底部均設(shè)有油槽，所述柱塞桿與內(nèi)缸之間及缸筒與內(nèi)缸之間均設(shè)有密封圈。優(yōu)選的，銑挖方法包括以下步驟：A、基于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)信息的隧道圍巖分級(jí)，分級(jí)方法包括以下步驟：a、在隧道開挖過程中通過回彈儀測定巖體的回彈強(qiáng)度，按下式計(jì)算Rc：Rc＝125.675×(1-е-0.11025δht)b、巖體完整性指標(biāo)確定；利用地質(zhì)雷達(dá)或TSP203得到VP，通過巖石聲波測定巖石的VS，按下式計(jì)算Kv：Kv＝(VP/VS)3，其中Vp為巖體的縱波波速；Vs為巖石的縱波波速；c、確定地下水的影響K1；d、確定結(jié)構(gòu)面的影響K2；e、確定結(jié)構(gòu)面的影響K3；f、計(jì)算巖體質(zhì)量指標(biāo)[BQ]；[BQ]＝120+2Rc+50Kv-100K1-200K2-50K3；g、進(jìn)行隧道圍巖的分析；B、確定每次的開挖進(jìn)尺，包括以下方法：a、求得f值，f＝Rc/10，其中，Rc為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，f是一個(gè)量綱為1的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；b、求單次開挖進(jìn)尺s，s＝a/f；其中a＝h/2+btan(45°-Φ/2),s為開挖進(jìn)尺，即自然平衡拱的最大高度；a為自然平衡拱的最大跨度；h為隧道的高度；b為隧道的寬度；C、確定掌子面的曲線方程；曲線方程采用計(jì)算普式壓力拱方法確定，弧線方程為x＝z2/af；D、設(shè)置觸發(fā)器，進(jìn)行進(jìn)尺的控制：按設(shè)定曲線方程進(jìn)行全斷面銑挖施工，形成預(yù)測弧線后紅外測距控制器觸發(fā)停止銑挖。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：(1)本發(fā)明結(jié)構(gòu)原理簡單，能夠有效的限制掌子面前方未開挖巖體對掌子面的擠壓變形和掌子面的收斂變形，在圍巖級(jí)別不是很差的情況不用進(jìn)行超前支護(hù)，節(jié)約隧道開挖成本，以及提高懸臂掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)效率。(2)本發(fā)明采用的第一氣缸和第二氣缸結(jié)構(gòu)簡單，自動(dòng)化程度高，其伸縮距離長，伸縮速度快，能夠提高工作效率。附圖說明圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的氣缸結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為現(xiàn)有技術(shù)施工掌子面變形示意圖；圖4為本發(fā)明施工掌子面變形示意圖。具體實(shí)施方式下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。請參閱圖1-2，本發(fā)明提供一種技術(shù)方案：一種隧道與地下工程全斷面懸臂掘進(jìn)機(jī)銑挖裝置,包括機(jī)身1，所述機(jī)身1底部設(shè)有行走部2，所述機(jī)身1與行走部2之間通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3連接，所述機(jī)身1前端下部通過第一氣缸4連接鏟板5，所述機(jī)身1前端上端通過第二氣缸6連接切割部7，所述切割部7前端設(shè)有銑挖頭8，所述銑挖頭8為半球形結(jié)構(gòu)，所述切割部7兩側(cè)分別設(shè)有紅外線測距儀9，所述機(jī)身1上還設(shè)有電氣控制系統(tǒng)10。本實(shí)施例中，第一氣缸5和第二氣缸7結(jié)構(gòu)完全一致，包括缸筒12，所述缸筒12內(nèi)設(shè)有內(nèi)缸13，所述內(nèi)缸13內(nèi)設(shè)有柱塞桿14，所述缸筒12和內(nèi)缸13側(cè)壁均設(shè)有進(jìn)油孔15，所述缸筒12和內(nèi)缸13的側(cè)壁及底部均設(shè)有油槽16，所述柱塞桿14與內(nèi)缸13之間及缸筒12與內(nèi)缸13之間均設(shè)有密封圈11，本發(fā)明采用的第一氣缸和第二氣缸結(jié)構(gòu)簡單，自動(dòng)化程度高，其伸縮距離長，伸縮速度快，能夠提高工作效率。本發(fā)明的銑挖方法包括以下步驟：A、基于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)信息的隧道圍巖分級(jí)，分級(jí)方法包括以下步驟：a、在隧道開挖過程中通過回彈儀測定巖體的回彈強(qiáng)度，按下式計(jì)算Rc：Rc＝125.675×(1-е-0.11025δht)b、巖體完整性指標(biāo)確定；利用地質(zhì)雷達(dá)或TSP203得到VP，通過巖石聲波測定巖石的VS，按下式計(jì)算Kv：Kv＝(VP/VS)3，其中Vp為巖體的縱波波速；Vs為巖石的縱波波速；c、由下表確定地下水的影響K1；狀態(tài)取值干燥0.7-0.9潮濕0.4-0.7滴漏0.1-0.4突水小于0.1d、由下表確定結(jié)構(gòu)面的影響K2；e、由以下表格確定結(jié)構(gòu)面的影響K3；f、計(jì)算巖體質(zhì)量指標(biāo)[BQ]；[BQ]＝120+2Rc+50Kv-100K1-200K2-50K3；g、按下表進(jìn)行隧道圍巖的分析；圍巖級(jí)別巖體基本質(zhì)量指標(biāo)Ⅰ大于550Ⅱ451-550Ⅲ351-450Ⅳ251-350Ⅴ小于250其中，II級(jí)圍巖，開挖高度不大于15m；III級(jí)圍巖，開挖高度不大于12m；IV級(jí)圍巖，開挖高度7m。B、確定每次的開挖進(jìn)尺，包括以下方法：a、求得f值，f＝Rc/10，其中，Rc為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，f是一個(gè)量綱為1的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；b、求單次開挖進(jìn)尺s，s＝a/f；其中a＝h/2+btan(45°-Φ/2),s為開挖進(jìn)尺，即自然平衡拱的最大高度；a為自然平衡拱的最大跨度；h為隧道的高度；b為隧道的寬度；C、確定掌子面的曲線方程；曲線方程采用計(jì)算普式壓力拱方法確定，弧線方程為x＝z2/af；D、設(shè)置觸發(fā)器，進(jìn)行進(jìn)尺的控制：按設(shè)定曲線方程進(jìn)行全斷面銑挖施工，形成預(yù)測弧線后紅外測距控制器觸發(fā)停止銑挖。本發(fā)明是采用懸臂掘進(jìn)機(jī)全斷面施工時(shí)，根據(jù)開挖隧道的斷面尺寸和開挖進(jìn)尺，采用普式壓力拱計(jì)算方法確定弧線方程，將掌子面開挖成帶弧形的曲面，挖掉拱以內(nèi)的不穩(wěn)定巖土，使弧形的掌子面在前方的側(cè)向壓力作用下只承受壓力作用，從而限制掌子面的變形，提高掌子面的穩(wěn)定性。全斷面開挖隧道，掌子面通常都是平面，掌子面與隧道輪廓直角連接，這會(huì)在直角連接處存在應(yīng)力集中，在此位置常會(huì)產(chǎn)生掉塊的現(xiàn)象。掌子面是平面的時(shí)候，掌子面在前方挖巖體的擠壓和掌子面的收斂共同作用下產(chǎn)生臨空面凸起的現(xiàn)象，這會(huì)使掌子面承受這較大的彎矩和剪力，這是影響掌子面穩(wěn)定的直接因素，如圖3所示；眾所周知，隧道開挖面的空間幾何效應(yīng)在縱斷面表現(xiàn)為“半圓彎”約束，在橫斷面上則表現(xiàn)為“環(huán)形”約束，這兩種約束方式的聯(lián)合作用使得開挖面附近一定范圍內(nèi)的圍巖體在無支護(hù)情形下得以穩(wěn)定。隧道開挖施工是個(gè)復(fù)雜的四維時(shí)空問題，時(shí)間和空間對圍巖的變形發(fā)展和穩(wěn)定性的影響又至關(guān)重要。本發(fā)明將掌子面開挖成曲面，可以大大的增強(qiáng)圍巖的空間效應(yīng)，限制掌子面的變形；圖4所示就是按照本發(fā)明進(jìn)行隧道全斷面施工掌子面的變形情況。本發(fā)明結(jié)構(gòu)原理簡單，能夠有效的限制掌子面前方未開挖巖體對掌子面的擠壓變形和掌子面的收斂變形，在圍巖級(jí)別不是很差的情況不用進(jìn)行超前支護(hù)，節(jié)約隧道開挖成本，以及提高懸臂掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)效率。盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。當(dāng)前第1頁1 2 3