一种可调土压-矿山法双模式盾构机及其施工方法与流程

技术特征：
1.一种可调土压
‑
矿山法双模式盾构机，其特征在于：包括盾构刀盘(1)、主盾(2)、尾盾(3)、盾构机液压推进系统(4)、盾构机液压回退系统(5)和伸缩式机械臂(6)，所述盾构刀盘(1)设置在主盾(2)的前方，所述主盾(2)设置在尾盾(3)的前方并和尾盾(3)伸缩套筒式连接，所述盾构机液压推进系统(4)固定在主盾(2)上，其推进杆作用在尾盾(3)后方的管片(7)上，所述盾构机液压回退系统(5)固定在主盾(2)上，其推进杆穿过盾构刀盘(1)上设置的通孔ⅰ(11)作用在岩壁上，所述盾构刀盘(1)包括刀盘圆周体(12)和中心面板(13)，所述刀盘圆周体(12)上设置有与中心面板(13)相适配的通孔ⅱ，所述中心面板(13)置于通孔ⅱ内部并相对于刀盘圆周体(12)移除或移动，所述伸缩式机械臂(6)固定在主盾(2)内部，可穿过通孔ⅱ伸出主盾(2)外侧。2.根据权利要求1所述的一种可调土压
‑
矿山法双模式盾构机，其特征在于：所述盾构机还包括若干个滚刀(8)，所述若干个滚刀(8)固定在盾构刀盘(1)的前侧面。3.根据权利要求1所述的一种可调土压
‑
矿山法双模式盾构机，其特征在于：所述盾构机还包括刀盘驱动装置，所述刀盘驱动装置驱动盾构刀盘(1)转动。4.根据权利要求1所述的一种可调土压
‑
矿山法双模式盾构机，其特征在于：所述主盾(2)和尾盾(3)的嵌套处设置有接头密封刷(9)，所述尾盾(3)和管片(7)之间设置有尾盾密封刷(10)。5.根据权利要求1所述的一种可调土压
‑
矿山法双模式盾构机，其特征在于：所述通孔ⅰ(11)有若干个，均布设置在刀盘圆周体(12)上。6.根据权利要求1所述的一种可调土压
‑
矿山法双模式盾构机，其特征在于：所述伸缩式机械臂(6)的前端设置有反铲式铲斗(15)、破碎锤(16)以及喷射混凝土喷枪(17)，所述反铲式铲斗(16)与伸缩式机械臂(6)铰接，通过固定在伸缩式机械臂(6)上的驱动机构ⅰ(18)的驱动控制反铲式铲斗(16)的转动，所述反铲式铲斗(16)的背部设置有沟槽(19)，所述破碎锤(16)与沟槽(19)滑动连接，所述破碎锤(16)通过固定在反铲式铲斗(16)背部的驱动机构ⅱ(20)驱动控制破碎锤(16)的震动冲击，所述喷射混凝土喷枪(17)固定在伸缩式机械臂(6)上，并与输浆管路(21)连接。7.根据权利要求6所述的一种可调土压
‑
矿山法双模式盾构机，其特征在于：所述驱动机构ⅰ(18)和驱动机构ⅱ(20)均为液压油缸。8.根据权利要求1
‑
7任一权利要求所述的可调土压
‑
矿山法双模式盾构机的施工方法，其特征在于：步骤一、盾构机液压推进系统(4)的推进杆作用在管片(7)上推动主盾(2)前移，实现土压平衡盾构模式下盾构刀盘(1)对于地层的掘进；步骤二、当盾构机出现盾构刀盘(1)卡死现象，切换到矿山法模式，关闭盾构刀盘1的驱动系统，盾构机液压推进系统(4)的推进杆回缩，同时盾构机液压回退系统(5)的推进杆作用在盾构刀盘(1)前方的岩壁上，使得主盾(2)回退到目标位置；步骤三、盾构机液压回退系统(5)的推进杆回缩，盾构刀盘(1)前方形成足够的空间；步骤四、打开或移除中心面板(13)，伸出伸缩式机械臂(6)作用于前方岩壁；步骤五、盾构机推进，拼装管片(7)。9.根据权利要求8所述的可调土压
‑
矿山法双模式盾构机的施工方法，其特征在于：土压平衡盾构模式下盾构机液压推进系统(4)提供的推力通过基于力学分析的控制系统进行
控制，所述盾构机液压推进系统(4)总推力通过以下几方面进行计算：f＝f1 f2 f3 f4 f5ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
①
刀盘贯入阻力刀盘贯入阻力f1主要由滚刀切割岩石的法向力f
n
引起：引起：引起：式中p0为岩石破碎区应力；φ为岩石与滚刀接触角度；r为滚刀直径；t为滚刀刀刃宽度；ψ为模型参数，取
‑
0.2～0.2；c为无量纲参数，取2.12；s为滚刀间距；σ
c
为岩石单轴抗压强度；σ
t
为岩石抗拉强度；p为刀盘每转一圈的贯入度；刀盘贯入阻力f1则表示为：f1＝n
r
f
n
ꢀꢀꢀꢀ
(5)式中n
r
为处于岩石切割状态的滚刀数量；
②
刀盘面板上的地层侧向土压力f2＝(f
21
f
22
)
·
(1
‑
η)
ꢀꢀꢀꢀ
(6)(6)式中f
21
为上部土体在盾构刀盘上的侧向压力；f
22
为下部岩体在盾构刀盘上的侧向压力；η为刀盘开口率；θ1、θ2为与土
‑
岩交界面相关的角度参数；h为隧道中心埋深；h为土
‑
岩交界面埋深；d为刀盘直径；θ为刀盘上的点与刀盘中心连线的角度；r为刀盘上的点到刀盘中心的距离；γ1为上部土体的重度；λ1为上部土体的侧向压力系数；γ2为下部岩体的重度；λ2为下部岩体的侧向压力系数；
③
刀盘开口处的土仓压力式中σ0为平均土仓压力；
④
盾壳与周围岩土体的摩擦力f4＝f
41
f
42
ꢀꢀꢀꢀ
(10)
式中f
41
为上部土体与盾壳的摩擦阻力；f
42
为下部岩体与盾壳的摩擦阻力；f1为盾构机与土体间的摩擦系数；f2为盾构机与岩体间的摩擦系数；l为盾构机长度；p
11
为上部土体作用在盾壳上的竖向力；p
12
为上部土体作用在盾壳上的水平力；p
21
为下部岩体作用在盾壳上的竖向力；p
22
为下部岩体作用在盾壳上的水平力；
⑤
后配套系统牵引力f5＝f
b
w
b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)式中f
b
为轮子与轨道的摩擦系数；w
b
为后配套系统的重力。10.根据权利要求8所述的可调土压
‑
矿山法双模式盾构机的施工方法，其特征在于：所述液压回退系统(5)推进杆总推力f'主要包括主盾(2)与地层间摩擦力，按下式进行确定，f'＝f1' f2'
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(23)(23)(23)(23)式中，f1'为上部土体与盾壳的摩擦阻力；f2'为下部岩体与盾壳的摩擦阻力；θ1为与土
‑
岩交界面相关的角度参数；d为刀盘直径；f1为盾构机与土体间的摩擦系数；f2为盾构机与岩体间的摩擦系数；l为盾构机长度；h为隧道中心埋深；h为土
‑
岩交界面埋深；θ为刀盘上的点与刀盘中心连线的角度；p
11
为上部土体作用在盾壳上的竖向力；p
12
为上部土体作用在盾壳上的水平力；p
21
为下部岩体作用在盾壳上的竖向力；p
22
为下部岩体作用在盾壳上的水平力；γ1为上部土体的重度；λ1为上部土体的侧向压力系数；γ2为下部岩体的重度；λ2为下部岩体的侧向压力系数。

技术总结
一种可调土压


技术研发人员：唐亮 孔祥勋 陈宏伟 凌贤长 唐文冲 张艺帆 邹焱林 刘俊辉
受保护的技术使用者：中铁十七局集团有限公司
技术研发日：2021.08.03
技术公布日：2021/9/27