一种防地层失稳式掘进装置及其施工方法
技术领域
本发明属于地下工程施工技术领域；具体说是涉及一种防地层失稳式掘进装置及其施工方法。
背景技术
盾构机、顶管机等地下施工掘进机因其机械化程度高、施工速度快、安全性好等优点，目前广泛运用在城市地铁、过街通道、综合管廊等地下工程中；但是在地下施工掘进机施工过程中引发的安全事故也频繁发生，特别是在地层结构为软土层的地下施工过程中，软土是指压缩性高，含水量大以及承载力低的饱和黏土；在软土地层中进行地下施工作业过程中，经常会出现施工机械被埋、地表冒浆、地表沉隆、建筑物下沉等施工安全风险，究其原因，大多是因为开挖结构面失稳导致；然而在现有技术中，大多采用加压、加气、注泥、注浆等加固方法，这些方法能够在一定程度上改善开挖面的结构稳定性，但是由于不同地理位置下地层的差异性很大，地质问题难以提前预知，在遇到软土层为特殊地层或者特殊工况时，如砂层、上软下硬地层、地层中障碍物处理等情况，常规的软土层开挖面稳定方法往往难以凑效；因此提供一种防地层失稳式掘进装置及其施工方法就显得非常的必要。
发明内容
本发明的发明目的：
主要是为了提供一种防地层失稳式掘进装置及其施工方法，不但极大的提高地下施工掘进机开挖面的稳定性能，有效的避免开挖面上部地层失稳塌陷，极大的适用于软土层或特殊地层或特殊工况的施工作业要求；极大的提高地下施工掘进机的掘进安全性能，极大的降低地下掘进施工作业过程中的施工风险。
本发明的技术方案为：
为克服现有技术的不足，提供了一种防地层失稳式掘进装置，包括地下施工掘进机，在地下施工掘进机的机体前端设置有机体帽檐，机体帽檐沿掘进机掘进作业截面呈闭环式分布；在机体帽檐上设置有多个推进滑槽，在推进滑槽内设置有与其相匹配的推进滑块，在推进滑块上均设置有防失稳推进单元体，防失稳推进单元体亦沿掘进机掘进作业截面呈闭环式分布；在推进滑块上连接设置有推进动力装置，推进动力装置的动力源由地下施工掘进机提供。
所述的地下施工掘进机包括盾构机、顶管机、敞开式掘进机或闭胸式掘进机；机体帽檐固定安装设置在相应地下施工掘进机的机体前端位置处。
所述的防失稳推进单元体为刚性结构面板或复合承载型结构面板；在防失稳推进单元体的前端均设置有推进刃角。
所述的推进动力装置包括但不限于液压动力装置、气压动力装置、电磁动力装置、螺纹式动力装置、齿轮齿条式动力装置。
在防失稳推进单元体内还设置有增强结构钢梁，增强结构钢梁平行或交错均布设置在防失稳推进单元体内。
在防失稳推进单元体上设置有千斤顶加支撑板的辅助支护单元。
所述的防失稳推进单元体呈一体式结构沿掘进机掘进作业截面布置或分块式结构沿掘进机掘进作业截面布置。
在地下施工掘进机机体上还设置有分布推进控制单元，用于防失稳推进单元体的一体式结构推进/回缩；或分块式结构的分段推进/回缩。
一种防地层失稳式掘进装置的施工方法，包括上述任一项所述的一种防地层失稳式掘进装置，该施工方法包括：
（1）、竖井开挖：完成始发井和接收井施工；
（2）、设备安装：在地下施工掘进机的机体前端安装设置机体帽檐，在机体帽檐的外端面设置防失稳推进单元体；防失稳推进单元体可整体式结构安装或分块式结构安装设置，其断面形状包括但不限于圆形、矩形、类矩形、马蹄形；在防失稳推进单元体与机体帽檐之间安装设置推进动力装置，推进动力装置与推进控制单元相连接；
（3）、始发作业：同步启动地下施工掘进机和推进动力装置，推进动力装置将防失稳推进单元体推送至开挖面前方土层中，在开挖面土体中形成封闭式的稳定层；
（4）、掘进作业：地下施工掘进机向接收井进行掘进/顶进作业施工，在地下施工掘进机进行掘进/顶进作业施工的同时，推进动力装置带动防失稳推进单元体进行同步回缩作业，保持地下施工掘进机与防失稳推进单元体作业施工同步一致；保持地下施工掘进机掘进/顶进作业前方土体始终处于防失稳推进单元体的闭环空间内；通过推进控制单元控制防失稳推进单元体的一体式结构推进/回缩或分块式结构的分段推进/回缩；
（5）、接收作业：重复上述步骤（3）和步骤（4）直至完成施工作业区间，在接收井内对设备进行吊装回收；
（6）、场地恢复：对始发井和接收井进行顶盖施工，恢复场地原貌。
在开挖面土体结构层稳定性较好时，防失稳推进单元体保持在机体帽檐的外端面位置处，地下施工掘进机正常进行掘进/顶进作业施工。
本发明的有益效果是：
1.该发明设计的一种防地层失稳式掘进装置及其施工方法，通过防失稳推进单元体在开挖面的前方深部土层中形成封闭环形防失稳保护面，进一步减小了掘进机在掘进过程中对掘进土体的扰动，从而避免了掘进过程中地表的沉隆；在掘进机停机进仓时，由于掘进机的前仓环向的土体被环形防失稳保护面隔绝，避免了土体的释压变形或掉落风险，极大了保证了进仓作业人员的施工安全。
2.该发明设计的一种防地层失稳式掘进装置及其施工方法，设计安装的防失稳推进单元体可满足任意地下施工掘进装置的使用安装要求，通用性能强；同时也可根据施工掘进断面的具体结构，进行灵活的安装调节。
3.该发明设计的一种防地层失稳式掘进装置及其施工方法，防失稳推进单元体可根据具体的施工工况进行整体伸缩或局部伸缩，极大的提高了掘进机针对不同施工工况的灵活施工掘进处理能力，极大的降低了施工掘进作业过程中的安全风险。
附图说明
图1为本发明的掘进装置整体布置结构示意图一；
图2为本发明的掘进装置整体布置结构示意图二；
图3为本发明的掘进装置的装配布置结构示意图；
图4为本发明的防失稳推进单元体的设计结构示意图；
图5为本发明的掘进装置进行掘进作业的结构示意图一；
图6为本发明的掘进装置进行掘进作业的结构示意图二；
图7为本发明的掘进装置进行掘进作业的结构示意图三；
图8为本发明的增程式顶推结构的安装结构示意图一；
图9为本发明的增程式顶推结构的安装结构示意图二。
图中：1为地下施工掘进机；2为机体帽檐；3为推进滑槽；4为推进滑块；5为防失稳推进单元体；6为推进动力装置；7为推进刃角；8为增强结构钢梁；9为辅助支护单元；10为推进控制单元；11为顶推架；12为连接卡块；13为联动连杆；14为联动挡块。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式做出详细的描述。
如图1～7所示，为了便于显示防失稳推进单元与机体的位置关系，图1、图2和图3未显示刀盘、螺旋输送机以及机体内部的设备，仅在机体前部面板上预留了相应的主驱动孔、螺旋输送机孔，以显示效果，但并不代表本发明所保护的机体仅限于附图中所列举的。
在本发明的结构设计中，提供了一种防地层失稳式掘进装置，包括地下施工掘进机1，机体外径为6m，刀盘厚度为50cm，在地下施工掘进机的机体前端设置有机体帽檐2，机体帽檐通过螺栓连接、焊接、铰接等方式固定安装设置在机体前端位置处，作为承载结构件，机体帽檐沿掘进机掘进作业截面呈闭环式分布；在机体帽檐上设置有多个推进滑槽3，在推进滑槽内设置有与其相匹配的推进滑块4，在推进滑块上均设置有防失稳推进单元体5，防失稳推进单元体亦沿掘进机掘进作业截面呈闭环式分布；在推进滑块上连接设置有推进动力装置6，推进动力装置的动力源由地下施工掘进机提供，该发明旨在通过防失稳推进单元体在开挖面的前方深部土层中形成封闭环形防失稳保护面，进一步减小了掘进机在掘进过程中对掘进土体的扰动，从而避免了掘进过程中地表的沉隆，同时避免土体的释压变形或掉落风险，极大了保证了进仓作业人员的施工安全；通过滑槽与滑块的推进导向方式为工程领域中方便快捷的导向连接方式，然而在具体的使用过程中，还可通过驱动连杆，导向轴套等导向结构用于连接防失稳推进单元体的推进和回缩导向过程。
优选地，本发明设计的防地层失稳式掘进装置的掘进机体可为任意地下施工掘进机械，较为常用的地下施工掘进机包括盾构机、顶管机、敞开式掘进机或闭胸式掘进机等；机体帽檐固定安装设置在相应地下施工掘进机的机体前端位置处。
优选地，所述的防失稳推进单元体为刚性结构面板或复合承载型结构面板，复合承载型结构板材可为多个刚性结构板材或刚性与柔性组合叠加的复合型结构插板，从而避免防失稳推进单元体在地层推进过程中的应力集中；为了便于防失稳推进单元体在地层中高效推进，在防失稳推进单元体的前端均设置有推进刃角7。
优选地，所述的推进动力装置包括但不限于液压动力装置、气压动力装置、电磁动力装置、螺纹式动力装置、齿轮齿条式动力装置，在动力装置的结构设计中，可通过设置液压缸体或气压缸体推进/回缩防失稳推进单元体；可通过在机体帽檐上安装设置电磁推进器，利用导电气体中电流和磁场间的相互作用力使气体高速喷射而产生推力，控制防失稳推进单元体推进/回缩；可通过设置传动螺杆与防失稳推进单元体相连接，进而控制其推进/回缩；可通过设置相应的连接齿轮安装在防失稳推进单元体上，通过齿轮齿条传动的方式控制其推进/回缩。
优选地，为了进一步提高防失稳推进单元体的结构刚度，提高防失稳推进单元体的推进强度和使用寿命，在防失稳推进单元体内还设置有增强结构钢梁8，增强结构钢梁平行或交错均布设置在防失稳推进单元体内。
优选地，为了提高该防地层失稳式掘进装置的掘进适用范围，满足各种掘进隧道断面的掘进要求，例如掘进断面为圆形、矩形、类矩形、马蹄形等；尤其在掘进施工过程中出现转弯或变向时，为了保证防失稳推进单元体对掘进断面的完全封闭，在防失稳推进单元体上设置有千斤顶加支撑板的辅助支护单元9，其中支撑板可设计为相应的弧形结构，便于掘进机在转弯或变向时进行充分的支护支撑。
优选地，为了配合具体的施工工况，所述的防失稳推进单元体呈一体式结构沿掘进机掘进作业截面布置或分块式结构沿掘进机掘进作业截面布置，在防失稳推进单元体进行分块式结构布置时，可在其相应的组合端面上设置配合差槽结构，一来避免分块式防失稳推进单元体在推进/回缩过程中与土层接触所产生的应力形变，再来极大的保证了防失稳推进单元体的闭环密封性能。
优选地，在地下施工掘进机机体上还设置有分布推进控制单元10，用于防失稳推进单元体的一体式结构推进/回缩；或分块式结构的分段推进/回缩；该推进控制单元可在地下施工掘进机体上安装集中控制器，集中控制器与推进动力装置相连接，控制推进动力装置的整体或步进推进/回缩；在集中控制的过程中，为了进一步的提高防失稳推进单元体的推进效率，避免推进空间受限的技术缺陷，可在相应的推进动力装置上安装增程式顶推结构；在具体的结构设计中以液压动力装置为例，参见图8，图9；包括在推进动力装置上增加顶推架11，在推进动力装置的外壁上固定间距设置连接卡块12，在顶推架上设置的联动连杆13，联动连杠的下端设置有与连接卡块相匹配的联动挡块14；联动连杆通过气动或液压装置带动，在增程过程中将联动挡块设置于相邻连接卡块之间，同步增加顶推架的顶推行程，实现推进动力装置的分步增程顶推运动过程。
一种防地层失稳式掘进装置的施工方法，包括上述任一项所述的一种防地层失稳式掘进装置，该施工方法包括：
（1）、竖井开挖：完成始发井和接收井施工；
（2）、设备安装：在地下施工掘进机的机体前端安装设置机体帽檐，在机体帽檐的外端面设置防失稳推进单元体；防失稳推进单元体可整体式结构安装或分块式结构安装设置，其断面形状包括但不限于圆形、矩形、类矩形、马蹄形；在防失稳推进单元体与机体帽檐之间安装设置推进动力装置，推进动力装置与推进控制单元相连接；
（3）、始发作业：同步启动地下施工掘进机和推进动力装置，推进动力装置将防失稳推进单元体推送至开挖面前方土层中，在开挖面土体中形成封闭式的稳定层；推进动力装置在始发井内推进空间有限时，可通过安装增程式顶推结构实现推进过程；
（4）、掘进作业：地下施工掘进机向接收井进行掘进/顶进作业施工，在地下施工掘进机进行掘进/顶进作业施工的同时，推进动力装置带动防失稳推进单元体进行同步回缩作业，保持地下施工掘进机与防失稳推进单元体作业施工同步一致；保持地下施工掘进机掘进/顶进作业前方土体始终处于防失稳推进单元体的闭环空间内；掘进过程中可通过设置安装增程式顶推结构，进一步的提高防失稳推进单元体的推进效率；通过推进控制单元控制防失稳推进单元体的一体式结构推进/回缩或分块式结构的分段推进/回缩；
（5）、接收作业：重复上述步骤（3）和步骤（4）直至完成施工作业区间，在接收井内对设备进行吊装回收；
（6）、场地恢复：对始发井和接收井进行顶盖施工，恢复场地原貌。
在开挖面土体结构层稳定性较好时，防失稳推进单元体保持在机体帽檐的外端面位置处，地下施工掘进机正常进行掘进/顶进作业施工。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员在不脱离本发明构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
