本发明属于隧道工程tbm施工领域，尤其涉及一种用于溶洞不良地质的tbm自动脱困撑靴系统及其方法。
背景技术：
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着我国经济建设的蓬勃发展，地面空间的开发已趋成熟，地下空间的开发与利用正处于高速发展的阶段，而地下隧道的开挖正是地下空间建设的重要一环。全断面隧道掘进机(tbm)是一种用于地下工程全断面开挖的机械施工设备，在地下隧道建设中具有施工效率高、安全可靠、施工质量高等优点，根据工程实践经验，当隧道的长度与直径之比大于600时，采用tbm进行隧道施工是经济的，因而在国内外得到越来越广泛地使用，但tbm卡机问题在tbm施工中频频发生，对tbm施工优越性的发挥产生了巨大的阻碍。在这个大背景下，对因溶洞造成tbm卡机的脱困等相关问题的研究具有非常重要的理论和现实意义。
本发明所讨论的溶洞是出现在隧道一侧或两侧的溶洞，由此带来的tbm卡机根据溶洞大小和地质情况的不同，其带来的影响也不同：(1)灰岩小溶洞，tbm可直接掘进通过，处理措施主要以加强支护和回填灌浆为主；(2)大型空洞溶洞会对tbm掘进造成极大威胁，易发生塌方造成tbm卡机事故，对于岩溶地层塌方情况需停机处理，清理塌落体后，依据设计参数及时安装钢拱架，同时利用应急干喷机对坍塌处进行喷射混凝土封闭处理，减少岩石暴露时间以及时形成支护体系；(3)大型充填溶洞往往造成tbm遭遇突水涌泥灾害，淹没掘进工作区域，延误tbm施工，甚至导致掌子面或附近围岩坍塌等严重后果，必须以排水为主、封堵为辅的措施解决填充水问题，然后进入下一步加固处理。
综上，发明人发现，除去影响较小的灰岩小溶洞，大型空洞溶洞和大型填充溶洞对tbm掘进速度的影响是巨大的，两者使得原有撑靴无法与岩壁紧密接触，不能产生大于等于掘进所需的支承力的摩擦力从而造成卡机，进而产生的tbm脱困往往采用支护并填充洞穴的方式，具有时间长和安全性低的问题。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明的第一个方面提供一种用于溶洞不良地质的tbm自动脱困撑靴系统，其能够全自动化操作，减少人工使用，安全性更高。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于溶洞不良地质的tbm自动脱困撑靴系统，tbm总控制中心及与其分别相连的撑靴展开及夹紧系统和撑靴旋转系统；
所述撑靴展开及夹紧系统用于：根据tbm总控制中心下发的最优撑靴展开路径将两个撑靴展开并形成“u”形撑靴结构；在tbm总控制中心的控制作用下使得撑靴内壁与岩壁夹紧并实时监测撑靴内壁与岩壁的接触压力并回传至tbm总控制中心；
所述撑靴旋转系统，用于根据tbm总控制中心下发的最优撑靴旋转路径调整撑靴姿态，使得岩壁卡在“u”形撑靴结构内；
所述tbm总控制中心，用于根据撑靴内壁与岩壁的接触压力与预设压力值比较，得到“u”形撑靴结构与岩壁的紧密接触程度，确定是否进行掘进作业来完成tbm卡机脱困；当tbm通过溶洞地质后，控制撑靴展开及夹紧系统和撑靴旋转系统动作，使得撑靴与岩壁松开，旋转至原位，收回展开并进入正常掘进状态。
作为一种实施方式，所述tbm总控制中心用于接收撑靴内壁与岩壁的接触压力，当接收到的接触压力值不满足预设压力值时，自动控制撑靴展开及夹紧系统使得“u”形撑靴与岩壁紧密接触，直至接触压力值满足预设压力值时，继续进行掘进作业，完成tbm卡机脱困。
本实施例通过实时检测撑靴内壁与岩壁的接触压力与预设压力值比较，进而判断出u”形撑靴结构与岩壁的紧密接触程度，得到掘进作业的触发条件来触发掘进作业的开始，实现了掘进作业的开启自动控制及全自动化操作，缩短了tbm卡机脱困的时间。
作为一种实施方式，所述tbm总控制中心还与激光测距装置相连；所述激光测距装置设置在撑靴端部，用于检测溶洞几何尺寸并传送至tbm总控制中心。
作为一种实施方式，所述tbm总控制中心，用于根据接收到的溶洞几何尺寸自动计算出最优撑靴展开路径。
作为一种实施方式，所述tbm总控制中心，用于根据接收到的溶洞几何尺寸自动计算出最优撑靴旋转路径。
作为一种实施方式，所述撑靴展开及夹紧系统包括设置在两个撑靴之间的伸缩结构，所述伸缩结构受tbm总控制中心的控制，用于展开两个撑靴形成“u”形、收回撑靴以及控制撑靴内壁与岩壁之间夹紧。
本实施例利用tbm总控制中心控制伸缩结构，使得撑靴的展开及收回，减少了人工操作，实现了撑靴展开及收回的自动化操作。
作为一种实施方式，所述撑靴展开及夹紧系统还包括压力传感装置，所述压力传感装置设置在撑靴内壁，用于实时监测撑靴内壁与岩壁的接触压力并传送至tbm总控制中心。
作为一种实施方式，所述撑靴内壁上设置有圆柱体防滑齿，所述压力传感装置设置在圆柱体防滑齿内。
作为一种实施方式，所述撑靴旋转系统，包括：
锚栓结构，其包括锚杆，锚杆用于连接可旋转撑靴部分和不可旋转部分，且为撑靴的旋转轴；
旋转机构，其一端固定在基座上，另一端与可旋转撑靴部分相连，用于为撑靴旋转提供动力，使得可旋转撑靴部分围绕旋转轴做旋转运动。
本发明的第二方面提供一种用于溶洞不良地质的tbm自动脱困撑靴系统的工作方法，其包括：
tbm总控制中心下发最优撑靴展开路至撑靴展开及夹紧系统，使得两个撑靴展开并形成“u”形撑靴结构；
tbm总控制中心下发的最优撑靴旋转路径至撑靴旋转系统，利用撑靴旋转系统调整撑靴姿态，使得岩壁卡在“u”形撑靴结构内；
tbm总控制中心控制撑靴展开及夹紧系统，使得撑靴内壁与岩壁夹紧并实时监测撑靴内壁与岩壁的接触压力并回传至tbm总控制中心；
tbm总控制中心根据撑靴内壁与岩壁的接触压力与预设压力值比较，得到“u”形撑靴结构与岩壁的紧密接触程度，确定是否进行掘进作业来完成tbm卡机脱困；当tbm通过溶洞地质后，控制撑靴展开及夹紧系统和撑靴旋转系统动作，使得撑靴与岩壁松开，旋转至原位，收回展开并进入正常掘进状态。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的用于溶洞不良地质的tbm自动脱困撑靴系统包括tbm总控制中心及与其分别相连的撑靴展开及夹紧系统和撑靴旋转系统，对对原有tbm撑靴进行了全新设计，可实现性高；
(2)本发明的用于溶洞不良地质的tbm自动脱困撑靴系统，由tbm总控制中心控制撑靴展开及夹紧系统和撑靴旋转系统的运动，实现了全自动化操作，减少了人工使用，提高了隧道内施工人员的安全性；
(3)本发明将原本可能需要十几天甚至上百天才能解决的溶洞tbm卡机问题变成了短时间的自动化机械操作，对节约隧道开挖成本和如期完成施工具有重要意义；
(4)本发明由tbm总控制中心下发最优撑靴展开路至撑靴展开及夹紧系统，使得两个撑靴展开并形成“u”形撑靴结构，tbm总控制中心下发的最优撑靴旋转路径至撑靴旋转系统，利用撑靴旋转系统调整撑靴姿态，避免了人工操作精度差，撑靴运动及调整时间长的问题，大大缩短了tbm脱困的时间，而且提高了隧道内施工人员的安全性，本发明的方法新颖，为溶洞tbm卡机脱困提供了新的参考方法。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的用于溶洞不良地质的tbm自动脱困撑靴系统结构示意图；
图2是本发明实施例的tbm自动脱困撑靴系统工作示意图；
图3是本发明实施例的撑靴结构图。
其中，1—伸缩式液压缸；2—液压伸缩结构a端；3—液压伸缩结构b端；4—锚栓结构；5—撑靴ⅰ；6—撑靴ⅱ；7—激光测距装置；8—撑靴防滑条；9—伸缩结构；10—球头零件；11—双球面零件；12—岩壁；13—圆柱体防滑齿；14—压力传感装置。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
本实施例的用于溶洞不良地质的tbm自动脱困撑靴系统，包括tbm总控制中心及与其分别相连的撑靴展开及夹紧系统和撑靴旋转系统。
如图1和图2所示，tbm总控制中心还与激光测距装置7相连；所述激光测距装置7设置在撑靴端部，用于检测溶洞几何尺寸并传送至tbm总控制中心。
其中，撑靴展开及夹紧系统用于：根据tbm总控制中心下发的最优撑靴展开路径将撑靴ⅰ5和撑靴ⅱ6展开并形成“u”形撑靴结构；在tbm总控制中心的控制作用下使得撑靴内壁与岩壁夹紧并实时监测撑靴内壁与岩壁的接触压力并回传至tbm总控制中心。最优撑靴展开路径是tbm总控制中心根据接收到的溶洞几何尺寸自动计算出的。
作为一种实施方式，所述撑靴展开及夹紧系统包括设置在ⅰ5和撑靴ⅱ6之间的伸缩结构9，所述伸缩结构受tbm总控制中心的控制，用于展开两个撑靴形成“u”形、收回撑靴以及控制撑靴内壁与岩壁之间夹紧。
本实施例利用tbm总控制中心控制伸缩结构，使得撑靴的展开及收回，减少了人工操作，实现了撑靴展开及收回的自动化操作。
在具体实施中，伸缩结构可采用伸缩式液压缸来实现。
可以理解的是，在其他实施例中，伸缩结构也可采用其他伸缩结构来实现，比如伸缩式电机。
作为一种实施方式，所述撑靴展开及夹紧系统还包括压力传感装置14，所述压力传感装置设置在撑靴内壁，用于实时监测撑靴内壁与岩壁的接触压力并传送至tbm总控制中心。
作为一种实施方式，所述撑靴内壁上设置有圆柱体防滑齿13，所述压力传感装置14设置在圆柱体防滑齿13内。
与岩壁接触的撑靴壁由防滑性能良好的橡胶制成，提升接触效果；压力传感装置是撑靴自动夹紧系统的核心部件，安装在圆柱体防滑齿内，实时监测传输压力数值；这样能够增加撑靴与岩体的咬合程度。
所述撑靴旋转系统，用于根据tbm总控制中心下发的最优撑靴旋转路径调整撑靴姿态，使得岩壁卡在“u”形撑靴结构内；其中，最优撑靴旋转路径是tbm总控制中心根据接收到的溶洞几何尺寸自动计算出的。
作为一种实施方式，所述撑靴旋转系统，包括：
锚栓结构4，其包括锚杆，锚杆用于连接可旋转撑靴部分和不可旋转部分，且为撑靴的旋转轴；
旋转机构，其一端固定在基座上，另一端与可旋转撑靴部分相连，用于为撑靴旋转提供动力，使得可旋转撑靴部分围绕旋转轴做旋转运动。
在具体实施中，旋转机构可采用伸缩式液压缸1来实现，伸缩式液压缸1通过液压伸缩结构与撑靴连接，液压伸缩结构a端2与伸缩式液压缸1相连，液压伸缩结构b端3与撑靴相连。伸缩式液压缸是控制撑靴沿隧道截面径向方向伸缩装置，在正常掘进时依靠撑靴液压缸撑紧洞壁，即满足由撑靴产生的摩擦力大于等于掘进所需的支承力；当遇到溶洞时，撑靴撑紧洞壁造成洞壁出现空洞无法再为掘进提供支承力造成tbm卡机，此时继续通过伸缩式液压缸将撑靴向空洞方向伸出一定距离，伸缩式液压缸提供撑靴旋转的动力，可使撑靴在液压缸的活塞杆轴线平面方向旋转。其中，球头零件10和双球面零件11均为撑靴和伸缩式液压缸连接位置的连接构件，起连接作用。如图3所示，撑靴外还设置有撑靴防滑条8。
所述tbm总控制中心，用于根据撑靴内壁与岩壁12的接触压力与预设压力值比较，得到“u”形撑靴结构与岩壁的紧密接触程度，确定是否进行掘进作业来完成tbm卡机脱困；当tbm通过溶洞地质后，控制撑靴展开及夹紧系统和撑靴旋转系统动作，使得撑靴与岩壁松开，旋转至原位，收回展开并进入正常掘进状态。
具体地，所述tbm总控制中心用于接收撑靴内壁与岩壁的接触压力，当接收到的接触压力值不满足预设压力值时，自动控制撑靴展开及夹紧系统使得“u”形撑靴与岩壁紧密接触，直至接触压力值满足预设压力值时，继续进行掘进作业，完成tbm卡机脱困。
本实施例通过实时检测撑靴内壁与岩壁的接触压力与预设压力值比较，进而判断出u”形撑靴结构与岩壁的紧密接触程度，得到掘进作业的触发条件来触发掘进作业的开始，实现了掘进作业的开启自动控制及全自动化操作，缩短了tbm卡机脱困的时间。
本实施例的用于溶洞不良地质的tbm自动脱困撑靴系统的工作方法，其包括：
tbm总控制中心下发最优撑靴展开路至撑靴展开及夹紧系统，使得两个撑靴展开并形成“u”形撑靴结构；
tbm总控制中心下发的最优撑靴旋转路径至撑靴旋转系统，利用撑靴旋转系统调整撑靴姿态，使得岩壁卡在“u”形撑靴结构内；其中，tbm总控制中心根据溶洞几何尺寸信息，tbm总控制中心在以锚栓为圆心以可旋转撑靴最大长度为半径所形成的扇形区域内自动计算选择最优撑靴旋转路径；可旋转的撑靴向后旋转一定的角度(一般情况为90度)后，调整撑靴位置以达到将岩壁卡在“u”形撑靴里的效果；
tbm总控制中心控制撑靴展开及夹紧系统，使得撑靴内壁与岩壁夹紧并实时监测撑靴内壁与岩壁的接触压力并回传至tbm总控制中心；
tbm总控制中心根据撑靴内壁与岩壁的接触压力与预设压力值比较，得到“u”形撑靴结构与岩壁的紧密接触程度，确定是否进行掘进作业来完成tbm卡机脱困；当tbm通过溶洞地质后，控制撑靴展开及夹紧系统和撑靴旋转系统动作，使得撑靴与岩壁松开，旋转至原位，收回展开并进入正常掘进状态。
其中，压力传感装置的压力值从零开始缓慢增加；当压力传感装置输出的压力值平稳增加到满足要求的压力值时，停止伸缩结构的收缩。若监测的压力值出现突变说明一部分岩石可能被压碎，需重新调整撑靴与岩壁的接触位置，直至获得平稳且大小上满足要求的压力值为止。
本实施例的用于溶洞不良地质的tbm自动脱困撑靴系统适用于双护盾式tbm、单护盾式tbm、敞开式tbm，应用范围广。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种用于溶洞不良地质的tbm自动脱困撑靴系统，其特征在于，包括tbm总控制中心及与其分别相连的撑靴展开及夹紧系统和撑靴旋转系统；
所述撑靴展开及夹紧系统用于：根据tbm总控制中心下发的最优撑靴展开路径将两个撑靴展开并形成“u”形撑靴结构；在tbm总控制中心的控制作用下使得撑靴内壁与岩壁夹紧并实时监测撑靴内壁与岩壁的接触压力并回传至tbm总控制中心；
所述撑靴旋转系统，用于根据tbm总控制中心下发的最优撑靴旋转路径调整撑靴姿态，使得岩壁卡在“u”形撑靴结构内；
所述tbm总控制中心，用于根据撑靴内壁与岩壁的接触压力与预设压力值比较，得到“u”形撑靴结构与岩壁的紧密接触程度，确定是否进行掘进作业来完成tbm卡机脱困；当tbm通过溶洞地质后，控制撑靴展开及夹紧系统和撑靴旋转系统动作，使得撑靴与岩壁松开，旋转至原位，收回展开并进入正常掘进状态。
2.如权利要求1所述的用于溶洞不良地质的tbm自动脱困撑靴系统，其特征在于，所述tbm总控制中心用于接收撑靴内壁与岩壁的接触压力，当接收到的接触压力值不满足预设压力值时，自动控制撑靴展开及夹紧系统使得“u”形撑靴与岩壁紧密接触，直至接触压力值满足预设压力值时，继续进行掘进作业，完成tbm卡机脱困。
3.如权利要求1所述的用于溶洞不良地质的tbm自动脱困撑靴系统，其特征在于，所述tbm总控制中心还与激光测距装置相连；所述激光测距装置设置在撑靴端部，用于检测溶洞几何尺寸并传送至tbm总控制中心。
4.如权利要求3所述的用于溶洞不良地质的tbm自动脱困撑靴系统，其特征在于，所述tbm总控制中心，用于根据接收到的溶洞几何尺寸自动计算出最优撑靴展开路径。
5.如权利要求3所述的用于溶洞不良地质的tbm自动脱困撑靴系统，其特征在于，所述tbm总控制中心，用于根据接收到的溶洞几何尺寸自动计算出最优撑靴旋转路径。
6.如权利要求1所述的用于溶洞不良地质的tbm自动脱困撑靴系统，其特征在于，所述撑靴展开及夹紧系统包括设置在两个撑靴之间的伸缩结构，所述伸缩结构受tbm总控制中心的控制，用于展开两个撑靴形成“u”形、收回撑靴以及控制撑靴内壁与岩壁之间夹紧。
7.如权利要求1所述的用于溶洞不良地质的tbm自动脱困撑靴系统，其特征在于，所述撑靴展开及夹紧系统还包括压力传感装置，所述压力传感装置设置在撑靴内壁，用于实时监测撑靴内壁与岩壁的接触压力并传送至tbm总控制中心。
8.如权利要求7所述的用于溶洞不良地质的tbm自动脱困撑靴系统，其特征在于，所述撑靴内壁上设置有圆柱体防滑齿，所述压力传感装置设置在圆柱体防滑齿内。
9.如权利要求1所述的用于溶洞不良地质的tbm自动脱困撑靴系统，其特征在于，所述撑靴旋转系统，包括：
锚栓结构，其包括锚杆，锚杆用于连接可旋转撑靴部分和不可旋转部分，且为撑靴的旋转轴；
旋转机构，其一端固定在基座上，另一端与可旋转撑靴部分相连，用于为撑靴旋转提供动力，使得可旋转撑靴部分围绕旋转轴做旋转运动。
10.一种如权利要求1-9中任一项所述的用于溶洞不良地质的tbm自动脱困撑靴系统的工作方法，其特征在于，包括：
tbm总控制中心下发最优撑靴展开路至撑靴展开及夹紧系统，使得两个撑靴展开并形成“u”形撑靴结构；
tbm总控制中心下发的最优撑靴旋转路径至撑靴旋转系统，利用撑靴旋转系统调整撑靴姿态，使得岩壁卡在“u”形撑靴结构内；
tbm总控制中心控制撑靴展开及夹紧系统，使得撑靴内壁与岩壁夹紧并实时监测撑靴内壁与岩壁的接触压力并回传至tbm总控制中心；
tbm总控制中心根据撑靴内壁与岩壁的接触压力与预设压力值比较，得到“u”形撑靴结构与岩壁的紧密接触程度，确定是否进行掘进作业来完成tbm卡机脱困；当tbm通过溶洞地质后，控制撑靴展开及夹紧系统和撑靴旋转系统动作，使得撑靴与岩壁松开，旋转至原位，收回展开并进入正常掘进状态。
技术总结