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申请/专利权人：中交隧道工程局有限公司南京分公司;南京工业大学;南京坤拓土木工程科技有限公司

摘要：本发明涉及一种基于最适理论布孔方案的超前钻孔系统和工作方法，属于盾构超前地质钻探技术领域。它由从试验数据统计计算并根据现场实际情况进行确定隧道区间内最适理论布孔方案、对盾构机的既有部件改造和超前钻机工作系统的设计安装方法、超前钻孔系统的工作流程三大部分组成，能够在盾构掘进过程中地层条件复杂多变的情况下通过超前钻孔制造掌子面内临空面来破坏刀盘前方岩体完整性，并保证超前钻孔和盾构掘进总体效率最高。本发明基于工程勘察资料，方法合理，步骤明确，可行性强，有利于提高盾构掘进坚硬的复合地层时的工作效率，具有重要的理论创新性和工程实用性。

主权项：1.一种基于最适理论布孔方案的超前钻孔系统的工作方法，其特征在于，确定隧道区间内最适理论布孔方案的过程，包括如下步骤：步骤一确定盾构机掘进范围内掌子面地层信息：根据现场取样结果，确定盾构机掌子面类型，即隧道开挖横截面的地层信息，将掌子面土层种类、土层分层排列方式及每种土层所占掌子面面积比均相同的掌子面归为一种掌子面；步骤二根据岩石共线三孔试验记录确定超前钻孔有效影响半径：在均质地层内的掌子面进行岩石共线三孔试验，以掌子面圆心为坐标原点建立直角坐标系；以坐标原点为起点，沿X轴以每隔2S的距离作竖直线，沿Y轴以每隔2S距离作水平线，形成格栅；将掌子面范围内的所有格栅交点作为钻孔点，以同种施工工艺和施工参数在每个钻孔点布设钻孔，完成掌子面超前钻孔；将坐标原点处的钻孔作为钻孔3，将钻孔3水平左侧的紧邻钻孔作为钻孔1，将钻孔3水平右侧的紧邻钻孔作为钻孔2；定义以钻孔1孔口圆心和钻孔2孔口圆心为端点的线段为三孔试验线段，三孔试验线段长度为4S；存在若干分布于钻孔1孔口且与钻孔1孔口相连的裂缝，L1为这些裂缝的远端到钻孔1孔口圆心的连线，在以钻孔1孔口圆心和钻孔3孔口圆心为端点的线段上的最大投影长度；存在若干分布于钻孔2孔口且与钻孔2孔口相连的裂缝，L2为这些裂缝的远端到钻孔2孔口圆心的连线在以钻孔2孔口圆心和钻孔3孔口圆心为端点的线段上的最大投影长度；存在若干分布于钻孔3孔口且与钻孔3孔口相连的裂缝，L31为这些裂缝的远端到钻孔3孔口圆心的连线在以钻孔1孔口圆心和钻孔3孔口圆心为端点的线段上的最大投影长度；存在若干分布于钻孔3孔口且与钻孔3孔口相连的裂缝，L32为这些裂缝的远端到钻孔3孔口圆心的连线在以钻孔2孔口圆心和钻孔3孔口圆心为端点的线段上的最大投影长度；计算三孔间有效裂纹长度Le，如式1所示；Le＝L1+L2+L31+L321将Le4S＝0.5时相邻两个钻孔中心的距离2S称为超前钻孔有效影响半径Rw；超前钻孔有效影响半径预测方程，如式2，地层的单轴抗压强度σc，完整性系数Kv，钻机的扭矩T，钻机的推力F，钻机的钻头半径R，钻孔深度L，为超前钻孔有效影响半径的预测值，k、a、b、c、h、d、g分别为超前钻孔有效影响半径预测方程的系数； 步骤三通过统计学方法确定掌子面内各地层超前钻孔有效影响半径预测方程系数；统计掌子面内各种地层在现场试验不同钻进条件下的多组实测参数Rw、F、T、R、σc、Kv、L，将超前钻孔有效影响半径预测方程即公式2两边取对数后化为线性组合的多项式形式后，如式3，再对已有数据进行多元线性拟合，通过回归计算方程系数，从而得出具体的的方程； 步骤四根据步骤三得出的超前钻孔有效影响半径预测方程并代入现场实测的钻机工作参数，得出超前钻孔有效影响半径预测值步骤五对隧道区间内掌子面内的各地层进行理论布孔：首先对盾构机土仓背面进行区域划分，将盾构机最外侧设备遮挡区称为Ⅰ区，将螺旋输送机遮挡区域称为Ⅱ区、将主轴区域称为Ⅲ区，由于这些区域有设备阻挡，无法让超前钻机通过，定义盾构机土仓背面可布孔区域为土仓背面除去Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区域的所有区域；将盾构机土仓背面可布孔区域等比例正投影到掌子面上，进行掌子面内的各地层理论布孔；定义地层交界线：从上下相邻的两个不同种类地层的分界处人工作出一条水平线，称为地层交界线；i地层与i+1地层为上下相邻的两个不同种类地层；对于i地层与i+1地层交界线处上方地层i地层内的布孔，首先，进行地层布孔竖向分层；沿着盾构机竖直中轴线，从地层交界线处沿远离地层交界线方向布置同地层内布孔水平线；首条同地层内布孔水平线距离地层交界线处然后按照每隔距离依次布设同地层内布孔水平线，直到最后布设的同地层内布孔水平线距离盾构机土仓背面可布孔区域内的该地层上边界距离小于或等于为止；在每一条同地层内布孔水平线上布孔；首先在同地层内布孔水平线和盾构机横截面竖直中轴线交点处布设该同地层内布孔水平线的第一个孔，然后以每隔距离向左方向依次布设孔位，直到出现最后一个不超出盾构机土仓背面可布孔区域的孔位为止，删除所有不位于盾构机土仓背面可布孔区域内的孔位；盾构机横截面竖直中轴线右方向的布孔与左方向的布孔相对盾构机横截面竖直中轴线镜面对称；依上述在每一条同地层内布孔水平线上布孔的方法依次布完所有同地层内布孔水平线上的孔；对于i地层与i+1地层交界线处下方地层i+1地层内的布孔，首先，进行地层布孔竖向分层；沿着盾构机竖直中轴线，从地层交界线处沿远离地层交界线方向布置同地层内布孔水平线；首条同地层内布孔水平线距离地层交界线处然后按照每隔距离依次布设同地层内布孔水平线，直到最后布设的同地层内布孔水平线距离盾构机土仓背面可布孔区域内的该地层下边界距离小于或等于为止；在每一条同地层内布孔水平线上布孔；首先在同地层内布孔水平线和盾构机横截面竖直中轴线交点处布设该同地层内布孔水平线的第一个孔，然后以每隔距离向左方向依次布设孔位，直到出现最后一个不超出盾构机土仓背面可布孔区域的孔位为止，删除所有不位于盾构机土仓背面可布孔区域内的孔位；盾构机横截面竖直中轴线右方向的布孔与左方向的布孔相对盾构机横截面竖直中轴线镜面对称；依该在每一条同地层内布孔水平线上布孔的方法依次布完所有同地层内布孔水平线上的孔；步骤六确定隧道区间内最适理论布孔方案；首先统计隧道区间内的掌子面种类，按照步骤五对每一种掌子面的理论布孔方案进行计算，并统计所有掌子面所对应的理论布孔方案的布孔数量；因为布孔数量越大，掌子面内的临空面越多、应力释放程度越大、岩体的完整性越差，导致盾构刀盘上的刀具对掌子面岩石的压碎和切削越高效，所以选取所有掌子面所对应的理论布孔方案中布孔数量最多的理论布孔方案，作为隧道区间内最适理论布孔方案。

全文数据：一种基于最适理论布孔方案的超前钻孔系统和工作方法技术领域本发明属于盾构超前地质钻探技术领域，特别涉及一种基于最适理论布孔方案的超前钻孔系统和工作方法。背景技术采用盾构法及TBM施工隧道的过程中，常会遇到掌子面前方地层情况不详的情形，这时采用钻机对刀盘前方的未掘进地层进行钻孔采样可以直观地了解地层，现有的超前地质钻探钻机分为钻孔位置固定式和可调式。固定式的超前钻探只能在开挖面上的某一固定位置进行钻孔，无法变化钻孔位置，仅用于地层取样分析。现有的可调式的超前钻探钻孔布置方法一般有两类，一类是根据刀盘开口位置布置，如一种带有液压钻机的TBM掘进机及其掘进施工方法申请号：201810351875.4可在无土仓的TBM掘进机内进行固定孔位超前钻孔，但在盾构机掘进过程中，地质条件复杂，有可能会遇到上软下硬地层，也有可能会遇到上硬下软地层，当需要在不同坚硬程度、不同完整程度的地层分别进行不同布孔密度的钻孔施工时，其无法在有土仓的盾构内使用，且根据盾构开口位置布置的钻孔布置方法的调节范围难以满足复杂多变的钻孔布置需求。另一类是无刀盘掘进机采用的可调式钻机，如悬臂式掘进机机载随掘锚钻探一体化钻机申请号201410256847.6和一种超前地质钻探用孔位自动调整装置申请号201420716161.6，虽然钻孔布置方法的调节范围大，但没有和盾构、TBM进行设备融合，无法在盾构和TBM施工中配合钻孔。所以，现有的两种类型可调式超前钻探钻孔布置方法不适用于盾构或TBM掘进复合地层。当掌子面前方未掘进地层坚硬且完整程度较高时，盾构及TBM掘进的速率低，刀具受到的荷载大，盾构及TBM设备易发生故障及损坏。根据岩石力学原理，通过在原状岩体中钻孔可以在岩体中制造临空面，从而破坏岩体的完整性，能够有效降低盾构掘进的难度。鉴于此，本发明提出了一种基于最适理论布孔方案的超前钻孔系统和工作方法，在盾构施工前，在刀盘前方未掘进地层内超前布孔再盾构掘进施工，用于解决目前隧道施工中出现的上述情况。发明内容本发明所提出的一种基于最适理论布孔方案的超前钻孔系统和工作方法，包括如下步骤：步骤一确定盾构机掘进范围内掌子面地层信息：步骤二根据本发明所述的岩石共线三孔试验记录确定超前钻孔有效影响半径：在均质地层内的掌子面进行岩石共线三孔试验，以掌子面圆心为坐标原点建立直角坐标系。以坐标原点为起点，沿X轴以每隔2S的距离作竖直线，沿Y轴以每隔2S距离作水平线，形成格栅。将掌子面范围内的所有格栅交点作为钻孔点，以同种施工工艺和施工参数在每个钻孔点布设钻孔，完成掌子面超前钻孔。将坐标原点处的钻孔作为钻孔3，将钻孔3水平左侧的紧邻钻孔作为钻孔1，将钻孔3水平右侧的紧邻钻孔作为钻孔2。定义以钻孔1孔口圆心和钻孔2孔口圆心为端点的线段为三孔试验线段，三孔试验线段长度为4S。存在若干分布于钻孔1孔口且与钻孔1孔口相连的裂缝，L1为这些裂缝的远端到钻孔1孔口圆心的连线中，在以钻孔1孔口圆心和钻孔3孔口圆心为端点的线段上的最大投影长度。存在若干分布于钻孔2孔口且与钻孔2孔口相连的裂缝，L2为这些裂缝的远端到钻孔2孔口圆心的连线中，在以钻孔2孔口圆心和钻孔3孔口圆心为端点的线段上的最大投影长度。存在若干分布于钻孔3孔口且与钻孔3孔口相连的裂缝，L31为这些裂缝的远端到钻孔3孔口圆心的连线中，在以钻孔1孔口圆心和钻孔3孔口圆心为端点的线段上的最大投影长度。存在若干分布于钻孔3孔口且与钻孔3孔口相连的裂缝，L32为这些裂缝的远端到钻孔3孔口圆心的连线中，在以钻孔2孔口圆心和钻孔3孔口圆心为端点的线段上的最大投影长度。计算三孔间有效裂纹长度Le，如式1所示。Le＝L1+L2+L31+L321将Le4S＝0.5时相邻两个钻孔中心的距离2S称为超前钻孔有效影响半径Rw。超前钻孔有效影响半径预测方程，如式2，地层的单轴抗压强度σc，完整性系数Kv，钻机的扭矩T，钻机的推力F，钻机的钻头半径R，钻孔深度L，为超前钻孔有效影响半径的预测值，k、a、b、c、h、d、g分别为超前钻孔有效影响半径预测方程的系数。步骤三通过统计学方法确定掌子面内各地层超前钻孔有效影响半径预测方程系数；统计掌子面内各种地层在现场试验不同钻进条件下的多组实测参数Rw、F、T、R、σc、Kv、L，将超前钻孔有效影响半径预测方程即公式2两边取对数后化为线性组合的多项式形式后，如式3，再对已有数据进行多元线性拟合，通过回归计算方程系数，从而得出具体的的方程。步骤四根据步骤三得出的超前钻孔有效影响半径预测方程并代入现场实测的钻机工作参数，得出超前钻孔有效影响半径预测值步骤五对隧道区间内掌子面内的各地层进行理论布孔。将盾构机土仓背面可布孔区域等比例正投影到掌子面上，根据超前钻孔有效影响半径预测结果进行掌子面内的各地层理论布孔。步骤六确定隧道区间内最适理论布孔方案。首先统计隧道区间内的掌子面种类，按照步骤五对每一种掌子面的理论布孔方案进行计算，并统计所有掌子面所对应的理论布孔方案的布孔数量，选取所有掌子面所对应的理论布孔方案中布孔数量最多的理论布孔方案，作为隧道区间内最适理论布孔方案。步骤七对刀盘进行分区域改造预留开孔。将隧道区间内最适理论布孔方案的孔位等比例正投影到刀盘轴正状态时的刀盘，得到在刀盘的需要改造区域内的待钻孔孔位，对刀盘上这些待钻孔孔位进行钻孔。步骤八对土仓背面进行预留开孔改造。将步骤七中得到的刀盘需要改造区域和刀盘无需改造区域等比例正投影到土仓背面，得到土仓背面改造域。将步骤六中得到的隧道区间内最适理论布孔方案的孔位等比例正投影到土仓背面，得到既完全在土仓背面可布孔区域内，又完全在土仓背面改造域内的待钻孔孔位，在这些待钻孔孔位处钻孔，孔径与超前钻机的钻头直径相同，完成盾构机土仓背面的预留开孔改造。步骤九刀盘对正孔的电磁对正环的安装。将刀盘上任一预留开孔的孔位上设置电磁对正环，定义设置了电磁对正环的刀盘预留孔位为刀盘对正孔。刀盘上仅对唯一的刀盘对正孔进行电磁对正环改造，保证对正标准的唯一性。步骤十设置土仓背面预留开孔的密封装置。在土仓背面的预留开孔处设置由矩形盖子、螺栓、螺孔组成的密封装置，对预留孔进行密封。步骤十一安装超前钻机工作系统。超前钻机工作系统包括：行星式平台、双叉式升降平台和超前钻机钻进系统。一、行星式平台包括：圆环形带齿轨道装置27和小车；二、双叉式升降平台在小车上设置双叉式升降平台；双叉式升降平台包括：上前叉杆38、上后叉杆45、下前叉杆46、下后叉杆52和液压杆42，液压杆42安装在钻进平台40的两端，上端叉杆和固定于车架32上的上叉杆滑动卡槽39滑动连接；下端叉杆和固定于钻进平台40上的下叉杆滑动卡槽48滑动连接。三、超前钻机钻进系统超前钻机钻进系统包括：超前钻机56、超前钻机钻杆41、钻进平台40及超前钻机固定支座43、超前钻机固定支座螺栓44。步骤十二盾构机停机，对正刀盘对正孔和土仓背面对正孔。在土仓背面对正孔上设置磁场强度检测仪，通过观察盾构刀盘低速运转时磁场强度读数变化情况确定土仓背面对正状态。步骤十三行星式平台就位。电动机29驱动车架32中的齿形滚轮28和轨道齿271咬合，使车架32移动至离土仓背面需要钻孔的孔位最近的地方。步骤十四钻机孔位对正。在自带的直流动力驱动下，液压杆42伸缩，推动由下后叉杆52、下前叉杆46、上前叉杆38、上后叉杆45构成的伸缩系统在圆环形带齿轨道装置27的半径方向上伸缩，使超前钻机钻杆41对正需要钻孔孔位所对应的土仓背面预留开孔。步骤十五密封解除后钻机钻进。拧出螺栓263拆卸土仓背面矩形盖子25，超前钻机钻杆41连续穿过土仓背面18的预留开孔和刀盘，接触到掌子面后开始钻进作业。步骤十六单孔完成后孔位密封。单孔作业完成后，超前钻机钻杆41退出土仓背面18的预留开孔，然后重新用螺栓263将矩形盖子25固定在土仓背面18封住土仓背面18的预留开孔。步骤十七重复步骤十二到步骤十六，使超前钻机钻杆41依次分别对正其他土仓背面预留开孔，连续进行超前钻孔操作。步骤十八钻孔完成后盾构机开始掘进。当所有土仓背面预留开孔对应的超前钻孔完成后，盾构机开机，开始掘进作业。本发明的的优点如下：1最适理论布孔方案基于现场试验和工程经验，有明确定量的计算公式和步骤，应用方便。2对盾构机的既有部件的改造不影响盾构机的正常工作，超前钻机工作系统融合在现有盾构机的结构框架内。3盾构机内既有部件改造和超前钻机工作系统组成超前钻孔系统，超前钻孔系统工作流程明确可行，可以很好地配合盾构机的既有工作流程，且超前钻孔系统的工作性能满足工程需求。说明书附图图1隧道区间掌子面地层分布示意图；图2岩石共线三孔试验示意图；图3盾构机土仓背面区域划分示意图；图4土仓背面区域划分实例示意图；图5掌子面理论布孔示意图；图6F1型掌子面理论布孔方案示意图；图7F2型掌子面理论布孔方案示意图；图8刀盘分区示意图；图9电磁对正环平面示意图；图10磁环剖面示意图；图11矩形盖子示意图；图12土仓背面预留孔密封示意图；图13圆环形带齿轨道装置正面示意图；图14圆环形带齿轨道装置剖面示意图图15小车剖面示意图；图16超前钻机工作系统主要组成部分示意图；图17叉杆连接示意图；图18上前叉杆和卡槽的滑动连接剖面示意图；图19上后叉杆和卡槽的滑动连接剖面示意图；图20下前叉杆和液压细杆、卡槽的连接示意图；图21下后叉杆和液压细杆、卡槽的连接示意图；图22悬臂阻杆安装示意图。其中：18.土仓背面、19.磁环、20.保护壳、21.软磁环、22.螺线管、23.电源正极、24.电源负极、25.矩形盖子、261.定位螺孔、262.盖面螺丝孔、263.螺栓、27.圆环形带齿轨道装置、28.齿形滚轮、29.电动机、30.挂钩、31.滚珠、32.车架、33.轨道底挡板、34.驱动轴、35.驱动轴末端凸榫、36.电动机固定支座螺栓、37.电动机固定支座、38.上前叉杆、39.上叉杆滑动卡槽、40.钻进平台、41.超前钻机钻杆、42.液压杆、43.超前钻机固定支座、44.超前钻机固定支座螺栓、45.上后叉杆、46.下前叉杆、47.前叉杆杆端凸榫、48.下叉杆滑动卡槽、49.叉杆轴孔、50.液压细杆轴孔、51.叉杆连接轴、52.下后叉杆、53.前叉杆卡槽键、54.后叉杆卡槽键、55.后叉杆杆端凸榫、56.超前钻机、57.悬臂阻杆、58.端部连接轴。具体实施方法步骤一到步骤六完成了从试验数据统计计算并根据现场实际情况确定隧道区间内最适理论布孔方案的过程。步骤七到步骤十一为超前钻孔系统中对盾构机的既有部件的改造和超前钻机工作系统的设计安装方法，改造后的盾构机既有部件和超前钻机工作系统组成超前钻孔系统。步骤十二到步骤十八为超前钻孔系统的工作流程。具体描述如下：步骤一确定盾构机掘进范围内掌子面地层信息。根据现场取样结果，确定盾构机掌子面类型，即隧道开挖横截面的地层信息，将掌子面土层种类、土层分层排列方式及每种土层所占掌子面面积比均相同的掌子面归为一种掌子面。以南京地铁某隧道区间为例，采用三幅条型的海瑞克牌盾构机掘进，统计勘察报告可知某地区盾构前方土层信息，从上到下分别为A地层：J31-3r中风化安山岩，单轴抗压强度σc1＝19.38MPa，完整性系数Kv1＝0.5；B地层：J31-3中风化安山岩，单轴抗压强度σc2＝63.35MPa，完整性系数Kv2＝0.59。如图1，对于该隧道区间，盾构掘进中一共遇到两种掌子面分别为F1和F2，掌子面投影到土仓背面的土层信息为：F1掌子面：A地层的厚度为2.5m，B地层的厚度为2.8m。F2掌子面：A地层的厚度为1.7m，B地层的厚度为3.6m。步骤二根据本发明所述的岩石共线三孔试验记录确定超前钻孔有效影响半径。在均质地层内的掌子面进行岩石共线三孔试验，以掌子面圆心为坐标原点建立直角坐标系。以坐标原点为起点，沿X轴以每隔2S的距离作竖直线，沿Y轴以每隔2S距离作水平线，形成格栅。将掌子面范围内的所有格栅交点作为钻孔点，以同种施工工艺和施工参数在每个钻孔点布设钻孔，完成掌子面超前钻孔。将坐标原点处的钻孔作为钻孔3，将钻孔3水平左侧的紧邻钻孔作为钻孔1，将钻孔3水平右侧的紧邻钻孔作为钻孔2。如图2，定义以钻孔1孔口圆心和钻孔2孔口圆心为端点的线段为三孔试验线段，三孔试验线段长度为4S。存在若干分布于钻孔1孔口且与钻孔1孔口相连的裂缝，L1为这些裂缝的远端到钻孔1孔口圆心的连线中，在以钻孔1孔口圆心和钻孔3孔口圆心为端点的线段上的最大投影长度。存在若干分布于钻孔2孔口且与钻孔2孔口相连的裂缝，L2为这些裂缝的远端到钻孔2孔口圆心的连线中，在以钻孔2孔口圆心和钻孔3孔口圆心为端点的线段上的最大投影长度。存在若干分布于钻孔3孔口且与钻孔3孔口相连的裂缝，L31为这些裂缝的远端到钻孔3孔口圆心的连线中，在以钻孔1孔口圆心和钻孔3孔口圆心为端点的线段上的最大投影长度。存在若干分布于钻孔3孔口且与钻孔3孔口相连的裂缝，L32为这些裂缝的远端到钻孔3孔口圆心的连线中，在以钻孔2孔口圆心和钻孔3孔口圆心为端点的线段上的最大投影长度。计算三孔间有效裂纹长度Le，如式1所示。Le＝L1+L2+L31+L321根据现场经验发现，当Le4S为介于0到1之间的不同值时，如果限定钻孔深度和盾构推力一定，则在Le4S不同的情况下，盾构掘进距离等于钻孔深度时，统计掌子面超前钻孔即盾构掘进前先在掌子面钻孔与盾构机掘进的总工时，该总工时和钻孔深度的比值存在最小值，该最小值对应的Le4S约为0.5，此时盾构机所需的扭矩相当于掘进同种地质条件但未超前钻孔时即掘进原状地层时的80％；当Le4S持续增大，虽然盾构机所需扭矩仍在降低，但4S减小程度也越来越大，布孔数量急剧增大，钻孔工作量陡增，超前钻孔与盾构机掘进总工时并未降低，故我们将Le4S＝0.5时相邻两个钻孔中心的距离2S称为超前钻孔有效影响半径Rw。在超前钻孔的过程中，影响超前钻孔有效影响半径的主要影响因素为地层的单轴抗压强度σc，完整性系数Kv，钻机的扭矩T，钻机的推力F，钻机的钻头半径R，钻孔深度L，根据各主要影响因素对超前钻孔有效影响半径的相关性和影响性分析，本专利提出用于预测超前钻孔有效影响半径的经验公式，即超前钻孔有效影响半径预测方程，如式2，为超前钻孔有效影响半径的预测值，k、a、b、c、h、d、g分别为超前钻孔有效影响半径预测方程的系数。步骤三通过统计学方法确定掌子面内各地层超前钻孔有效影响半径预测方程系数。统计各种地层在现场试验不同钻进条件下的多组实测参数Rw、F、T、R、σc、Kv、L，将超前钻孔有效影响半径预测方程即公式2两边取对数后化为线性组合的多项式形式后，如式3，再对已有数据进行多元线性拟合，通过回归计算方程系数，从而得出具体的的方程。本算例的回归计算得到方程系数如表1。表1有效工作半径公式回归计算系数因此，该实例中的超前钻孔有效影响半径预测方程如式4。步骤四根据实际钻机工作参数和超前钻孔有效影响半径预测方程计算超前钻孔有效影响半径预测值。根据步骤三得出的超前钻孔有效影响半径预测方程并代入现场实测的钻机工作参数，得出超前钻孔有效影响半径预测值钻孔深度L和盾构衬砌一环的宽度一致，取1.2m。本算例的计算结果如表2。表2两种地质参数及相应条件下预测有效工作半径预测结果根据现场数据及经验，J31-3r中风化安山岩的Rw1为0.53m，J31-3中风化安山岩Rw2为0.33m。预测值和0.53m相差小于20％，预测值和0.33m相差小于10％。所以，在本工程中的两个预测结果和实际既往经验值差距较小，预测结果和方法可信可靠。步骤五对隧道区间内掌子面内的各地层进行理论布孔。在盾构掘进轴线方向上掌子面地层分布不发生变化的连续若干环为盾构区间内的同一分段，同一分段内隧道掌子面的地层分布相同。如图3，首先对盾构机土仓背面进行区域划分，将盾构机最外侧设备遮挡区称为Ⅰ区，将螺旋输送机遮挡区域称为Ⅱ区、将主轴区域称为Ⅲ区，由于这些区域有设备阻挡，无法让超前钻机通过，定义盾构机土仓背面可布孔区域为土仓背面除去Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区域的所有区域。将盾构机土仓背面可布孔区域等比例正投影到掌子面上，进行掌子面内的各地层理论布孔。定义地层交界线：从上下相邻的两个不同种类地层的分界处人工作出一条水平线，称为地层交界线。i地层与i+1地层为上下相邻的两个不同种类地层。对于i地层与i+1地层交界线处上方地层i地层内的布孔，首先，进行地层布孔竖向分层。沿着盾构机竖直中轴线，从地层交界线处沿远离地层交界线方向布置同地层内布孔水平线。首条同地层内布孔水平线距离地层交界线处然后按照每隔距离依次布设同地层内布孔水平线，直到最后布设的同地层内布孔水平线距离盾构机土仓背面可布孔区域内的该地层上边界距离小于或等于为止。在每一条同地层内布孔水平线上布孔。首先在同地层内布孔水平线和盾构机横截面竖直中轴线交点处布设该同地层内布孔水平线的第一个孔，然后以每隔距离向左方向依次布设孔位，直到出现最后一个不超出盾构机土仓背面可布孔区域的孔位为止，删除所有不位于盾构机土仓背面可布孔区域内的孔位。盾构机横截面竖直中轴线右方向的布孔与左方向的布孔相对盾构机横截面竖直中轴线镜面对称。依上述布孔方法依次布完所有同地层内布孔水平线上的孔。对于i地层与i+1地层交界线处下方地层i+1地层内的布孔，首先，进行地层布孔竖向分层。沿着盾构机竖直中轴线，从地层交界线处沿远离地层交界线方向布置同地层内布孔水平线。首条同地层内布孔水平线距离地层交界线处然后按照每隔距离依次布设同地层内布孔水平线，直到最后布设的同地层内布孔水平线距离盾构机土仓背面可布孔区域内的该地层下边界距离小于或等于为止。在每一条同地层内布孔水平线上布孔。首先在同地层内布孔水平线和盾构机横截面竖直中轴线交点处布设该同地层内布孔水平线的第一个孔，然后以每隔距离向左方向依次布设孔位，直到出现最后一个不超出盾构机土仓背面可布孔区域的孔位为止，删除所有不位于盾构机土仓背面可布孔区域内的孔位。盾构机横截面竖直中轴线右方向的布孔与左方向的布孔相对盾构机横截面竖直中轴线镜面对称。依上述布孔方法依次布完所有同地层内布孔水平线上的孔。现以本工程中应用的海瑞克牌某型盾构机为例对掌子面的各地层布孔方法给出具体示例。如图4，海瑞克牌某型盾构机土仓背面半径2.65米，且某一段地层掌子面投影到土仓背面的土层信息如下：A地层的厚度为1.7m，B地层的厚度为3.6m，为0.45m，为0.35m，其中Ⅰ区域的环宽为400mm，Ⅱ区域为一个长方向轴线在盾构机圆心竖直方向上的宽为800mm且连接Ⅲ区域与Ⅰ区域的类矩形区域，Ⅲ区域是一个以盾构机圆心为圆心，半径为550mm的圆。A地层内的布孔地层交界线处上方为A地层，首先在A地层布设同地层内布孔水平线，在地层交界线处上方处布设第一条同地层内布孔水平线A1A1’，然后按照每隔距离依次布设同地层内布孔水平线，直到最后布设的同地层内布孔水平线距离该地层上边界距离小于或等于为止。在每一条同地层内布孔水平线上布孔。首先在该条同地层内布孔水平线和盾构机横截面竖直中轴线交点处布第一个孔，然后以每隔距离向左方向依次布设孔位，直到出现最后一个不超出盾构机土仓背面可布孔区域的孔位为止，删除所有不位于盾构机土仓背面可布孔区域内的孔位。盾构机横截面竖直中轴线右方向的布孔与左方向的布孔相对盾构机横截面竖直中轴线镜面对称。B地层内的布孔地层交界线处下方为B地层，首先在B地层布设同地层内布孔水平线，在地层交界线处下方处布设第一条同地层内布孔水平线，然后按照每隔距离依次布设同地层内布孔水平线，直到最后布设的同地层内布孔水平线距离该地层下边界距离小于或等于为止。在每一条同地层内布孔水平线上布孔。首先在该条同地层内布孔水平线和盾构机横截面竖直中轴线交点处布第一个孔，然后以每隔距离向左方向依次布设孔位，直到出现最后一个不超出盾构机土仓背面可布孔区域的孔位为止，删除所有不位于盾构机土仓背面可布孔区域内的孔位。盾构机横截面竖直中轴线右方向的布孔与左方向的布孔相对盾构机横截面竖直中轴线镜面对称。掌子面理论布孔结果如图5所示。步骤六确定隧道区间内最适理论布孔方案。隧道区间，是指盾构紧邻的一对出入端头井之间的隧道，单线隧道由一台盾构机掘进而成。由于隧道区间内土层分布不规则变化，存在多种掌子面，不同掌子面对应的理论布孔方案不同。盾构掘进过程中将会穿越这些掌子面，超前钻机的钻具要穿过土仓背面的开孔和刀盘上的开孔才能进行超前钻进，而盾构穿越隧道区间的过程中不能更换土仓背面和刀盘，所以盾构的土仓背面和刀盘的改造应满足隧道区间内所有类型掌子面的布孔要求。首先统计隧道区间内的掌子面种类，按照步骤五对每一种掌子面的理论布孔方案进行计算，并统计所有掌子面所对应的理论布孔方案的布孔数量。因为布孔数量越大，掌子面内的临空面越多、应力释放程度越大、岩体的完整性越差，导致盾构刀盘上的刀具对掌子面岩石的压碎和切削越高效，所以选取所有掌子面所对应的理论布孔方案中布孔数量最多的理论布孔方案，作为隧道区间内最适理论布孔方案。如图6及图7，对于本隧道区间内两种掌子面F1和F2的理论布孔方案分别为：F1掌子面，为0.45m，为0.35m，孔数84。F2掌子面，为0.45m，为0.35m，孔数94。所以，对于该区间的最适理论布孔方案应取F2掌子面的理论布孔方案。步骤七对刀盘进行分区域改造预留开孔。刀盘可以分为三个区域：第一个区域是刀盘本身开孔处，这些地方无需额外改造，称为无需改造区域；第二个区域是刀盘主轴区域、刀盘上刀具安装区域、刀盘外边缘厚度范围区域，称为无法改造区域；盾构机刀盘其他位置本身并无开孔，但是可以进行改造加孔，称为需要改造区域。将如图8所述的刀盘放置在直角坐标系中，刀盘圆心位置即为坐标原点，随着刀盘的转动，其中任一扇形无需改造区域的重心位置落在y轴正轴上时定义该状态为刀盘轴正状态，将步骤六中得到的隧道区间内最适理论布孔方案的孔位等比例正投影到刀盘轴正状态时的刀盘，得到在刀盘的需要改造区域内的待钻孔孔位并在这些孔位钻孔，待钻孔孔径和超前钻孔孔径相同，完成盾构机刀盘需要改造区域的预留开孔改造。以本工程中的海瑞克牌某型盾构机为例，刀盘为三幅条构型，刀盘分区如图8。步骤八对土仓背面进行预留开孔改造。将步骤七中得到的刀盘需要改造区域和刀盘无需改造区域等比例正投影到土仓背面，得到土仓背面改造域。将步骤六中得到的隧道区间内最适理论布孔方案的孔位等比例正投影到土仓背面，得到既完全在土仓背面可布孔区域内，又完全在土仓背面改造域内的待钻孔孔位，在这些待钻孔孔位处钻孔，孔径与超前钻机的钻头直径相同，完成盾构机土仓背面的预留开孔改造。步骤九刀盘对正孔的电磁对正环安装。当与钻孔直径相同的钻杆沿平行于刀盘法线方向从每一个土仓背面预留开孔处插入并能够方向不变地延伸穿过刀盘无需改造区域或刀盘预留开孔时，将这一状态定义为土仓背面对正状态。将刀盘上任一预留开孔的孔位上设置电磁对正环，定义设置了电磁对正环的刀盘预留孔位为刀盘对正孔。刀盘上仅对唯一的刀盘对正孔进行电磁对正环改造，保证对正标准的唯一性。电磁对正环包括磁环19、螺线管22、直流电源正极23、电源负极24。如图9，磁环19上绕有螺线管22，磁环19上和螺线管22组成的电磁对正环预埋在刀盘上一个预留开孔的外周，此时该预留开孔孔口圆心和磁环19圆心重合。磁环19内有且仅有1个完整的刀盘预留开孔。螺线管22的两端分别连接直流电源正极23、电源负极24。定义设置电磁对正环的刀盘预留开孔为刀盘对正孔。如图10，圆环形的磁环19由软磁材料制成的圆环形的软磁环21和包裹软磁环21的保护壳20组成，使得软磁环21不会受到腐蚀等外界环境的破坏。根据电磁场理论：把磁环19放在螺线管22中，螺线管22是带有绝缘层的导线，保证磁环19磁场方向和通电后螺线管内部的磁场线方向相同。线圈通上直流电，一段时间后，磁场强度材料的磁场强度相比于以前变得更强。基于退磁和充磁的需要，采用的是软磁环21，因为软磁是适应不断充磁退磁使用的。步骤十设置土仓背面预留开孔的密封装置。为防止土仓中的渣土通过预留开孔漏出，在土仓背面18设置预留开孔密封装置对预留孔进行密封。如图11，使用具有耐腐蚀、耐高温和耐磨损材质的矩形盖子25覆盖土仓背面18预留开孔，矩形盖子25的四边有盖面螺丝孔262。如图12，在土仓背面预留开孔外周设置定位螺孔261，用螺栓263穿过盖面螺丝孔262拧入定位螺孔261，从而把矩形盖子25固定在土仓背面18上，当超前钻机需要通过土仓时，只需卸下螺栓263，即可拆除矩形盖子25。步骤十一安装超前钻机工作系统。超前钻机工作系统包括行星式平台、双叉式升降平台和超前钻机钻进系统。行星式平台主要包括：圆环形带齿轨道装置27和小车。如图13，在距土仓背面远离盾构前端方向0.5m～1m的位置安放一个圆环形带齿轨道装置27，圆环形带齿轨道装置27固定在盾构机内部，圆环形带齿轨道装置27圆心处法线和盾构土仓背面18圆心处法线共线。如图14，圆环形带齿轨道装置27剖面如下图。271为轨道齿，272为轨道侧挡板，33为轨道底挡板。如图15，行星式平台中，小车包括车架32、挂钩30、齿形滚轮28、电动机29，驱动轴34、驱动轴末端凸榫35、电动机固定支座螺栓36、电动机固定支座37。车架32装有两个齿形滚轮28，驱动轴34穿过起滚动作用的齿形滚轮28，驱动轴34和驱动轴末端凸榫35固定在车架32上。车架32的挂钩30钩挂在由轨道侧挡板272和轨道底挡板33所围成的卡槽内，在挂钩30和卡槽之间的空隙内放上滚珠31和润滑油脂，有利于滚动。轨道底挡板33是为了不让小车在重力作用下掉落。为了让小车在圆环形带齿轨道装置27上更加速、灵活地滚动，本设计采用的是电动机29驱动小车的齿形滚轮28滚动，齿形滚轮28宽度大于圆环形带齿轨道装置27的轨道齿271的宽度。这是根据牛顿第二定律和动量定理，让驱动性质的齿形滚轮28的质量增大，在电动机29输出的角速度或角加速度相同的情况下，相应的驱动力更大、控制更敏捷。驱动轴末端凸榫35，是防止驱动轴产生轴向位移。电动机29通过电动机固定支座螺栓36与电动机固定支座37相连，电动机固定支座37通过电动机固定支座螺栓36与车架32相连，从而使电动机29外壳固定在车架32上。电动机29驱动齿形滚轮28工作后，小车在两个齿形滚轮28和轨道齿271之间咬合的带动下，可以沿着圆环形带齿轨道装置27做圆周运动。如图16，在小车上设置双叉式升降平台。定义有杆端凸榫的一端为叉杆前端，没有杆端凸榫的一端为叉杆后端，有杆端凸榫的一侧为叉杆前侧，没有杆端凸榫的一侧为叉杆后侧。双叉式升降平台包括上前叉杆38、上后叉杆45、下前叉杆46、下后叉杆52和液压杆42，液压杆42安装在钻进平台40的两端，上端叉杆，即上前叉杆38、上后叉杆45，和固定于车架32上的上叉杆滑动卡槽39滑动连接。下端叉杆，即下前叉杆46、下后叉杆52，和固定于钻进平台40上的下叉杆滑动卡槽48滑动连接。如图17，由于考虑到四个叉杆自身存在厚度，将其按照安装位置分为上前叉杆38、上后叉杆45、下前叉杆46、下后叉杆52，四个叉杆杆体的厚度均为K。双叉杆的侧视图见图15，图15中的四个叉杆的叉杆连接轴51规格一致，每个叉杆上预留的叉杆轴孔49大小规格也是一致的，叉杆连接轴51完全插入叉杆轴孔49。叉杆轴孔49和叉杆连接轴51的对应方法如图所示：上后叉杆45中部的叉杆连接轴51从上前叉杆38的后侧插入上前叉杆38中部的叉杆轴孔49。上后叉杆45后端的叉杆连接轴51从下前叉杆46的后侧插入下前叉杆46后端的叉杆轴孔49。上前叉杆38后端的叉杆连接轴51从下后叉杆52的前侧插入下后叉杆52后端的叉杆轴孔49。下后叉杆52中部的叉杆连接轴51从下前叉杆46的后侧插入下前叉杆46中部的叉杆轴孔49。前叉杆卡槽键53和后叉杆卡槽键54为横截面半径相同的圆柱体。前叉杆杆端凸榫47和后叉杆杆端凸榫55为横截面半径相同的圆柱体。前叉杆杆端凸榫47和后叉杆杆端凸榫55的厚度相同。前叉杆杆端凸榫47和后叉杆杆端凸榫55的横截面半径大于上叉杆滑动卡槽39内轨道空间的宽度和下叉杆滑动卡槽48内轨道空间的宽度。前叉杆卡槽键53的长度均为M。后叉杆卡槽键54的长度均为H。为了降低四个叉杆自身厚度对搭接的影响，使前叉杆杆端凸榫47和后叉杆杆端凸榫55的顶面均处于同一平面，需要满足式5。K+M＝H5上部叉杆和卡槽的滑动连接：如图18，前叉杆卡槽键53在上叉杆滑动卡槽39内自由滑动，由于前叉杆杆端凸榫47的限制作用，所以上前叉杆38、前叉杆卡槽键53和前叉杆杆端凸榫47整体不会脱离上叉杆滑动卡槽39。如图19，后叉杆卡槽键54在上叉杆滑动卡槽39内自由滑动，由于后叉杆杆端凸榫55的限制作用，所以上后叉杆45、后叉杆卡槽键54和后叉杆杆端凸榫55整体不会脱离上叉杆滑动卡槽39。下部叉杆和卡槽的滑动连接：如图20，下叉杆卡槽键53在下叉杆滑动卡槽48内自由滑动，由于前叉杆杆端凸榫47的限制作用，所以下前叉杆46、前叉杆卡槽键53和前叉杆杆端凸榫47整体不会脱离下叉杆滑动卡槽48。如图20，下前叉杆46的前端后侧预留一定长度的叉杆轴孔49，液压杆42的细杆端部预留一定长度的液压细杆轴孔50，端部连接轴58完全插入叉杆轴孔49和液压细杆轴孔50，把液压杆42和下前叉杆46通过端部连接轴58连接在一起，下前叉杆46和液压杆42均可绕端部连接轴58自由转动。如图21，后叉杆卡槽键54在下叉杆滑动卡槽48内自由滑动，由于后叉杆杆端凸榫55的限制作用，所以下后叉杆52、后叉杆卡槽键54和后叉杆杆端凸榫55整体不会脱离下叉杆滑动卡槽48。如图21，下后叉杆52的前端后侧预留一定长度的叉杆轴孔49，液压杆42的细杆端部预留一定长度的液压细杆轴孔50，端部连接轴58完全插入叉杆轴孔49和液压细杆轴孔50，把液压杆42和下后叉杆52通过端部连接轴58连接在一起，下后叉杆52和液压杆42均可绕端部连接轴58自由转动。如图16，超前钻机钻进系统包括超前钻机56、超前钻机钻杆41、钻进平台40及超前钻机固定支座43、超前钻机固定支座螺栓44。超前钻机56通过超前钻机固定支座螺栓44与超前钻机固定支座43相连，超前钻机固定支座43通过超前钻机固定支座螺栓44与钻进平台40相连，从而使超前钻机56固定在钻进平台40上，超前钻机钻杆41位于钻进平台40中轴线上。在自带的直流动力驱动下，液压杆42伸缩，推动下后叉杆52、下前叉杆46、上前叉杆38、上后叉杆45在圆环形带齿轨道装置27的半径方向上伸缩，从而使钻进平台40和安装在其上的超前钻机56可以定位在圆环形带齿轨道装置27的半径方向上的任意位置。如图22，为防止由于钻机钻孔后坐力导致上前叉杆38、上后叉杆45、下前叉杆46及下后叉杆52扭曲晃动，设置悬臂阻杆57。悬臂阻杆57共2具，悬臂阻杆57的长度等于圆环形带齿轨道装置27的半径，悬臂阻杆57平行对称固定在驱动轴末端凸榫35所在的小车的一面上，2具悬臂阻杆57之间的距离大于钻进时拆装超前钻机钻杆41所需的工作宽度。超前钻机钻杆41为可拆装的多节结构，通过杆体首尾处的螺丝和螺口相连的方式逐节加装钻杆，保证钻头能够钻孔完成预定的钻孔深度。超前钻机钻杆41横截面直径和刀盘预留开孔、土仓背面预留开孔相同。步骤十二盾构机停机，对正刀盘对正孔和土仓背面对正孔。土仓背面对正状态时，定义和刀盘对正孔孔位完全重合的土仓背面预留开孔为土仓背面对正孔。在土仓背面对正孔上设置磁场强度检测仪，当刀盘对正孔上设置的电磁对正环中的螺线管22内电流逐渐增大的时候，电磁对正环的磁场强度也在不断地增强，最终会稳定在一个较强磁场强度的状态，此时，通过观察磁场强度检测仪上面的显示屏读数，盾构刀盘低速运转至磁场强度读数达到一个稳定的最大值时盾构刀盘停止转动，此时刀盘对正孔的孔口圆心处的属于刀盘对正孔孔口所在平面的法线，与土仓背面对正孔的孔口圆心处的属于土仓背面对正孔孔口所在平面的法线相互共线，即刀盘对正孔与土仓背面对正孔对正，因为通电后的电磁对正环的磁场强度在一段时间后达到稳定的最大值，而且只有当刀盘对正孔与土仓背面对正孔对正时，在有效范围内才会被检测到最大值。步骤十三行星式平台就位。电动机29驱动车架32中的齿形滚轮28和轨道齿271咬合，使车架32移动至离土仓背面需要钻孔的孔位最近的地方。步骤十四钻机孔位对正。在自带的直流动力驱动下，液压杆42伸缩，推动下后叉杆52、下前叉杆46、上前叉杆38、上后叉杆45在圆环形带齿轨道装置27的半径方向上伸缩，使超前钻机钻杆41对正需要钻孔孔位所对应的土仓背面预留开孔。步骤十五密封解除后钻机钻进。拧出螺栓263拆卸土仓背面矩形盖子25，超前钻机钻杆41连续穿过土仓背面18的预留开孔和刀盘，接触到掌子面后开始钻进作业。步骤十六单孔完成后孔位密封。单孔作业完成后，超前钻机钻杆41退出土仓背面18的预留开孔，然后重新用螺栓263将矩形盖子25固定在土仓背面18封住土仓背面18的预留开孔。步骤十七重复步骤十二到步骤十六，使超前钻机钻杆41依次分别对正其他土仓背面预留开孔，连续进行超前钻孔操作。步骤十八钻孔完成后盾构机开始掘进。当所有土仓背面预留开孔对应的超前钻孔完成后，盾构机开机，开始掘进作业。

权利要求：1.一种基于最适理论布孔方案的超前钻孔系统和工作方法，其特征在于，确定隧道区间内最适理论布孔方案的过程，包括如下步骤：步骤一确定盾构机掘进范围内掌子面地层信息：根据现场取样结果，确定盾构机掌子面类型，即隧道开挖横截面的地层信息，将掌子面土层种类、土层分层排列方式及每种土层所占掌子面面积比均相同的掌子面归为一种掌子面；步骤二根据本发明所述的岩石共线三孔试验记录确定超前钻孔有效影响半径：在均质地层内的掌子面进行岩石共线三孔试验，以掌子面圆心为坐标原点建立直角坐标系；以坐标原点为起点，沿X轴以每隔2S的距离作竖直线，沿Y轴以每隔2S距离作水平线，形成格栅；将掌子面范围内的所有格栅交点作为钻孔点，以同种施工工艺和施工参数在每个钻孔点布设钻孔，完成掌子面超前钻孔；将坐标原点处的钻孔作为钻孔3，将钻孔3水平左侧的紧邻钻孔作为钻孔1，将钻孔3水平右侧的紧邻钻孔作为钻孔2；定义以钻孔1孔口圆心和钻孔2孔口圆心为端点的线段为三孔试验线段，三孔试验线段长度为4S；存在若干分布于钻孔1孔口且与钻孔1孔口相连的裂缝，L1为这些裂缝的远端到钻孔1孔口圆心的连线中，在以钻孔1孔口圆心和钻孔3孔口圆心为端点的线段上的最大投影长度；存在若干分布于钻孔2孔口且与钻孔2孔口相连的裂缝，L2为这些裂缝的远端到钻孔2孔口圆心的连线中，在以钻孔2孔口圆心和钻孔3孔口圆心为端点的线段上的最大投影长度；存在若干分布于钻孔3孔口且与钻孔3孔口相连的裂缝，L31为这些裂缝的远端到钻孔3孔口圆心的连线中，在以钻孔1孔口圆心和钻孔3孔口圆心为端点的线段上的最大投影长度；存在若干分布于钻孔3孔口且与钻孔3孔口相连的裂缝，L32为这些裂缝的远端到钻孔3孔口圆心的连线中，在以钻孔2孔口圆心和钻孔3孔口圆心为端点的线段上的最大投影长度；计算三孔间有效裂纹长度Le，如式1所示；Le＝L1+L2+L31+L321将Le4S＝0.5时相邻两个钻孔中心的距离2S称为超前钻孔有效影响半径Rw；超前钻孔有效影响半径预测方程，如式2，地层的单轴抗压强度σc，完整性系数Kv，钻机的扭矩T，钻机的推力F，钻机的钻头半径R，钻孔深度L，为超前钻孔有效影响半径的预测值，k、a、b、c、h、d、g分别为超前钻孔有效影响半径预测方程的系数；步骤三通过统计学方法确定掌子面内各地层超前钻孔有效影响半径预测方程系数；统计掌子面内各种地层在现场试验不同钻进条件下的多组实测参数Rw、F、T、R、σc、Kv、L，将超前钻孔有效影响半径预测方程即公式2两边取对数后化为线性组合的多项式形式后，如式3，再对已有数据进行多元线性拟合，通过回归计算方程系数，从而得出具体的的方程；步骤四根据步骤三得出的超前钻孔有效影响半径预测方程并代入现场实测的钻机工作参数，得出超前钻孔有效影响半径预测值步骤五对隧道区间内掌子面内的各地层进行理论布孔：首先对盾构机土仓背面进行区域划分，将盾构机最外侧设备遮挡区称为Ⅰ区，将螺旋输送机遮挡区域称为Ⅱ区、将主轴区域称为Ⅲ区，由于这些区域有设备阻挡，无法让超前钻机通过，定义盾构机土仓背面可布孔区域为土仓背面除去Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区域的所有区域；将盾构机土仓背面可布孔区域等比例正投影到掌子面上，进行掌子面内的各地层理论布孔；定义地层交界线：从上下相邻的两个不同种类地层的分界处人工作出一条水平线，称为地层交界线；i地层与i+1地层为上下相邻的两个不同种类地层；对于i地层与i+1地层交界线处上方地层i地层内的布孔，首先，进行地层布孔竖向分层；沿着盾构机竖直中轴线，从地层交界线处沿远离地层交界线方向布置同地层内布孔水平线；首条同地层内布孔水平线距离地层交界线处然后按照每隔距离依次布设同地层内布孔水平线，直到最后布设的同地层内布孔水平线距离盾构机土仓背面可布孔区域内的该地层上边界距离小于或等于为止；在每一条同地层内布孔水平线上布孔；首先在同地层内布孔水平线和盾构机横截面竖直中轴线交点处布设该同地层内布孔水平线的第一个孔，然后以每隔距离向左方向依次布设孔位，直到出现最后一个不超出盾构机土仓背面可布孔区域的孔位为止，删除所有不位于盾构机土仓背面可布孔区域内的孔位；盾构机横截面竖直中轴线右方向的布孔与左方向的布孔相对盾构机横截面竖直中轴线镜面对称；依上述布孔方法依次布完所有同地层内布孔水平线上的孔；对于i地层与i+1地层交界线处下方地层i+1地层内的布孔，首先，进行地层布孔竖向分层；沿着盾构机竖直中轴线，从地层交界线处沿远离地层交界线方向布置同地层内布孔水平线；首条同地层内布孔水平线距离地层交界线处然后按照每隔距离依次布设同地层内布孔水平线，直到最后布设的同地层内布孔水平线距离盾构机土仓背面可布孔区域内的该地层下边界距离小于或等于为止；在每一条同地层内布孔水平线上布孔；首先在同地层内布孔水平线和盾构机横截面竖直中轴线交点处布设该同地层内布孔水平线的第一个孔，然后以每隔距离向左方向依次布设孔位，直到出现最后一个不超出盾构机土仓背面可布孔区域的孔位为止，删除所有不位于盾构机土仓背面可布孔区域内的孔位；盾构机横截面竖直中轴线右方向的布孔与左方向的布孔相对盾构机横截面竖直中轴线镜面对称；依上述布孔方法依次布完所有同地层内布孔水平线上的孔；步骤六确定隧道区间内最适理论布孔方案；首先统计隧道区间内的掌子面种类，按照步骤五对每一种掌子面的理论布孔方案进行计算，并统计所有掌子面所对应的理论布孔方案的布孔数量；因为布孔数量越大，掌子面内的临空面越多、应力释放程度越大、岩体的完整性越差，导致盾构刀盘上的刀具对掌子面岩石的压碎和切削越高效，所以选取所有掌子面所对应的理论布孔方案中布孔数量最多的理论布孔方案，作为隧道区间内最适理论布孔方案。2.根据权利要求1所述的一种基于最适理论布孔方案的超前钻孔系统和工作方法，其特征在于，对盾构机刀盘和土仓背面的预留开孔的改造和超前钻机工作系统的安装，具体包括如下步骤：步骤七对刀盘进行分区域改造预留开孔；刀盘可以分为三个区域：第一个区域是刀盘本身开孔处，这些地方无需额外改造，称为无需改造区域；第二个区域是刀盘主轴区域、刀盘上刀具安装区域、刀盘外边缘厚度范围区域，称为无法改造区域；盾构机刀盘其他位置本身并无开孔，但是可以进行改造加孔，称为需要改造区域；将刀盘放置在直角坐标系中，刀盘圆心位置即为坐标原点，随着刀盘的转动，其中任一扇形无需改造区域的重心位置落在y轴正轴上时定义该状态为刀盘轴正状态，将步骤六中得到的隧道区间内最适理论布孔方案的孔位等比例正投影到刀盘轴正状态时的刀盘，得到在刀盘的需要改造区域内的待钻孔孔位并在这些孔位钻孔，待钻孔孔径和超前钻孔孔径相同，完成盾构机刀盘需要改造区域的预留开孔改造；步骤八对土仓背面进行预留开孔改造；将步骤七中得到的刀盘需要改造区域和刀盘无需改造区域等比例正投影到土仓背面，得到土仓背面改造域；将步骤六中得到的隧道区间内最适理论布孔方案的孔位等比例正投影到土仓背面，得到既完全在土仓背面可布孔区域内，又完全在土仓背面改造域内的待钻孔孔位，在这些待钻孔孔位处钻孔，孔径与超前钻机的钻头直径相同，完成盾构机土仓背面的预留开孔改造；步骤九刀盘对正孔的电磁对正环的安装；当与钻孔直径相同的钻杆沿平行于刀盘法线方向从每一个土仓背面预留开孔处插入并能够方向不变地延伸穿过刀盘无需改造区域或刀盘预留开孔时，将这一状态定义为土仓背面对正状态；将刀盘上任一预留开孔的孔位上设置电磁对正环，定义设置了电磁对正环的刀盘预留孔位为刀盘对正孔；刀盘上仅对唯一的刀盘对正孔进行电磁对正环改造，保证对正标准的唯一性；电磁对正环包括磁环19、螺线管22、直流电源正极23、电源负极24；磁环19上绕有螺线管22，磁环19上和螺线管22组成的电磁对正环预埋在刀盘上一个预留开孔的外周，此时该预留开孔孔口圆心和磁环19圆心重合；螺线管22的两端分别连接直流电源正极23、电源负极24；步骤十设置土仓背面预留开孔的密封装置；为防止土仓中的渣土通过预留开孔漏出，在土仓背面18的预留开孔处设置密封装置对预留孔进行密封；步骤十一安装超前钻机工作系统；超前钻机工作系统包括：行星式平台、双叉式升降平台和超前钻机钻进系统；一、行星式平台包括：圆环形带齿轨道装置27和小车：在距土仓背面远离盾构前端方向0.5m～1m的位置安放一个圆环形带齿轨道装置27，圆环形带齿轨道装置27固定在盾构机内部，圆环形带齿轨道装置27圆心处法线和盾构土仓背面18圆心处法线共线；小车包括车架32、挂钩30、齿形滚轮28、电动机29，驱动轴34、驱动轴末端凸榫35、电动机固定支座螺栓36、电动机固定支座37；车架32装有两个齿形滚轮28，驱动轴34穿过起滚动作用的齿形滚轮28，驱动轴34和驱动轴末端凸榫35固定在车架32上；车架32的挂钩30钩挂在由轨道侧挡板272和轨道底挡板33所围成的卡槽内，在挂钩30和卡槽之间的空隙内放上滚珠31和润滑油脂，有利于滚动；轨道底挡板33是为了不让小车在重力作用下掉落；为了让小车在圆环形带齿轨道装置27上更加速、灵活地滚动，本设计采用的是电动机29驱动小车的齿形滚轮28滚动，齿形滚轮28宽度大于圆环形带齿轨道装置27的轨道齿271的宽度；电动机29通过电动机固定支座螺栓36与电动机固定支座37相连，电动机固定支座37通过电动机固定支座螺栓36与车架32相连，从而使电动机29外壳固定在车架32上；电动机29驱动齿形滚轮28工作后，小车在两个齿形滚轮28和轨道齿271之间咬合的带动下，可以沿着圆环形带齿轨道装置27做圆周运动；二、双叉式升降平台在小车上设置双叉式升降平台；双叉式升降平台包括上前叉杆38、上后叉杆45、下前叉杆46、下后叉杆52和液压杆42，液压杆42安装在钻进平台40的两端，上端叉杆和固定于车架32上的上叉杆滑动卡槽39滑动连接；下端叉杆和固定于钻进平台40上的下叉杆滑动卡槽48滑动连接；四个叉杆按照安装位置分为上前叉杆38、上后叉杆45、下前叉杆46、下后叉杆52，四个叉杆杆体的厚度均为K；叉杆上的叉杆连接轴51、叉杆轴孔49规格一致，叉杆连接轴51完全插入叉杆轴孔49中；四个叉杆的连接关系如下：上后叉杆45中部的叉杆连接轴51从上前叉杆38的后侧插入上前叉杆38中部的叉杆轴孔49；上后叉杆45后端的叉杆连接轴51从下前叉杆46的后侧插入下前叉杆46后端的叉杆轴孔49；上前叉杆38后端的叉杆连接轴51从下后叉杆52的前侧插入下后叉杆52后端的叉杆轴孔49；下后叉杆52中部的叉杆连接轴51从下前叉杆46的后侧插入下前叉杆46中部的叉杆轴孔49；前叉杆卡槽键53和后叉杆卡槽键54为横截面半径相同的圆柱体；前叉杆杆端凸榫47和后叉杆杆端凸榫55为横截面半径相同的圆柱体；前叉杆杆端凸榫47和后叉杆杆端凸榫55的厚度相同；前叉杆杆端凸榫47和后叉杆杆端凸榫55的横截面半径大于上叉杆滑动卡槽39内轨道空间的宽度和下叉杆滑动卡槽48内轨道空间的宽度；前叉杆卡槽键53的长度均为M；后叉杆卡槽键54的长度均为H；为了降低四个叉杆自身厚度对搭接的影响，使前叉杆杆端凸榫47和后叉杆杆端凸榫55的顶面均处于同一平面，需要满足式5；K+M＝H5前叉杆卡槽键53在上叉杆滑动卡槽39内自由滑动，由于前叉杆杆端凸榫47的限制作用，所以上前叉杆38、前叉杆卡槽键53和前叉杆杆端凸榫47整体不会脱离上叉杆滑动卡槽39；后叉杆卡槽键54在上叉杆滑动卡槽39内自由滑动，由于后叉杆杆端凸榫55的限制作用，所以上后叉杆45、后叉杆卡槽键54和后叉杆杆端凸榫55整体不会脱离上叉杆滑动卡槽39；下叉杆卡槽键53在下叉杆滑动卡槽48内自由滑动，由于前叉杆杆端凸榫47的限制作用，所以下前叉杆46、前叉杆卡槽键53和前叉杆杆端凸榫47整体不会脱离下叉杆滑动卡槽48；下前叉杆46的前端后侧预留一定长度的叉杆轴孔49，液压杆42的细杆端部预留一定长度的液压细杆轴孔50，端部连接轴58完全插入叉杆轴孔49和液压细杆轴孔50，把液压杆42和下前叉杆46通过端部连接轴58连接在一起，下前叉杆46和液压杆42均可绕端部连接轴58自由转动；后叉杆卡槽键54在下叉杆滑动卡槽48内自由滑动，由于后叉杆杆端凸榫55的限制作用，所以下后叉杆52、后叉杆卡槽键54和后叉杆杆端凸榫55整体不会脱离下叉杆滑动卡槽48；下后叉杆52的前端后侧预留一定长度的叉杆轴孔49，液压杆42的细杆端部预留一定长度的液压细杆轴孔50，端部连接轴58完全插入叉杆轴孔49和液压细杆轴孔50，把液压杆42和下后叉杆52通过端部连接轴58连接在一起，下后叉杆52和液压杆42均可绕端部连接轴58自由转动；三、超前钻机钻进系统超前钻机钻进系统包括：超前钻机56、超前钻机钻杆41、钻进平台40及超前钻机固定支座43、超前钻机固定支座螺栓44；超前钻机56通过超前钻机固定支座螺栓44与超前钻机固定支座43相连，超前钻机固定支座43通过超前钻机固定支座螺栓44与钻进平台40相连，从而使超前钻机56固定在钻进平台40上，超前钻机钻杆41位于钻进平台40中轴线上；在自带的直流动力驱动下，液压杆42伸缩，推动由下后叉杆52、下前叉杆46、上前叉杆38、上后叉杆45构成的伸缩系统在圆环形带齿轨道装置27的半径方向上伸缩，从而使钻进平台40和安装在其上的超前钻机56可以定位在圆环形带齿轨道装置27的半径方向上的任意位置。3.根据权利要求1所述的一种基于最适理论布孔方案的超前钻孔系统和工作方法，其特征在于，超前钻孔系统的工作流程，包括如下步骤：步骤十二盾构机停机，对正刀盘对正孔和土仓背面对正孔；土仓背面对正状态时，定义和刀盘对正孔孔位完全重合的土仓背面预留开孔为土仓背面对正孔；在土仓背面对正孔上设置磁场强度检测仪，当刀盘对正孔上设置的电磁对正环中的螺线管22内电流逐渐增大的时候，电磁对正环的磁场强度也在不断地增强，最终会稳定在一个较强磁场强度的状态，此时，通过观察磁场强度检测仪上面的显示屏读数，盾构刀盘低速运转至磁场强度读数达到一个稳定的最大值时盾构刀盘停止转动，此时刀盘对正孔的孔口圆心处的属于刀盘对正孔孔口所在平面的法线，与土仓背面对正孔的孔口圆心处的属于土仓背面对正孔孔口所在平面的法线相互共线，即刀盘对正孔与土仓背面对正孔对正，因为通电后的电磁对正环的磁场强度在一段时间后达到稳定的最大值，而且只有当刀盘对正孔与土仓背面对正孔对正时，在有效范围内才会被检测到最大值；步骤十三行星式平台就位；电动机29驱动车架32中的齿形滚轮28和轨道齿271咬合，使车架32移动至离土仓背面需要钻孔的孔位最近的地方；步骤十四钻机孔位对正；在自带的直流动力驱动下，液压杆42伸缩，推动由下后叉杆52、下前叉杆46、上前叉杆38、上后叉杆45构成的伸缩系统在圆环形带齿轨道装置27的半径方向上伸缩，使超前钻机钻杆41对正需要钻孔孔位所对应的土仓背面预留开孔；步骤十五密封解除后钻机钻进；拧出螺栓263拆卸土仓背面矩形盖子25，超前钻机钻杆41连续穿过土仓背面18的预留开孔和刀盘，接触到掌子面后开始钻进作业；步骤十六单孔完成后孔位密封；单孔作业完成后，超前钻机钻杆41退出土仓背面18的预留开孔，然后重新用螺栓263将矩形盖子25固定在土仓背面18封住土仓背面18的预留开孔；步骤十七重复步骤十二到步骤十六，使超前钻机钻杆41依次分别对正其他土仓背面预留开孔，连续进行超前钻孔操作；步骤十八钻孔完成后盾构机开始掘进；当所有土仓背面预留开孔对应的超前钻孔完成后，盾构机开机，开始掘进作业。4.根据权利要求2所述的一种基于最适理论布孔方案的超前钻孔系统和工作方法，其特征在于，步骤九中所述的磁环19为圆环形，其外包裹保护壳20，磁环19的材料为软磁材料。5.根据权利要求2所述的一种基于最适理论布孔方案的超前钻孔系统和工作方法，其特征在于，步骤九中所述的螺线管22是带有绝缘层的导线。6.根据权利要求2所述的一种基于最适理论布孔方案的超前钻孔系统和工作方法，其特征在于，步骤十中所述的密封装置包括：矩形盖子25和螺栓263，矩形盖子25的四边有盖面螺丝孔262，在土仓背面预留开孔外周设置定位螺孔261，用螺栓263穿过盖面螺丝孔262拧入定位螺孔261，从而把矩形盖子25固定在土仓背面18上，当超前钻机需要通过土仓时，只需卸下螺栓263，即可拆除矩形盖子25。7.根据权利要求6所述的一种基于最适理论布孔方案的超前钻孔系统和工作方法，其特征在于，所述矩形盖子25的材质为具有耐腐蚀、耐高温和耐磨损材质。8.据权利要求2所述的一种基于最适理论布孔方案的超前钻孔系统和工作方法，其特征在于，为防止由于钻机钻孔后坐力导致上前叉杆38、上后叉杆45、下前叉杆46及下后叉杆52扭曲晃动，设置悬臂阻杆57。9.据权利要求8所述的一种基于最适理论布孔方案的超前钻孔系统和工作方法，其特征在于，悬臂阻杆57的个数为2具，悬臂阻杆57的长度等于圆环形带齿轨道装置27的半径，悬臂阻杆57平行对称固定在驱动轴末端凸榫35所在的小车的一面上，2具悬臂阻杆57之间的距离大于钻进时拆装超前钻机钻杆41所需的工作宽度。

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