CN106065776A - 超高压水力辅助破岩tbm刀盘 - Google Patents

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张金良
杨应军
张远生
张春生
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Abstract

本发明公开了一种超高压水力辅助破岩TBM刀盘，包括TBM刀盘本体，TBM刀盘本体由刀盘、布置在刀盘工作面上的盘形滚刀、和均布在刀盘工作面边缘上的四个集渣斗组成；刀盘工作面上设置有多个喷头，多个喷头分别紧邻运行轨迹线圈布置；在刀盘的背面设置有供水回转接头、用于与TBM主控制室电气连接的供电通信回转接头和刀盘固定架；在刀盘固定架上设置有由超高压水力过滤器、前置供水泵、增加泵、储压罐、动力电机及电控系统组成的集中控制单元；供电通信回转接头通过供电线路和通信线路与动力电机及电控系统电气连接。本发明提高了盘形滚刀贯入速度，减少贯入推力，简化了机体推力结构布置,节省了TBM设备的运行维护费和工程投资。

Description

超高压水力辅助破岩TBM刀盘
技术领域
本发明涉及隧洞掘进机（TBM：Tunnel Boring Machine）,尤其是涉及超高压水力辅助破岩TBM刀盘。
背景技术
如今跨流域、跨区域的引、调水工程中，长隧洞（如南水北调西线工程中隧洞长度超过200km）常常是工程的首选引（输）水建筑物，在地形、地质条件限制的条件下，为提高隧洞施工速度，缩短工程工期，首选施工方案多采用TBM施工。传统的TBM刀盘如图6所示，由刀盘1.1，布置在所述刀盘1.1工作面上的多个盘形滚刀2.1，和均布在刀盘1.1工作面边缘上的四个集渣斗3.1组成；工作时仅受TBM主推力油缸提供的推力将盘形滚刀2.1贯入岩石，盘形滚刀2.1随着刀盘1.1的运动而被动滚动并切割、挤压、破碎岩石，从而实现隧洞掘进开挖。根据现有工程资料统计，常规TBM施工平均月进尺为500m～800m，少数工程个别月进尺会超过1000m。这就使得长隧洞施工工期一般长达数年到十多年，严重制约着工程的工期。
发明内容
本发明目的在于提供一种超高压水力辅助破岩TBM刀盘，达到快速进行隧洞掘进开挖之目的。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：
本发明所述的超高压水力辅助破岩TBM刀盘，包括TBM刀盘本体，所述TBM刀盘本体由刀盘、布置在所述刀盘工作面上的多个盘形滚刀、和均布在刀盘工作面边缘上的四个集渣斗组成；所述多个盘形滚刀的运行轨迹线圈数为四-六圈；所述刀盘工作面上设置有多个喷头，所述多个喷头分别沿所述盘形滚刀的运行轨迹线圈布置或紧邻运行轨迹线圈布置，并布置于盘形滚刀运行的前进方向；在刀盘的背面设置有用于连通外部水源的供水回转接头、用于与TBM主控制室电气连接的供电通信回转接头和刀盘固定架，所述供水回转接头、供电通信回转接头位于刀盘的回转中心；在所述刀盘固定架上设置有由超高压水力过滤器、前置供水泵、增加泵、储压罐、动力电机及电控系统组成的集中控制单元；所述供水回转接头通过供水管道与超高压水力过滤器相连通，所述储压罐通过高压合金管道与每个喷头进水口相连通；所述供电通信回转接头通过供电线路和通信线路与所述动力电机及电控系统电气连接。
布置在所述刀盘工作面上的多个盘形滚刀的运行轨迹线圈数为五圈，所述多个喷头分别沿所述的运行轨迹线圈布置或紧邻运行轨迹线圈布置。
本发明优点主要体现在以下方面：
（1）由超高压水力射流形成的环痕与盘形滚刀形成的环痕有效叠加，可大大提高盘形滚刀贯入速度，减少贯入推力，简化机体推力结构布置。
（2）由于超高压射流冲击劈裂和溅射作用形成的微裂缝，可大大增加盘形滚刀沿径向破岩效率，一定程度减少环刀阻力、减少刀具磨损，延长环刀周期和刀具使用寿命。
（3）可以整体提高TBM施工效率50%以上，降低设备能耗。
（4）由于高压水力作用，TBM机头部位不会产生粉尘，大幅提高机头部位工作环境。
（5）由于盘形滚刀的磨损减小，盘形滚刀的环刀周期延长，盘形滚刀更换数总体减少，节省了TBM设备的运行维护费和工程投资。
附图说明
图1是本发明隐去盘形滚刀的结构示意图。
图2是图1的I部放大结构示意图。
图3是本发明所述刀盘工作面的结构示意图。
图4是本发明所述喷头的结构示意图。
图5是本发明所述集中控制单元的结构框图。
图6是传统TBM刀盘工作面的结构示意图。
具体实施方式
如图1-5所示，本发明所述的超高压水力辅助破岩TBM刀盘，包括TBM刀盘本体，所述TBM刀盘本体由刀盘1、布置在所述刀盘1工作面上的多个盘形滚刀2、和均布在刀盘1工作面边缘上的四个集渣斗3组成；所述多个盘形滚刀2的运行轨迹线圈4数量为五圈（见图3中双点划线所示）；所述刀盘1工作面上设置有多个喷头5，所述多个喷头5分别沿所述盘形滚刀4的运行轨迹线圈4布置或紧邻运行轨迹线圈4布置，并布置于盘形滚刀2运行的前进方向；如图1-2所示，在刀盘1的背面设置有用于连接外部水管6的供水回转接头7、用于与TBM主控制室电气连接的供电通信回转接头8和刀盘固定架9，所述供水回转接头7、供电通信回转接头8位于刀盘1的回转中心；在所述刀盘固定架9上设置有由超高压水力过滤器、前置供水泵、增加泵、储压罐、动力电机及电控系统组成的集中控制单元10；所述供水回转接头7通过供水管道11与集中控制单元10中的超高压水力过滤器相连通，集中控制单元10中的储压罐通过高压合金管道12与每个喷头5进水口相连通；所述供电通信回转接头8通过供电线路和通信线路与集中控制单元10中的动力电机及电控系统电气连接。
图4给出了喷头5的结构示意图，喷头5的喷嘴13内壁涂覆有耐磨层以提高耐磨性能；喷头5的喷嘴13直径d（mm），根据目前国内外超高压水力射流技术的工程应用情况分析，本发明喷嘴13的直径d（mm）根据工程围岩情况，在0.1mm～0.5mm范围内选取，然后经试验研究后确定。喷头5的工作压力p(MPa)的确定，由于超高压水力射流直接作用于TBM掌子面岩石，因此工作压力p取1.5～2.0倍的围岩饱和抗压强度值，但最大不超过400MPa（因为400MPa以上的高压容器制造成本非常高，经济性差）。喷头5的其它参数，如喷嘴流速vt、射流流量q、射流功率P等的确定，可以按照超高压水力射流的理论计算公式，根据选定的喷嘴直径d、工作压力p、及喷头布置进行计算确定。
本发明工作原理简述如下：
传统TBM仅采用主推力油缸提供的推力将滚刀贯入岩石，盘形滚刀随着刀盘的运动而被动滚动并切割、挤压、破碎岩石，从而实现隧洞掘进开挖。
本发明是在传统TBM刀盘上布置适当的超高压水力喷头5，喷头5位于盘形滚刀2运动轨迹线的前进方向。在启动刀盘1转动的同时启动超高压水力喷射系统，通过喷嘴13喷出的超高压水舌对掌子面岩石进行水力冲击剪切，超高压水力射流对岩石产生两个作用：1、超高压水力剪切破坏形成环痕；2、超高压水力溅射、劈裂作用，使环痕间岩石形成微裂缝或使岩石中微裂缝发展、变大。随着刀盘1的转动，盘形滚刀2压入已发展微裂缝的掌子面岩石中，并切割、挤压、破碎岩石，从而实现隧洞掘进开挖；从而将传统TBM单纯的压力贯入改变为“高压水力+压力”的复合贯入，减小了盘形滚刀2贯入推力，降低了盘形滚刀2的磨损。

Claims (2)

1.一种超高压水力辅助破岩TBM刀盘，包括TBM刀盘本体，所述TBM刀盘本体由刀盘、布置在所述刀盘工作面上的多个盘形滚刀、和均布在刀盘工作面边缘上的四个集渣斗组成；所述多个盘形滚刀的运行轨迹线圈数为四-六圈；其特征在于：所述刀盘工作面上设置有多个喷头，所述多个喷头分别沿所述盘形滚刀的运行轨迹线圈布置或紧邻运行轨迹线圈布置，并布置于盘形滚刀运行的前进方向；在刀盘的背面设置有用于连通外部水源的供水回转接头、用于与TBM主控制室电气连接的供电通信回转接头和刀盘固定架，所述供水回转接头、供电通信回转接头位于刀盘的回转中心；在所述刀盘固定架上设置有由超高压水力过滤器、前置供水泵、增加泵、储压罐、动力电机及电控系统组成的集中控制单元；所述供水回转接头通过供水管道与超高压水力过滤器相连通，所述储压罐通过高压合金管道与每个喷头进水口相连通；所述供电通信回转接头通过供电线路和通信线路与所述动力电机及电控系统电气连接。
2.根据权利要求1所述的超高压水力辅助破岩TBM刀盘，其特征在于：布置在所述刀盘工作面上的多个盘形滚刀的运行轨迹线圈数为五圈，所述多个喷头分别沿所述的运行轨迹线圈布置或紧邻运行轨迹线圈布置。
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