CN109139034B - 一种采用激光切割破岩的隧道掘进装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于隧道工程技术领域，并具体公开了一种采用激光切割破岩的隧道掘进装置及方法，该装置包括自行机构、连接机构和切割机构，自行机构用于实现整个隧道掘进装置的移动；连接机构包括依次相连的主驱动轴、摆臂和副驱动轴；切割机构包括安装在副驱动轴上的激光刀盘以及多个安装在激光刀盘上并沿水平方向与竖直方向交叉布置的激光切割头，激光刀盘上还安装有距离传感器，用于检测激光刀盘与待切割岩石层之间的距离，所述方法采用上述装置进行破岩以实现隧道掘进。本发明不会造成刀具的损耗，无需进行刀具的更换，切割效率高。

Description

一种采用激光切割破岩的隧道掘进装置及方法

技术领域

本发明属于隧道工程技术领域，更具体地，涉及一种采用激光切割破岩的隧道掘进装置及方法。

背景技术

轨道交通是现代城市交通的主流和方向，其运量大，速度快，干扰小，能耗低，是解决大城市交通紧张状况的最有效方式。目前随着城市化进程的不断加快，城市交通矛盾日益突出，各大城市都在积极规划建设城市轨道交通项目，在城市轨道交通建设过程中离不开隧道掘进机。

目前主流的全断面隧道掘进机其工作原理是通过刀盘在旋转过程中带动滚刀对岩石界面进行开挖，滚刀在破碎岩石的过程中承受很大荷载，并伴随剧烈冲击，导致刀具消耗极大，据统计刀具的费用约占掘进施工总费用的1/3，并且更换刀具也会耗费大量的人力物力，造成工期延长，此外，全断面隧道掘进机在掘进过程中，由于对围岩的扰动，增加了发生卡机甚至岩爆灾害的潜在风险。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种采用激光切割破岩的隧道掘进装置及方法，其采用激光对岩石进行不接触式切割，切割效率高，切削岩石可自行脱落，可有效避免切削过程中产生冲击振动。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种采用激光切割破岩的隧道掘进装置，其包括自行机构、连接机构和切割机构，其中：

所述自行机构用于实现整个隧道掘进装置的移动；

所述连接机构包括主驱动轴、摆臂和副驱动轴，所述主驱动轴安装在自行机构上，所述摆臂安装在主驱动轴上，所述副驱动轴安装在摆臂上，其可沿摆臂上下移动，以实现与主驱动轴的偏心或同心布置；

所述切割机构包括安装在副驱动轴上的激光刀盘以及多个安装在激光刀盘上并沿水平方向与竖直方向交叉布置的激光切割头，该激光刀盘上还安装有距离传感器，该距离传感器用于检测激光刀盘与待切割岩石层之间的距离。

作为进一步优选的，沿竖直方向布置的多个激光切割头中的首末两个激光切割头与激光刀盘垂直，且这两个激光切割头的间距为D，其余激光切割头互成α角布置，以发射互成α角的高能激光束；沿水平方向布置的多个激光切割头互成α角布置，以发射互成α角的高能激光束。

作为进一步优选的，60°＜α＜120°，0.8m＜D＜2m。

按照本发明的另一方面，提供了一种采用激光切割破岩的隧道掘进方法，其包括以下步骤：

S1距离传感器检测激光刀盘与岩石层之间的距离，自行机构根据距离传感器(8)检测的距离前进或后退，使得激光刀盘与岩石层之间的距离达到预设值；

S2激光切割头产生高能激光束，同时副驱动轴驱动激光刀盘旋转进而带动高能激光束旋转，高能激光束在旋转的过程中在岩石层上切割出切削岩石，当激光刀盘旋转一周后进入步骤S3；

S3主驱动轴驱动摆臂顺时针旋转一定角度，然后重新执行步骤S2，当主驱动轴驱动摆臂旋转一周后进入步骤S4；

S4副驱动轴沿摆臂移动一定距离，然后重新执行步骤S2-S3，直至副驱动轴移动至与主驱动轴同心时，完成一个切割周期。

作为进一步优选的，步骤S2中所述的切削岩石为横截面为三角形的圆环体，在激光刀盘旋转一周后自行脱落，且其横截面的顶角为α。

作为进一步优选的，步骤S4切割完成后，切割区域为半径为R+D/2的圆，R为副驱动轴在摆臂上的总移动行程，D为竖直方向上首末两个激光切割头之间的距离。

作为进一步优选的，还包括步骤S5：重复步骤S1-S4，实现持续向前切割破岩。

作为进一步优选的，步骤S1中，激光刀盘(6)与岩石层(15)之间的预设距离为d，0.3m＜d＜0.7m；步骤S3中，主驱动轴驱动摆臂顺时针旋转的角度为β，0＜β＜10°；步骤S4中，副驱动轴(5)沿摆臂(4)移动的距离为r，0.2m＜r＜0.5m。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明摒弃了以往采用刀具进行破岩的方式，采用激光对岩石进行切割，其为不接触式切割，不会造成刀具的损耗，无需进行刀具的更换，切割效率大大提高。

2.本发明通过在激光刀盘上沿水平方向与竖直方向交叉布置激光切割头，并使激光切割头互成α角，从而获得互成α角的高能激光束，使得在激光刀盘旋转一周后切削岩石可自行脱落，避免传统破岩装置切削岩石过程中产生的冲击振动。

3.本发明还对激光切割头的互成角度α，竖直方向首末两激光切割头的间距D以及副驱动轴在摆臂上移动的总行程R等参数进行了研究与设计，具体的0.8m＜D＜2m，1.6m＜R＜4m，且D＜R，并确定60°＜α＜120°，以使得在这些优选参数的综合作用下，使所挖掘隧道的直径在4m～10m之间，且切割出的岩石能在重力作用下自行脱落。

4.本发明在每一切割周期内，使激光刀盘与岩石层之间的预设距离d满足0.3m＜d＜0.7m，主驱动轴驱动摆臂顺时针旋转的角度为β满足0＜β＜10°，副驱动轴沿摆臂移动的距离r满足0.2m＜r＜0.5m，由此使岩石在一个切割周期内切割脱落完全。

附图说明

图1是本发明实施例提供的采用激光切割破岩的隧道掘进装置的示意图；

图2是本发明实施例提供的切割激光头布置方案示意图；

图3是本发明实施例提供的隧道掘进方法的流程图。

其中：1.自行机构，2.驱动轮，3.主驱动轴，4.摆臂，5.副驱动轴，6.激光刀盘，7.激光切割头，8.距离传感器，9.高能激光束，10.切削岩石，11.带铠电缆，12.光纤铠缆，13.光纤激光器，14.主控柜，15.岩石层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是本发明实施例提供的采用激光切割破岩的隧道掘进装置的示意图，如图1所示，该隧道掘进装置包括自行机构1、连接机构和切割机构，其中：

自行机构1用于实现整个隧道掘进装置的移动，切割机构通过连接机构与自行机构连接，在自行机构的带动下前进或后退；

连接机构包括主驱动轴3、摆臂4和副驱动轴5，其中，主驱动轴3安装在自行机构1上，其水平布置，摆臂4安装在主驱动轴3上，其竖直布置，通过主驱动轴3的转动带动摆臂4的转动，副驱动轴5安装在摆臂4上，其同样水平布置，并且该副驱动轴5可沿着摆臂4在竖直方向上移动，以调节副驱动轴5的位置，使其与主驱动轴3同心或偏心，该副驱动轴5在摆臂4上移动的最大行程为R，此外通过主驱动轴3的转动带动摆臂4的转动进而带动摆臂4上的副驱动轴5转动；

切割机构包括安装在副驱动轴5上的激光刀盘6以及多个安装在激光刀盘6上的激光切割头7，激光刀盘6可自转，并可在主驱动轴3带动下绕主驱动轴3旋转，激光刀盘6绕主驱动轴3的转动半径最大为R(即副驱动轴移动的最大行程)；激光刀盘6上的多个激光切割头，其中一部分沿水平方向布置，剩余的激光切割头7沿竖直方向布置，从而形成交叉结构，该激光刀盘6上还安装有距离传感器8，该距离传感器8用于检测激光刀盘6与待切割岩石层15之间的距离。

图2是激光切割头的布置示意图，如图2所示，沿竖直方向布置的多个激光切割头7中的首末两个激光切割头与激光刀盘6垂直(即激光切割头发射的高能激光束与激光刀盘6的表面垂直)，且首末这两个激光切割头的间距为D，其余激光切割头互成α角布置(即相邻两激光切割头发射的高能激光束的夹角为α角)，以发射互成α角的高能激光束9，沿水平方向布置的多个激光切割头互成α角布置，以发射互成α角的高能激光束9。通过上述设置，使得相邻高能激光束相交的所有点在同一平面上，该平面与激光刀盘的表面平行。

例如，激光切割头7共有22个，分别沿水平方向与竖直方向交叉布置在激光刀盘6上，激光切割头7在激光刀盘6的竖直方向共布置12个，首末两个激光切割头7与激光刀盘6垂直，用以切割外围岩石，并且首末激光切割头7的间距为D，其余十个激光切割头7互成α角沿竖直方向安装在激光刀盘6上；激光切割头7在激光刀盘6的水平方向共布置10个，且互成α角沿水平方向安装。多个激光切割头7产生高能激光束9，相邻两高能激光束9之间互成α角，这样在刀盘旋转一周后，高能激光束9切割出来的切削岩石10是横截面为三角形的圆环体，在重力作用下，切削岩石10会自行从岩石层15上脱落，激光刀盘6在岩石层15上的切割面积为π×(R+D/2)²。具体的，60°＜α＜120°，0.8m＜D＜2m，1.6m＜R＜4m，且D＜R，本实施例的D＝1m、R＝3m、α＝70°。

具体的，自行机构1通过四个驱动轮2支撑，用来实现整套装置的前后移动，通过齿轮齿条机构实现副驱动轴沿摆臂的向心与偏心运动。更为具体的，自行机构1由设于隧道外部的主控柜14控制，主控柜14通过带铠电缆11与自行机构1相连，通过主控柜14的控制实现自行机构1完成前进后退动作以及主驱动轴3、副驱动轴5的动作，隧道外部还设置有光纤激光器13，该光纤激光器13通过光纤铠缆12与激光切割头相连，用于产生连续激光，优选的光纤激光器13采用功率大于10kW的光纤激光器。

图3是本发明实施例提的一种采用激光切割破岩的隧道掘进方法的流程图，如图3所示，本发明的隧道掘进方法包括以下步骤：

S1距离传感器8检测激光刀盘6与岩石层15之间的距离，自行机构1根据距离传感器8检测的距离前进或后退，使得激光刀盘6与岩石层15之间的距离达到预设值d，0.3m＜d＜0.7m，本实施例d＝0.4m，具体的，距离传感器8检测的激光刀盘6与岩石层15之间的距离通过带铠电缆11内的信号缆传递给主控柜14，主控柜14再通过带铠电缆11内的动力缆驱动自行机构1前进或后退，当激光刀盘6与岩石层15之间的距离达到预定值0.4m，自行机构1停止移动，此时激光切割头7与岩石层15之间的距离b是0.05m，高能激光束9的有效切割长度L＝0.3m，由此使得多个激光切割头7产生的高能激光束9形成的激光束切割平面正好切割出厚度为0.2m＝L×cos(α/2)－b的横截面为三角形的圆环体，并保证切割出的切削岩石在激光刀盘旋转一周后能自行脱落；

S2光纤激光器13开始工作，激光切割头7产生高能激光束9，同时副驱动轴5驱动激光刀盘6旋转进而带动高能激光束9旋转，高能激光束9在旋转的过程中在岩石层15上切割出切削岩石10，当激光刀盘6旋转一周后进入步骤S3；

S3主驱动轴3驱动摆臂4顺时针旋转一定角度β，本实施例的β＝2°，然后重新执行步骤S2，当主驱动轴3驱动摆臂4旋转一周后进入步骤S4；

S4副驱动轴5沿摆臂4向心移动一定距离r，本实施例的r＝0.3m，该副驱动轴5的初始位置为与主驱动轴3平行设置且不同心，然后重新执行步骤S2-S3，直至副驱动轴5移动至与主驱动轴3同心时，完成一个切割周期。

在完成一个切割周期后，为使隧道掘进装置持续的向前切割破岩，距离传感器8会再次检测激光刀盘6与岩石层15之间的距离，即重复执行步骤S1到步骤S4，实现隧道掘进装置的掘进前行。

如图1和2所示，切割下来的切削岩石10为横截面是三角形的圆环体，在激光刀盘6旋转一周后自行脱落，其横截面的顶角α＝70°。一个切割周期完成后，切割区域为半径是R+D/2的圆，R为副驱动轴5在摆臂4上的总移动行程，D为竖直方向上首末两个激光切割头之间的距离。

本发明采用激光对岩石进行不接触式切割，切割效率高，互成α角的高能激光束可以使切削岩石自行脱落，避免传统破岩装置切削岩石过程中产生的冲击振动。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种采用激光切割破岩的隧道掘进装置，其特征在于，包括自行机构(1)、连接机构和切割机构，其中：

所述自行机构(1)用于实现整个隧道掘进装置的移动；

所述连接机构包括主驱动轴(3)、摆臂(4)和副驱动轴(5)，所述主驱动轴(3)安装在自行机构(1)上，所述摆臂(4)安装在主驱动轴(3)上，所述副驱动轴(5)安装在摆臂(4)上，其可沿摆臂(4)上下移动，以实现与主驱动轴(3)的偏心或同心布置；

所述切割机构包括安装在副驱动轴(5)上的激光刀盘(6)以及多个安装在激光刀盘(6)上并沿水平方向与竖直方向交叉布置的激光切割头(7)，该激光刀盘(6)上还安装有距离传感器(8)，该距离传感器(8)用于检测激光刀盘(6)与待切割岩石层(15)之间的距离。

2.如权利要求1所述的采用激光切割破岩的隧道掘进装置，其特征在于，沿竖直方向布置的多个激光切割头(7)中的首末两个激光切割头与激光刀盘(6)垂直，且这两个激光切割头的间距为D，其余激光切割头互成α角布置，以发射互成α角的高能激光束(9)；沿水平方向布置的多个激光切割头互成α角布置，以发射互成α角的高能激光束(9)。

3.如权利要求1或2所述的采用激光切割破岩的隧道掘进装置，其特征在于，优选的，60°＜α＜120°，0.8m＜D＜2m。

4.一种采用激光切割破岩的隧道掘进方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：距离传感器(8)检测激光刀盘(6)与岩石层(15)之间的距离，自行机构(1)根据距离传感器(8)检测的距离前进或后退，使得激光刀盘(6)与岩石层(15)之间的距离达到预设值；

S2：激光切割头(7)产生高能激光束(9)，同时副驱动轴(5)驱动激光刀盘(6)旋转进而带动高能激光束(9)旋转，高能激光束(9)在旋转的过程中在岩石层(15)上切割出切削岩石(10)，当激光刀盘(6)旋转一周后进入步骤S3；

S3：主驱动轴(3)驱动摆臂(4)顺时针旋转一定角度，然后重新执行步骤S2，当主驱动轴(3)驱动摆臂(4)旋转一周后进入步骤S4；

S4：副驱动轴(5)沿摆臂(4)移动一定距离，然后重新执行步骤S2-S3，直至副驱动轴(5)移动至与主驱动轴(3)同心时，完成一个切割周期。

5.如权利要求4所述的采用激光切割破岩的隧道掘进方法，其特征在于，步骤S2中所述的切削岩石(10)为横截面为三角形的圆环体，在激光刀盘(6)旋转一周后自行脱落，且其横截面的顶角为α。

6.如权利要求4所述的采用激光切割破岩的隧道掘进方法，其特征在于，步骤S4切割完成后，切割区域为半径为R+D/2的圆，R为副驱动轴(5)在摆臂(4)上的总移动行程，D为竖直方向上首末两个激光切割头之间的距离，0.8m＜D＜2m，1.6m＜R＜4m，且D＜R。

7.如权利要求4所述的采用激光切割破岩的隧道掘进方法，其特征在于，还包括步骤S5：重复步骤S1-S4，实现持续向前切割破岩。

8.如权利要求4-7任一项所述的采用激光切割破岩的隧道掘进方法，其特征在于，步骤S1中，激光刀盘(6)与岩石层(15)之间的预设距离为d，0.3m＜d＜0.7m；步骤S3中，主驱动轴驱动摆臂顺时针旋转的角度为β，0＜β＜10°；步骤S4中，副驱动轴(5)沿摆臂(4)移动的距离为r，0.2m＜r＜0.5m。