CN109372530A - 粒子冲击-机械联合、可开挖任意断面的隧道掘进机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粒子冲击‑机械联合、可开挖任意断面的隧道掘进机，解决的技术问题是现有隧道形状并非圆形时，采用传统的圆形掘进机开挖，势必增大了工程开挖量，造成施工成本的增加。本发明包括掘进机主机和与掘进机主机相配合的出渣系统，所述的掘进机主机上设有盾体，盾体上设有刀盘，所述的刀盘包括圆形的旋转刀盘和固定刀盘，固定刀盘设置在旋转刀盘外侧，固定刀盘上设有粒子喷嘴。本发明在传统圆形刀盘的外侧设置粒子喷嘴，粒子喷嘴最外侧的布置轨迹根据需要开挖的隧道形状进行设计，采用圆形刀盘开挖组合高速粒子冲击破岩修整的破岩方式实现任意断面隧道的开挖。

Description

粒子冲击-机械联合、可开挖任意断面的隧道掘进机

技术领域

本发明涉及掘进机领域，具体涉及一种粒子冲击-机械联合、可开挖任意断面的隧道掘进机。

背景技术

岩石隧道掘进机（TBM）是一种集机械、电子、液压、激光等技术于一体的大型隧道开挖装备，在山岭隧道及城市地铁工程建设中发挥着重要作用。目前该种掘进机主要利用刀盘的旋转进行破岩开挖，其开挖断面多为圆形，刀盘只能做轻微俯仰和摆动以调整掘进方向，但开挖面形状受限，难以适应于目前马蹄形、类矩形等多样性断面要求的隧道工程。虽然有少部分配合其他装置联合开挖可以完成矩形、马蹄形等异形断面的工程案例，但是这些异形断面全部应用于软土隧道开挖，在岩石隧道工程中的施工案例却鲜见报道。

目前在岩石隧道中，成形断面采用双圆形、类矩形、马蹄形等异形断面的公路、铁路等交通隧道工程越来越多，如果采用传统的圆形掘进机开挖，势必增大了工程开挖量，同时超挖的部分还需进行二次回填，不仅提高了工程成本、浪费了人力物力，而且延长了工期。因此，设计一种可满足不同开挖断面工程需求的新型硬岩掘进机迫在眉睫。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有隧道形状并非圆形时，采用传统的圆形掘进机开挖，势必增大了工程开挖量，造成施工成本的增加，提供一种粒子冲击-机械联合、可开挖任意断面的隧道掘进机。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：一种粒子冲击-机械联合、可开挖任意断面的隧道掘进机，包括掘进机主机和与掘进机主机相配合的出渣系统，所述的掘进机主机上设有盾体，盾体上设有刀盘，所述的刀盘包括圆形的旋转刀盘和固定刀盘，固定刀盘设置在旋转刀盘外侧，固定刀盘上设有粒子喷嘴。

所述的与粒子喷嘴相连设有粒子注入系统，所述的粒子注入系统包括高压泵和与高压泵相连的粒子发生罐，粒子喷嘴通过高压管路与高压泵相连通；所述的粒子发生罐设置在粒子喷嘴与高压泵之间。

所述的粒子喷嘴与高压泵之间的高压管路上设有回转接头；所述的高压泵与粒子发生罐之间设有增压器，增压器与高压泵之间还设有蓄能器。

与所述的出渣系统相配合设有粒子回收系统，所述的粒子回收系统包括一级皮带机、二级皮带机和筛选机，所述一级皮带机的一端设置在出渣系统落料口的下方、另一端通过磁性皮带伸至与筛选机进料口的上方；所述二级皮带机一端设置在筛选机下方、另一端伸出掘进机主机外侧；所述筛选机的出料口与粒子存储箱相连。

所述的出渣系统一端设置刀盘与掌子面之间的下部，另一端伸至一级皮带机上方。

所述的磁性皮带一端设有滚筒式电磁铁、另一端伸至筛选机进料口的上方。

所述的筛选机内设有筛网，筛网下方设有磁选机，与磁选机相连设有脱磁机，脱磁机的出料口与粒子存储箱相通。

所述的旋转刀盘和固定刀盘组合起来的外轮廓与隧道开挖面的外轮廓相同，固定刀盘上的粒子喷嘴布满固定刀盘。

所述的固定刀盘上设有吸能板，刀盘内部设有管路通道，伸出管路通道的高压管路上设有防护装置，所述的防护装置为包裹在高压管路上的钢板层。

一种粒子冲击-机械联合、可开挖任意断面的隧道掘进机的施工方法，包括以下步骤：①采用高压泵对流体介质经高压泵加压形成高速运动的流体介质，高速运动的流体介质在高压管道中利用虹吸原理使粒子发生罐中的粒子混入高速运动的流体介质中形成高速粒子流；

②固定刀盘的粒子喷嘴中喷出的高速粒子流中的粒子作用于掌子面的岩石，使岩石产生破坏，流体介质同时作用于掌子面的岩石使岩屑脱落；同时旋转刀盘在主驱动的作用下旋转对旋转刀盘对应的掌子面区域产生挤压破坏，从而使固定刀盘和旋转刀盘共同开挖掌子面；

③采用粒子回收系统从步骤②脱落的渣石中回收喷出的高速粒子流中的粒子，并进行再次利用。

本发明在传统圆形刀盘的外侧设置粒子喷嘴，粒子喷嘴最外侧的布置轨迹根据需要开挖的隧道形状进行设计，可以是马蹄形、也可以是椭圆形、矩形等任意断面形状；采用圆形刀盘开挖组合高速粒子冲击破岩修整的破岩方式实现任意断面隧道的开挖，利用高速粒子冲击-机械刀具进行联合开挖，并设计粒子注入系统和粒子回收系统，扩大了全断面隧道掘进机的开挖范围，提高了施工效率。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明前部粒子注入系统处放大结构示意图；

图3是本发明后部粒子回收系统处放大结构示意图；

图4是本发明固定刀盘上粒子喷嘴处放大结构示意图；

图5是本发明旋转刀盘与固定刀盘组合成马蹄形刀盘面的结构示意图；

图6是图5中旋转刀盘和固定刀盘上的分别破岩区域的结构示意图；其中，A区域为旋转刀盘开挖区域，B区域为固定刀盘开挖区域；

图7是本发明旋转刀盘与固定刀盘组合成矩形刀盘面的图；

图8是本发明旋转刀盘与固定刀盘组合成椭圆形刀盘面的图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图8所示，一种粒子冲击-机械联合、可开挖任意断面的隧道掘进机，包括掘进机主机和与掘进机主机相配合的出渣系统5，所述的掘进机主机上设有盾体4，盾体4上设有刀盘1，所述的刀盘1包括圆形的旋转刀盘103和固定刀盘104，固定刀盘104设置在旋转刀盘103外侧，固定刀盘104上设有粒子喷嘴2。本发明圆形的旋转刀盘103为目前隧道掘进机常用的刀盘形状，工作时，旋转刀盘103旋转，开挖隧道的大部分断面，固定刀盘104固定，用于补充旋转刀盘103开挖不到的断面，二者联合使用，实现隧道任意断面的开挖。盾体4用于安装掘进机主梁和支撑洞壁。

所述的与粒子喷嘴2相连设有粒子注入系统，所述的粒子注入系统包括高压泵18和与高压泵18相连的粒子发生罐6，粒子喷嘴2通过高压管路3与高压泵18相连通；所述的粒子发生罐6设置在粒子喷嘴2与高压泵18之间。本发明所述的高压管路3具有高耐磨性和耐高压性，尽可能减小带有粒子的高压流体介质对高压管路的磨损。本发明粒子发生罐6设置在粒子喷嘴2与高压泵18之间的高压管路3上，采用后混方式将粒子23混入流体介质19中，混合有粒子的流体介质19由高压管路3输送至粒子喷嘴处喷出；也可以采用前混方式，使粒子与流体介质19混合后在由高压泵通过高压管路输送至粒子喷嘴处喷出。本发明所述的流体介质19可以是水也可以是压缩空气等，流体介质经增压泵18增压后经高压管路运输。本发明粒子喷嘴喷出的高速粒子流的速度达到100m/s以上。

所述的粒子喷嘴2与高压泵18之间的高压管路3上设有回转接头；所述的高压泵18与粒子发生罐6之间设有增压器7，增压器与高压泵18之间还设有蓄能器8。回转接头一端与粒子喷嘴2相连的管路的转动的，回转接头另一端与高压泵18相连的管路是静止的，通过回转接头的设置实现转动的管路与静止的管路之间的连通。

本发明的粒子发生罐6用于存放粒子，与增压器通过高压管路相连，粒子为普通钢珠，粒子直径为0.1-20mm。所述增压器用于对管路中的流体介质进行增压。所述蓄能器用于调节管路压力，增压器设置在蓄能器与粒子发生罐6之间。

与所述的出渣系统5相配合设有粒子回收系统，如图3所示，所述的粒子回收系统包括一级皮带机9、二级皮带机20和筛选机13，所述一级皮带机9的一端设置在出渣系统5落料口的下方、另一端通过磁性皮带12伸至与筛选机13进料口的上方；所述二级皮带机20一端设置在筛选机13下方、另一端伸出掘进机主机外侧；所述筛选机13的出料口与粒子存储箱17相连。所述粒子存储箱17用于存放回收粒子，以备进行多次使用。本发明由一级皮带机9输送来的岩屑在一级皮带机9外端进行自由落体运动，岩屑中的粒子被磁性皮带12吸附带至筛选机13进料口处落下，其它岩屑落至二级皮带机20上被排除作业空间。

所述的出渣系统5一端设置刀盘1与掌子面之间的下部，另一端伸至一级皮带机9上方。出渣系统5为皮带机或螺旋输送机，本发明采用底部出渣系统，将掉落至掌子面与刀盘之间的岩屑经过出渣系统5输送至一级皮带机9上方进行自由落体运动，进行对粒子的首次筛选。

所述的磁性皮带12一端设有滚筒式电磁铁11、另一端伸至筛选机13进料口的上方。所述滚筒式电磁铁11，在通电时产生强力磁场，且在工作时可不断旋转增加作用面，将由一级皮带机9落下的岩屑中的粒子吸附至磁性皮带12上，磁性皮带12上的磁力对粒子起保持作用；所述的磁性皮带12是在普通皮带上加装电磁片改造而成，可在运输过程中通电产生磁性吸附金属的粒子。在皮带运动到图示A的范围内时，可对该段断电，使粒子受到的磁力小于粒子重力，进而使粒子在重力和惯性作用下脱落，进入筛选机13内，完成粒子的首次筛选。

所述的筛选机13内设有筛网，筛网下方设有磁选机14，与磁选机14相连设有脱磁机15，脱磁机15的出料口与粒子存储箱17相通。粒子存储箱17上设有接料斗16，接料斗16设置在脱磁机15的出料口的下方。筛选机13内的磁选机14对粒子进行二次筛选：经过磁性皮带12首次筛选后的粒子内可能还混有大颗粒渣石和小颗粒碎屑， 这样的粒子落入筛选机13后先经过筛网对大颗粒渣石进行过筛出去，经过筛网的粒子再次经过磁选机14进行二次筛选，将小颗粒碎屑排出，二次筛选出的粒子进入脱磁机进行脱磁后进入粒子存储箱17备用。经筛选机筛出的大颗粒渣石和小颗粒碎屑分别通过不同的皮带机带至二级皮带机同大批量的岩屑一同排出。

所述的旋转刀盘103和固定刀盘104组合起来的外轮廓与隧道开挖面的外轮廓相同，固定刀盘104上的粒子喷嘴2布满固定刀盘104。本发明粒子喷嘴2数量以粒子喷嘴2打击范围可以覆盖旋转刀盘外侧的整个掌子面为宜。本发明盾体4的外轮廓与隧道开挖面的外轮廓也相同，旋转刀盘103和固定刀盘104均设置在盾体4前端。

所述的固定刀盘104上设有吸能板101，刀盘1内部设有管路通道，伸出管路通道的高压管路3上设有防护装置，所述的防护装置为包裹在高压管路3上的钢板层。所述刀盘1主要为钢结构铸造、焊接等工艺制成，安装在盾体4中；所述的吸能板101为锥形罩体或平板保护层，用于防止作用于掌子面后反弹的高速粒子反弹至刀盘导致刀盘损坏，吸收反弹的高速粒子的能量，保护粒子喷嘴2和刀盘1。所述刀盘上的保持架21用于固定粒子喷嘴2，高压管路3布置在管路通道内，在刀盘处设置防护装置，防止滚落的岩屑高压管路3造成损坏，对高压管路起防护作用。

一种粒子冲击-机械联合、可开挖任意断面的隧道掘进机的施工方法，包括以下步骤：①采用高压泵对流体介质经高压泵加压形成高速运动的流体介质，高速运动的流体介质在高压管道中利用虹吸原理使粒子发生罐中的粒子混入高速运动的流体介质中形成高速粒子流；

②固定刀盘104的粒子喷嘴中喷出的高速粒子流中的粒子作用于掌子面的岩石，使岩石产生破坏，流体介质同时作用于掌子面的岩石使岩屑脱落；同时旋转刀盘103在主驱动的作用下旋转对旋转刀盘103对应的掌子面区域产生挤压破坏，从而使固定刀盘104和旋转刀盘103共同开挖掌子面；

③采用粒子回收系统从步骤②脱落的渣石中回收喷出的高速粒子流中的粒子，并进行再次利用。本发明渣石和打击后的粒子经出渣系统输出至粒子回收系统后将渣石排出作业空间、粒子回收至粒子存储箱17内再利用。步骤①所述的高速运动的流体介质是经高压泵增压后，再通过蓄能器稳定系统压力，并经增压器再次加压后形成的。

本发明盾构机刀盘的截面根据需开挖断面形状确定，带有粒子喷嘴的固定刀盘安装在盾体轮廓内用于冲击破岩的区域，图5所示，粒子喷嘴既可以完成不规则面的开挖，又可以完成对洞壁的修整。本发明整机工作时，撑靴撑紧洞壁提供机器前进的支点，推进系统10推动整机前进，旋转刀盘在推力作用下开挖圆形轮廓，同时固定刀盘上的粒子喷嘴对其余欠挖部分进行冲击破岩和洞壁修整，并通过出渣系统将开挖区域渣石经皮带机运出。盾体外轮廓、推进系统外轮廓和隧道外轮廓相仿，保证机器正常运转。图5和图6为开挖马蹄形轮廓断面为例，但不局限于此，也可开挖椭圆形如图8、矩形如图7等任意形状断面。

Claims (10)

1.一种粒子冲击-机械联合、可开挖任意断面的隧道掘进机，包括掘进机主机和与掘进机主机相配合的出渣系统（5），所述的掘进机主机上设有盾体（4），盾体（4）上设有刀盘（1），其特征在于：所述的刀盘（1）包括圆形的旋转刀盘（103）和固定刀盘（104），固定刀盘（104）设置在旋转刀盘（103）外侧，固定刀盘（104）上设有粒子喷嘴（2）。

2.根据权利要求1所述的粒子冲击-机械联合、可开挖任意断面的隧道掘进机，其特征在于：所述的与粒子喷嘴（2）相连设有粒子注入系统，所述的粒子注入系统包括高压泵（18）和与高压泵（18）相连的粒子发生罐（6），粒子喷嘴（2）通过高压管路（3）与高压泵（18）相连通；所述的粒子发生罐（6）设置在粒子喷嘴（2）与高压泵（18）之间。

3.根据权利要求2所述的粒子冲击-机械联合、可开挖任意断面的隧道掘进机，其特征在于：所述的粒子喷嘴（2）与高压泵（18）之间的高压管路（3）上设有回转接头；所述的高压泵（18）与粒子发生罐（6）之间设有增压器（7），增压器与高压泵（18）之间还设有蓄能器（8）。

4.根据权利要求1所述的粒子冲击-机械联合、可开挖任意断面的隧道掘进机，其特征在于：与所述的出渣系统（5）相配合设有粒子回收系统，所述的粒子回收系统包括一级皮带机（9）、二级皮带机（20）和筛选机（13），所述一级皮带机（9）的一端设置在出渣系统（5）落料口的下方、另一端通过磁性皮带（12）伸至与筛选机（13）进料口的上方；所述二级皮带机（20）一端设置在筛选机（13）下方、另一端伸出掘进机主机外侧；所述筛选机（13）的出料口与粒子存储箱（17）相连。

5.根据权利要求4所述的粒子冲击-机械联合、可开挖任意断面的隧道掘进机，其特征在于：所述的出渣系统（5）一端设置刀盘（1）与掌子面之间的下部，另一端伸至一级皮带机（9）上方。

6.根据权利要求4所述的粒子冲击-机械联合、可开挖任意断面的隧道掘进机，其特征在于：所述的磁性皮带（12）一端设有滚筒式电磁铁（11）、另一端伸至筛选机（13）进料口的上方。

7.根据权利要求4所述的粒子冲击-机械联合、可开挖任意断面的隧道掘进机，其特征在于：所述的筛选机（13）内设有筛网，筛网下方设有磁选机（14），与磁选机（14）相连设有脱磁机（15），脱磁机（15）的出料口与粒子存储箱（17）相通。

8.根据权利要求1所述的粒子冲击-机械联合、可开挖任意断面的隧道掘进机，其特征在于：所述的旋转刀盘（103）和固定刀盘（104）组合起来的外轮廓与隧道开挖面的外轮廓相同，固定刀盘（104）上的粒子喷嘴（2）布满固定刀盘（104）。

9.根据权利要求1所述的粒子冲击-机械联合、可开挖任意断面的隧道掘进机，其特征在于：所述的固定刀盘（104）上设有吸能板（101），刀盘（1）内部设有管路通道，伸出管路通道的高压管路（3）上设有防护装置，所述的防护装置为包裹在高压管路（3）上的钢板层。

10.一种粒子冲击-机械联合、可开挖任意断面的隧道掘进机的施工方法，其特征在于：包括以下步骤：①采用高压泵对流体介质经高压泵加压形成高速运动的流体介质，高速运动的流体介质在高压管道中利用虹吸原理使粒子发生罐中的粒子混入高速运动的流体介质中形成高速粒子流；

②固定刀盘（104）的粒子喷嘴中喷出的高速粒子流中的粒子作用于掌子面的岩石，使岩石产生破坏，流体介质同时作用于掌子面的岩石使岩屑脱落；同时旋转刀盘（103）在主驱动的作用下旋转对旋转刀盘（103）对应的掌子面区域产生挤压破坏，从而使固定刀盘（104）和旋转刀盘（103）共同开挖掌子面；

③采用粒子回收系统从步骤②脱落的渣石中回收喷出的高速粒子流中的粒子，并进行再次利用。