CN109488316B - 高压脉冲放电-机械联合破岩的全断面隧道掘进机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压脉冲放电‑机械联合破岩的全断面隧道掘进机，解决的是隧洞工程中采用传统的机械破碎工作方式掘进速度慢，刀具磨损快等问题。本发明包括掘进机主机，掘进机主机上设有刀盘刀具系统，所述的刀盘刀具系统上设有电极。本发明设计了兼具高压脉冲放电和刮削能力的新型电极刮刀；高压脉冲放电控制系统的电极与滚刀等其他机械刀具耦合作用，提高破岩效率，减小刀具磨损。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工中的全断面隧道掘进机领域，具体涉及一种提高破岩效率，减小刀具磨损的基于高压脉冲放电-机械联合破岩的新型全断面隧道掘进机用刀盘。
背景技术
目前全断面隧道掘进机是铁道、水电交通、矿山、市政等硬岩隧洞工程中普遍应用的工程机械，主要是利用旋转刀盘上的滚刀挤压剪切破岩实现隧道掘进的目的。然而，这种机械破碎工作方式的掘进效率常受到岩石硬度等外在因素影响，尤其在极端条件下，不仅掘进速度异常缓慢，刀具损坏几率也大幅提高，给业主和施工方带来巨额经济损失。高压脉冲放电破岩法通过电极之间的高压电弧放电实现破岩，且可通过调整电极间距和输入电量等参数控制岩石破碎体积和掘进速度，相比于传统破岩方法，它具有破岩效率高、破岩功率低、破岩能耗小、无环境污染等优点，在岩石破碎领域中有着广阔的应用前景。有关研究结果表明采用该技术即便在高硬度的花岗岩或玄武岩等地质条件下钻探速度也可高达12-30米/小时，且噪音和振动水平极低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是硬岩隧洞工程中采用传统的机械破碎工作方式掘进速度慢，刀具磨损快等，提供一种基于高压脉冲放电-机械联合破岩的全断面隧道掘进机。
为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：一种高压脉冲放电-机械联合破岩的全断面隧道掘进机，包括掘进机主机，掘进机主机上设有刀盘刀具系统，所述的刀盘刀具系统上设有电极。
所述的电极为电极材料制作而成的电极刮刀。
所述的刀盘刀具系统包括刀盘和滚刀，滚刀和电极刮刀均设置在刀盘上。
所述的电极与高压脉冲放电系统相连。
所述的高压脉冲放电系统还包括高压脉冲电弧控制器，高压脉冲电弧控制器与高压配电站连接；所述的电极与高压配电站连接，高压配电站与高压变压器连接。
所述与电极相连设有转子电缆，转子电缆通过电滑环与定子电缆连接。定子电缆与高压脉冲电弧控制器连接。
所述的掘进机主机前部设有密封仓，密封仓内设有放电介质。
与密封仓相配合设有盾尾密封系统，所述的盾尾密封系统包括盾体壁和管片，盾体壁和管片之间设有若干层盾尾刷，盾体壁后部的管片外侧设有密封层。
密封仓的右侧设有回转接头，密封仓通过回转接头与外部的放电介质管路连通。
与密封仓相连通设有出渣系统。
一种高压脉冲放电-机械联合破岩的全断面隧道掘进机的施工方法，包括以下步骤：①全断面隧道掘进机在掘进过程中，将密封舱内充入放电介质，刀盘刀具系统在主驱动系统的驱动下进行旋转；
②高压脉冲电弧控制器根据破岩需要控制放电回路使电极进行放电，在放电介质内形成高压脉冲电弧，对岩石进性破坏。
步骤②所述的高压脉冲电弧控制器使电极进行放电时，刀盘旋转，滚刀和电极刮刀共同作用于掌子面，对岩石进行滚压和刮削。
本发明设计了兼具高压脉冲放电和刮削能力的新型电极刮刀；高压脉冲放电控制系统主要由高压脉冲电弧控制器、电能储存装置（充电回路中的储能电容）、电极刮刀、高压变电器、放电介质等组成，可通过放电对岩石产生破坏，如产生裂纹、粉尘、剥落等；高压脉冲放电控制系统的电极与滚刀等其他机械刀具耦合作用，提高破岩效率，减小刀具磨损。
附图说明
图1是本发明前部结构示意图；
图2是本发明中部结构示意图；
图3是本发明后部结构示意图；
图4是本发明刀盘结构示意图；
图5是本发明刀盘上滚刀、电极刮刀与岩石接触状态结构示意图。
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1-5所示，一种高压脉冲放电-机械联合破岩的全断面隧道掘进机，包括掘进机主机，掘进机主机上设有刀盘刀具系统1，所述的刀盘刀具系统1上设有电极21。
所述的电极21为电极材料制作而成的电极刮刀。电极21是由金属电极材料制成的、外形类似于目前全断面隧道掘进机上常用刮刀的放电电极，电极21既具有放电功能，又具有刮渣能力。破岩过程中电极与滚刀直接与岩石26接触。
所述的刀盘刀具系统1包括刀盘22和滚刀20，滚刀20和电极刮刀均设置在刀盘22上。滚刀20为目前全断面隧道掘进机上常用的盘形滚刀结构。
所述的电极21与高压脉冲放电系统相连。
所述的高压脉冲放电系统还包括高压脉冲电弧控制器14，高压脉冲电弧控制器14与高压配电站15连接；所述的电极21与高压配电站15连接，高压配电站15与高压变压器16连接。本发明高压脉冲放电系统包括充电回路、放电回路和控制回路，电极属于放电回路的一部分，工作时控制电路控制充电储能的能量大小，之后由放电回路通过电极释放电能，形成电弧破碎岩石。变压器起对外来电源升压的作用。高压脉冲电弧控制器14主要控制脉冲放电系统的储能电容的充、放电回路的时长及频率等参数；配电站15主要为脉冲放电系统的储能电容、主驱动等提供电能；高压变压器16主要是将外界接入的电压升高为脉冲放电系统所需的超高电压以及掘进机其他电路所需电压，本发明所述的高压指的是电压为50-500kV范围内的电压。
所述与电极21相连设有转子电缆2，转子电缆2通过电滑环3与定子电缆6连接。定子电缆6与高压脉冲电弧控制器14连接。
所述的掘进机主机前部设有密封仓30，密封仓30内设有放电介质5。
与密封仓30相配合设有盾尾密封系统，所述的盾尾密封系统包括盾体壁32和管片33，盾体壁32和管片33之间设有若干层盾尾刷34，盾体壁32后部的管片33外侧设有密封层11。所述的密封层为泥浆层，管片33通过泥浆层使管片与洞壁贴合；盾体壁32前部的内侧设有隔板31，隔板31前方为密封仓30，盾体壁32后部通过密封层11与管片33连接。
本发明的密封仓30由掌子面与隔板之间的空间形成；放电介质5主要为绝缘放电材料，如水、煤油、变压器油或其他复合材料等；本发明本发明采用的密封仓30内的放电介质为放电必要环境，电极进行脉冲放电破岩时，考虑安全等因素，本发明对密封要求特别严格，为防止密封仓30内的放电介质5沿盾体壁外围绕过盾体进入掘进机主机内，设置密封系统，有效防止放电介质5进入掘进机主机。所述密封层11施工中为注入管片与洞壁之间的的泥浆层形成盾尾密封。
密封仓30的右侧设有回转接头20，密封仓30通过回转接头20与外部的放电介质管路7连通。通过放电介质管路7向密封仓内注入放电介质5以保证正负电极可以形成高压脉冲放电。
与密封仓30相连通设有出渣系统9。本发明高压脉冲放电破岩产生的泥水渣土存放在密封仓内，即土仓，泥水渣土混入放电介质内，但不影响电极放电，当密封仓内泥水渣土达到一定液位时，通过调节出渣系统9的出渣量调节密封仓30内压力及放电介质5的液位。所述的出渣系统9包括排浆泵13，排浆泵13将泥水渣土抽出并排出。如图2和图3所示，本发明掘进机主机后部设有专门的电缆卷筒17、泥浆管存储区18和水管卷筒19。本发明还设有支护系统10和推进油缸8，支护系统10对隧道进行支护，推进油缸8对本发明起推进作用。
一种高压脉冲放电-机械联合破岩的全断面隧道掘进机的施工方法，包括以下步骤：①全断面隧道掘进机在掘进过程中，将密封舱内充入放电介质，刀盘刀具系统在主驱动系统8的驱动下进行旋转；密封舱内放电介质的注入量要足够多，要淹没电极；
②高压脉冲电弧控制器根据破岩需要控制放电回路使电极进行放电，在放电介质内形成高压脉冲电弧，对岩石进性破坏。
步骤②所述的高压脉冲电弧控制器使电极进行放电时，刀盘旋转，滚刀和电极刮刀共同作用于掌子面，对岩石进行滚压和刮削。形成高压脉冲电弧击穿与滚刀、电极刮刀等多种形式耦合破岩的效果，提升破岩效率，降低刀具磨损，加快施工进程。
Claims (9)
1.一种高压脉冲放电-机械联合破岩的全断面隧道掘进机，包括掘进机主机，掘进机主机上设有刀盘刀具系统（1），其特征在于，所述的刀盘刀具系统（1）上设有既具有放电功能又具有刮渣能力的电极（21）；电极（21）为电极材料制作而成的电极刮刀；所述的掘进机主机前部设有密封仓（30），密封仓（30）内设有放电介质（5）；所述的刀盘刀具系统（1）包括刀盘（22）和滚刀（20），滚刀（20）和电极刮刀均设置在刀盘（22）上。
2.根据权利要求1所述的高压脉冲放电-机械联合破岩的全断面隧道掘进机，其特征在于：所述的电极（21）与高压脉冲放电系统相连。
3.根据权利要求2所述的高压脉冲放电-机械联合破岩的全断面隧道掘进机，其特征在于：所述的高压脉冲放电系统还包括高压脉冲电弧控制器（14），高压脉冲电弧控制器（14）与高压配电站（15）连接；所述的电极（21）与高压配电站（15）连接，高压配电站（15）与高压变压器（16）连接。
4.根据权利要求3所述的高压脉冲放电-机械联合破岩的全断面隧道掘进机，其特征在于：与所述电极（21）相连设有转子电缆（2），转子电缆（2）通过电滑环（3）与定子电缆（6）连接。
5.根据权利要求1所述的高压脉冲放电-机械联合破岩的全断面隧道掘进机，其特征在于：与密封仓（30）相配合设有盾尾密封系统，所述的盾尾密封系统包括盾体壁（32）和管片（33），盾体壁（32）和管片（33）之间设有若干层盾尾刷（34），盾体壁（32）后部的管片（33）外侧设有密封层（11）。
6.根据权利要求5所述的高压脉冲放电-机械联合破岩的全断面隧道掘进机，其特征在于：密封仓（30）的右侧设有回转接头，密封仓（30）通过回转接头与外部的放电介质管路（7）连通。
7.根据权利要求6所述的高压脉冲放电-机械联合破岩的全断面隧道掘进机，其特征在于：与密封仓（30）相连通设有出渣系统（9）。
8.一种利用权利要求1~7任一项所述高压脉冲放电-机械联合破岩的全断面隧道掘进机的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：①全断面隧道掘进机在掘进过程中，将密封舱内充入放电介质，刀盘刀具系统在主驱动系统（8）的驱动下进行旋转；
②高压脉冲电弧控制器根据破岩需要控制放电回路使电极进行放电，在放电介质内形成高压脉冲电弧，对岩石进性破坏。
9.根据权利要求8所述的施工方法，其特征在于：步骤②所述的高压脉冲电弧控制器使电极进行放电时，刀盘旋转，滚刀和电极刮刀共同作用于掌子面，对岩石进行滚压和刮削。
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