CN109488317B - 利用高速粒子冲击破岩的新型全断面隧道掘进机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用高速粒子冲击破岩的新型全断面隧道掘进机，解决的是在铁道、水电交通矿山市政等硬岩隧洞施工中，滚刀异常磨损和更换频率增加，掘进机主轴承和机械刀具都易发生损坏等问题。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，所述的刀盘为固定刀盘，刀盘上设有粒子喷嘴。本发明设计了一种利用高速粒子冲击破岩的新型全断面隧道掘进机及其新型刀盘结构，配合的粒子注入系统和粒子回收系统，实现根据刀盘上粒子喷嘴的安装结构调整任意形状断面的目的。
Description
技术领域
本发明涉及掘进机领域，具体涉及一种利用高速粒子冲击破岩的新型全断面隧道掘进机。
背景技术
全断面隧道掘进机是目前铁道、水电交通矿山市政等硬岩隧洞施工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破岩实现隧道掘进的目的，其主要克服的是岩石的抗压强度，工程实践表明在岩石的单轴抗压强度在100MPa左右时，掘进机破岩效率相对尚可，但随着岩石强度的增加，破岩效率逐渐下降，滚刀异常磨损和更换频率增加，导致工期延长和施工成本的增加。且在遇到地质不均或复杂地层时，掘进机主轴承和机械刀具都易发生损坏。
发明内容
本发明要解决的技术问题是在铁道、水电交通矿山市政等硬岩隧洞施工中，滚刀异常磨损和更换频率增加，掘进机主轴承和机械刀具都易发生损坏，提供一种利用高速粒子冲击破岩的新型全断面隧道掘进机。
为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：一种利用高速粒子冲击破岩的新型全断面隧道掘进机，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，所述的刀盘为固定刀盘，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。所述粒子存储箱用于存放回收粒子，以备进行多次使用。
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。出渣系统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输送至一级皮带机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。粒子存储箱上设有接料斗，接料斗设置在脱磁机的出料口的下方。
所述的粒子喷嘴有多个，所述的刀盘外轮廓为圆形、矩形、类矩形或马蹄形。
所述的刀盘上设有吸能板和保持架，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。
一种利用高速粒子冲击破岩的新型全断面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高速粒子流经布置在刀盘上的粒子喷嘴喷出至掌子面，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使岩屑脱落；
③采用粒子回收系统从步骤②脱落的岩屑中回收喷出的高速粒子流中的粒子，并进行再次利用。
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。
本发明设计了一种利用高速粒子冲击破岩的新型全断面隧道掘进机及其新型刀盘结构，配合的粒子注入系统和粒子回收系统，实现根据刀盘上粒子喷嘴的安装结构调整任意形状断面的目的。
本发明根据施工断面需要开挖的形式设计同形式的刀盘，根据粒子破岩能力在刀盘处阵列布置多个高速粒子喷嘴，通过多个喷嘴喷出的粒子冲击进行破岩，以达到开挖空间的目的。
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放大结构示意图；
图3是本发明后部粒子回收系统放大结构示意图；
图4是本发明刀盘横截面结构示意图；
图5是本发明粒子喷嘴在类矩形刀盘上的布置结构示意图；
图6是本发明粒子喷嘴在圆形刀盘上的布置结构示意图；
图7是本发明粒子喷嘴在马蹄形刀盘上的布置结构示意图。
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至图7所示，一种利用高速粒子冲击破岩的新型全断面隧道掘进机，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为固定刀盘，刀盘1上设有粒子喷嘴2。盾体4主要用于安装掘进机主梁和支撑洞壁。本发明刀盘相对盾体是固定的，而非传统的旋转运动，主要起开挖、平衡和支撑掌子面等作用，防止隧道开挖过程中掌子面坍塌，同时为粒子喷嘴2的安装起支撑固定作用。刀盘不需要转动，不需要传动刀盘的驱动系统，节省了大量的动力源，减轻工作量。
如图2所示，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。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。
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物质，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。
所述的高压泵18与粒子发生罐6之间设有增压器7，增压器7与高压泵18之间还设有蓄能器8。粒子发生罐6用于存放粒子，与增压器7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7用于对管路中的流体介质进行增压。所述蓄能器8用于调节管路压力，增压器7设置在蓄能器8与粒子发生罐6之间。
如图3所示，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。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。
所述的粒子喷嘴2有多个，所述的刀盘1外轮廓为圆形、矩形、类矩形或马蹄形。本发明所述粒子喷嘴2固定于刀盘1上，根据隧道施工断面的设计形状来设计同形式的刀盘，刀盘形状如圆形、矩形、类矩形、马蹄形等形状，根据粒子破岩能力在刀盘上布置多个粒子喷嘴，粒子喷嘴的安装数量和位置根据开挖面形状确定，通过多个喷嘴的粒子冲击破岩以达到开挖不同断面空间的目的，粒子喷嘴2的数量以粒子喷嘴2打击范围可基本覆盖整个掌子面为宜。如5至图7所示。
如图4所示，所述的刀盘1上设有吸能板101和保持架21，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。
一种利用高速粒子冲击破岩的新型全断面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高速粒子流经布置在刀盘上的粒子喷嘴喷出至掌子面，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使岩屑脱落；
③采用粒子回收系统从步骤②脱落的岩屑中回收喷出的高速粒子流中的粒子，并进行再次利用。本发明岩屑和打击后的粒子经出渣系统输出至粒子回收系统后将岩屑排出作业空间、粒子回收至粒子存储箱17内再利用。本发明全断面隧道掘进机的整机由推进系统10进行换步。
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。
Claims (7)
1.一种利用高速粒子冲击破岩的新型全断面隧道掘进机，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）为固定刀盘，刀盘（1）上设有粒子喷嘴（2）；所述的粒子喷嘴（2）有多个，所述的刀盘（1）外轮廓为圆形、矩形、类矩形或马蹄形；
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；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（7）与高压泵（18）之间还设有蓄能器（8）；
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。
2.根据权利要求1所述的利用高速粒子冲击破岩的新型全断面隧道掘进机，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。
3.根据权利要求1所述的利用高速粒子冲击破岩的新型全断面隧道掘进机，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。
4.根据权利要求3所述的利用高速粒子冲击破岩的新型全断面隧道掘进机，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。
5.根据权利要求1所述的利用高速粒子冲击破岩的新型全断面隧道掘进机，其特征在于：所述的刀盘（1）上设有吸能板（101）和保持架（21），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。
6.一种如权利要求1所述的利用高速粒子冲击破岩的新型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高速粒子流经布置在刀盘上的粒子喷嘴喷出至掌子面，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使岩屑脱落；
③采用粒子回收系统从步骤②脱落的岩屑中回收喷出的高速粒子流中的粒子，并进行再次利用。
7.根据权利要求6所述的利用高速粒子冲击破岩的新型全断面隧道掘进机的施工方法，其特征在于：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。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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