CN109779647A - 搭载于tbm上的水射流辅助破岩系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种搭载于TBM上的水射流辅助破岩系统及方法，包括供水机构、动力机构、传输喷射机构和移动机构，供水机构提供流体来源，动力机构能够对流体施加压力，具有一定压力的流体能够进入传输喷射机构，并于其末端释放至TBM刀盘处，形成高压射流，辅助TBM滚刀破岩。所述供水机构和动力机构均设置于移动机构上，所述移动机构设置在TBM整机一号滑车连接桥前端，跟随TBM主梁的移动而运动，使得动力机构与固定在TBM主梁内的高压硬管主管的距离基本保持恒定，保证高压水传输的安全、可靠。

Description

搭载于TBM上的水射流辅助破岩系统及方法

技术领域

本公开涉及一种搭载于TBM上的水射流辅助破岩系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

目前，深埋长大隧道工程项目中岩石隧道开挖工程占比极高，通常情况下多采用TBM施工方案。传统的TBM采用机械破岩方式，其原理为滚刀在法向力、滚动力、侧向力共同作用下，对岩石实施压、滚、磨等作用，使岩石产生高应力区和放射裂纹，随着裂纹扩展形成岩石碎片，达到破岩的目的。

隧道岩石掘进机(TBM)在遭遇高围压硬岩时，其机械破岩能力严重不足，出现贯入度低、刀具磨损严重、换刀时间占比高等一系列问题。据统计，硬岩环境下刀具磨耗成本及维修更换时间在项目成本和工期的占比均高达30-40％，甚至更多，严重影响了施工速度，经济效益低下。因此，如何高效破岩是当前TBM掘进硬岩面临的关键性理论和技术难题。

在众多新型辅助破岩方式中，水射流破岩具有清洁环保、低能高效、易于实现的特点，并且在石油、采矿领域拥有丰富的实践基础，与目前TBM融合的研究及应用潜力巨大。目前，关于TBM刀盘处产生高压水射流，辅助TBM滚刀破岩的概念已经被提出，并见于公开的专利中，然而高压水射流的产生需要一整套高压水生成、传输、控制系统及若干安全保障措施，同时还要充分考虑高压水射流系统与现有TBM结构及施工兼容的问题，真正实施起来，尚有许多技术难题需要解决。

目前的高压水射流系统设计及组装主要包括增压泵、电动机、储能器、传输管路等，在实验室环境下，约束条件很少，实现起来比较容易。但是在工作环境狭小、搭载机具众多的隧道岩石掘进机上设计可搭载的水射流系统，情况就复杂的多。首先，必须考虑其与目前TBM结构的合理兼容，这种兼容性主要表现在水射流系统各组件在TBM上的合理安置，比如难以安装在刀盘内的体积庞大的高压泵组，在TBM上搭载时，不仅要考虑其检查、维修等日常工作的方便性，还要考虑其与刀盘的距离，距离越近，则高压水传输管路相对越短，高压水传输过程能量损失相对越小，传输风险也相对降低；同时，高压泵组应具备快捷扩充功率的功能，以应对产生不同流量高压水射流的要求，这就需要考虑高压泵组如何组成的问题。其次，必须考虑水射流系统与目前TBM施工过程的兼容，TBM采用分步掘进方案，掘进中TBM主机与滑车运动不同步，若将高压泵组安置在滑车上时，不可忽视TBM主机与滑车的相对位移对高压水传输管路带来的安全性、可靠性方面的风险。再次，在射流喷射压力与破岩能力呈正相关情况下，必须考虑高压水传输过程中，由于管路变向、变径以及自身变形引发的压力损失问题，否则难以保证水射流对滚刀的辅助效果。此外，与实验室内组装水射流系统不同，TBM作为水射流辅助系统的动态搭载平台，施工中会遇到各种难以估计的因素影响，高压水射流辅助破岩系统的安全性、可靠性问题非常严峻。

总之，若想实现高压水射流辅助TBM滚刀破岩，必须基于高压水射流系统和TBM结构及施工特点，有针对性地提出一系列技术创新，形成一套搭载于TBM上的水射流辅助破岩系统及方法，保障高压水生成、传输及释放的安全性、可靠性，保障水射流辅助TBM滚刀破岩施工的有效性、可行性。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种搭载于TBM上的水射流辅助破岩系统及方法，本公开能够解决现有的隧道岩石掘进机可利用空间狭小而水射流发生设备体积庞大的矛盾；能够保证高压水生成、传输及释放的安全性、可靠性，能够最大限度的降低高压水传输的压力损失，能够与TBM施工过程兼容，保障水射流辅助TBM滚刀破岩施工的有效性、可行性。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种搭载于TBM上的水射流辅助破岩系统，包括供水机构、动力机构、传输喷射机构和移动机构，其中：

所述供水机构提供流体来源，动力机构能够对流体施加压力，具有一定压力的流体能够进入传输喷射机构，并于其末端释放至TBM刀盘处，形成高压射流，所述供水机构和动力机构均设置于移动机构上，所述移动机构跟随TBM主梁的移动而运动，使得动力机构与固定在TBM主梁内的高压硬管主管的距离基本保持恒定。

本公开能够保证TBM滚刀破岩技术与高压水射流破岩技术相结合，极大程度的提高施工效率；同时能够保证供水机构随着TBM刀盘的行进而行进，不会发生过分滞后或脱节等情况。

作为一种可选方案，所述移动机构包括若干可拆卸的拖拉杆、带滑轨的设备底盘及固定轨道，所述固定轨道设置于TBM整机一号滑车连接桥前端，设备底盘通过滑轨安装在固定轨道上，拖拉杆一端与带滑轨的设备底盘连接，另一端与TBM主梁连接。

作为一种可选的方案，所述移动机构上动力机构安装在靠近TBM主梁一侧，供水机构安装在远离TBM主梁一侧。这样的设计能够保证流体经过动力机构的加压后进入TBM主梁，流体运行过程无阻碍，路径通畅。

作为一种可选的方案，所述供水机构包括过滤器和储水器，过滤器与储水器之间采用连接管路相连接；过滤器通过连接管路与TBM施工用水管路相连接。

进一步的可选择的，上述两处连接管路都选择低压软管。

作为一种可选的方案，所述动力机构包括若干并联的增压支路，所述增压支路通过汇流装置汇集在一起，每条增压支路均包括蓄能器、增压泵和电动机，所述汇流装置与蓄能器、蓄能器与增压泵之间均通过高压硬管连接，所述增压泵与所述储水器通过低压软管连接。所述电动机为增压泵提供动力来源。

作为进一步的限定，汇流装置上设置安全阀。汇流装置内高压水在安全阀调节下，可以有效控制流入所述传输喷射机构中高压水的压力，确保所述传输喷射机构中各组件的使用安全。

作为进一步的限定，所述增压支路的数量根据高压水的压力要求和流量要求确定。

作为一种可选的方案，所述汇流装置内由增压支路产生的高压水经过安全阀调节分两路，一路流入所述传输喷射机构，最终形成高压射流，另一路经过高压硬管回流管流至储水器。

作为一种可选的方案，所述传输喷射机构包括水射流喷嘴、刀盘内置的高压硬管、分流器、回转接头及传输管路。所述传输管路包括依次连接的三段，中间为固定在TBM主梁内的高压硬管主管，两端为高压软管，一端的高压软管连接所述动力机构中的汇流装置，另一端的高压软管连接所述回转接头。所述回转接头与分流器连接，分流器将具有压力的流体分为若干条支流，水射流喷嘴为若干个，每条支流经过所述刀盘内置的高压硬管，流至对应的水射流喷嘴。

其中，高压软管具有一定柔性，能够产生一定弯曲和伸缩变形，而高压硬管可视为刚性管路，其弯曲和伸缩变形忽略不计。另外，上述高压和低压分别是指流体经过增压后的压力及普通流体压力。高压硬管/高压软管指能够承受经过增压后的流体的压力的硬管/软管；低压软管为输送未经增压流体的软管。

移动机构与TBM主梁之间采用拖拉杆连接为硬性连接，使得移动机构始终与TBM同时移动，可保证所述安装在移动机构上的动力机构中的汇流装置和所述固定在TBM主梁内的高压硬管主管之间相对位移极小，进而确保连接汇流装置和高压硬管主管的高压软管变形极小，降低其损坏的风险，增加高压射流传输的可靠性。

把所述动力机构直接固定在一号滑车连接桥的前端，同时采用较长的高压软管连接所述动力机构中的汇流装置和固定在TBM主梁内的高压硬管主管，通过高压软管的弯曲和伸缩变形来协调施工中动力机构与高压硬管主管之间的相对位移，理论上是可行的。但是，通常情况下，施工中动力机构与高压硬管主管之间的相对位移很大，高压软管只有产生很大弯曲及伸缩变形才能实现位移补偿，大变形的高压软管在传输高压水时，引起水的流向改变，势必产生很大压力损失；同时在传输高压水时，高压软管的频繁大变形增加了管路破裂风险；高压水传输的安全性、可靠性难以保障。综上所述，利用移动机构来进行位移协调是十分必要的。

将所述动力机构和所述供水机构同时安装在移动机构上，使得动力机构和供水机构相对静止，确保动力机构中汇流装置内的高压水通过可视为刚性的高压硬管回流管流至储水器，同时有利于储水器向动力机构中增压泵供水流畅。

基于上述系统的工作方法，包括以下步骤：

对喷射用水进行过滤，并存放一定量的喷射用水；

产生的高压水由水射流喷嘴喷出，辅助滚刀破岩；

随着TBM不断掘进，移动机构随同TBM主梁移动，此时一号滑车连接桥不动，当一个施工步结束后，关闭整个水射流辅助破岩系统，并将一号滑车连同其连接桥拖回至靠近TBM主梁的位置，开始另一个施工步。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开针对现有TBM刀盘内无法装载高压水发生设备的实际情况，充分考虑现有TBM主机及一号滑车的内部空间环境，结合高压水射流系统使用的安全性、可靠性、有效性，设计了一套搭载于TBM的水射流辅助破岩系统，该系统可以通过调整增压支路的集成数量，应对不同的水射流目标压力及目标流量，使得高压水射流与TBM滚刀相互配合，降低滚刀磨损，提高滚刀贯入度，令现有水射流辅助TBM破岩构想的实现成为可能。

本公开将体积庞大的动力机构、供水机构安置于TBM整机一号滑车连接桥前端，此处空间的使用最具可行性，并且空间相对较大，有利于多个增压支路集成使用，有利于设备的检查、保养和维修；此处空间距离刀盘距离最近，有利于减少高压水传输管路总长度，进而降低高压水输送的能量损失；解决了体积庞大的高压水发生设备在TBM上合理搭载一大难题。

本公开中刀盘内置高压硬管、高压硬管主管均采用硬质管路，有利于降低高压水在传输过程中的压力损失。

本公开中将传输喷射机构中最长(长度一般在10米以上)的传输管路—高压硬管主管固定在TBM主梁内部，一方面实现了其采用直线型设计的目的，避免了高压水变向流动，大大降低了高压水在传输过程中的压力损失；另一方面有利于降低高压硬管主管与回转接头、汇流装置之间连接难度，保证高压水传输流畅，进一步降低压力损失；此外，高压硬管主管固定在TBM主梁内部，受到TBM主梁的强力保护，大大降低了施工中意外因素对高压水传输带来的风险，提升了水射流辅助系统的可靠性。

本公开采用移动机构消除施工中动力机构与高压硬管主管的主要相对位移，而不仅仅依靠较长高压软管的大变形来实现这一目的，有效降低了高压水传输中的压力损失，降低了高压软管频繁变形导致的破裂风险，保证了高压水传输的安全性、可靠性。

本公开结合搭载于TBM上的水射流辅助破岩系统的特点和目前TBM分步掘进施工特点，提出了水射流辅助破岩系统的应用方法，切实可行，易于推广。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本公开的整体结构示意图；

图2是本公开的移动机构的结构示意图；

图3是本公开的动力机构、供水机构的结构示意图；

其中，1.供水机构，11.过滤器，12.储水器，2.动力机构，21.电动机，22.增压泵，23.蓄能器，24.汇流装置，25.安全阀，26.高压硬管回流管，31.高压软管Ⅰ，32.高压硬管主管，33.高压软管Ⅱ，34.刀盘内置高压硬管，4.回转接头，5.分流器，6.水射流喷嘴，71.拖拉杆，72.带滑轨的设备底盘，73.固定轨道，81.刀盘，82.TBM主梁，83.一号滑车连接桥。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

一种搭载于全断面隧道掘进机(TBM)上的水射流辅助破岩系统，如图1所示，包括利于远程操控的数控操控台，方便使用TBM施工用水的供水机构1，便于根据目标流量及喷射压力而拼装整合的动力机构2，有利于降低压力损失并确保应用安全的传输喷射机构，在TBM掘进过程中确保动力机构2与高压硬管主管32基本处于相对静止状态的移动机构。

如图2所示，移动机构由多个可拆卸的拖拉杆71、带滑轨的设备底盘72及固定轨道73组成。固定轨道73设置于TBM整机一号滑车连接桥83的前端，带滑轨的设备底盘72通过滑轨安装在固定轨道73上，拖拉杆71一端与带滑轨的设备底盘72通过螺栓连接，另一端与TBM主梁82通过螺栓连接。带滑轨的设备底盘72上依次安装有动力机构2和供水机构1，如图1所示。移动机构起到位移补偿的作用。

如图3所示，供水机构1包括过滤器11及储水器12，过滤器11与储水器12之间均采用低压软管相连接；过滤器11通过低压软管将TBM施工用水引入，以供使用。

如图3所示，动力机构2包括电动机21、增压泵22、储能器23及汇流装置24。增压泵22与蓄能器23、蓄能器23与汇流装置24之间均用高压硬管连接，汇流装置24上设置安全阀25。一台电动机21、一台增压泵22和一个储能器23组成一个增压支路，当要求产生大流量高压水流时，可采用多组增压支路并联使用，如本实施例中就包含两个增压支路。两个增压支路产生的高压水一起汇入汇流装置24，汇流装置24内高压水经过安全阀25调节分两路，一路流入高压软管Ⅰ31，最终形成高压射流，另一路经过高压硬管回流管26流至储水器12。汇流装置24内高压水在安全阀25调节下，可以有效控制流入传输喷射机构中高压水的压力，确保传输喷射机构中各组件的使用安全。

如图1所示，传输喷射机构由水射流喷嘴6、刀盘内置的高压硬管34、分流器5、回转接头4、高压软管Ⅱ33、高压硬管主管32、高压软管Ⅰ31组成，上述组件按照所列顺序相互连接。其中多个水射流喷嘴6设置在刀盘81工作面上，每一个水射流喷嘴6均与一根刀盘内置高压硬管34相连接，这些刀盘内置高压硬管34与设置在刀盘81背部中心的分流器5相连，分流器5通过回转接头4与刀盘外部供水的高压软管Ⅱ33相连。高压硬管主管32为直线型管路，固定在TBM主梁82内，其前端通过高压软管Ⅱ33与回转接头4相连，后端通过高压软管Ⅰ31与汇流装置24相连。

TBM采取分步施工方式进行隧道掘进，一个施工步一般向前方掘进0.9至1.8米，掘进过程中，TBM主梁82在推进油缸作用下推动旋转的刀盘81破除前方岩体，此时一号滑车及其连接桥多数情况下不跟随主梁向前移动，当一个施工步结束后，一号滑车及其连接桥再通过拖拉油缸作用恢复到与TBM主梁82靠近的位置。水射流喷嘴6、刀盘内置高压硬管34、分流器5随同刀盘81旋转，高压硬管主管32固定于TBM主梁81内，刀盘81震动等原因可能造成高压硬管主管32相对回转接头4的位移，而高压软管Ⅱ33的伸缩及弯曲变形可以有效协调这种位移；TBM掘进时，一号滑车连接桥83与TBM主梁82多数情况下存在较大相对位移(0.9至1.8米)，为了使得高压硬管主管32与动力机构2之间距离的基本恒定，避免高压软管Ⅰ31频繁大变形，采用拖拉杆71将TBM主梁82与装载动力机构2的可滑动的带滑轨的设备底盘72相连，在TBM主梁82向前推进时，带动动力机构2一起向前运动，实现高压硬管主管32与动力机构2位移基本同步。此外，高压软管Ⅰ31的伸缩和弯曲能力能够进行高压硬管主管32与动力机构2微小位移的补偿。

如图3所示，汇流装置24内高压水经过安全阀25调节，有一部分经过高压硬管回流管26流至储水器12，而高压硬管回流管26可视为刚性管，这就要求汇流装置24与储水器12相对静止，将动力机构2和供水机构1同时安装在移动机构上，便实现了这一要求。

水射流辅助破岩系统的数控操控台设置在TBM主控室内，方便驾驶员远程操作，数控操控台通过电线、数据线与供水机构、动力机构连接。

本实施例中，搭载于全断面隧道掘进机(TBM)上的水射流辅助破岩系统的应用方法如下：

1.需要开启水射流辅助破岩系统时，首先对系统进行检查，排除安全隐患，特别是一些重要组件或部位(比如回转接头4、高压软管Ⅱ33、高压软管Ⅰ31、移动机构等)的可靠性及安全性；开启过滤器11，将引入其中的施工用水进行过滤，使得储水器12中存放一定量的喷射用水。

2.本例中包含两个增压支路，在步骤1完成后，通过数控开关同时开启两个增压支路中的电动机21，在增压泵22增压作用下形成的高压水，经蓄能器23恒压作用后流入汇流装置24，汇流装置24中高压水经过安全阀25调节，一部分回流至储水器12，另一部分流入传输喷射机构，最终由刀盘81上的多个水射流喷嘴6喷出，辅助滚刀破岩。

3.随着TBM不断掘进，装载动力机构2、供水机构1的可滑动的带滑轨的设备底盘72在拖拉杆71拖动下随同TBM主梁82移动，当一个施工步结束后，关闭整个水射流辅助破岩系统，并采用拖拉油缸将一号滑车拖至靠近TBM主梁82的位置。

4.当下一个施工步仍需要开启水射流辅助系统时，重复以上步骤。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种搭载于TBM上的水射流辅助破岩系统，其特征是：包括供水机构、动力机构、传输喷射机构和移动机构，其中：

所述供水机构提供流体来源，动力机构能够对流体施加压力，具有一定压力的流体能够进入传输喷射机构，并于其末端释放至TBM刀盘处，形成高压射流，所述供水机构和动力机构均设置于移动机构上，所述移动机构跟随TBM主梁的移动而运动，使得动力机构与固定在TBM主梁内的高压硬管主管的距离基本保持恒定。

2.如权利要求1所述的一种搭载于TBM上的水射流辅助破岩系统，其特征是：所述移动机构包括若干可拆卸的拖拉杆、带滑轨的设备底盘及固定轨道，所述固定轨道设置于TBM整机一号滑车连接桥前端，设备底盘通过滑轨安装在固定轨道上，拖拉杆一端与带滑轨的设备底盘连接，另一端与TBM主梁连接。

3.如权利要求1所述的一种搭载于TBM上的水射流辅助破岩系统，其特征是：所述移动机构上动力机构安装在靠近TBM主梁一侧，供水机构安装在远离TBM主梁一侧。

4.如权利要求1所述的一种搭载于TBM上的水射流辅助破岩系统，其特征是：所述供水机构包括过滤器和储水器，过滤器与储水器之间采用连接管路相连接；过滤器通过连接管路与TBM施工用水管路相连接。

5.如权利要求1所述的一种搭载于TBM上的水射流辅助破岩系统，其特征是：所述动力机构包括若干并联的增压支路，所述增压支路通过汇流装置汇集在一起，每条增压支路均包括蓄能器、增压泵和电动机，所述汇流装置与蓄能器、蓄能器与增压泵之间均通过高压硬管连接，所述增压泵与所述储水器通过低压软管连接。

6.如权利要求1所述的一种搭载于TBM上的水射流辅助破岩系统，其特征是：汇流装置上设置安全阀。

7.如权利要求1所述的一种搭载于TBM上的水射流辅助破岩系统，其特征是：所述汇流装置内由增压支路产生高压水经过安全阀调节分两路，一路流入所述传输喷射机构，最终形成高压射流，另一路经过高压硬管回流管流至储水器。

8.如权利要求1所述的一种搭载于TBM上的水射流辅助破岩系统，其特征是：所述传输喷射机构包括水射流喷嘴、刀盘内置的高压硬管、分流器、回转接头及传输管路；所述传输管路包括依次连接的三段，中间为固定在TBM主梁内的高压硬管主管，两端为高压软管，一端的高压软管连接所述动力机构中的汇流装置，另一端的高压软管连接所述回转接头；所述回转接头与分流器连接，分流器将具有压力的流体分为若干条支流，水射流喷嘴为若干个，每条支流经过所述刀盘内置的高压硬管，流至对应的水射流喷嘴。

9.如权利要求1所述的一种搭载于TBM上的水射流辅助破岩系统，其特征是：移动机构与TBM主梁之间采用拖拉杆连接为硬性连接。

10.基于权利要求1-9中任一项所述的系统的工作方法，其特征是：包括以下步骤：

对喷射用水进行过滤，并存放一定量的喷射用水；

产生的高压水由水射流喷嘴喷出，辅助滚刀破岩；

随着TBM不断掘进，移动机构随同TBM主梁移动，此时一号滑车连接桥不动，当一个施工步结束后，关闭整个水射流辅助破岩系统，并将一号滑车连同其连接桥拖回至靠近TBM主梁的位置，开始另一个施工步。