CN110219660A - 水力-机械tbm刀盘联合破岩方法及其刀盘及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水力‑机械TBM刀盘联合破岩方法。它包括安装联合破岩TBM刀盘，将联合破岩TBM刀盘对准待开挖洞室位置；固定TBM外机架，启动联合破岩TBM，使TBM向前掘进一个行程；重复上述步骤，开始下一个行程作业；直至掘进到指定距离，即完成洞室开挖。本发明具有贯入度合适、破岩效率较高的优点。本发明还公开了所述的水力‑机械TBM刀盘联合破岩方法采用的水力‑机械联合破岩TBM刀盘。本发明还公开了所述的水力‑机械TBM刀盘联合破岩方法采用的水力‑机械联合破岩TBM装置。
Description
技术领域
本发明涉及隧道及地下工程领域，特别涉及复杂地质条件TBM隧道施工领域，更具体地说它是水力-机械TBM刀盘联合破岩方法。本发明还涉及所述的水力-机械TBM刀盘联合破岩方法采用的水力-机械联合破岩TBM刀盘。本发明还涉及所述的水力-机械TBM刀盘联合破岩方法采用的水力-机械联合破岩TBM装置。
背景技术
传统TBM采用机械滚刀破岩，TBM滚刀在破岩时往往具有三种状态，即贯入度过小、贯入度合适和贯入度过大。
在一定的滚刀间距条件下，贯入度过小时，刀盘下方产生的裂纹会向破岩自由面(掌子面)上拓展并形成三角形的岩石渣片，亦或者两相邻滚刀所产生的水平向裂纹无法交汇，滚刀之间的岩脊无法被切削破坏，需要多次重复破岩才能达到良好的破岩效果，但此方法会造成破岩能耗增加，影响破岩效率；
在一定的滚刀间距条件下，贯入度过大时，相邻滚刀间的岩石被切削成细小的岩石渣片、颗粒甚至粉末，岩石被过度破碎，造成能耗的增加和刀具磨损；
合适的贯入度应该在一定滚刀间距条件下，以最小的能耗和机构磨损，形成最大的破岩范围。
传统机械常截面盘形滚刀破岩贯入度由TBM参数确定，针对不同的掌子面岩性种类会做出调整；然而，由于施工过程中很难找到合适的TBM贯入度，所以容易造成TBM切削能量的损耗和刀盘的磨损。
中国专利号：CN103244119 A，专利名称为《高压水射流在掘进机刀盘中的布置方法与结构》，发明人张春光、魏静等公开了一种在传统TBM刀盘主体结构形式基础上布置若干高压水喷嘴的掘进机刀盘布置方法，其结构体现在刀盘布置上，用以提高TBM的破岩效率；它通过添加一种新的模块(高压喷嘴)重新布置刀盘实现提高TBM的破岩效率的目的；其将高压水射流喷嘴的安装位置设于机械滚刀的前方，采用先水力截割后机械滚压的方式；喷嘴位置安装在滚刀的前方，实际工作相当于先切一道水力切槽，机械滚刀在其后压过去，这种破岩方式需较大的压力。
中国专利号：CN105736006A，专利名称为《高压水射流全断面岩石掘进机刀盘设计方法》，发明人霍军周、朱冬等公开了一种改变了传统圆形刀盘的形状，采用两个十字形辐条布局，通过四辐条上水射流的冲击以及刀具的旋转挤压来进行岩石破碎的岩石掘进机刀盘，体现在刀盘布置上，降低了破岩能耗；但其对刀盘的整体结构形式改变较大，工业上的可实现程度不高。
随着社会的日益发展，隧道及地下工程对TBM的使用需求越来越高；因此，先亟需开发一种破岩效率较高，破岩能耗较少，机械磨损较低的破岩TBM掘进方法及其装备。
发明内容
本发明的第一目的是为了提供一种水力-机械TBM刀盘联合破岩方法，破岩效率较高，破岩效果较好，磨损率较小，有利于提高工程进度和降低工程成本。
本发明的第二目的是为了提供一种所述的水力-机械TBM刀盘联合破岩方法采用的水力-机械联合破岩TBM刀盘，高压水射流喷嘴工作时水射流可以依照程序设置，预先或同步机械滚刀工作，起到联合破岩的目的，结构简单，破岩效率较高，破岩效果较好，磨损率较小。
本发明的第三目的是为了提供一种所述的水力-机械TBM刀盘联合破岩方法采用的水力-机械联合破岩TBM装置，结构简单，破岩效率较高，破岩能耗较少，能够较好的完成更大程度的破岩。
为了实现上述本发明的第一目的，本发明的技术方案为：水力-机械TBM刀盘联合破岩方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：安装联合破岩TBM刀盘，将联合破岩TBM刀盘对准待开挖洞室位置；
步骤二：固定TBM外机架，启动联合破岩TBM，使TBM向前掘进一个行程；
具体过程为：外机架上撑靴撑紧围岩洞壁，固定整个TBM的机架；TBM上安装的高压水射流喷头结构和刀盘主体由旋转驱动驱动旋转，推进油缸向刀盘主体施加推力，TBM被推出，向前掘进；
水刀外接水管道通过水仓供水给高压水射流喷头结构；
机械滚刀结构破岩时，高压水射流喷头结构随刀盘主体转动方向转动，高压水射流至相邻二个机械滚刀结构之间的岩体，构成水力切槽；
机械滚刀结构在水力切槽两侧的掌子面岩石上方进行滚压；
崩落的岩渣由铲斗铲入带式输送机，通过带式输送机运至机后卸载；推进油缸伸长一个行程，刀盘主体及与刀盘主体连接的构件相应向前移动一个行程；
步骤三：重复步骤二，开始下一个行程作业，直至掘进到指定距离；即完成洞室开挖。
在上述技术方案中，在步骤二中，机械滚刀结构自身旋转的同时随刀盘主体旋转；
有水刀旋转调节部位于旋转驱动的前部、且与旋转驱动共轴；所述水仓位于TBM后端已铺设轨道上；
所述水刀外接水管道设于所述水仓上，所述水仓通过所述水刀旋转调节部和所述水刀外接水管道与所述高压水射流喷头结构连通；
水刀外接水管道与所述水刀旋转调节部对接。
为了实现上述本发明的第二目的，本发明的技术方案为：所述的水力-机械TBM刀盘联合破岩方法采用的水力-机械联合破岩TBM刀盘，其特征在于：包括刀盘主体，机械滚刀结构和高压水射流喷头结构；
所述机械滚刀结构布置在所述刀盘主体上；所述机械滚刀结构呈间隔设置；
所述高压水射流喷头结构安装于所述刀盘主体上、且位于间隔设置的二个所述机械滚刀结构之间；
设于所述刀盘主体上的所述高压水射流喷头结构和所述机械滚刀结构均呈周向布置。
在上述技术方案中，高压水射流喷头结构位于间隔设置的二个所述机械滚刀结构的中心点上；
所述高压水射流喷头结构包括喷嘴、高压水管道、外部球型支撑机构、内部球型旋转机构和管道转向控制器；
所述外部球型支撑机构安装固定在所述刀盘主体上；
所述内部球型旋转机构位于所述外部球型支撑机构内；所述管道转向控制器布置在所述内部球型旋转机构与所述外部球型支撑机构之间；
所述高压水管道依次穿过所述外部球型支撑机构和所述内部球型旋转机构、且伸出所述外部球型支撑机构；所述高压水管道安装于所述内部球型旋转机构上；
所述喷嘴安装于所述高压水管道端部、且位于所述外部球型支撑机构外侧。
为了实现上述本发明的第三目的，本发明的技术方案为：所述的水力-机械TBM刀盘联合破岩方法采用的水力-机械联合破岩TBM装置，其特征在于：包括所述的联合破岩TBM刀盘，旋转驱动，液压进给系统，水刀旋转调节部，外机架和后支撑；所述外机架设于所述旋转驱动外周；所述旋转驱动位于所述联合破岩TBM刀盘后侧；
所述液压进给系统位于所述外机架后方；所述后支撑位于所述液压进给系统后方。
在上述技术方案中，有外机架上撑靴位于所述推进油缸后端、且位于所述后支撑前方；有带式输送机位于所述外机架内侧；有铲斗位于所述带式输送机前端；所述水仓位于所述后支撑后方。
在上述技术方案中，所述旋转驱动内装有电机、扭矩转速传感器、减速器；所述扭矩转速传感器两端分别连接电机和减速器；
所述液压进给系统包括推进油缸、推力杆，所述推进油缸与推力杆铰接连接；所述推力杆固定于所述外机架后端；所述推进油缸有多个。
在上述技术方案中，所述水刀旋转调节部包括高压水管道对接口和水刀旋转调节部圆盘；
所述高压水管道对接口设于所述水刀旋转调节部圆盘上；所述水刀旋转调节部圆盘外周固定于所述旋转驱动内壁上；
所述水刀外接水管道与所述高压水管道相对应、且通过所述高压水管道对接口与所述高压水管道对接。
在上述技术方案中，所述高压水管道对接口包括高压水管道对接口前端和高压水管道对接口后端；
所述高压水管道对接口后端与所述水刀外接水管道连接；
所述高压水管道对接口前端与高压水管道连接。
在上述技术方案中，所述外机架外周设有护盾；所述外机架与所述护盾之间设有油压缸；
所述油压缸有多个；
所述水刀外接水管道为可伸缩水管。
本发明具有如下优点：
(1)本发明高压水射流喷嘴工作时水射流可以依照程序设置，预先或同步机械滚刀工作，起到联合破岩的目的；本发明高压水射流喷嘴可以通过控制调节喷嘴喷射方向，可以对掌子面产生良好的破岩效果；
(2)采用本发明能够较好的完成更大程度的破岩；本发明贯入度合适，能够提高破岩效率，减少破岩能耗；克服了现有技术在采用两种相同贯入度的情况下，传统机械破岩方式仅仅能够切削出三角形岩石渣片，且易造成贯入度过小或过大的缺点；
(3)本发明在破岩顺序上是先切槽后切削，在时间上，两者却是同时工作的，水射产生的水雾能够降低机械刀盘部分的温度，对减少机械磨损同样具有积极意义；
(4)本发明将机械滚刀结构和高压水射流结构集成布置，优化了刀盘布置方式，形成一种新的刀具；本发明在现有的TBM刀盘上基础上不做大幅变动就能实现，工业上的可实现程度更高；
(5)本发明高压水射流喷嘴的位置位于沿刀盘回转中心径向方向、且位于两相邻机械滚刀结构之间，这样的刀盘布置形式，在刀盘径向方向，高压水射流喷嘴结构和机械滚刀结构交替布置；在岩石切割工作时，沿径向方向相邻两道高压水射流喷嘴之间设有机械滚刀结构，相邻两道高压水射流喷嘴先切割两道水力切槽，两道水力切槽中部形成凸台，然后机械滚刀结构压裂两道水力切槽之间的凸台，破岩效率较高，刀具施加的最大力减小，刀具所承受的反力相应减少，对刀具的磨损相应减少，破岩时间缩短。
附图说明
图1为本发明联合破岩TBM刀盘俯视结构示意图。
图2为本发明联合破岩TBM刀盘喷嘴布置图。
图3为本发明高压水射流喷头结构俯视结构示意图。
图4为本发明高压水射流喷头结构主视结构示意图。
图5为本发明工作结构示意图。
图6为本发明水力-机械TBM刀盘联合破岩示意图。
图7为本发明水刀外接水管道结构示意图。
图8为本发明水刀旋转调节部结构示意图。
图9为本发明高压水管道对接结构示意图。
图10为现有技术机械破岩时岩石欠破碎状态结构示意图。
图11为现有技术机械破岩时岩石最佳破碎状态结构示意图。
图12为现有技术机械破岩时岩石过破碎状态结构示意图。
图13为本发明机械滚刀压入前水力切割产生水力切槽的工作状态图。
图14为本发明联合破岩TBM刀盘贯入工作状态图。
图15为本发明机械滚刀结构和高压水射流喷头结构工作结构示意图。
图6中，A向为本发明TBM运动方向；
图10为岩石贯入度过小状态图；图10中，B表示未交汇的水平裂纹；C表示三角形岩石渣片；D表示密实核；M表示现有技术TBM刀盘上的机械滚刀；
图11为岩石贯入度合适状态图；图11中，D表示密实核；E表示椭圆形或板形岩石渣片；M表示现有技术TBM刀盘上的机械滚刀；
图12为岩石贯入度过大状态图；图12中，D表示密实核；F表示层叠板形岩石渣片；G表示横向棒片形岩石渣片；M表示现有技术TBM刀盘上的机械滚刀；
图13中，H表示本发明高压水射流喷头结构水射流致裂裂纹；
图14中，P表示滚刀贯入裂纹；H表示水射流致裂裂纹；J表示椭圆形或板形岩石渣片；图14中，本发明联合破岩岩石破碎状态为椭圆形或板形岩石渣片，贯入度相对较小。
在采用两种相同贯入度的情况下，传统机械破岩方式仅仅能够切削出三角形岩石渣片，而采用水力喷嘴-机械滚刀的联合破岩方式能够较好的完成更大程度的破岩。
本发明利用水力-机械联合破岩的TBM刀盘布置方式，由高压水射流通过水力，在两相邻机械刀盘的中间位置和机械滚刀相同转向的旋转轨迹前方预切槽，水力切割会形成一定宽度和深度的水力切槽，水力切割过程会对掌子面的岩石形成初步破碎，在此基础上，切槽两侧的TBM机械滚刀跟进，滚压水力切槽两侧的掌子面岩石；滚刀的跟进使水力切槽形成的岩石裂隙延伸拓展，相邻滚刀之间的裂隙交汇(如图13、图14、图15所示)；相邻滚刀之间的岩块被切削成椭圆形或板形岩石渣片。
相比之下，本发明联合破岩的方式能够提高破岩效率，减少破岩能耗；同时，本发明水力喷嘴-机械滚刀在破岩顺序上是先切槽后切削，在时间上，两者却是同时工作的，水射流产生的水雾能够降低机械滚刀结构和刀盘部分的温度，对减少机械磨损同样具有积极意义。
图中1-刀盘主体,2-机械滚刀结构,3-高压水射流喷头结构,3.1-喷嘴,3.2-高压水管道,3.3-外部球型支撑机构,3.4-内部球型旋转机构,3.5-管道转向控制器,4-联合破岩TBM刀盘，5-旋转驱动,6-液压进给系统，6.1-推进油缸,6.2-推力杆,7-水刀旋转调节部，7.1-高压水管道对接口,7.11-高压水管道对接口前端,7.12-高压水管道对接口后端,7.2-水刀旋转调节部圆盘,8-外机架，9-后支撑，10-带式输送机,11-铲斗,12-水仓,13-水刀外接水管道,14-外机架上撑靴,15-护盾,16-油压缸,17-水力切槽,18-掌子面,19-机械滚刀轨迹。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
参阅附图可知：水力-机械TBM刀盘联合破岩方法，包括如下步骤，
步骤一：安装联合破岩TBM刀盘4，将联合破岩TBM刀盘4对准待开挖洞室位置(即掌子面18)；该TBM刀盘上配有的机械滚刀结构有足够的强度和刚度，能够承受主机掘进时由于刀盘旋转推进所产生的巨大反作用力和剪切应力；
步骤二：固定TBM外机架，启动联合破岩TBM，旋转驱动5控制联合破岩TBM刀盘4旋转，推进油缸6.1推进联合破岩TBM刀盘4向前掘进，使TBM向前掘进一个行程；
具体过程为：外机架上撑靴14撑紧围岩洞壁，固定整个TBM的机架；TBM上安装的高压水射流喷头结构3和安装有机械滚刀结构2的刀盘主体1由旋转驱动5驱动旋转，推进油缸6.1向刀盘主体1施加推力，TBM被慢慢推出，向前掘进，后支撑9为TBM提供支撑；
机械滚刀结构2破岩时高压水射流喷头结构3随刀盘主体1转动方向转动，高压水射流至相邻二个机械滚刀结构2之间的岩体，构成水力切槽17(即高压水射流喷头结构3工作时，使相邻二个机械滚刀结构2之间的掌子面形成水力预裂)(如图13、图14所示)；
然后机械滚刀结构2在水力切槽17两侧的掌子面岩石上方进行滚压，构成机械滚刀轨迹19(如图6、图14所示)，使岩渣崩落；
崩落的岩渣由铲斗11铲入带式输送机10，通过带式输送机10运至机后卸载；推进油缸6.1伸长一个行程，刀盘主体1及与刀盘主体1连接的构件相应向前移动一个行程(如图5所示)；
步骤三：重复步骤二，开始下一个行程作业；直至掘进到指定距离，即完成洞室开挖(如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8所示)。
进一步地，在步骤二中，机械滚刀结构2自身旋转的同时随刀盘主体1旋转，破碎岩体；
有水刀旋转调节部7位于旋转驱动5的前部、且与旋转驱动共轴；位于TBM后端已铺设轨道上的水仓12连接通过水刀外接水管道13供水给高压水射流喷头结构3；水仓12保证水量供给；
水刀外接水管道13通过水刀旋转调节部7的对接实现与TBM刀盘的同步旋转；水刀旋转调节部7的高压水管道对接口7.1为外部高压水和破岩高压水的连接结构；高压水管道对接口与联合破岩TBM刀盘上的水刀位置一一对应；水刀旋转调节部7与联合破岩TBM刀盘4同步旋转，在TBM工作时水刀外接水管道13通过与水刀旋转调节部7的对接，实现与TBM刀盘的同步旋转。
在上述掘进过程中，将岩体内部的锚杆和完整的开挖面表面支护通过连接装置紧密的连接在一起，利用表面支护的抗冲击能力来避免岩体的破坏，利用锚杆的承载力来承担冲击表面系统的载荷，保障支护的系统性。
参阅附图可知：所述的水力-机械TBM刀盘联合破岩方法采用的水力-机械联合破岩TBM刀盘，包括刀盘主体1，机械滚刀结构2和高压水射流喷头结构3；
所述机械滚刀结构2布置在所述刀盘主体1上；所述机械滚刀结构2呈间隔设置；
所述高压水射流喷头结构3安装于所述刀盘主体1上、且位于相邻设置的二个所述机械滚刀结构2之间；
设于所述刀盘主体1上的所述高压水射流喷头结构3和所述机械滚刀结构2均呈周向布置；高压水射流喷嘴工作时水射流可以依照程序设置，预先或同步机械滚刀工作，起到联合破岩的目的。
高压水射流喷头结构3位于相邻设置的二个所述机械滚刀结构2的中心点上；
所述高压水射流喷头结构3包括喷嘴3.1、高压水管道3.2、外部球型支撑机构3.3、内部球型旋转机构3.4和管道转向控制器3.5；
所述外部球型支撑机构3.3安装固定在所述刀盘主体1上；外部球型支撑机构作为框架用以支撑内部球型旋转机构；
所述内部球型旋转机构3.4位于所述外部球型支撑机构3.3内；内部球型旋转机构可以相对外部球型支撑机构转动，内部球型旋转机构由管道转向控制器控制转动；
所述管道转向控制器3.5布置在所述内部球型旋转机构3.4与所述外部球型支撑机构3.3之间；管道转向控制器可以检测高压水射流喷嘴的喷射角度，管道转向控制器可以通过接受外界命令，通过推动内部球型旋转机构带动高压水射流喷嘴喷射方向转动；高压水射流喷嘴和管道安装在内部旋转机构中，由管道转向控制器调整喷射角度；
所述高压水管道3.2依次穿过所述外部球型支撑机构3.3和所述内部球型旋转机构3.4、且伸出所述外部球型支撑机构3.3；所述高压水管道3.2安装于所述内部球型旋转机构3.4上；内部球型旋转机构3.4用以支撑高压水管道3.2和喷嘴3.1；
所述喷嘴3.1安装于所述高压水管道3.2端部、且位于所述外部球型支撑机构3.3外侧，用于喷射高压水。
参阅附图可知：所述的水力-机械TBM刀盘联合破岩方法采用的水力-机械联合破岩TBM装置，包括所述的联合破岩TBM刀盘4，旋转驱动5，液压进给系统6，水刀旋转调节部7，外机架8和后支撑9；
所述外机架8设于所述旋转驱动5外周；为旋转驱动提供支撑和保护；
所述旋转驱动5位于所述联合破岩TBM刀盘4后侧；旋转驱动带动联合破岩TBM刀盘4、水刀旋转调节部7和水刀外接水管道13同步旋转掘进；
所述液压进给系统6位于所述外机架8后方；用于推进TBM；
所述后支撑9位于所述液压进给系统6后方；后支撑用于支撑联合破岩TBM，方便掘进；
所述水刀旋转调节部7位于所述旋转驱动5上、且位于所述旋转驱动5前部；水刀旋转调节部7随旋转驱动装置同步旋转。
有外机架上撑靴14位于所述推进油缸6.1后端、且位于所述后支撑9前方；外机架上撑靴用于撑紧围岩洞壁，固定TBM机架；
有带式输送机10位于所述外机架8内侧、且位于所述推进油缸6.1内侧；有铲斗11位于所述带式输送机10前端；铲斗用于铲起经刀盘破碎的岩渣，由皮带运输机运输到洞外；
有水仓12位于所述后支撑9后方；后支撑用于支撑联合破岩TBM，方便掘进；
所述水仓12上设有连通所述高压水管道3.2的水刀外接水管道13；水仓12为水力切割提供高压水，并能够通过调节高压水的水压控制高压水的流速；
所述水刀外接水管道13穿过所述旋转驱动5、且穿过所述水刀旋转调节部7内、位于所述联合破岩TBM刀盘4内；水刀旋转调节部由水刀外接水管道13自TBM后部水仓供水，水刀外接水管道13可以随着TBM的掘进，自由调节水管长度；
所述旋转驱动5内装有电机、扭矩转速传感器、减速器；所述扭矩转速传感器两端分别连接电机和减速器；用以控制联合破岩TBM刀盘的旋转；
所述液压进给系统6包括推进油缸6.1、推力杆6.2，所述推进油缸6.1与推力杆6.2铰接连接；实现进刀和退刀；所述推力杆6.2固定于所述外机架8后端；
所述推进油缸6.1有多个；所述推进油缸6.1一端固定于所述推力杆6.2外圆周上、另一端固定于所述外机架上撑靴14上。
所述水刀旋转调节部7包括高压水管道对接口7.1和水刀旋转调节部圆盘7.2；所述水刀外接水管道13与所述高压水射流喷头结构3的高压水管道3.2相对应、且与所述高压水管道对接口7.1对接；高压水管道对接口为外部高压水和破岩高压水的连接结构；高压水管道对接口与联合破岩TBM刀盘上的水刀位置一一对应；在TBM工作时，水刀外接水管道可以通过高压水管道对接口的对接，实现与TBM刀盘的同步旋转；
所述高压水管道对接口7.1设于所述水刀旋转调节部圆盘7.2上；所述水刀旋转调节部圆盘7.2外周固定于所述旋转驱动5内壁上；水刀旋转调节部圆盘为所述高压水管道对接口的开孔机构，水刀旋转调节部圆盘可以与TBM滚刀同步旋转。
所述水仓12内设有有加压装置及调节装置；水仓位于TBM后端已铺设轨道上，可以保证水量供给；水仓内有加压装置及调节装置，可以为水力切割提供高压水，并能够通过调节高压水的水压控制高压水的流速。
所述高压水管道对接口7.1包括高压水管道对接口前端7.11和高压水管道对接口后端7.12；所述高压水管道对接口后端7.12与所述水刀外接水管道13连接；所述高压水管道对接口前端7.11与所述高压水射流喷头结构3的高压水管道3.2连接；高压水管道对接口后端用以连接外部高压水进水管道，为固定装置；高压水管道对接口前端用以连接TBM刀盘高压水刀，高压水管道对接口前端与所述水刀旋转调节部同步旋转，进一步，高压水管道对接口前端与TBM刀盘同步旋转；工作时，外部高压水管道与高压水管道对接口后端对接，水刀水流通道与高压水管道对接口前端对接，可以保证高压水旋转和进水的同步实现。
所述外机架8外周设有护盾15，所述外机架8与所述护盾15之间设有油压缸16；所述油压缸16有多个；水刀外接水管道13为可伸缩水管，减少水仓设备的移动频率；可伸缩水管自TBM后部水仓供水，可伸缩水管可以随着TBM的掘进，自由调节水管长度。
以尺寸150×150×100的白砂岩试样为例，对白砂岩试样进行贯入试验(TBM滚刀破岩的主要法向力)；
直接采用机械滚刀对白砂岩试样进行贯入试验，破坏白砂岩试样所需最大力达到140KN；
采用本发明对试样进行贯入实验，本发明对白砂岩试样进行水刀预切槽处理后，再进行滚刀贯入试验，破坏白砂岩试样所需最大力仅为40KN，破岩力降低了70％以上，且切槽预处理之后的白砂岩试样达到破碎的时间更短，因此破岩效率更高，破岩速度更快；同样地，由于刀具施加的最大力减小，刀具所承受的反力相应减少，对刀具的磨损相应减少；
本发明通过水刀切割造成白砂岩试样初步破坏之后已经有裂隙产生，再经过滚刀切割，施加的力减小，破岩时间缩短，破岩难度相对较低。
因此，与现有传统机械滚刀刀盘TBM相比，本发明所述的水力-机械TBM刀盘联合破岩方法及其刀盘及其装置破岩效率较高、能耗较低、磨损较小。
为了能够更加清楚的说明本发明所述的水力-机械TBM刀盘联合破岩方法及其刀盘及其装置与现有技术(机械破岩方法和现有的TBM刀盘上高压水射流喷嘴与机械滚刀在刀盘上采用简单叠加组合方式破岩方法)结构相比所具有的优点，工作人员将这两种技术方案进行了对比，其对比结果如下表：
由上表可知，本发明所述的水力-机械TBM刀盘联合破岩方法及其刀盘及其装置与现有技术(机械破岩方法和现有的TBM刀盘上高压水射流喷嘴与机械滚刀在刀盘上采用简单叠加组合方式破岩方法)结构相比，破岩效率较高，破岩能耗较小，刀盘损耗率较小。
其它未说明的部分均属于现有技术。
Claims (10)
1.水力-机械TBM刀盘联合破岩方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：安装联合破岩TBM刀盘(4)，将联合破岩TBM刀盘(4)对准待开挖洞室位置；
步骤二：固定TBM外机架，启动联合破岩TBM，使TBM向前掘进一个行程；
具体过程为：外机架上撑靴(14)撑紧围岩洞壁，固定整个TBM的机架；TBM上安装的高压水射流喷头结构(3)和刀盘主体(1)由旋转驱动(5)驱动旋转，推进油缸(6.1)向刀盘主体(1)施加推力，TBM被推出，向前掘进；
水刀外接水管道(13)通过水仓(12)供水给高压水射流喷头结构(3)；
机械滚刀结构(2)破岩时，高压水射流喷头结构(3)随刀盘主体(1)转动方向转动，高压水射流至相邻二个机械滚刀结构(2)之间的岩体，构成水力切槽(17)；
机械滚刀结构(2)在水力切槽(17)两侧的掌子面岩石上方进行滚压；
崩落的岩渣由铲斗(11)铲入带式输送机(10)，通过带式输送机(10)运至机后卸载；推进油缸(6.1)伸长一个行程，刀盘主体(1)及与刀盘主体(1)连接的构件相应向前移动一个行程；
步骤三：重复步骤二，开始下一个行程作业，直至掘进到指定距离；即完成洞室开挖。
2.根据权利要求1所述的水力-机械TBM刀盘联合破岩方法，其特征在于：在步骤二中，机械滚刀结构(2)自身旋转的同时随刀盘主体(1)旋转；
有水刀旋转调节部(7)位于旋转驱动(5)的前部、且与旋转驱动共轴；所述水仓(12)位于TBM后端已铺设轨道上；
所述水刀外接水管道(13)设于所述水仓(12)上，所述水仓(12)通过所述水刀旋转调节部(7)和所述水刀外接水管道(13)与所述高压水射流喷头结构(3)连通；
水刀外接水管道(13)与所述水刀旋转调节部(7)对接。
3.根据权利要求1-2中任一权利要求所述的水力-机械TBM刀盘联合破岩方法采用的水力-机械联合破岩TBM刀盘，其特征在于：包括刀盘主体(1)，机械滚刀结构(2)和高压水射流喷头结构(3)；
所述机械滚刀结构(2)布置在所述刀盘主体(1)上；所述机械滚刀结构(2)呈间隔设置；
所述高压水射流喷头结构(3)安装于所述刀盘主体(1)上、且位于间隔设置的二个所述机械滚刀结构(2)之间；
设于所述刀盘主体(1)上的所述高压水射流喷头结构(3)和所述机械滚刀结构(2)均呈周向布置。
4.根据权利要求3所述的水力-机械TBM刀盘联合破岩方法采用的水力-机械联合破岩TBM刀盘，其特征在于：高压水射流喷头结构(3)位于间隔设置的二个所述机械滚刀结构(2)的中心点上；
所述高压水射流喷头结构(3)包括喷嘴(3.1)、高压水管道(3.2)、外部球型支撑机构(3.3)、内部球型旋转机构(3.4)和管道转向控制器(3.5)；
所述外部球型支撑机构(3.3)安装固定在所述刀盘主体(1)上；
所述内部球型旋转机构(3.4)位于所述外部球型支撑机构(3.3)内；所述管道转向控制器(3.5)布置在所述内部球型旋转机构(3.4)与所述外部球型支撑机构(3.3)之间；
所述高压水管道(3.2)依次穿过所述外部球型支撑机构(3.3)和所述内部球型旋转机构(3.4)、且伸出所述外部球型支撑机构(3.3)；所述高压水管道(3.2)安装于所述内部球型旋转机构(3.4)上；
所述喷嘴(3.1)安装于所述高压水管道(3.2)端部、且位于所述外部球型支撑机构(3.3)外侧。
5.根据权利要求1-2中任一权利要求所述的水力-机械TBM刀盘联合破岩方法采用的水力-机械联合破岩TBM装置，其特征在于：包括权利要求3-4中任一权利要求所述的联合破岩TBM刀盘(4)，旋转驱动(5)，液压进给系统(6)，水刀旋转调节部(7)，外机架(8)和后支撑(9)；所述外机架(8)设于所述旋转驱动(5)外周；所述旋转驱动(5)位于所述联合破岩TBM刀盘(4)后侧；
所述液压进给系统(6)位于所述外机架(8)后方；所述后支撑(9)位于所述液压进给系统(6)后方。
6.根据权利要求5所述的水力-机械TBM刀盘联合破岩方法采用的水力-机械联合破岩TBM装置，其特征在于：有外机架上撑靴(14)位于所述推进油缸(6.1)后端、且位于所述后支撑(9)前方；有带式输送机(10)位于所述外机架(8)内侧；有铲斗(11)位于所述带式输送机(10)前端；所述水仓(12)位于所述后支撑(9)后方。
7.根据权利要求6所述的水力-机械TBM刀盘联合破岩方法采用的水力-机械联合破岩TBM装置，其特征在于：所述旋转驱动(5)内装有电机、扭矩转速传感器、减速器；所述扭矩转速传感器两端分别连接电机和减速器；
所述液压进给系统(6)包括推进油缸(6.1)、推力杆(6.2)，所述推进油缸(6.1)与推力杆(6.2)铰接连接；所述推力杆(6.2)固定于所述外机架(8)后端；所述推进油缸(6.1)有多个。
8.根据权利要求7所述的水力-机械TBM刀盘联合破岩方法采用的水力-机械联合破岩TBM装置，其特征在于：所述水刀旋转调节部(7)包括高压水管道对接口(7.1)和水刀旋转调节部圆盘(7.2)；
所述高压水管道对接口(7.1)设于所述水刀旋转调节部圆盘(7.2)上；所述水刀旋转调节部圆盘(7.2)外周固定于所述旋转驱动(5)内壁上；
所述水刀外接水管道(13)与所述高压水管道(3.2)相对应、且通过所述高压水管道对接口(7.1)与所述高压水管道(3.2)对接。
9.根据权利要求8所述的水力-机械TBM刀盘联合破岩方法采用的水力-机械联合破岩TBM装置，其特征在于：所述高压水管道对接口(7.1)包括高压水管道对接口前端(7.11)和高压水管道对接口后端(7.12)；
所述高压水管道对接口后端(7.12)与所述水刀外接水管道(13)连接；
所述高压水管道对接口前端(7.11)与高压水管道(3.2)连接。
10.根据权利要求9所述的水力-机械TBM刀盘联合破岩方法采用的水力-机械联合破岩TBM装置，其特征在于：所述外机架(8)外周设有护盾(15)；所述外机架(8)与所述护盾(15)之间设有油压缸(16)；
所述油压缸(16)有多个；
所述水刀外接水管道(13)为可伸缩水管。
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