CN110295915A - 一种实现三向力检测的联合破岩tbm复杂地层掘进方法 - Google Patents

一种实现三向力检测的联合破岩tbm复杂地层掘进方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实现三向力检测的联合破岩TBM复杂地层掘进方法。它包括如下步骤，机械‑水力联合破岩刀盘TBM施工准备；开始施工；TBM刀盘推进；机械刀具推压掌子面；三向力检测滚刀挤压受力；三向力传感器反馈三向力数据；TBM后端控制处理器信息处理；岩石‑滚刀接触角φ值获取；岩性指标中心反馈参数信息给TBM刀盘控制中心；TBM刀盘控制中心响应；搭载三向力传感器的机械刀刀具获取参数并调整；TBM刀盘破岩。本发明具有节能高效、破岩效率高的优点。

Description

一种实现三向力检测的联合破岩TBM复杂地层掘进方法
技术领域
本发明涉及TBM破岩技术领域,更具体地说它是一种实现三向力检测的联合破岩TBM复杂地层掘进方法。
背景技术
随着全断面岩石掘进机在水利工程、地铁工程、交通工程等隧道建设工程方面的广泛应用，对TBM掘进装置的性能也提出了更高的要求。近年来，许多科研工作者已经在传统TBM机械破岩的基础上，着手联合破岩TBM的研究。
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：CN103244119A，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、魏静等发明了一种在传统TBM刀盘主体结构形式基础上布置若干高压水喷嘴的方法，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)重现布置刀盘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刀切槽，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，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。
虽然众多的机械-水力联合破岩的新型TBM陆续被研究设计，但是TBM破岩依然面临着能耗大，过度改变现有TBM的刀盘形状在复杂的施工条件下难以实现，破岩效率有待进一步优化的问题。目前，现有及在研的TBM均为以某一工况进行施工作业，不能在施工过程中根据掘进地层的实际力学性质进行实时调整，常常出现“大马拉小车”的问题，造成TBM能耗加大，隧道建设工程成本增加。
因此，现亟需开发一种在施工过程中根据掘进地层的实际力学性质进行实时调整，能耗较低的TBM掘进方法。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种实现三向力检测的联合破岩TBM复杂地层掘进方法，节能高效，破岩效率较高，刀盘损耗率较小；在实际工作过程中，根据试验所提供的工况参数，实时调整TBM的工作状态，使TBM能够获得能耗低、破岩效率高的最优破岩参数组合。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种实现三向力检测的联合破岩TBM复杂地层掘进方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：联合破岩掘进设备的机械-水力联合破岩刀盘TBM施工准备；
步骤二：联合破岩掘进设备开始施工；
步骤三：TBM刀盘推进；
步骤四：机械刀具推压掌子面；
步骤五：三向力检测滚刀挤压受力；
步骤六：三向力传感器反馈三向力数据；
步骤七：TBM后端控制处理器信息处理；
步骤八：岩石-滚刀接触角φ值获取；岩性指标中心反馈参数信息给TBM刀盘控制中心；
步骤九：TBM刀盘控制中心响应；
步骤十：搭载三向力传感器的机械刀刀具获取参数并调整；
步骤十一：TBM刀盘破岩。
在上述技术方案中，在步骤一中，所述联合破岩刀盘上安装有机械滚刀破岩装置；所述机械滚刀破岩装置包括TBM整体推进滚刀机构和三向力检测滚刀机构；
所述TBM整体推进滚刀机构和三向力检测滚刀机构均以所述联合破岩刀盘的圆心为呈径向分布；
所述TBM整体推进滚刀机构和三向力检测滚刀机构呈间隔设置；
在步骤四中，所述的机械刀具推压掌子面具体为：TBM整体推进滚刀机构和三向力检测滚刀机构在液压推进缸的作用下，对隧道掌子面进行贯入切削。
在上述技术方案中，所述三向力检测滚刀机构包括三向力检测滚刀和三向力传感器，所述三向力传感器设于所述三向力检测滚刀的刀刃边缘处；
在步骤五中，所述的三向力检测滚刀挤压受力具体为：在TBM工作时，三向力检测滚刀接触掌子面并挤压掌子面受力。
在上述技术方案中，在步骤六中，所述的三向力传感器反馈三向力数据具体为：步骤五中的三向力检测滚刀挤压受力之后，三向力检测传感器获得TBM刀盘工作时的刀盘法向作用力，刀盘滚动力，以及刀盘侧向作用力；并将数据反馈给TBM后端控制处理器。
在上述技术方案中，在步骤七中，所述的TBM后端控制处理器信息处理具体为：TBM后端控制处理器是用于接收三向力传感器所获取的三向力检测滚刀所受到的实时三向力数据；
TBM后端控制处理器接收到三向力数据后进行处理，获得岩石-滚刀接触角φ值，并以φ值为检索词将其发送到后台的岩性指标中心，并从岩性指标中心处找到对应的试验室内三向力检测滚刀岩石-滚刀接触角φ值，以此确定实时TBM刀盘切割破碎的岩性种类，并获取对应的TBM整体推进滚刀机构的工况参数，并将所述的工况参数发送给TBM刀盘控制中心；
所述岩石-滚刀接触角φ值的获取是根据半理论半经验的常截面滚刀预测模型计算得出：CCRost
NRFRost＝0.5000
式中，是岩石-滚刀接触角度，单位为：rad；
NRFRost是归一化滚刀合理预测值；
CCRost表示滚刀切削系数；
FN和FR分别是滚刀法向力和滚动力的值，单位为：KN。
在上述技术方案中，在步骤八中，所述岩性指标中心是岩样力学试验用以指导TBM滚刀推力和水射流水压的试验数据库；
所述试验数据库的数据来自于施工场地采用施钻手段所获取的岩样，在实验室条件下利用联合破岩综合试验台模拟岩石围压条件获取最优水射流水压及机械滚刀推力的参数的数据库；
岩性指标中心根据试验数据在获得TBM后端控制处理器发送的单位时间滚刀推进的位移长度值时，将一套TBM最优破岩工况参数返回给TBM后端控制处理器；
联合破岩综合试验台采用和联合破岩TBM相同的机械滚刀及高压水射流破岩方法，进行围压条件下TBM破岩切削试验。
在上述技术方案中，所述TBM整体推进滚刀机构至少包括机械滚刀刀具和高压水射流喷嘴结构；
设于所述联合破岩刀盘上的所述机械滚刀和高压水射流喷嘴结构均周向布置；
所述机械滚刀和高压水射流喷嘴结构的布置方式为：相邻设置的二个机械滚刀的中心点上设有所述高压水射流喷嘴结构；
所述高压水射流喷嘴结构包括喷嘴、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。
在上述技术方案中，所述联合破岩掘进设备包括TBM刀盘、旋转驱动，推进油缸，水刀旋转调节部和TBM整体推进滚刀机构；
TBM整体推进滚刀机构呈周向布置于所述刀盘上；
所述旋转驱动位于所述刀盘后端；
所述推进油缸位于外机架外侧、且位于所述外机架后端；
所述水刀旋转调节部位于所述旋转驱动前部；
所述外机架位于所述旋转驱动外侧；
有外机架上撑靴位于所述外机架后方，所述推进油缸分别固定于所述外机架和所述外机架上撑靴上；
有后支撑和水仓位于所述外机架上撑靴后方，所述后支撑位于所述外机架上撑靴与所述水仓之间；
有水刀外接水管道设于所述水仓上，所述水仓和破岩装置通过所述水刀外接水管道连通；
有传动输送机位于所述外机架内侧；有铲斗位于所述传动输送机前端；
有护盾和油压缸设于所述外机架外侧，所述油压缸两端分别连接所述外机架外壁和所述护盾内壁。
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位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；
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通；
所述高压水管道对接口前端与所述高压水管道连通；
所述水刀外接水管道为可伸缩式水管。
在上述技术方案中，在步骤九中，TBM刀盘控制中心在获得TBM后端控制处理器传送来的工况参数时，产生响应，并作用于所述机械滚刀和所述高压水射流喷嘴结构；
在步骤十中，三向力检测滚刀机构获得的岩性判别结果及回馈的TBM工况参数最终作用到与所述三向力检测滚刀机构的相邻的所述TBM整体推进滚刀机构上；
所述TBM整体推进滚刀机构获取参数并调整，TBM开始施工作业。
本发明具有如下优点：
(1)本发明可应用于包括多种岩性地层的掘进，在实际工作过程中，根据试验所提供的工况参数，实时调整TBM的工作状态，使TBM能够获得能耗低、破岩效率高的最优破岩参数组合，降低施工能耗，降低工程成本；克服了现有技术在施工过程中出现的大马拉小车的难题；
(2)本发明具有节能高效、破岩效率高的优点；本发明加装破岩装置，由破岩装置的水力切割部分(高压水射流)在刀盘滚动方向的前方预切槽，水力切割会形成一定宽度和深度的槽(即水力切槽)，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，破岩装置的推进滚刀装置跟进，滚压切削水力切槽；机械滚刀的跟进使水力切槽形成的岩石裂隙延伸拓展，相邻机械滚刀之间的裂隙交汇；在相邻机械滚刀之间的岩块被切削成三角形岩石渣片和椭圆形或板形岩石渣片；本发明破岩时安装有机械滚刀的联合破岩刀盘贯入度相对较小；
(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，降温效果更好，对减少机械磨损同样具有积极意义；
(4)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；
(5)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。
附图说明
图1为本发明联合破岩刀盘上机械滚刀与高压水射流喷嘴结构的布置结构示意图。
图2为本发明高压水射流喷嘴结构俯视结构示意图。
图3为本发明高压水射流喷嘴结构主视结构示意图。
图4为本发明水刀旋转调节部结构示意图。
图5为本发明高压水管道对接口结构示意图。
图6为本发明联合破岩掘进设备工作结构示意图。
图7为图6的A处放大图。
图8为本发明三向力检测滚刀机构结构示意图。
图9为本发明机械滚刀破岩装置破岩结构示意图。
图10为本发明联合破岩刀盘上机械滚刀破岩装置布置结构示意图。
图11为本发明破岩示意图。
图12为本发明实施例2中不同工况条件下的工作结构示意图。
图13为本发明联合破岩综合试验台结构示意图。
图14为本发明工艺流程图。
图9中，FN表示推动力；FR表示滚动力；φ表示岩石与滚刀的接触角；G表示机械滚刀破岩装置转动方向；
图10中，V1表示模块检测滚刀装置在TBM刀盘上所处的第一处位置；V2表示模块检测滚刀装置在TBM刀盘上所处的第二处位置；V3表示模块检测滚刀装置在TBM刀盘上所处的第三处位置；V4表示模块检测滚刀装置在TBM刀盘上所处的第四处位置；V5表示模块检测滚刀装置在TBM刀盘上所处的第五处位置；V6表示模块检测滚刀装置在TBM刀盘上所处的第六处位置；V7表示模块检测滚刀装置在TBM刀盘上所处的第七处位置；V8表示模块检测滚刀装置在TBM刀盘上所处的第八处位置；从图10可以看出，TBM整体推进滚刀机构与三向力检测滚刀机构均呈周向设置于TBM刀盘上，TBM整体推进滚刀机构与三向力检测滚刀机构在径向上呈间隔设置。
图11中，A向为本发明TBM运动方向；E为机械滚刀运动轨迹；
图12中，A表示第一岩性条件地层；B表示第二岩性条件地层；C表示第三岩性条件地层；D表示未开挖岩石；E表示TBM掘进方向。
图中1-联合破岩刀盘,1.1-机械滚刀破岩装置,1.11-TBM整体推进滚刀机构,1.111-机械滚刀,1.112-高压水射流喷嘴结构,1.1121-喷嘴,1.1122-高压水管道,1.1123-外部球型支撑机构,1.1124-内部球型旋转机构,1.1125-管道转向控制器,1.12-三向力检测滚刀机构,1.121-三向力检测滚刀,1.122-三向力传感器,2-旋转驱动,3-推进油缸,4-水刀旋转调节部,4.1-高压水管道对接口,4.11-高压水管道对接口前端,4.12-高压水管道对接口后端,4.2-水刀旋转调节部圆盘,6-外机架,7-外机架上撑靴,8-后支撑,9-水仓,10-水刀外接水管道,11-传动输送机,12-铲斗,13-护盾,14-油压缸,15-掌子面,16-水力切槽,17-联合破岩掘进设备,18-联合破岩综合试验台，18.1-可施加围压的试样盒，18.2-旋转刀盘，18.21-试验台机械滚刀刀具，18.22-试验台高压水射流喷嘴，18.3-液压油缸。
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：一种实现三向力检测的联合破岩TBM复杂地层掘进方法，如图6、图14所示，包括如下步骤，
步骤一：联合破岩掘进设备17的机械-水力联合破岩刀盘TBM施工准备；
步骤二：联合破岩掘进设备17开始施工；
步骤三：TBM刀盘推进；
步骤四：机械刀具推压掌子面；
步骤五：三向力检测滚刀挤压受力；
步骤六：三向力传感器反馈三向力数据；
步骤七：TBM后端控制处理器信息处理；
步骤八：岩石-滚刀接触角φ值获取；岩性指标中心反馈参数信息给TBM刀盘控制中心
步骤九：TBM刀盘控制中心响应；
步骤十：机械滚刀获取参数并调整；
步骤十一：TBM刀盘破岩。
进一步地，在步骤一中，所述联合破岩刀盘1上安装有机械滚刀破岩装置1.1；所述机械滚刀破岩装置1.1包括TBM整体推进滚刀机构1.11和三向力检测滚刀机构1.12；
所述TBM整体推进滚刀机构1.11和三向力检测滚刀机构1.12均以所述联合破岩刀盘1的圆心为呈径向分布；
所述TBM整体推进滚刀机构1.11和三向力检测滚刀机构1.12呈间隔设置(如图10所示)；
在步骤四中，所述的机械刀具推压掌子面15具体为：TBM整体推进滚刀机构1.11和三向力检测滚刀机构1.12在液压推进缸的作用下，对隧道掌子面15进行贯入切削。
进一步地，所述三向力检测滚刀机构1.12包括三向力检测滚刀1.121和三向力传感器1.122，所述三向力传感器1.122设于所述三向力检测滚刀1.121的刀刃边缘处(如图8所示)；三向力检测滚刀为机械盘形滚刀；
步骤五中，所述的三向力检测滚刀1.121挤压受力具体为：所述三向力检测滚刀的刀刃边缘处搭载三向力传感器，在TBM工作时，联合破岩TBM刀盘上的三向力检测滚刀1.121接触掌子面15并挤压掌子面15受力。
进一步地，在步骤六中，所述的三向力传感器反馈三向力数据具体为：步骤五中的三向力检测滚刀1.121挤压受力之后，搭载在述三向力检测滚刀的刀刃边缘处的三向力检测传感器1.122获得TBM刀盘工作时的刀盘法向作用力FN，刀盘滚动力FR，以及刀盘侧向作用力FS；并将数据反馈给TBM后端控制处理器(如图9所示)。
进一步地，在步骤七中，所述的TBM后端控制处理器信息处理具体为：TBM后端控制处理器是用于接收三向力传感器1.122所获取的三向力检测滚刀所受到的实时三向力数据；
如图9所示，BM后端控制处理器接收到三向力数据后进行处理，获得岩石-滚刀接触角φ值，并以φ值为检索词将其发送到后台的岩性指标中心，并从岩性指标中心处找到对应的试验室内三向力检测滚刀岩石-滚刀接触角φ值(相同推力作用下不同岩石-滚刀接触角φ值是不同的)，以此确定实时TBM刀盘切割破碎的岩性种类，并获取对应的TBM整体推进滚刀机构1.11的工况参数，并将所述的工况参数发送给TBM刀盘控制中心；
所述岩石-滚刀接触角φ值的获取是根据半理论半经验的常截面滚刀预测模型计算得出：CCRost
NRFRost＝0.5000
式中，是岩石-滚刀接触角度，单位为：rad；
NRFRost是归一化滚刀合理预测值(通常假设为0.5000，即合力在切削前后掌子面弧线中心位置)；
CCRost表示滚刀切削系数；
FN和FR分别是滚刀法向力和滚动力的值，单位为：KN。
进一步地，在步骤八中，所述岩性指标中心是岩样力学试验用以指导TBM滚刀推力和水射流水压的试验数据库；
所述试验数据库中数据来自于施工场地地质钻孔等手段所获取的岩样，在实验室条件下利用联合破岩综合试验台18模拟岩石围压条件获取最优水射流水压及机械滚刀推力等参数的数据库；
岩性指标中心可以根据试验数据在获得TBM后端控制处理器发送的单位时间滚刀推进的位移长度值时，能够将一套TBM最优破岩工况参数返回给TBM后端控制处理器；
如图13所示，所述联合破岩综合试验台18包括可施加围压的试样盒18.1、旋转刀盘18.2和液压油缸18.3；所述液压油缸18.3连接于所述旋转刀盘18.2上，所述旋转刀盘18.2位于所述可施加围压的试样盒18.1上方、且与所述可施加围压的试样盒18.1呈对向设置；待测试样放在所述可施加围压的试样盒18.1，可施加围压的试样盒18.1对待测试样提供支撑和围压；
有试验台机械滚刀刀具18.21和试验台高压水射流喷嘴18.22设于所述旋转刀盘18.2上、且位于所述旋转刀盘18.2与所述可施加围压的试样盒18.1之间；
所述试验台机械滚刀刀具18.21和所述试验台高压水射流喷嘴18.22均呈间隔设置；间隔设置的二个所述试验台机械滚刀刀具18.21之间设有一个所述试验台高压水射流喷嘴18.22；
所述试验台高压水射流喷嘴18.22通过连接水管与储水装置连接；
所述联合破岩综合试验台18是实验室条件下，服务于联合破岩力学机理研究和TBM掘进参数优化的综合试验台，所述联合破岩综合试验台18上的所述试验台机械滚刀刀具18.21和所述试验台高压水射流喷嘴18.22采用与本发明联合破岩TBM相同的机械滚刀刀具1.111和高压水射流喷嘴结构1.112，可以进行围压条件下TBM破岩切削试验。
进一步地，所述TBM整体推进滚刀机构1.11括机械滚刀刀具1.111和高压水射流喷嘴结构1.112；
所述机械滚刀在破岩时首先使用其高压水射流部分切槽使掌子面岩石产生初步破裂形成水力切槽16，然后其机械滚刀部分滚压水力切槽，实现更大程度破岩的目的；
设于所述联合破岩刀盘1上的所述机械滚刀1.111和高压水射流喷嘴结构1.112均周向布置；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；
所述机械滚刀1.111和高压水射流喷嘴结构1.112的布置方式为：相邻设置的二个机械滚刀1.111的中心点上设有所述高压水射流喷嘴结构1.112(如图1、图10所示)；
所述高压水射流喷嘴结构1.112包括喷嘴1.1121、高压水管道1.1122、外部球型支撑机构1.1123、内部球型旋转机构1.1124和管道转向控制器1.1125；
所述外部球型支撑机构1.1123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1.1124位于所述外部球型支撑机构1.1123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1.1125布置在所述内部球型旋转机构1.1124与所述外部球型支撑机构1.1123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1.1122依次穿过所述外部球型支撑机构1.1123和所述内部球型旋转机构1.1124、且伸出所述外部球型支撑机构1.1123；所述述高压水管道1.1122安装于所述内部球型旋转机构1.1124上；内部球型旋转机构用以支撑高压水管道和喷嘴；
所述喷嘴1.1121安装于所述高压水管道1.1122端部、且位于所述外部球型支撑机构1.1123外侧(如图2、图3所示)；用于喷射高压水。
更进一步地，所述联合破岩掘进设备17包括TBM刀盘1、旋转驱动2，推进油缸3，水刀旋转调节部4和TBM整体推进滚刀机构1.11；
所述TBM整体推进滚刀机构1.11呈周向布置于所述刀盘1上；
所述旋转驱动2位于所述刀盘1后端；旋转驱动带动联合破岩TBM刀盘、水刀旋转调节部和水刀外接水管道同步旋转掘进；
所述推进油缸3位于外机架6外侧、且位于所述外机架6后端；用于推进TBM；
所述水刀旋转调节部4位于所述旋转驱动2前部、且与旋转驱动共轴；位于TBM后端已铺设轨道上的水仓连接通过水刀外接水管道供水给高压水射流喷头结构；水仓可以保证水量供给；
所述外机架6位于所述旋转驱动2外侧；
有外机架上撑靴7位于所述外机架6后方，所述推进油缸3分别固定于所述外机架6和所述外机架上撑靴7上；外机架上撑靴用于撑紧围岩洞壁，固定TBM机架；
有后支撑8和水仓9位于所述外机架上撑靴7后方，所述后支撑8位于所述外机架上撑靴7与所述水仓9之间；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；
有水刀外接水管道10设于所述水仓9上，所述水仓9和破岩装置1.1通过所述水刀外接水管道10和水刀旋转调节部4连通；水刀外接水管道通过水刀旋转调节部的对接实现与TBM刀盘的同步旋转；水刀旋转调节部的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；水刀旋转调节部与联合破岩TBM刀盘同步旋转，在TBM工作时水刀外接水管道通过与水刀旋转调节部的对接，实现与TBM刀盘实现同步旋转刀盘的同步旋转。
有传动输送机11位于所述外机架6内侧；有铲斗12位于所述传动输送机11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；
有护盾13和油压缸14设于所述外机架6外侧，所述油压缸14两端分别连接所述外机架6外壁和所述护盾13内壁(如图6、图7所示)。
更进一步地，所述水刀旋转调节部4包括高压水管道对接口4.1和水刀旋转调节部圆盘4.2；
所述高压水管道对接口4.1位于所述水刀旋转调节部圆盘4.2上；所述水刀旋转调节部圆盘4.2外周固定于所述旋转驱动2内壁；
所述高压水管道对接口4.1包括高压水管道对接口前端4.11和高压水管道对接口后端4.12；
所述高压水管道对接口后端4.12与所述水刀外接水管道10连通；
所述高压水管道对接口前端4.11与所述高压水管道1.1122连通(如图4、图5所示)；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刀盘实现同步旋转刀盘的同步旋转；
所述水刀外接水管道10为可伸缩式水管；水刀旋转调节部由水刀外接水管道自水仓供水，水刀外接水管道可以随着TBM的掘进，自由调节水管长度，满足施工需求。
进一步地，在步骤九中，所述的TBM刀盘控制中心响应具体为：TBM刀盘控制中心在获得TBM后端控制处理器传送来的工况参数时，产生响应，并实际作用于所述机械滚刀1.111和所述高压水射流喷嘴结构1.112；
TBM整体推进滚刀机构1.1在破岩时首先使用高压水射流喷嘴结构1.112切槽使掌子面岩石产生初步破裂，形成水力切槽16；然后机械滚刀1.111滚压二个间隔设置的水力切槽16之间的凸起(如图11所示)，实现更大程度破岩、提高破岩效率、减小磨损的目的；
所述联合破岩刀盘1以刀盘圆心为中心，以辐射状间隔布置所述TBM整体推进滚刀机构1.11和所述三向力检测滚刀机构1.12，所述三向力检测滚刀机构1.12数量较少(如图1、图10所示)；
在步骤十中，所述三向力检测滚刀机构1.12获得的岩性判别结果及回馈的TBM工况参数最终作用到与所述三向力检测滚刀机构的相邻的所述TBM整体推进滚刀机构1.11上，用以实现同一刀盘在复杂地质条件掘进时，不同机械滚刀的工况参数最优，以实现最优化的破岩效果，如图12所示，A、B、C为三种不同工况条件下的机械滚刀作业；
所述TBM整体推进滚刀机构1.11获取参数并调整，TBM开始施工作业。
为了能够更加清楚的说明本发明所述的实现三向力检测的联合破岩TBM复杂地层掘进方法与现有技术(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)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，本发明所述的实现三向力检测的联合破岩TBM复杂地层掘进方法与现有技术(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)相比，破岩效率较高，破岩能耗较小，刀盘损耗率较小。
实施例1
现以尺寸150mm×150mm×100mm的白砂岩试样为例，对白砂岩试样进行贯入试验(TBM滚刀破岩主要为法向力)；
采用现有技术的机械滚刀对白砂岩试样进行贯入试验，破坏白砂岩岩石试样所需最大力达到140KN；
采用本发明所述的实现三向力检测的联合破岩TBM复杂地层掘进方法对白砂岩试样进行贯入实验，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，破白砂岩坏岩石试样所需最大力仅为40KN，破岩力降低了70％以上，且水刀预切槽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；同样地，由于本发明所述的实现三向力检测的联合破岩TBM复杂地层掘进方法的机械滚刀施加的最大力减小，刀具所承受的反力相应减少，对刀具的磨损相应减少；破岩速度更快。
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。
实施例2
现以本发明应用于某地地铁2号线的隧道施工为实施例进行详细说明，对本发明应用于其他地域的隧道施工及地下工程施工同样具有指导作用。
采用本发明所述的实现三向力检测的联合破岩TBM复杂地层掘进方法对某地地铁2号线某段隧道的施工，如图9、图12、图14所示，包括如下步骤：
首先通过取样装置获取地铁2号线待施工段隧道的岩石试样，地铁2号线待施工段主要包括三种岩石种类(复杂地层：分别是岩石类型A、B、C)；
根据取样试样在待施工段现场的围压等地质信息，在联合破岩试验台上获取对于待施工段不同岩石种类TBM最优破岩工况参数，并建立相应地数据库，将数据库整合存储到岩性指标中心；
对于地铁2号线施工段，TBM最优破岩工况参数数据库检索信息的获取方法，是用搭载三向力传感器的机械滚刀挤压受力之后，三向力检测传感器获得TBM刀盘工作时的刀盘法向作用力FN，刀盘滚动力FR，以及刀盘侧向作用力FS，三向力传感器回馈的三向力数据并获得相应的岩石-滚刀接触角值，用以帮助TBM在推进过程中判断所切削岩石的种类，同时测试出TBM不同推力状态下机械-水力联合破岩的机械滚刀和高压水射流的喷嘴的最佳破岩组合参数，以此为依据设置TBM的最优工况参数，并在岩性指标中心与TBM后端控制处理器之间建立对应的指标关系；
步骤一：机械-水力联合破岩刀盘TBM施工准备，
TBM进行施工前的检查等准备工作，TBM所有机构正常，能够保证TBM的顺利掘进作业；
步骤二：开始施工，
TBM开始工作，刀盘推进；
步骤三：机械刀具推压掌子面；
TBM刀盘上的三向力传感器1.122的机械滚刀在液压推进缸的作用下，对隧道掌子面进行贯入切削；
步骤四：TBM刀盘推进；
步骤五：机械刀具推压掌子面；
步骤六：三向力检测滚刀挤压受力：
地铁2号线施工时，TBM刀盘上搭载三向力检测滚刀机构1.12的三向力检测滚刀1.121接触掌子面15并挤压受力；
三向力传感器1.122反馈三向力数据：
搭载三向力检测滚刀机构1.12的三向力检测滚刀1.121挤压受力之后，三向力传感器1.122获得TBM刀盘工作时的刀盘法向作用力FN，刀盘滚动力FR，以及刀盘侧向作用力FS；
搭载三向力传感器1.122的三向力检测滚刀1.121滚压A类岩石时，反馈得到A类岩石对应的三向力(刀盘法向作用力FN，刀盘滚动力FR，以及刀盘侧向作用力FS)；其中，起作用的为刀盘法向作用力FN和刀盘滚动力FR；
步骤七：TBM后端控制处理器信息处理；
TBM后端控制处理器接收到三向力传感器1.122回馈的三向力数据并获得A类岩石相应的岩石-滚刀接触角值，并将值发送到后台的岩性指标中心，并从岩性指标中心处获取对应的TBM的机械滚刀1.111和高压水射流喷嘴结构1.112的工况参数，并将此工况参数发送给TBM刀盘控制中心；
步骤八：岩石-滚刀接触角值获取；
步骤九：TBM刀盘控制中心响应；
TBM刀盘控制中心响应：
TBM刀盘控制中心在获得TBM后端控制处理器传送来的工况参数时，能够产生响应，并实际作用于刀盘上的机械滚刀1.111和高压水射流喷嘴结构1.112的喷嘴1.1121部分；
步骤十：机械滚刀刀具和高压水射流获取参数并调整；
机械滚刀1.111和高压水射流喷嘴结构1.112的喷嘴1.1121获取最优破岩参数组合并做出相应的调整，针对不同的地层岩性条件进行对应的最优工况作业，联合破岩TBM刀盘施工推进；
通过搭载三向力传感器1.122的三向力检测滚刀1.121获取参数并判断出岩石的类型为A类岩石，后端TBM刀盘控制中心将机械滚刀1.111和高压水射流喷嘴结构1.112的喷嘴1.1121获取最优破岩参数组合进而反馈给相应的同一个机械滚刀，以及该刀具一侧的高压水射流的喷嘴，针对的A类岩石进行对应的最优工况作业，整个过程为瞬间完成，由此可以实现在隧道掘进作业时，隧道的掌子面15(正在掘进的隧道面)存在不同的岩石种类时，每个搭载三向力传感器1.122的TBM整体推进滚刀机构1.11都可以通过检索岩石-滚刀接触角值判别岩石种类来实现TBM的局部最优工况破岩；
步骤十一：TBM刀盘破岩，
在刀盘切削破碎作业完成之后，TBM刀盘继续向前推进，进入新一轮的作业循环，直到获得相应的终止命令。
结论：采用本发明所述的实现三向力检测的联合破岩TBM复杂地层掘进方法对某地地铁2号线某段隧道的施工，节能高效，破岩效率高；能够在TBM掘进实际工作过程中，根据试验所提供的工况参数，实时调整TBM的工作状态，使TBM能够获得能耗低、破岩效率高的最优破岩参数组合。
其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (10)

1.一种实现三向力检测的联合破岩TBM复杂地层掘进方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：联合破岩掘进设备(17)的机械-水力联合破岩刀盘TBM施工准备；
步骤二：联合破岩掘进设备(17)开始施工；
步骤三：TBM刀盘推进；
步骤四：机械刀具推压掌子面；
步骤五：三向力检测滚刀挤压受力；
步骤六：三向力传感器反馈三向力数据；
步骤七：TBM后端控制处理器信息处理；
步骤八：岩石-滚刀接触角φ值获取；岩性指标中心反馈参数信息给TBM刀盘控制中心；
步骤九：TBM刀盘控制中心响应；
步骤十：搭载三向力传感器的机械刀刀具获取参数并调整；
步骤十一：TBM刀盘破岩。
2.根据权利要求1所述的一种实现三向力检测的联合破岩TBM复杂地层掘进方法，其特征在于：在步骤一中，所述联合破岩刀盘(1)上安装有机械滚刀破岩装置(1.1)；所述机械滚刀破岩装置(1.1)包括TBM整体推进滚刀机构(1.11)和三向力检测滚刀机构(1.12)；
所述TBM整体推进滚刀机构(1.11)和三向力检测滚刀机构(1.12)均以所述联合破岩刀盘(1)的圆心为呈径向分布；
所述TBM整体推进滚刀机构(1.11)和三向力检测滚刀机构(1.12)呈间隔设置；
在步骤四中，所述的机械刀具推压掌子面(15)具体为：TBM整体推进滚刀机构(1.11)和三向力检测滚刀机构(1.12)在液压推进缸的作用下，对隧道掌子面(15)进行贯入切削。
3.根据权利要求1或2所述的一种实现三向力检测的联合破岩TBM复杂地层掘进方法，其特征在于：所述三向力检测滚刀机构(1.12)包括三向力检测滚刀(1.121)和三向力传感器(1.122)，所述三向力传感器(1.122)设于所述三向力检测滚刀(1.121)的刀刃边缘处；
在步骤五中，所述的三向力检测滚刀(1.121)挤压受力具体为：在TBM工作时，三向力检测滚刀(1.121)接触掌子面(15)并挤压掌子面(15)受力。
4.根据权利要求3所述的一种实现三向力检测的联合破岩TBM复杂地层掘进方法，其特征在于：在步骤六中，所述的三向力传感器反馈三向力数据具体为：步骤五中的三向力检测滚刀(1.121)挤压受力之后，三向力检测传感器(1.122)获得TBM刀盘工作时的刀盘法向作用力，刀盘滚动力，以及刀盘侧向作用力；并将数据反馈给TBM后端控制处理器。
5.根据权利要求4所述的一种实现三向力检测的联合破岩TBM复杂地层掘进方法，其特征在于：在步骤七中，所述的TBM后端控制处理器信息处理具体为：TBM后端控制处理器是用于接收三向力传感器(1.122)所获取的三向力检测滚刀所受到的实时三向力数据；
TBM后端控制处理器接收到三向力数据后进行处理，获得岩石-滚刀接触角φ值，并以φ值为检索词将其发送到后台的岩性指标中心，并从岩性指标中心处找到对应的试验室内三向力检测滚刀岩石-滚刀接触角φ值，以此确定实时TBM刀盘切割破碎的岩性种类，并获取对应的TBM整体推进滚刀机构(1.11)的工况参数，并将所述的工况参数发送给TBM刀盘控制中心；
所述岩石-滚刀接触角φ值的获取是根据半理论半经验的常截面滚刀预测模型计算得出：CCRost
NRFRost＝0.5000
式中，是岩石-滚刀接触角度，单位为：rad；
NRFRost是归一化滚刀合理预测值；
CCRost表示滚刀切削系数；
FN和FR分别是滚刀法向力和滚动力的值，单位为：KN。
6.根据权利要求5所述的一种实现三向力检测的联合破岩TBM复杂地层掘进方法，其特征在于：在步骤八中，所述岩性指标中心是岩样力学试验用以指导TBM滚刀推力和水射流水压的试验数据库；
所述试验数据库的数据来自于施工场地采用施钻手段所获取的岩样，在实验室条件下利用联合破岩综合试验台模拟岩石围压条件获取最优水射流水压及机械滚刀推力的参数的数据库；
岩性指标中心根据试验数据在获得TBM后端控制处理器发送的单位时间滚刀推进的位移长度值时，将一套TBM最优破岩工况参数返回给TBM后端控制处理器；
联合破岩综合试验台采用和联合破岩TBM相同的机械滚刀及高压水射流破岩方法，进行围压条件下TBM破岩切削试验。
7.根据权利要求6所述的一种实现三向力检测的联合破岩TBM复杂地层掘进方法，其特征在于：所述TBM整体推进滚刀机构(1.11)至少包括机械滚刀刀具(1.111)和高压水射流喷嘴结构(1.112)；
设于所述联合破岩刀盘(1)上的所述机械滚刀(1.111)和高压水射流喷嘴结构(1.112)均周向布置；
所述机械滚刀(1.111)和高压水射流喷嘴结构(1.112)的布置方式为：相邻设置的二个机械滚刀(1.111)的中心点上设有所述高压水射流喷嘴结构(1.112)；
所述高压水射流喷嘴结构(1.112)包括喷嘴(1.1121)、高压水管道(1.1122)、外部球型支撑机构(1.1123)、内部球型旋转机构(1.1124)和管道转向控制器(1.1125)；
所述外部球型支撑机构(1.1123)安装固定在所述刀盘主体(1)上；
所述内部球型旋转机构(1.1124)位于所述外部球型支撑机构(1.1123)内；所述管道转向控制器(1.1125)布置在所述内部球型旋转机构(1.1124)与所述外部球型支撑机构(1.1123)之间；
所述高压水管道(1.1122)依次穿过所述外部球型支撑机构(1.1123)和所述内部球型旋转机构(1.1124)、且伸出所述外部球型支撑机构(1.1123)；所述述高压水管道(1.1122)安装于所述内部球型旋转机构(1.1124)上；
所述喷嘴(1.1121)安装于所述高压水管道(1.1122)端部、且位于所述外部球型支撑机构(1.1123)外侧。
8.根据权利要求7所述的一种实现三向力检测的联合破岩TBM复杂地层掘进方法，其特征在于：所述联合破岩掘进设备(17)包括TBM刀盘(1)、旋转驱动(2)，推进油缸(3)，水刀旋转调节部(4)和TBM整体推进滚刀机构(1.11)；
TBM整体推进滚刀机构(1.11)呈周向布置于所述刀盘(1)上；
所述旋转驱动(2)位于所述刀盘(1)后端；
所述推进油缸(3)位于外机架(6)外侧、且位于所述外机架(6)后端；
所述水刀旋转调节部(4)位于所述旋转驱动(2)前部；
所述外机架(6)位于所述旋转驱动(2)外侧；
有外机架上撑靴(7)位于所述外机架(6)后方，所述推进油缸(3)分别固定于所述外机架(6)和所述外机架上撑靴(7)上；
有后支撑(8)和水仓(9)位于所述外机架上撑靴(7)后方，所述后支撑(8)位于所述外机架上撑靴(7)与所述水仓(9)之间；
有水刀外接水管道(10)设于所述水仓(9)上，所述水仓(9)和破岩装置1.1通过所述水刀外接水管道(10)连通；
有传动输送机(11)位于所述外机架(6)内侧；有铲斗(12)位于所述传动输送机(11)前端；
有护盾(13)和油压缸(14)设于所述外机架(6)外侧，所述油压缸(14)两端分别连接所述外机架(6)外壁和所述护盾(13)内壁。
9.根据权利要求8所述的一种实现三向力检测的联合破岩TBM复杂地层掘进方法，其特征在于：所述水刀旋转调节部(4)包括高压水管道对接口(4.1)和水刀旋转调节部圆盘(4.2)；
所述高压水管道对接口(4.1)位于所述水刀旋转调节部圆盘(4.2)上；所述水刀旋转调节部圆盘(4.2)外周固定于所述旋转驱动(2)内壁；
所述高压水管道对接口(4.1)包括高压水管道对接口前端(4.11)和高压水管道对接口后端(4.12)；
所述高压水管道对接口后端(4.12)与所述水刀外接水管道(10)连通；
所述高压水管道对接口前端(4.11)与所述高压水管道(1.1122)连通；
所述水刀外接水管道(10)为可伸缩式水管。
10.根据权利要求9所述的一种实现三向力检测的联合破岩TBM复杂地层掘进方法，其特征在于：在步骤九中，TBM刀盘控制中心在获得TBM后端控制处理器传送来的工况参数时，产生响应，并作用于所述机械滚刀(1.111)和所述高压水射流喷嘴结构(1.112)；
在步骤十中，三向力检测滚刀机构(1.12)获得的岩性判别结果及回馈的TBM工况参数最终作用到与所述三向力检测滚刀机构(1.12)的相邻的所述TBM整体推进滚刀机构(1.11)上；
所述TBM整体推进滚刀机构(1.11)获取参数并调整，TBM开始施工作业。
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