CN110318765B - 基于岩性识别的机械-水力联合破岩tbm实时掘进方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于岩性识别的机械‑水力联合破岩TBM实时掘进方法。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；模块检测滚刀装置施加检测推力；刀具激光测距计时，传感器岩性指标回馈；TBM后端控制处理器信息处理；TBM刀盘控制中心响应；水力截割滚刀刀具获取参数并调整；TBM刀盘破岩。本发明具有节能高效，破岩效率较高，刀盘损耗率较小的优点。

Description

基于岩性识别的机械-水力联合破岩TBM实时掘进方法

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。具体地说它是一种TBM破岩技术。更具体地说它是基于岩性识别的机械-水力联合破岩TBM实时掘进方法。

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：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基于岩性识别的机械-水力联合破岩TBM实时掘进方法，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：基于岩性识别的机械-水力联合破岩TBM实时掘进方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：机械-水力联合破岩刀盘TBM施工准备；

步骤二：开始施工；

步骤三：TBM刀盘推进；

步骤四：机械刀具推压掌子面掌子面；

步骤五：模块检测滚刀装置施加检测推力；

步骤六：刀具激光测距计时，岩性指标中心反馈参数信息给TBM后端控制处理器，传感器检测信息回馈；

步骤七：TBM后端控制处理器信息处理；

步骤八：TBM刀盘控制中心响应；

步骤九：水力截割滚刀刀具获取参数并调整；

步骤十：TBM刀盘破岩。

在上述技术方案中，步骤一中，施工准备包括在TBM刀盘上安装破岩装置，构成机械-水力联合破岩掘进设备；

所述破岩装置在TBM刀盘上呈周向设置；

所述破岩装置包括机械滚刀结构和高压水射流结构；

所述机械滚刀结构包括推进滚刀装置，模块检测滚刀装置和液压油缸；

所述模块检测滚刀装置包括模块检测滚刀和模块检测滚刀框架；所述模块检测滚刀与所述模块检测滚刀框架一端活动连接；所述模块检测滚刀框架的另一端与所述液压油缸连接；

所述液压油缸上设有液压油缸固定端；

有激光测距计时传感器设于所述模块检测滚刀装置上，所述激光测距计时传感器包括激光测距计时传感器发送端和激光测距计时传感器接收端，所述激光测距计时传感器发送端与所述激光测距计时传感器接收端呈间隔设置；

所述激光测距计时传感器发送端设于所述模块检测滚刀框架上、且位于所述模块检测滚刀框架与所述液压油缸的连接处；

所述激光测距计时传感器接收端位于所述模块检测滚刀框架上、且位于所述模块检测滚刀框架与所述模块检测滚刀之间。

在上述技术方案中，所述推进滚刀装置与高压水射流结构的布置方式为：所述高压水射流结构设于所述推进滚刀装置上，所述高压水射流结构与所述推进滚刀装置组合呈水力截割滚刀装置，

所述水力截割滚刀刀具包括刀具主体，刀具中轴，刀具加强部位，高压水注水孔，中部连接装置和高压水射流通道；

所述刀具中轴横向贯穿所述刀具主体侧面、且位于所述刀具主体的中心线上；

所述刀具加强部位分别位于所述刀具主体两侧面上；

所述高压水注水孔位于所述刀具中轴内、且横向贯穿所述刀具主体；

所述中部连接装置位于所述高压水注水孔中部、且位于所述刀具主体中心；

所述高压水射流通道布置于所述刀具主体内、且与所述中部连接装置相连通。

在上述技术方案中，所述高压水射流通道有多个；所述高压水射流通道以所述中部连接装置为中心呈辐射状布置；

所述高压水射流通道上设有喷嘴；所述喷嘴与所述高压水射流通道连通、且设于所述刀具主体外周上；

所述高压水射流通道上设有水流控制阀；所述水流控制阀位于所述中部连接装置与所述喷嘴之间；

有刀具转向传感器设于所述刀具主体侧面上；

有传感线路通道位于所述刀具主体和所述刀具加强部位内；

所述传感线路通道呈中空结构；

有传感线路设于所述传感线路通道内；所述水流控制阀与所述刀具转向传感器通过所述传感线路连接；

所述刀具主体呈滚轮形。

在上述技术方案中，所述机械-水力联合破岩掘进设备包括TBM刀盘、旋转驱动，推进油缸，水刀旋转调节部和水力截割滚刀装置；

水力截割滚刀装置呈周向布置于所述TBM刀盘上；

所述旋转驱动位于所述TBM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；

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，所述水仓与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水力截割滚刀刀具连通；

所述水刀外接水管道为可伸缩水管。

在上述技术方案中，步骤四中，机械刀具推压掌子面具体为：TBM整体的推进滚刀装置和模块检测滚刀装置在液压油缸的作用下，对隧道掌子面进行贯入切削；

步骤五中，模块检测滚刀装置施加检测推力，具体为：模块检测滚刀装置以固定的推力值ΦKN对掌子面做工，所述固定推力值ΦKN为对钻孔取芯岩样进行试验测试的相同值；

所述模块检测滚刀装置的推力独立施加。

在上述技术方案中，步骤六中，所述刀具激光测距计时是指在液压油缸上的驱动作用下，模块检测滚刀以模块检测滚刀框架为支点进行旋转破岩，激光测距计时传感器测距计时；

所述的岩性指标中心是岩样力学试验用以指导TBM的推进滚刀装置和高压水射流结构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获取的岩样，所述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包括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，试验数据库将一套TBM最优破岩工况参数返回给TBM后端控制处理器；

所述联合破岩综合试验台采用与联合破岩TBM相同的破岩装置进行围压条件下TBM破岩切削试验。

在上述技术方案中，步骤八中，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破岩工况参数时，产生响应，并作用于破岩装置；

所述破岩装置使用高压水射流结构切槽使掌子面岩石产生破裂，形成水力切槽；然后机械滚刀结构滚压水力切槽破岩。

在上述技术方案中，所述破岩装置在所述TBM刀盘上的布置方式具体为：

TBM刀盘以刀盘圆心为中心，以辐射状间隔布置水力截割滚刀刀具和高压水射流结构；

模块检测滚刀装置获得的岩性判别结果及回馈的TBM工况参数作用到与模块检测滚刀装置相邻的水力截割滚刀刀具上；

所述水力截割滚刀刀具获取参数并调整，TBM开始施工作业，TBM刀盘推进。

本发明具有如下优点：

(1)本发明适用于包括多种岩性的复杂底层的掘进，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，降低施工能耗，解决工程成本；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；水力截割滚刀的跟进使水力切槽形成的岩石裂隙延伸拓展，相连水力截割滚刀之间的裂隙交汇；在相邻水力截割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水力截割滚刀的机械刀盘贯入度相对较小；

(3)本发明所述的水力截割双滚刀刀具将高压水射流设于机械刀具上，使高压水射流和机械刀具有机结合，联合破岩，简化了联合破岩水力、机械破岩分开布置的刀盘布置结构形式；且高压水射流喷出的水雾对机械刀具的降温防磨损的效果更好；在实现同等破岩效果的基础上，本发明采用水力截割滚刀，能够减少TBM刀盘上的开孔数量(将高压水射流和机械刀具简单叠加需要专门为高压水射流喷嘴开孔)，对于TBM的刀盘稳定性和强度要求有益，降低了TBM刀盘制造和材料工艺难度；

(4)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，与简单叠加方式相比，本发明水力截割滚刀的水雾覆盖机械刀具部分更加均匀，且有水流在刀具内部流动，降温效果更好，对减少机械磨损同样具有积极意义；

(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为本发明推进滚刀装置在TBM刀盘上布置结构示意图。

图2为本发明水刀旋转调节部结构示意图。

图3为本发明高压水管道对接口结构示意图。

图4为本发明水力截割滚刀刀具主视结构示意图。

图5为本发明水力截割滚刀刀具侧视局部透视图。

图6为图5的A处放大图。

图7为本发明工作结构示意图。

图8为图7的A处放大图。

图9为本发明水力截割滚刀刀具破岩示意图。

图10为本发明模块检测滚刀装置与液压油缸连接结构示意图。

图11为本发明TBM刀盘上破岩装置布置结构示意图。

图12为本发明实施例1掘进结构示意图。

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，A向为本发明TBM运动方向；T1表示第一个水力截割滚刀刀具，S1表示第一个水力截割滚刀刀具滚刀(即刀具主体)前方切槽痕迹(即第二个水力截割滚刀刀具的喷嘴破岩产生的水力切槽)及方向；

T2表示第二个水力截割滚刀刀具，S2表示第二个水力截割滚刀刀具滚刀(即刀具主体)前方切槽痕迹(即第三个水力截割滚刀刀具的喷嘴破岩产生的水力切槽)及T2的运动方向；

T3表示第三个水力截割滚刀刀具，S3表示第三个水力截割滚刀刀具滚刀(即刀具主体)前方切槽痕迹(即第四个水力截割滚刀刀具的喷嘴破岩产生的水力切槽)及T3的运动方向；

T4表示第四个水力截割滚刀刀具，S4表示第四个水力截割滚刀刀具滚刀(即刀具主体)前方切槽痕迹(即第五个水力截割滚刀刀具的喷嘴破岩产生的水力切槽)及T4的运动方向；

T5表示第五个水力截割滚刀刀具，S5表示第五个水力截割滚刀刀具滚刀(即刀具主体)前方切槽痕迹(即第六个水力截割滚刀刀具的喷嘴破岩产生的水力切槽)及T5的运动方向；

T6表示第六个水力截割滚刀刀具，S6表示第六个水力截割滚刀刀具滚刀(即刀具主体)前方切槽痕迹(即第一个水力截割滚刀刀具的喷嘴破岩产生的水力切槽)及T6的运动方向。

图11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11可以看出，水力截割滚刀刀具与模块检测滚刀装置均呈周向设置于TBM刀盘上，水力截割滚刀刀具与模块检测滚刀装置在径向上呈间隔设置。

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-TBM刀盘,1.1-破岩装置,1.11-机械滚刀结构,1.111-推进滚刀装置,1.112-模块检测滚刀装置,1.1121-模块检测滚刀,1.1122-模块检测滚刀框架,1.1123-激光测距计时传感器,1.11231-激光测距计时传感器发送端,1.11232-激光测距计时传感器接收端,1.113-液压油缸,1.1131-液压油缸固定端,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,5-水力截割滚刀刀具,5.1-刀具主体,5.2-刀具中轴,5.3-刀具加强部位,5.4-高压水注水孔,5.5-中部连接装置,5.6-高压水射流通道,5.61-喷嘴,5.7-水流控制阀,5.8-刀具转向传感器,5.9-传感线路通道,5.10-传感线路,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-水力联合破岩掘进设备,18-联合破岩综合试验台,18.1-可施加围压的试样盒,18.2-试验台旋转刀盘,18.21-试验台水力截割滚,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：基于岩性识别的机械-水力联合破岩TBM实时掘进方法，包括如下步骤，

水力截割双滚刀刀具5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；

步骤一：机械-水力联合破岩刀盘TBM施工准备；

步骤二：开始施工；

步骤三：TBM刀盘推进；

步骤四：机械刀具推压掌子面掌子面；

步骤五：模块检测滚刀装置施加检测推力；

步骤六：刀具激光测距计时，岩性指标中心反馈参数信息给TBM后端控制处理器，传感器检测信息回馈；

步骤七：TBM后端控制处理器信息处理；

步骤八：TBM刀盘控制中心响应；

步骤九：水力截割滚刀刀具获取参数并调整；

步骤十：TBM刀盘破岩(如图14所示)。

进一步地，步骤一中，施工准备包括在TBM刀盘1上安装破岩装置1.1，构成机械-水力联合破岩掘进设备17；

所述破岩装置1.1在TBM刀盘1上呈周向设置；

所述破岩装置1.1包括机械滚刀结构1.11和高压水射流结构1.12；

所述机械滚刀结构1.11包括TBM整体推进滚刀装置1.111，模块检测滚刀装置1.112和液压油缸1.113；

所述模块检测滚刀装置1.112包括模块检测滚刀1.1121和模块检测滚刀框架1.1122；所述模块检测滚刀1.1121与所述模块检测滚刀框架1.1122一端活动连接；所述模块检测滚刀框架1.1122的另一端与所述液压油缸1.113连接；

所述液压油缸1.113上设有液压油缸固定端1.1131；

有激光测距计时传感器1.1123设于所述模块检测滚刀装置1.112上，所述激光测距计时传感器1.1123包括激光测距计时传感器发送端1.11231和激光测距计时传感器接收端1.11232，所述激光测距计时传感器发送端1.11231与所述激光测距计时传感器接收端1.11232呈间隔设置；

所述激光测距计时传感器发送端1.11231设于所述模块检测滚刀框架1.1122上、且位于所述模块检测滚刀框架1.1122与所述液压油缸1.113的连接处；

所述激光测距计时传感器接收端1.11232位于所述模块检测滚刀框架1.1122上、且位于所述模块检测滚刀框架1.1122与所述模块检测滚刀1.1121之间(如图1、图10、图11所示)。

进一步地，所述推进滚刀装置1.111与高压水射流结构1.12的布置方式为：所述高压水射流结构1.12设于所述推进滚刀装置1.111上，所述高压水射流结构1.12与所述推进滚刀装置1.111组合呈水力截割滚刀装置5；

所述水力截割滚刀刀具5包括刀具主体5.1，刀具中轴5.2，刀具加强部位5.3，高压水注水孔5.4，中部连接装置5.5和高压水射流通道5.6；

所述刀具中轴5.2横向贯穿所述刀具主体5.1侧面、且位于所述刀具主体5.1的中心线上；为所述刀具主体5.1的轴承部分；所述刀具主体可以以刀具中轴为旋转中心滚动；

所述刀具加强部位5.3分别位于所述刀具主体5.1两侧面上；刀具主体5.1即为机械滚刀，刀具加强部位位于刀具两侧面成对称分布，起到加强刀具强度的作用；

所述高压水注水孔5.4位于所述刀具中轴5.2内、且横向贯穿所述刀具主体5.1；高压水注水孔5.4将高压水流注入多个高压水射流通道5.6破岩；

所述中部连接装置5.5位于所述高压水注水孔5.4中部、且位于所述刀具主体5.1中心；中部连接装置位于所述高压水注水孔的交汇处，所述中部连接装置位于刀具的中心，所述中部连接装置具有分流作用；

所述高压水射流通道5.6布置于所述刀具主体5.1内、且与所述中部连接装置5.5相连通；所述刀具主体为滚刀(如图4、图5所示)；高压水注水孔位于所述刀具主体中轴中心处，与所述刀具中轴同心；高压水注水孔5.4通过中部连接装置5.5将高压水注入高压水射流通道5.6中，经由喷嘴5.61喷射破岩。

进一步地，所述高压水射流通道5.6有多个；所述高压水射流通道5.6以所述中部连接装置5.5为中心呈辐射状布置(如图图4、5所示)；实现水力-机械联合破岩，前一个水力截割滚刀刀具5外周的喷嘴喷射高压水破岩，形成水力预切槽，紧随其后的水力截割滚刀刀具5滚压前一个高压水射流喷嘴形成的水力预切槽，破碎经喷嘴破岩形成水力预切槽之后的岩石试样，达到破碎的时间更短，因此破岩效率更高；刀具主体5.1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；

所述高压水射流通道5.6上设有喷嘴5.61；所述喷嘴5.61与所述高压水射流通道5.6连通、且设于所述刀具主体5.1外周上；

所述高压水射流通道5.6上设有水流控制阀5.7；所述水流控制阀5.7位于所述中部连接装置5.5与所述喷嘴5.61之间；水流控制阀用以控制高压水射流通道的开闭，所述水流控制阀数目与高压水射流通道一致；

有刀具转向传感器5.8设于所述刀具主体5.1侧面上；刀具转向传感器具有检测判别刀具转动角度的作用；

有传感线路通道5.9位于所述刀具主体5.1内和所述刀具加强部位5.3内、且位于所述水流控制阀5.7和刀具转向传感器5.8之间；

所述传感线路通道5.9呈中空结构；

有传感线路5.10设于所述传感线路通道5.9内；传感线路通道便于传感线路5.10通过；

所述水流控制阀5.7与所述刀具转向传感器5.8通过所述传感线路5.10连接；传感线路用以连接所述水流控制阀和所述刀具转向传感器，刀具转向传感器通过传感线路传递信号，用以控制所述水流控制阀的开闭；

所述刀具主体5.1呈滚轮形(如图4、图5、图6所示)；所述刀具主体5.1根据实际施工情况可以调整为单滚轮结构或双滚轮结构或其他形式的滚轮结构。

进一步地，所述机械-水力联合破岩掘进设备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和水力截割滚刀刀具5；

所述水力截割滚刀刀具5呈周向布置于所述TBM刀盘1上；

所述旋转驱动2位于所述TBM刀盘1后端；旋转驱动2控制联合破岩TBM的刀盘1旋转，推进油缸3推进TBM刀盘1向前掘进；

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，实现进刀和退刀；

所述水刀旋转调节部4位于所述旋转驱动2前部；水刀旋转调节部4可以随旋转驱动装置同步旋转；

所述外机架6位于所述旋转驱动2外侧；起支撑保护作用；

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；掘进过程中，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；

有水刀外接水管道10设于所述水仓9上，所述水仓9和水力截割滚刀刀具5通过所述水刀外接水管道10和水刀旋转调节部4连通；水仓位于TBM后端已铺设轨道上，可以保证水量供给。

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7、图8所示)，保障述外机架6的稳定性。

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；

所述水刀外接水管道10与所述高压水管道对接口4.1对接连接；

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内壁上；旋转驱动2驱动所述水刀旋转调节部圆盘转动，达到与TBM滚刀同步旋转的目的；

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、且与所述旋转驱动2共轴；水刀旋转调节部4的所述高压水管道对接口4.1与所述水刀外接水管道10连接、且与所述刀盘1上的水刀位置相对应；高压水管道对接口4.1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；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，与TBM刀盘实现同步旋转；

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与所述水力截割滚刀刀具5连通(如图2、图3、图7所示)；防止水刀外接水管道10缠绕，影响工作效率；水仓9通过水刀外接水管道10和水刀旋转调节部4为水力截割双滚刀刀具5的高压水注水孔5.4提供高压水流；

所述高压水管道对接口前端与所述水刀旋转调节部同步旋转，从而与TBM刀盘同步旋转；防止水刀外接水管道缠绕，影响水刀外接水管道的正常工作；

工作时，水刀外接水管道与高压水管道对接口后端对接，高压水注水孔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；防止水刀外接水管道缠绕，影响破岩掘进工作的正常进行。

所述水刀外接水管道10为可伸缩水管；可伸缩水管自TBM后部的水仓供水，所述可伸缩水管可以随着TBM的掘进，自由调节水管长度；

所述水仓9设有加压装置和调节装置，可以为水力截割双滚刀刀具提供高压水，并能够通过调节高压水的水压控制高压水的流速。

更进一步地，步骤四中，机械刀具推压掌子面具体为：TBM整体的推进滚刀装置1.111和模块检测滚刀装置1.112在液压油缸1.113的作用下，对隧道掌子面15进行贯入切削；

步骤五中，模块检测滚刀装置1.112施加检测推力，包括模块检测滚刀装置1.112在TBM刀盘1对隧道掌子面15做工时，具体为：模块检测滚刀装置1.112以固定的推力值ΦKN对掌子面做工，所述固定推力值ΦKN为对钻孔取芯岩样进行试验测试的相同值；检测推力可以作为选择任意的推力值作为检测，固定的推力值是指模块检测滚刀装置在对掌子面做工时一直保持相同的推力；

所述模块检测滚刀装置的推力独立施加，独立于TBM整体推进滚刀装置。

更进一步地，步骤六中，所述刀具激光测距计时是指在液压油缸1.113上的驱动作用下，模块检测滚刀1.1121以模块检测滚刀框架1.1122为支点进行旋转破岩，激光测距计时传感器1.1123测距计时；

步骤六中，所述的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；

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，试验数据库将一套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，联合破岩综合试验台18包括可施加围压的试样盒18.1，试验台旋转刀盘18.2和液压油缸18.3；所述液压油缸18.3设于所述试验台旋转刀盘18.2上；所述试验台旋转刀盘18.2设于所述可施加围压的试样盒18.1上方；

有试验台水力截割滚刀18.21间隔布置于所述试验台旋转刀盘18.2上、且位于所述试验台旋转刀盘18.2与所述可施加围压的试样盒18.1之间；

所述试验台水力截割滚刀18.21通过连接水管与储水机构连通；

所述试验台水力截割滚刀18.21与本发明的水力截割滚刀刀具5的结构相同；

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采用与联合破岩TBM相同的破岩装置1.1进行围压条件下TBM破岩切削试验，提高精度。

更进一步地，步骤八中，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破岩工况参数时，产生响应，并实际作用于破岩装置1.1；

所述破岩装置1.1为机械滚刀结构1.11和高压水射流结构1.12的结合，所述水力截割滚刀在破岩时首先使用高压水射流结构1.12切槽使掌子面15岩石产生初步破裂，形成水力切槽16；然后机械滚刀结构1.11滚压水力切槽16破岩(如图9、图11所示)，实现更大程度破岩的目的。

更进一步地，所述破岩装置1.1在所述TBM刀盘1上的布置方式具体为：

TBM刀盘1以刀盘圆心为中心，以辐射状间隔布置机械滚刀结构1.11和高压水射流结构1.12，即以辐射状间隔布置水力截割滚刀刀具5和模块检测滚刀装置1.112，模块检测滚刀装置1.112获得的岩性判别结果及回馈的TBM工况参数最终作用到与模块检测滚刀装置1.112相邻的水力截割滚刀刀具5上，用以实现同一刀盘在复杂地质条件掘进时，不同水力截割滚刀刀具5的工况参数最优，以实现最优化的破岩效果，如图12所示。

所述推进滚刀装置1.111和高压水射流结构1.12获取参数并调整，TBM开始施工作业，TBM刀盘推进。

为了能够更加清楚的说明本发明所述的基于岩性种类判别的机械-水力联合破岩TBM实时反馈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，本发明所述的基于岩性种类判别的机械-水力联合破岩TBM实时反馈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，破坏白砂岩试样所需最大力达到140KN；

采用本发明所述的基于岩性识别的机械-水力联合破岩TBM实时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，破坏白砂岩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，由于本发明所述的基于岩性识别的机械-水力联合破岩TBM实时掘进方法的水力截割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，包括如下步骤(如图14所示)：

首先通过取样装置获取某地地铁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，如图12所示)；

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，并建立相应的数据库；将数据库整合存储到岩性指标中心；

对于某地地铁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，是用固定推力值400KN对岩石试样进行切削贯入，记录某地地铁2号线待施工段对应地层围压状态下岩石的单位时间贯入度，即模块检测滚刀单位时间滚刀推进的位移长度值，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；

步骤四：TBM刀盘上的整体推进水力截割滚刀装置和模块检测滚刀装置在液压推进缸的作用下，对隧道掌子面进行贯入切削；

步骤五：模块检测滚刀装置施加检测推力：

TBM刀盘对掌子面做工时，以固定的推力值400KN对掌子面做工，所述固定推力值400KN为对地质现场取出岩样进行试验测试的相同值；

步骤六：刀具激光测距计时传感器岩性指标回馈：

模块检测滚刀装置上安装的用于精确测距的激光测距计时传感器，在模块检测滚刀装置以固定推力值400KN向掌子面做工时，激光测距计时传感器会获取单位时间滚刀推进的位移长度值，并将该值向TBM后端控制处理器回馈；

当TBM刀盘上的模块检测滚刀以固定推力值400KN滚压到隧道掌子面岩石种类A时，激光测距计时传感器会获取单位时间滚刀推进的位移长度值，并将该值向TBM后端控制处理器回馈；

岩石指标中心根据收到的单位时间滚刀推进的位移长度值，找到实验室获取A类岩石的对应相同的位移长度值，从而确定模块检测滚刀所滚压部位的岩石是A类岩石；

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激光测距计时传感器回馈的单位时间滚刀推进的位移长度值，并将其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A类岩石TBM高压水射流喷嘴的工况参数，并将其发送给TBM刀盘控制中心；

步骤八：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A类岩石工况参数时，能够产生响应，并实际作用于A类岩石模块检测滚刀附件的水力截割滚刀的机械刀具和水射流喷嘴部分；

步骤九：水力截割滚刀刀具获取参数并调整：

A类岩石模块检测滚刀附近的水力截割滚刀获取最优破岩参数组合并做出相应的调整，针对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，隧道掌子面(即正在掘进的隧道面)存在不同的岩石种类时，每个模块检测滚刀都可以通过岩性检测判别来实现TBM的局部最优工况破岩；

步骤十：TBM刀盘破岩：

联合破岩TBM刀盘施工推进破岩；

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岩性种类判别的联合破岩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掘进是实际工作过程中，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 (9)

1.基于岩性识别的机械-水力联合破岩TBM实时掘进方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：机械-水力联合破岩刀盘TBM施工准备；

步骤二：开始施工；

步骤三：TBM刀盘(1)推进；

步骤四：机械刀具推压掌子面(15)；

步骤五：模块检测滚刀装置施加检测推力；

步骤六：刀具激光测距计时，岩性指标中心反馈参数信息给TBM后端控制处理器，传感器检测信息回馈；

步骤七：TBM后端控制处理器信息处理；

步骤八：TBM刀盘控制中心响应；

步骤九：水力截割滚刀刀具获取参数并调整；

步骤十：TBM刀盘破岩；

步骤一中，施工准备包括在TBM刀盘(1)上安装破岩装置(1.1)，构成机械-水力联合破岩掘进设备(17)；

所述破岩装置(1.1)在TBM刀盘(1)上呈周向设置；

所述破岩装置(1.1)包括机械滚刀结构和高压水射流结构；

所述机械滚刀结构包括推进滚刀装置(1.111)，模块检测滚刀装置(1.112)和液压油缸(1.113)；

所述模块检测滚刀装置(1.112)包括模块检测滚刀(1.1121)和模块检测滚刀框架(1.1122)；所述模块检测滚刀(1.1121)与所述模块检测滚刀框架(1.1122)一端活动连接；所述模块检测滚刀框架(1.1122)的另一端与所述液压油缸(1.113)连接；

所述液压油缸(1.113)上设有液压油缸固定端(1.1131)；

有激光测距计时传感器(1.1123)设于所述模块检测滚刀装置(1.112)上，所述激光测距计时传感器(1.1123)包括激光测距计时传感器发送端(1.11231)和激光测距计时传感器接收端(1.11232)，所述激光测距计时传感器发送端(1.11231)与所述激光测距计时传感器接收端(1.11232)呈间隔设置；

所述激光测距计时传感器发送端(1.11231)设于所述模块检测滚刀框架(1.1122)上、且位于所述模块检测滚刀框架(1.1122)与所述液压油缸(1.113)的连接处；

所述激光测距计时传感器接收端(1.11232)位于所述模块检测滚刀框架(1.1122)上、且位于所述模块检测滚刀框架(1.1122)与所述模块检测滚刀(1.1121)之间。

2.根据权利要求1所述的基于岩性识别的机械-水力联合破岩TBM实时掘进方法，其特征在于：所述推进滚刀装置(1.111)与高压水射流结构的布置方式为：所述高压水射流结构设于所述推进滚刀装置(1.111)上，所述高压水射流结构与所述推进滚刀装置(1.111)组合成水力截割滚刀刀具(5)，

所述水力截割滚刀刀具(5)包括刀具主体(5.1)，刀具中轴(5.2)，刀具加强部位(5.3)，高压水注水孔(5.4)，中部连接装置(5.5)和高压水射流通道(5.6)；

所述刀具中轴(5.2)横向贯穿所述刀具主体(5.1)侧面、且位于所述刀具主体(5.1)的中心线上；

所述刀具加强部位(5.3)分别位于所述刀具主体(5.1)两侧面上；

所述高压水注水孔(5.4)位于所述刀具中轴(5.2)内、且横向贯穿所述刀具主体(5.1)；

所述中部连接装置(5.5)位于所述高压水注水孔(5.4)中部、且位于所述刀具主体(5.1)中心；

所述高压水射流通道(5.6)布置于所述刀具主体(5.1)内、且与所述中部连接装置(5.5)相连通。

3.根据权利要求2所述的基于岩性识别的机械-水力联合破岩TBM实时掘进方法，其特征在于：所述高压水射流通道(5.6)有多个；所述高压水射流通道(5.6)以所述中部连接装置(5.5)为中心呈辐射状布置；

所述高压水射流通道(5.6)上设有喷嘴(5.61)；所述喷嘴(5.61)与所述高压水射流通道(5.6)连通、且设于所述刀具主体(5.1)外周上；

所述高压水射流通道(5.6)上设有水流控制阀(5.7)；所述水流控制阀(5.7)位于所述中部连接装置(5.5)与所述喷嘴(5.61)之间；

有刀具转向传感器(5.8)设于所述刀具主体(5.1)侧面上；

有传感线路通道(5.9)位于所述刀具主体(5.1)和所述刀具加强部位(5.3)内；

所述传感线路通道(5.9)呈中空结构；

有传感线路(5.10)设于所述传感线路通道(5.9)内；所述水流控制阀(5.7)与所述刀具转向传感器(5.8)通过所述传感线路(5.10)连接；

所述刀具主体(5.1)呈滚轮形。

4.根据权利要求3所述的基于岩性识别的机械-水力联合破岩TBM实时掘进方法，其特征在于：所述机械-水力联合破岩掘进设备(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)和水力截割滚刀刀具(5)；

水力截割滚刀刀具(5)呈周向布置于所述TBM刀盘(1)上；

所述旋转驱动(2)位于所述TBM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；

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)与破岩装置(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。

5.根据权利要求4所述的基于岩性识别的机械-水力联合破岩TBM实时掘进方法，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)与所述水力截割滚刀刀具(5)连通；

所述水刀外接水管道(10)为可伸缩水管。

6.根据权利要求5所述的基于岩性识别的机械-水力联合破岩TBM实时掘进方法，其特征在于：步骤四中，机械刀具推压掌子面具体为：TBM整体的推进滚刀装置(1.111)和模块检测滚刀装置(1.112)在液压油缸(1.113)的作用下，对隧道掌子面(15)进行贯入切削；

步骤五中，模块检测滚刀装置(1.112)施加检测推力，具体为：模块检测滚刀装置(1.112)以固定的推力值Φ KN对掌子面做工，所述固定推力值Φ KN为对钻孔取芯岩样进行试验测试的相同值；

所述模块检测滚刀装置的推力独立施加。

7.根据权利要求6所述的基于岩性识别的机械-水力联合破岩TBM实时掘进方法，其特征在于：步骤六中，所述刀具激光测距计时是指在液压油缸(1.113)上的驱动作用下，模块检测滚刀(1.1121)以模块检测滚刀框架(1.1122)为支点进行旋转破岩，激光测距计时传感器(1.1123)测距计时；

所述的岩性指标中心是岩样力学试验用以指导TBM的推进滚刀装置(1.111)和高压水射流结构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获取的岩样，所述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包括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，试验数据库将一套TBM最优破岩工况参数返回给TBM后端控制处理器；

所述联合破岩综合试验台采用与联合破岩TBM相同的破岩装置(1.1)进行围压条件下TBM破岩切削试验。

8.根据权利要求7所述的基于岩性识别的机械-水力联合破岩TBM实时掘进方法，其特征在于：步骤八中，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破岩工况参数时，产生响应，并作用于破岩装置(1.1)；

所述破岩装置(1.1)使用高压水射流结构切槽使掌子面(15)岩石产生破裂，形成水刀切槽(16)；然后机械滚刀结构滚压水刀切槽(16)破岩。

9.根据权利要求8所述的基于岩性识别的机械-水力联合破岩TBM实时掘进方法，其特征在于：所述破岩装置(1.1)在所述TBM刀盘(1)上的布置方式具体为：

TBM刀盘(1)以刀盘圆心为中心，以辐射状间隔布置机械滚刀结构和高压水射流结构；

模块检测滚刀装置(1.112)获得的岩性判别结果及回馈的TBM工况参数作用到与模块检测滚刀装置(1.112)相邻的水力截割滚刀刀具(5)上；

所述水力截割滚刀刀具(5)获取参数并调整，TBM开始施工作业，TBM刀盘推进。

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