CN110454185B - 一种用于隧道掘进机的高压水辅助破岩系统及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于隧道掘进机的高压水辅助破岩系统及施工方法。本发包括依次连接的软化处理系统、动力系统、输送系统和高压喷射系统；高压喷射系统的进液端与输送系统相连接，高压喷射系统的出液端与刀盘相连接，软化处理系统连接有水源，动力系统为输送系统提供动力。本发明根据现有TBM结构进行设计，兼容性好，提高系统的利用率，配合现有TBM进行高压水和机械刀具联合破岩，提高破岩效率，是隧道开挖的一大创新。

Description

一种用于隧道掘进机的高压水辅助破岩系统及施工方法

技术领域

本发明涉及高压水辅助破岩技术领域，特别是指一种用于隧道掘进机的高压水辅助破岩系统及施工方法。

背景技术

传统的隧道硬岩掘进机（TBM）采用机械式破岩，通过滚刀对硬岩实施压、滚、磨等作用，使硬岩产生高应力区和裂痕，随着裂痕扩展形成碎石片，从而实现硬岩隧道掘进的目的，但该种破岩方式对滚刀的磨损极为严重。近年来， 国内外学者提出了一种应用高压水射流辅助TBM滚刀破岩的概念，这种概念就是应用高压水的冲击力来实现对TBM滚刀辅助硬岩的目的。

高压水破岩不仅要考虑系统自身的承压能力还要考虑与TBM的兼容性，现有市场上还没有出现一种高效的、兼容性较好的高压水辅助破岩系统，因此，对高压水辅助破岩系统做进一步创新性研制很有必要。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种用于隧道掘进机的高压水辅助破岩系统及施工方法。

本发明的技术方案是这样实现的：一种用于隧道掘进机的高压水辅助破岩系统，包括依次连接的软化处理系统、动力系统、输送系统和高压喷射系统；高压喷射系统的进液端与输送系统相连接，高压喷射系统的出液端与刀盘相连接，软化处理系统连接有水源，动力系统为输送系统提供动力。

所述高压喷射系统包括保护组件和喷水机构，保护组件固定设置在刀盘的前端面上，喷水机构的一端位于保护组件内、另一端固定在刀盘的背部，喷水机构的进水端与输送系统相连接，刀盘与设置在主机内的主驱动相连接。

所述保护组件包括保护块基体，保护块基体的后端焊接在刀盘上，保护块基体的前端面上镶嵌有耐磨合金块，保护块基体内设有安装腔道，喷水机构的一端位于安装腔道内，安装腔道的前端设有防堵细长孔，喷水机构的高压水经防堵细长孔喷出。

所述喷水机构包括宝石喷嘴和管件，管件的一端设有头部调整件、另一端设有尾部调整件，宝石喷嘴通过锁紧螺母与头部调整件相连接，尾部调整件上设有弯头，弯头与输送系统相连接。

所述宝石喷嘴的中心轴线与防堵细长孔的中心轴线重合；尾部调整件通过螺钉连接在刀盘上的安装法兰上。

所述输送系统包括高压回转接头、旋转高压管和固定高压管，高压回转接头固定设置在刀盘的背部，高压回转接头的进水端与固定高压管相连通，高压回转接头的出水端通过旋转高压管与高压喷射系统相连通。

所述固定高压管设置在与主机相连接的内凯和外凯上，固定高压管分六路进入高压回转接头，旋转高压管分六路从高压回转接头引出，固定高压管上连接有动力系统和软化处理系统。

所述固定高压管上设有压力传感器和蓄能器。

所述动力系统包括至少一组高压泵组，每组高压泵组包括至少两个并联设置的高压泵。

所述每组高压泵组包括四个高压泵，其中三个高压泵作为工作泵、另一个作为备用泵，高压泵与固定高压管相连通。

所述软化处理系统包括过滤装置和软化装置，过滤装置和软化装置串联在输送系统上，水源与过滤装置相连接。

一种用于隧道掘进机的高压水辅助破岩系统的施工方法，包括如下步骤：

S1：外部水源经软化处理系统进行过滤、软化处理；

S2：处理后的常压水在动力系统作用下成为高压水，高压水分六路进入蓄能器，蓄能器降低高压水在输送过程中的压力损失，进行稳流稳压；

S3：从蓄能器出来的高压水分六路进入高压回转接头，高压回转接头内的高压水经旋转高压管进入高压喷射系统；

S4：进入高压喷射系统中的高压水经宝石喷嘴和防堵细长孔喷出，形成高压水射流，高压水射流配合刀盘上的滚刀进行高压水-机械耦合破岩。

本发明高压喷射系统保护组件是具有防堵功能的保护块组件，保护组件一方面可以很好的保护喷水机构，避免在掘进过程中对宝石喷嘴造成损坏、另一方面防堵细长孔的设置可以很好地将内部的沙石冲出，起到防堵塞作用。喷水机构的宝石喷嘴通过锁紧螺母固定，可实现宝石喷嘴的快速更换，喷水机构与刀盘的螺钉连接方式可实现从刀盘背部拆卸喷水机构，便于喷水机构的维护和更换，提高维修和更换效率。输送系统管路上的蓄能器起到稳定水压的作用，高压水输送过程中进行稳流稳压，降低高压水在输送过程中的压力损失，降低爆管的风险。双动力系统为输送系统提供较大动力，提高系统的承压能力。软化处理系统用于对水源进行过滤软化，提高水洁净度，防止堵塞管路，提高系统安全系数。本发明根据现有TBM结构进行设计，兼容性好，提高系统的利用率，配合现有TBM进行高压水和机械刀具联合破岩，提高破岩效率，是隧道开挖的一大创新。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明整体第一部分结构示意图。

图2为本发明整体第二部分结构示意图。

图3为本发明整体第三部分结构示意图。

图4为本发明整体第四部分结构示意图。

图5为图1中F处局部放大图。

图6为本发明高压喷射系统结构示意。

图7为本发明保护组件结构示意图。

图8为本发明喷水机构结构示意图。

图9为图1中A-A向视图。

图10为图1中B-B向视图。

图11为图2中C-C向视图。

图12为图3中D-D向视图。

图13为图3中E-E向视图。

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。

实施例1，如图1-4所示，一种用于隧道掘进机的高压水辅助破岩系统，包括依次连接的软化处理系统、动力系统、输送系统和高压喷射系统；高压喷射系统的进液端与输送系统相连接，高压喷射系统的出液端与刀盘1相连接，软化处理系统连接有水源，动力系统为输送系统提供动力。外部水源进入软化处理系统进行过滤和软化处理，然后在动力系统的作用下将处理过的常压水变为高压水送入输送系统，高压水经输送系统进入高压喷射系统，形成高压水射流，通过高压水射流进行破岩。

实施例2，如图5所示，一种用于隧道掘进机的高压水辅助破岩系统，所述高压喷射系统包括保护组件2和喷水机构3，保护组件2固定设置在刀盘1的前端面上，喷水机构3的一端位于保护组件2内、另一端固定在刀盘1的背部，可从刀盘背部拆卸喷水机构，便于喷水机构的维护和更换。喷水机构3的进水端与输送系统相连接，刀盘1与设置在主机17内的主驱动6相连接。保护组件2和喷水机构3一一对应，根据需要刀盘上可设置多个保护组件2和喷水机构3，高压水系统中的高压水进入喷水机构，喷水机构经保护组件喷出，保护组件用于对喷水机构的保护，防止刀盘掘进过程中对喷水机构造成损坏。

进一步，如图6、7所示，所述保护组件2包括保护块基体201，保护块基体具有保护喷水机构不被渣石磨损的作用。保护块基体表面有耐磨层，提高耐磨块的耐磨性，保护块基体201的后端焊接在刀盘1上，保护块基体201的前端面上镶嵌有耐磨合金块202，耐磨合金块提高保护块基体前端的耐磨性。保护块基体201内设有安装腔道203，喷水机构3的一端位于安装腔道203内，安装腔道203的前端设有防堵细长孔204，喷水机构3的高压水经防堵细长孔204喷出。细长孔直径、长度根据喷水压力、喷水量、地质条件设计，高压水不喷射有石块等进入细长孔时，高压水能将石块等冲出，起到防堵的作用。

更进一步，如图8所示，所述喷水机构3包括宝石喷嘴302和管件304，宝石喷嘴即采用硬度较大的喷嘴。管件304的一端设有头部调整件303、另一端设有尾部调整件305，喷水机构两端有调整装置，可以调节喷水机构整体的长短，从而人工调节喷嘴到岩石的距离，控制破岩效果。宝石喷嘴302通过锁紧螺母301与头部调整件303相连接，宝石喷嘴孔随着使用时间增加，喷嘴孔变大，磨损到一定程度可拆除压紧螺母更换新的宝石喷嘴。尾部调整件305上设有弯头306，弯头306与输送系统相连接。输送系统的高压水经弯头进入喷水机构，喷水机构由宝石喷嘴控制喷出的水柱直径，控制喷水量，可根据不同的地质情况更换不同直径的宝石喷嘴，提高装置的适用范围和不同地质情况。所述宝石喷嘴302的中心轴线与防堵细长孔204的中心轴线重合；减少高压水压力损失，提高装置的承压能力。尾部调整件305通过螺钉5连接在刀盘1上的安装法兰4上。喷水机构通过螺钉从刀盘换刀空间处用安装，操作人员不需接触岩石就可以更换喷水机构，使喷射装置便于拆装和更换。

保护组件是具有防堵功能的保护块组件，保护组件一方面可以很好的保护喷水机构，避免在掘进过程中对宝石喷嘴造成损坏、另一方面防堵细长孔的设置可以很好地将内部的沙石冲出，起到防堵塞作用。喷水机构的宝石喷嘴通过锁紧螺母固定，可实现宝石喷嘴的快速更换，喷水机构与刀盘的螺钉连接方式可实现从刀盘背部拆卸喷水机构，便于喷水机构的维护和更换，提高维修和更换效率，且与现有TBM兼容性较好，且具有较高的承压能力。

其他结构与实施例1相同。

实施例3，如图1所示，一种用于隧道掘进机的高压水辅助破岩系统，所述输送系统包括高压回转接头7、旋转高压管8和固定高压管9，高压回转接头7固定设置在刀盘1的背部，高压回转接头7的出水端通过旋转高压管8与高压喷射系统相连通，在主驱动的作用下旋转高压管8随刀盘进行同步转动，高压回转接头7的进水端与固定高压管9相连通，固定高压管中的高压水经高压回转接头由轴向水变为径向水，分路进入高压喷射系统。高压回转接头能承受高压水系统达到的最高压力，具有承受高压大流量的能力。高压回转接头安装在刀盘上，掘进机掘进时，刀盘旋转，高压回转接头将高压水输送到旋转的刀盘。

进一步，所述固定高压管9设置在与主机17相连接的内凯10和外凯11上，固定高压管9分六路进入高压回转接头7，旋转高压管8分六路从高压回转接头7引出，固定高压管9上连接有动力系统和软化处理系统，高压回转接头采用6进6出式，即6根进水管输入高压水，6根出水管输出高压水，分路保压，提高系统承压能力。所述固定高压管9上设有压力传感器12和蓄能器13。蓄能器起到稳定水压的作用。蓄能器要紧挨高压泵组，尽早的将泵组输出的高压水进行稳流稳压，降低高压水在输送过程中的压力损失，降低爆管的风险。在驱动内腔处安装有压力传感器，对比泵组出口处压力传感器与驱动内腔处的压力传感器数值，可对沿程管路进行故障诊断。压力传感器12随时检查固定高压管内的水压，确保施工安全。

进一步，如图9~13所示，高压水辅助破岩系统工作压力280MPa，最高压力可达400MPa，动力系统包括两组高压泵组14，工作时两组泵同时启动。每组高压泵组包括至少两个并联设置的高压泵。所述每组高压泵组包括四个高压泵，其中三个高压泵作为工作泵、另一个作为备用泵，高压泵与固定高压管9相连通。每台泵组出口处均安装有压力传感器。为了减小高压水在输送过程中的压力损失，高压泵组与喷嘴之间的距离宜短不宜长，因此高压泵组要布置在距离刀盘较近的位置，高压泵可采用高压柱塞泵。

更进一步，所述软化处理系统包括过滤装置15和软化装置16，过滤装置15和软化装置16串联在输送系统上，水源与过滤装置15相连接。过滤装置分为粗虑和精滤两种形式，可以采用隧道中的污水作为水源，水软化装置具有降低水中氯离子等含量的作用，降低水的硬度，提高高压柱塞泵及其其他辅件寿命的作用。为了取水方便，过滤装置要布置在机器尾部。

其他结构与实施例2相同。

如图1-4所示，实施例4一种用于隧道掘进机的高压水辅助破岩系统的施工方法，包括如下步骤：

S1：外部水源经软化处理系统进行过滤、软化处理；

S2：处理后的常压水在动力系统作用下成为高压水，高压水分六路进入蓄能器，蓄能器降低高压水在输送过程中的压力损失，进行稳流稳压；

S3：从蓄能器出来的高压水分六路进入高压回转接头，高压回转接头内的高压水经旋转高压管进入高压喷射系统；

S4：进入高压喷射系统中的高压水经宝石喷嘴和防堵细长孔喷出，形成高压水射流，高压水射流配合刀盘上的滚刀进行高压水-机械耦合破岩。

其他结构与实施例3相同。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种用于隧道掘进机的高压水辅助破岩系统，其特征在于：包括依次连接的软化处理系统、动力系统、输送系统和高压喷射系统；高压喷射系统的进液端与输送系统相连接，高压喷射系统的出液端与刀盘（1）相连接，软化处理系统连接有水源，动力系统为输送系统提供动力；

所述高压喷射系统包括保护组件（2）和喷水机构（3），保护组件（2）固定设置在刀盘（1）的前端面上，喷水机构（3）的一端位于保护组件（2）内、另一端固定在刀盘（1）的背部；所述保护组件（2）包括保护块基体（201），保护块基体（201）的后端焊接在刀盘（1）上，保护块基体（201）的前端面上镶嵌有耐磨合金块（202），保护块基体（201）内设有安装腔道（203），喷水机构（3）的一端位于安装腔道（203）内，安装腔道（203）的前端设有防堵细长孔（204），喷水机构（3）的高压水经防堵细长孔（204）喷出；

输送系统包括高压回转接头（7）、旋转高压管（8）和固定高压管（9），固定高压管（9）设置在与主机相连接的内凯（10）和外凯（11）上，固定高压管（9）上连接有动力系统和软化处理系统。

2.根据权利要求1所述的用于隧道掘进机的高压水辅助破岩系统，其特征在于：喷水机构（3）的进水端与输送系统相连接，刀盘（1）与设置在主机内的主驱动（6）相连接。

3.根据权利要求1或2所述的用于隧道掘进机的高压水辅助破岩系统，其特征在于：所述喷水机构（3）包括宝石喷嘴（302）和管件（304），管件（304）的一端设有头部调整件（303）、另一端设有尾部调整件（305），宝石喷嘴（302）通过锁紧螺母（301）与头部调整件（303）相连接，尾部调整件（305）上设有弯头（306），弯头（306）与输送系统相连接。

4.根据权利要求3所述的用于隧道掘进机的高压水辅助破岩系统，其特征在于：所述宝石喷嘴（302）的中心轴线与防堵细长孔（204）的中心轴线重合；尾部调整件（305）通过螺钉（5）连接在刀盘（1）上的安装法兰（4）上。

5.根据权利要求1或4所述的用于隧道掘进机的高压水辅助破岩系统，其特征在于：所述高压回转接头（7）固定设置在刀盘（1）的背部，高压回转接头（7）的进水端与固定高压管（9）相连通，高压回转接头（7）的出水端通过旋转高压管（8）与高压喷射系统相连通。

6.根据权利要求5所述的用于隧道掘进机的高压水辅助破岩系统，其特征在于：所述固定高压管（9）分六路进入高压回转接头（7），旋转高压管（8）分六路从高压回转接头（7）引出。

7.根据权利要求6所述的用于隧道掘进机的高压水辅助破岩系统，其特征在于：所述固定高压管（9）上设有压力传感器（12）和蓄能器（13）。

8.根据权利要求1或6或7所述的用于隧道掘进机的高压水辅助破岩系统，其特征在于：所述动力系统包括至少一组高压泵组（14），每组高压泵组包括至少两个并联设置的高压泵。

9.根据权利要求8所述的用于隧道掘进机的高压水辅助破岩系统，其特征在于：所述每组高压泵组包括四个高压泵，其中三个高压泵作为工作泵、另一个作为备用泵，高压泵与固定高压管（9）相连通。

10.根据权利要求1或9所述的用于隧道掘进机的高压水辅助破岩系统，其特征在于：所述软化处理系统包括过滤装置（15）和软化装置（16），过滤装置（15）和软化装置（16）串联在输送系统上，水源与过滤装置（15）相连接。

11.一种如权利要求9所述 的用于隧道掘进机的高压水辅助破岩系统的施工方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：外部水源经软化处理系统进行过滤、软化处理；

S2：处理后的常压水在动力系统作用下成为高压水，高压水分六路进入蓄能器，蓄能器降低高压水在输送过程中的压力损失，进行稳流稳压；

S3：从蓄能器出来的高压水分六路进入高压回转接头，高压回转接头内的高压水经旋转高压管进入高压喷射系统；

S4：进入高压喷射系统中的高压水经宝石喷嘴和防堵细长孔喷出，形成高压水射流，高压水射流配合刀盘上的滚刀进行高压水-机械耦合破岩。

Images