CN110529135A - 一种新型激光破岩模式tbm - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型激光破岩模式TBM，包括刀盘装置和激光系统，激光系统包括激光发生器、光纤光缆、分光器和激光头，将激光头按照一定规律均匀搭载在TBM刀盘上，刀盘上布置相对应的激光孔，在TBM工作的过程中，激光头发出激光束通过各自对应的激光孔照射在岩石上产生光斑，岩石吸收激光热量出现热破碎自动脱落，然后利用刀盘上刮刀收集破碎的岩石进入溜渣槽，本发明可降低隧道施工难度，节省施工成本，同时采用激光照射破岩减少了机械开挖对地层的扰动，提高施工安全性。
Description
技术领域
本发明属于隧道施工设备技术领域，涉及到一种新型激光破岩模式 TBM。
背景技术
由于TBM(tunnel boring machine，隧道掘进机)掘进效率高，而且安全性远远高于钻爆法开挖，所以越来越多的山岭隧道采用TBM进行施工。当遇到高强度岩石，如花岗岩、大理石等，TBM掘进效率明显下降，刀具消耗快，施工成本增加。如何有效提高TBM的破岩效率，是TBM研究的关键技术之一。
未来10年内，各类隧道掘进里程约2万公里，硬岩TBM设备需求约 600台，能有效提高这些TBM设备的掘进效率，产生的节能、环保、经济效益将非常显著。常规TBM在深层地层高硬度岩石施工方面遇到一定的困难，因此，寻找一个节能、安全高效的破岩方法是目前研究中的一个热点。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种新型激光破岩模式TBM，适应于深层地层高硬度岩石等地质，开挖过程中对地层扰动小，在提高了破岩效率和施工效率的同时提升了施工安全性。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种新型激光破岩模式TBM，其包括刀盘装置和激光系统，激光系统包括光纤光缆和至少一台与所述TBM相配合的高功率激光发生器，TBM 在掘进过程中，激光发生器产生激光，激光通过光纤光缆传输至激光头，由激光头通过对应的激光孔射向岩石形成光斑，岩石吸收光斑高能热量形成热破碎。
优选的，刀盘上按照一定规律均匀搭载一定数量的激光头，并对应布置相应的激光孔，激光头发出激光通过激光孔射向岩石。
优选的，所述刀盘上相对应于激光输出光学头具有光学窗口，所述光学窗口在刀盘上所连接的位置具有预定的角度，使激光可按照预定的角度照射到附近岩石表面。
优选的，所述的激光系统包括激光发生器、光纤光缆、分光器、激光头和温度传感器，激光发生器产生的激光通过所述光纤光缆传输，在分光器分束后，各束激光分别由相应光纤光缆输出，各输出光纤光缆分别连接于一个所述的激光头，激光从激光头发出并从刀盘上对应的激光孔射出，岩石吸收激光受热产生热破碎。
本发明种新型激光破岩模式TBM在工作过程中，激光发生器产生的激光通过所述光纤光缆传输，在一种情况下，多台激光发生器的激光束分别通过相对应的光纤光缆传输至所预定位置，并通过激光头按要求射在掘进层表面。岩石吸收光斑高能热量出现热破碎自动脱落，然后利用刀盘上刮刀收集破碎的岩石进入溜渣槽。另一种情况下，一台激光发生器所产生的激光可通过分光器(如光纤分束器)分光，分出的光束相应的光纤光缆和相应的激光头输出；激光头发出激光束通过刀盘上各自对应的激光孔照射在岩石上产生光斑，岩石吸收光斑高能热量出现热破碎自动脱落，然后利用刀盘上刮刀收集破碎的岩石进入溜渣槽。
在此加热过程中可通过附加机械力辅助岩石的破碎和开裂。这个机械力包括压力，振动力，侧向力，温度应力等。
本发明新型激光破岩模式TBM包括刀盘装置和激光系统，刀盘上按照一定规律均匀搭载一定数量的激光头，并对应布置相应的激光孔，激光头发出激光通过激光孔射向岩石；激光系统包括激光发生器、光纤光缆、分光器、激光头和温度传感器，激光发生器产生的激光通过所述光纤光缆传输，在分光器中，光束被分为多束并被分别输入传输光纤光缆，每条输出光纤光缆连接于一个所述的激光头，激光从激光头发出并从刀盘上对应的激光孔射出，岩石吸收激光受热产生热破碎。
为了满足激光照射角度与工作效率的关系，刀盘上设有相对应于激光输出光学头具有光学窗口，所述光学窗口在刀盘上所连接的位置具有预定的角度，使激光从输出光学头射出后可按照预定的角度照射到作用部位附近岩石表面，保证掘进的最高效率。
本发明的特点是：
激光发生器产生的激光通过所述分光器中分光后分别进入相应光纤光缆，各光纤光缆分别连接于一个所述的激光头，激光从激光头发出并从刀盘上对应的激光孔射出，形成了激光作用区域，产生岩石热破裂，达到掘进目的。在必要时附加机械力可使得本发明的破岩效率更高。
相比现有的TBM而言，本发明利用激光破岩的方式可以大大提高隧道施工效率和施工质量，同时本发明在刀盘上不设置滚刀，无需更换滚刀，节省了人力，不仅降低了施工成本和施工难度，而且还提高的施工的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简要地介绍，显而易见，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附图。
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是本发明实施例中刀盘装置的结构示意图。
图3是本发明实施例的结构示意图。
图4是本发明实施例的结构示意图。
图中：1是激光头、2是激光孔、3是光纤光缆、4是分光镜、5是激光发生器。
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。
如图1～图4所示，本发明的一种新型激光破岩模式TBM，其包括刀盘装置和激光系统，刀盘上按照一定规律均匀搭载一定数量的激光头1，并对应布置相应的激光孔2，激光头1发出激光通过激光孔2射向岩石；激光系统包括激光发生器5、光纤光缆3、分光器4和激光头1，激光发生器5产生的激光通过所述光纤光缆3传输，在分光器中，光束被分为多束并被分别输入传输光纤光缆，每条输出光纤光缆连接于一个所述的激光头 1，激光从激光头1发出并从刀盘上对应的激光孔2射出，岩石吸收激光受热产生热破碎。
本发明的工作流程如下：
在TBM工作的过程中，激光发生器5产生的激光通过所述光纤光缆3 传输，在分光器4中，光束被分为多束，分别通过光纤光缆输出，每条光纤光缆连接于一个所述的激光头，激光头1发出激光束通过刀盘上各自对应的激光孔2照射在岩石上产生光斑，岩石吸收光斑高能热量出现热破碎自动脱落，然后利用刀盘上刮刀收集破碎的岩石进入溜渣槽。
本发明利用激光破岩的方式可以大大提高隧道施工效率和施工质量，同时本发明在刀盘上不设置滚刀，无需更换滚刀，节省了人力，不仅降低了施工成本和施工难度，而且在施工过程中对地层扰动较小，提高了施工的安全性。
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内。
Claims (4)
1.一种新型激光破岩模式TBM，其特征在于：包括刀盘装置和激光系统，激光系统包括光纤光缆和至少一台与所述TBM相配合的高功率激光发生器，TBM在掘进过程中，激光发生器产生激光，激光通过光纤光缆传输至激光头，由激光头通过对应的激光孔射向岩石形成光斑，岩石吸收光斑高能热量形成热破碎。
2.根据权利要求1所述的新型激光破岩模式TBM，其特征在于：刀盘上按照一定规律均匀搭载一定数量的激光头，并对应布置相应的激光孔，激光头发出激光通过激光孔射向岩石。
3.根据权利要求1所述的新型激光破岩模式TBM，其特征在于：所述刀盘上相对应于激光输出光学头具有光学窗口，所述光学窗口在刀盘上所连接的位置具有预定的角度，使激光可按照预定的角度照射到附近岩石表面。
4.根据权利要求1或2或3所述的新型激光破岩模式TBM，其特征在于：所述的激光系统包括激光发生器、光纤光缆、分光器、激光头和温度传感器，激光发生器产生的激光通过所述光纤光缆传输，在分光器分束后，各束激光分别由相应光纤光缆输出，各输出光纤光缆分别连接于一个所述的激光头，激光从激光头发出并从刀盘上对应的激光孔射出，岩石吸收激光受热产生热破碎。
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