CN110847926A - 水力切割刀具模块及联合破岩tbm装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水力切割刀具模块。它包括水力切割刀具模块框架、推力弹簧结构、水力切割刀具模块推力油缸和联合破岩的水力切割滚刀；所述推力弹簧结构位于所述水力切割刀具模块框架内；所述水力切割刀具模块推力油缸位于所述推力弹簧结构上端；所述联合破岩的水力切割滚刀固定于所述水力切割刀具模块框架下端联合破岩的水力切割滚刀呈轮辐式结构。本发明具有轻量化处理降低了滚刀的重量；提高破岩效率的优点。本发明还公开了水力‑机械联合破岩TBM装置。本发明还公开了所述水力‑机械联合破岩TBM装置的破岩方法。

Description

水力切割刀具模块及联合破岩TBM装置及方法

技术领域

本发明涉及隧道及地下工程技术领域，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切割滚刀的水力切割滚刀模块。本发明还涉及联合破岩TBM装置，更具体地说它是水力-机械联合破岩TBM装置。本发明还涉及所述的水力-机械联合破岩TBM装置的破岩方法，更具体地说它是水力-机械联合破岩TBM装置的破岩方法。

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，造成了能耗的增加和刀具磨碎；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，但是每次只能针对一种掌子面的岩石进行调整，由于底层地质复杂，各种岩性的岩石交错布置，使用传统机械进行破岩，效率低、破岩能耗大、易磨损滚刀；且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。

现有TBM破岩方法中采用的常规滚刀结构，第一种破岩方式为：采用普通滚轮式滚刀破岩；第二种破岩方式为：在TBM刀盘空白位置上随机打孔案装水射流结构，使水射流结构与普通滚轮式滚刀间隔布置，采用水力和机械联合破岩；

但是采用上述第一种破岩方式进行破岩，破坏岩石所需最大力较大，且易磨损滚刀，破岩效率较低；

采用上述第二种破岩方式进行破岩，如申请号为：201310188881.X，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》；其在传统TBM刀盘主体结构形式基础上，在TBM刀盘的空白位置随机布置若干高压水喷嘴，具有提高TBM的破岩效率，降低刀盘温度，对环境防尘降温；但是，由于其需在TBM刀盘上专门开设安装高压水刀的开孔，结构复杂，随机对机械滚刀进行降温，并不具有针对性，由于其处于常开状态，易造成水资源浪费，破岩能耗较高，且达不到预计效果。

如申请号为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；但是其对传统TBM刀盘的改动较大，成本较高，不利于实现及应用。

且TBM隧道掘进机掘进破岩过程中，由于受到地应力和岩石强度特性的影响，可能会发生TBM刀盘卡机现象，严重影响TBM的掘进效率，造成重大的设备损坏和财产损失。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掘进性能提出了更高的要求。当前我国大型工程建设突飞猛进，特别是在引水隧洞、交通隧道、防护工程洞室等领域，TBM的掘进作用日益突出，提高TBM的掘进效率迫在眉睫。目前以机械-水力联合破岩TBM的形式最为可行，然而受目前水力切割岩石速率的限制，无法匹配机械破岩速率，致使整体破岩效率无法大幅提升。

因此，现亟需开发一种破岩效率较高的破岩切割滚刀及其TBM装置及其破岩方法。

发明内容

本发明的第一目的是为了提供水力切割刀具模块，其联合破岩的水力切割滚刀采用轮辐式结构，在联合破岩中提供高压水射流切割岩石；采用轮辐式设计，轻量化处理降低了滚刀的重量；提高破岩效率。

本发明的第二目的是为了提供水力-机械联合破岩TBM装置，提高破岩效率。

本发明的第三目的是为了提供水力-机械联合破岩方法，提高破岩效率。

为了实现上述本发明的第一目的，本发明的技术方案为：水力切割刀具模块，其特征在于：包括水力切割刀具模块框架、推力弹簧结构、水力切割刀具模块推力油缸和联合破岩的水力切割滚刀；

所述推力弹簧结构位于所述水力切割刀具模块框架内；

所述水力切割刀具模块推力油缸位于所述推力弹簧结构上端；

所述联合破岩的水力切割滚刀固定于所述水力切割刀具模块框架下端

联合破岩的水力切割滚刀呈轮辐式结构。

在上述技术方案中，所述喷嘴支撑环形带状框架为环形带状结构。

在上述技术方案中，所述联合破岩的水力切割滚刀包括刀具中轴，高压水注水孔、高压水射流通道和喷嘴支撑环形带状框架；

所述高压水注水孔位于所述刀具中轴内；

所述高压水射流通道与所述刀具中轴呈垂直设置；

所述高压水射流通道一端与所述高压水注水孔连通，另一端沿所述喷嘴支撑环形带状框架径向分布、且位于所述喷嘴支撑环形带状框架上；

所述高压水射流通道有多条。

在上述技术方案中，所述联合破岩的水力切割滚刀还包括保护刚性套筒结构和高压水射流喷嘴；

所述保护刚性套筒结构套在所述高压水射流通道外周；

所述保护刚性套筒结构与所述刀具中轴呈垂直设置；

所述高压水射流喷嘴与所述高压水射流通道连通、且位于所述喷嘴支撑环形带状框架上。

在上述技术方案中，有高压水射流分流结构位于所述高压水注水孔与所述高压水射流通道的交汇处、且位于所述喷嘴支撑环形带状框架的中心。

在上述技术方案中，所述水力切割刀具模块推力油缸的伸缩端与所述推力弹簧结构的上板固定连接；

所述推力弹簧结构的下板固定在所述水力切割刀具模块框架的侧壁中部。

为了实现上述本发明的第二目的，本发明的技术方案为：水力-机械联合破岩TBM装置，包括旋转驱动，推进油缸，外机架，油压缸，外机架上撑靴和TBM刀盘结构；

所述TBM刀盘结构安装在所述旋转驱动前端、且位于所述外机架前侧；所述外机架位于所述旋转驱动外侧；所述外机架上撑靴位于所述外机架后方、且与所述外机架通过所述推进油缸连接；其特征在于：有机械滚刀结构和所述的水力切割刀具模块均呈周向安装在所述TBM刀盘结构上、且均呈间隔布置；所述水力切割刀具模块安装在相邻二个所述机械滚刀结构之间、且位于相邻二个所述机械滚刀结构之间的中心位置。

在上述技术方案中，还包括水刀旋转调节部，可伸缩水管，水仓，后支撑，护盾，铲斗和皮带输送机；

所述水刀旋转调节部位于所述旋转驱动的前部、且与所述旋转驱动共轴；

所述水仓位于所述后支撑后方；

所述可伸缩水管一端与所述水刀旋转调节部连通、另一端与所述水仓连通；

所述高压水管道外接口通过连通管道与所述水刀旋转调节部连通；

所述护盾位于所述外机架侧方、且与所述外机架通过所述油压缸连接；所述后支撑位于所述外机架上撑靴后方；所述皮带输送机位于所述外机架内侧，所述铲斗位于所述皮带输送机前端、且位于所述外机架前端。

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-机械联合破岩TBM装置的破岩方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：将TBM刀盘结构对准待开挖洞时位置；

步骤二：固定外机架，启动水力-机械联合破岩TBM装置，使水力-机械联合破岩TBM装置向前掘进一个行程；

外机架上撑靴撑紧围岩洞壁，固定水力-机械联合破岩TBM装置的机架；

TBM刀盘结构由旋转驱动驱动旋转，推进油缸向TBM刀盘结构施加推力，TBM被推出，向前掘进，后支撑提供支撑；

水力切割刀具模块和机械滚刀结构自身旋转的同时随TBM刀盘结构旋转，同步破碎岩体；

破碎岩体产生的岩渣由铲斗铲入皮带输送机，最后运至机后卸载；推进油缸伸长一个行程，TBM刀盘结构及与TBM刀盘结构连接的构件相应向前移动一个行程；

步骤三：重复步骤一至步骤二，开始下一个行程作业，直至掘进到指定距离，即完成洞时开挖。

在上述技术方案中，步骤二中，水力切割刀具模块和机械滚刀结构同步破岩，具体如下：

联合破岩的水力切割滚刀破岩时，所述喷嘴支撑环形带状框架在所述水力切割刀具模块推力油缸、所述推力弹簧结构和所述水力切割刀具模块框架的作用下抵在掌子面上、且在掌子面上滚动，带动高压水射流喷嘴运动，高压水射流喷嘴喷射高压水射流至掌子面上，形成所述水刀切槽；

机械滚刀结构在水刀切槽两侧的掌子面岩石上滚压，使岩渣崩落。

本发明具有如下优点：

(1)本发明水力切割滚刀仅作为高压水射流喷射及控制装置，降低了功能复杂性；

(2)本发明水力切割滚刀采用轮辐式设计，轻量化处理降低了滚刀的重量；

(3)本发明高压水射流喷嘴设置了保护机构，可以起到降低喷嘴磨损的作用；

(4)本发明高压水射流喷嘴可以更换，延长了刀具的使用寿命；

(5)本发明水力切割刀具模块为模块化滚刀；本发明水力切割刀具模块导向连接油缸起导向连接作用，不受力；实际工作时，本发明水力切割刀具模块推力油缸施加推力，水力切割刀具模块导向连接油缸伴随同步运动，施加力通过推力弹簧作用到水力切割刀具模块框架上，进而推动本发明水力切割刀具模块；本发明水力切割刀具模块有两种状态，分别为初始状态和滚压状态；当本发明水力切割刀具模块为初始状态时，推力弹簧为不受力状态，仅起连接作用；当本发明水力切割刀具模块为滚压状态时，推力弹簧压缩受力，起到连接和传递力的作用；

(6)本发明当TBM刀盘结构处于初始状态时，所述喷嘴支撑环形带状框架伸出所述TBM刀盘结构的长度大于所述机械滚刀结构伸出所述TBM刀盘结构的长度；当TBM刀盘结构处于工作状态时，所述喷嘴支撑环形带状框架伸出所述TBM刀盘结构的长度与所述机械滚刀结构伸出所述TBM刀盘结构的长度相等；本发明水力切割刀具模块与机械滚刀结构在TBM刀盘结构上为未工作状态时，水力切割刀具模块处于初始不受力状态，喷嘴支撑环形带状框架及高压水射流喷嘴超前TBM刀盘结构平面和机械滚刀模块一定距离；在TBM刀盘结构上为工作状态时，水力切割刀具模块首先接触到岩石掌子面，受到掌子面的反力作用，推力弹簧收缩直至水力切割刀具模块与机械滚刀处于同一平面，即TBM刀盘平面，工作状态下始终保持喷嘴支撑环形带状框架处于受压滚动状态；本发明喷嘴支撑环形带状框架所受力较小，目的是为了保证水力切割刀具模块始终紧贴岩石掌子面进行水刀切割，喷嘴支撑环形带状框架起滚动行走作用，不承受压力；

(7)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。

本发明联合破岩的水力切割滚刀采用轮辐式结构，仅用于高压水射流切割岩石，不用做滚压破碎岩石，轮辐式的设计可以最大限度上减轻整体结构的重量，同时达到较好的水射流喷射效果。

附图说明

图1为本发明联合破岩的水力切割滚刀的侧视剖视结构示意图。

图2为图1的A处放大图。

图3为图2的俯视图。

图4为本发明联合破岩的水力切割滚刀的主视结构示意图。

图5为本发明联合破岩的水力切割滚刀的主视局部透视结构示意图。

图6为本发明高压水射流喷嘴为可变孔径调角喷嘴的结构示意图。

图7为图6的俯视图。

图8为图6调节角度后的结构示意图。

图9为本发明水力切割刀具模块主视结构示意图。

图10为本发明水力切割刀具模块和机械滚刀结构安装在TBM刀盘结构上、且水力切割刀具模块处于初始状态结构示意图。

图11为本发明水力切割刀具模块和机械滚刀结构安装在TBM刀盘结构上、且水力切割刀具模块处于工作状态结构示意图。

图12为水力切割刀具模块和机械滚刀结构在TBM刀盘结构上布置结构示意图。

图13为现有传统机械刀具破岩示意图。

图14为本发明联合破岩的水力切割滚刀破岩示意图。

图15为水力切割刀具模块在掌子面上破岩示意图。

图16为本发明水力-机械联合破岩示意图。

图17为本发明水力-机械联合破岩TBM装置工作结构示意图。

图18为本发明水刀旋转调节部俯视结构示意图。

图19为本发明水刀旋转调节部的高压水管道对接口剖视结构示意图。

图20为本发明可伸缩水管结构示意图。

图21为现有传统机械刀具破岩时贯入度过小、岩石呈欠破碎状态结构示意图。

图22为现有传统机械刀具破岩时贯入度合适、岩石呈最佳破碎状态结构示意图。

图23为现有传统机械刀具破岩时贯入度过大、岩石呈过破碎状态结构示意图。

图24为本发明破岩时联合破岩的水力切割滚刀喷射高压水射流形成水刀切槽的工作结构示意图。

图25为本发明联合破岩的岩石破碎状态结构示意图。

图26为同等贯入度条件下本发明与传统机械破岩的岩石破碎状态结构示意图。

图27为本发明喷嘴喷射效率对比图。

图10中，G表示TBM刀盘结构的平面。图11中，G表示TBM刀盘结构的平面。

图12中，机械滚刀结构和水力切割刀具模块均呈周向安装在TBM刀盘结构上、且均呈间隔布置；水力切割刀具模块安装在相邻二个机械滚刀结构之间、且位于相邻二个机械滚刀结构之间的中心位置。

图13是传统机械滚刀的切割效果示意图；图13中，A表示切削前岩石表面；B表示切削后岩石表面；FN表示推动力；FR表示滚动力；M表示联合破岩的水力切割滚刀转动方向；图13表明传统机械滚刀破岩时既起到切割岩石的作用、又起到压裂岩石的作用；

图14中，A表示切削前岩石表面；B表示切削后岩石表面；FN表示推动力；M表示联合破岩的水力切割滚刀转动方向；T表示水射流冲击力；H表示水刀切槽深度；L表示水刀切槽深度变化趋势曲线；O表示TBM刀盘结构喷射起始点；P表示TBM刀盘结构最低位置点；

T1表示联合破岩的水力切割滚刀上的第一个高压水射流喷嘴；T2表示联合破岩的水力切割滚刀上的第二个高压水射流喷嘴；T3表示联合破岩的水力切割滚刀上的第三个高压水射流喷嘴；T4表示联合破岩的水力切割滚刀上的第四个高压水射流喷嘴；T5表示联合破岩的水力切割滚刀上的第五个高压水射流喷嘴；T6表示联合破岩的水力切割滚刀上的第六个高压水射流喷嘴；

其中，T4、T5和T6处于未喷射状态；T1和T2处于正在喷射状态；T3表示即将喷射状态(T1过了P点，仍然可以向后方喷射，用于加深后方已经切出槽体的深度，即高压水射流喷射的最大角度为刀盘圆心水平线以下的180°范围)。

水射流产生的作用力在距离喷嘴的不同位置作用力的大小不同，距离喷嘴越远，作用力越小；因此，为了切割等深度的水力切槽，需要对水压进行调节，即O点喷嘴(第三个喷嘴)即将开始喷射时，所需水压力最大，刀盘最低位置P点所需水压最小。

图14表明本发明联合破岩的水力切割滚刀不承担压裂岩石的作用，其起到保护高压水管道行走，以及切出水刀切槽的作用。

图15中，M表示联合破岩的水力切割滚刀转动方向；T1表示第一号联合破岩的水力切割滚刀；S1表示第一号联合破岩的水力切割滚刀前方的水力切槽痕迹及方向；T2表示第二号联合破岩的水力切割滚刀；S2表示第二号联合破岩的水力切割滚刀前方的水力切槽痕迹及方向；T3表示第三号联合破岩的水力切割滚刀；S3表示第三号联合破岩的水力切割滚刀前方的水力切槽痕迹及方向；T4表示第四号联合破岩的水力切割滚刀；S4表示第四号联合破岩的水力切割滚刀前方的水力切槽痕迹及方向；T5表示第五号联合破岩的水力切割滚刀；S5表示第五号联合破岩的水力切割滚刀前方的水力切槽痕迹及方向；T6表示第六号联合破岩的水力切割滚刀；S6表示第六号联合破岩的水力切割滚刀前方的水力切槽痕迹及方向。

图16中，M表示联合破岩的水力切割滚刀转动方向；F表示机械滚刀结构轨迹。

图17中，E表示待破岩的掌子面。

图21为岩石贯入度过小状态图；图24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22为岩石贯入度合适状态图；图25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23为岩石贯入度过大状态图；图26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24中，H表示本发明高压水射流喷头结构水射流致裂裂纹。

图25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；M表示现有技术TBM刀盘上的机械滚刀；图25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。

图26中，M表示现有技术TBM刀盘上的机械滚刀；图26中，左侧的图是采用现有技术机械滚刀破岩，岩石贯入度过小状态的示意图；右侧的图是采用本发明方法破岩，岩石破碎状态的示意图。图中1-水力切割刀具模块框架,2-推力弹簧结构,3-水力切割刀具模块推力油缸,4-水力切割刀具模块导向连接油缸，5-固定座,6-联合破岩的水力切割滚刀，6.1-刀具中轴,6.2-高压水注水孔,6.3-高压水射流通道,6.4-保护刚性套筒结构,6.5-高压水射流喷嘴,6.51-喷嘴主体，6.52-调角旋钮，6.53-调角控制器，6.6-喷嘴支撑环形带状框架,6.7-高压水射流分流结构，6.8-加强结构，6.9-高压水转向计时控制阀，6.10-高压水射流喷嘴保护结构，7-水力切割刀具模块,9-机械滚刀结构，11-水刀旋转调节部，11.1-高压水管道对接口，11.11-高压水管道对接口前端模块，11.12-高压水管道对接口后端模块，11.2-水刀旋转调节部圆盘，12-旋转驱动，13-推进油缸，14-后支撑，15-可伸缩水管，16-水仓，17-外机架，18-护盾，19-油压缸，20-外机架上撑靴，21-铲斗，22-皮带输送机，23-TBM刀盘结构，24-连通管道，25-水力-机械联合破岩TBM装置，26-水刀切槽。

从图21至图23可以看出：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；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；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，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，造成了能耗的增加和刀具磨碎；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。

从图24-图25可以看出：利用本发明水力-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，相连滚刀之间的裂隙交汇；在相邻滚刀之间的岩块被切削成椭圆形或板形岩石渣片。

从图26可以看出：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，而采用本发明水力喷嘴-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；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。

图27表示本发明喷嘴喷出的高压水利用效率对比图；其中，L表示射流核心段；M表示过渡段；A表示初始段；B表示基本段；

现有技术的TBM刀盘高压水射流喷嘴与机械滚刀在刀盘上的简单叠加组合方式，高压水射流喷嘴安装在TBM刀盘平面上，由于和岩石掌子面之间存在半个机械滚刀刀身的距离，致使高压水射流在到达岩石掌子面之前的距离较大，水射流降压明显，高压水射流在初始段，即有效射流段的距离较小，造成了能量消耗；

本发明采用的水力切割刀具模块可以通过高压水切割刀具伴随滚动轮像机械滚刀一样在掌子面上滚动，且高压水射流通道的喷嘴在刀具滚动过程中可以紧贴掌子面，能够更有效的切割岩石掌子面，到达提高破岩效率，降低破岩能耗的目的。

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：水力切割刀具模块，包括水力切割刀具模块框架1、推力弹簧结构2、水力切割刀具模块推力油缸3、水力切割刀具模块导向连接油缸4、固定座5和所述的联合破岩的水力切割滚刀6；

所述水力切割刀具模块推力油缸3和所述水力切割刀具模块导向连接油缸4的固定端均固定于所述固定座5上；

所述推力弹簧结构2位于所述水力切割刀具模块框架1内；

所述水力切割刀具模块推力油缸3的位于所述推力弹簧结构2上端；

所述联合破岩的水力切割滚刀6固定于所述水力切割刀具模块框架1下端(如图9所示)；水力切割刀具模块在TBM刀盘上为未工作状态时，水力切割刀具模块处于初始不受力状态，喷嘴支撑环形带状框架6.6及高压水管道喷嘴超前TBM刀盘平面和机械滚刀模块一定距离；水力切割刀具模块在TBM刀盘上为工作状态时，水力切割刀具模块首先接触到岩石掌子面，受到掌子面的反力作用，推力弹簧收缩直至水力切割刀具模块与机械滚刀结构处于同一平面，即TBM刀盘平面，工作状态下水力切割刀具模块始终保持喷嘴支撑环形带状框架6.6处于受压滚动状态；喷嘴支撑环形带状框架6.6所受力较小，目的是为了保证水力切割刀具模块始终紧贴岩石掌子面进行水刀切割，喷嘴支撑环形带状框架6.6转动带动高压水射流喷嘴运动；

联合破岩的水力切割滚刀6呈轮辐式结构(如图4、图10、图11所示)；轻量化处理降低了滚刀的重量。

进一步地，所述水力切割刀具模块导向连接油缸4有二个；二个所述水力切割刀具模块导向连接油缸4呈间隔布置；水力切割刀具模块导向连接油缸起导向连接作用，不受力；在实际工作时，水力切割刀具模块推力油缸施加推力，水力切割刀具模块导向连接油缸伴随同步运动，施加力通过推力弹簧作用到水力切割刀具模块框架上，进而推动水力切割刀具模块；

所述水力切割刀具模块推力油缸3位于二个所述水力切割刀具模块导向连接油缸4之间；

所述水力切割刀具模块推力油缸3和所述水力切割刀具模块导向连接油缸4的固定端均固定于所述固定座5上；

所述水力切割刀具模块推力油缸3的伸缩端与所述推力弹簧结构2的上板固定连接；水力切割刀具模块推力油缸为整个机构的推动装置，可以施加推力使高压水切割刀具伴随滚动轮受力；推力弹簧为所述水力切割刀具模块推力油缸和水力切割刀具模块框架的连接机构，所述水力切割刀具模块推力油缸施加推力通过推力弹簧变形传递；

所述推力弹簧结构2的下板固定在所述水力切割刀具模块框架1的两侧壁中部；水力切割刀具模块有两种状态，分别为初始状态和滚压状态；在水力切割刀具模块为初始状态时，推力弹簧为不受力状态，仅起连接作用；在水力切割刀具模块为滚压状态是，推力弹簧压缩受力，起到连接和传递力的作用，水力切割刀具模块推力油缸的施加推力通过推力弹簧作用到水力切割刀具模块框架上，进而推动水力切割刀具模块；

所述水力切割刀具模块导向连接油缸4的伸缩端固定于所述水力切割刀具模块框架1两侧壁上端，水力切割刀具模块导向连接油缸4起导向连接作用，不受力。

进一步地，所述刀具中轴6.1两端分别固定于所述水力切割刀具模块框架1两侧壁下端；高压水注水孔2通过位于水力切割刀具模块框架1侧壁上的高压水管道外接口进水(如图9、图10、图11所示)。

参阅附图可知：水力-机械联合破岩TBM装置，包括旋转驱动12，推进油缸13，后支撑14，外机架17，护盾18，油压缸19，外机架上撑靴20，铲斗21、皮带输送机22和TBM刀盘结构23；

所述TBM刀盘结构23安装在所述旋转驱动12前端、且位于所述外机架17前侧；所述外机架17位于所述旋转驱动12外侧；所述护盾18位于所述外机架17侧方、且与所述外机架17通过所述油压缸19连接；所述外机架上撑靴20位于所述外机架17后方、且与所述外机架17通过所述推进油缸13连接；所述后支撑14位于所述外机架上撑靴20后方；所述皮带输送机22位于所述外机架17内侧，所述铲斗21位于所述皮带输送机22前端、且位于所述外机架17前端；有机械滚刀结构9和所述的水力切割刀具模块7均呈周向安装在所述TBM刀盘结构23上、且均呈间隔布置；

所述水力切割刀具模块7安装在相邻二个所述机械滚刀结构9之间、且位于相邻二个所述机械滚刀结构9之间的中心位置(如图12、图17所示)；保证水力切割刀具模块7的贯入效果为最佳；水力切割刀具模块及其内置高压水射流喷嘴工作时水射流可以依照程序设置，通过设置的高压水射流通道阀门控制预先或同步机械滚刀结构工作，起到联合破岩的目的；

旋转驱动位于所述联合破岩TBM刀盘之后，所述推进油缸位于TBM机架外，位于外机架之后，用于推进TBM；所述旋转调节部位于所述旋转驱动前部，可以随所述旋转驱动装置同步旋转；所述联合破岩TBM工作系统包括传动箱体、液压进给系统；所述旋转驱动内装有电机、扭矩转速传感器、减速器，该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，液压进给系统包括推进油缸，所述推进油缸与推力杆铰接，并连接压力传感器，实现进刀和退刀。

当TBM刀盘结构23处于初始状态时，所述喷嘴支撑环形带状框架6.6伸出所述TBM刀盘结构23的长度大于所述机械滚刀结构9伸出所述TBM刀盘结构23的长度；

当TBM刀盘结构23处于工作状态时，所述喷嘴支撑环形带状框架6.6伸出所述TBM刀盘结构23的长度与所述机械滚刀结构9伸出所述TBM刀盘结构23的长度相等；本发明水力切割刀具模块与机械滚刀结构在TBM刀盘结构23上为未工作状态时，水力切割刀具模块处于初始不受力状态，喷嘴支撑环形带状框架6.6及高压水射流喷嘴6.5超前TBM刀盘结构23平面和机械滚刀模块9一定距离；在TBM刀盘结构23上为工作状态时，水力切割刀具模块首先接触到岩石掌子面，受到掌子面的反力作用，推力弹簧收缩直至水力切割刀具模块与机械滚刀处于同一平面，即TBM刀盘平面，工作状态下始终保持喷嘴支撑环形带状框架6.6处于受压滚动状态；本发明喷嘴支撑环形带状框架6.6所受力较小，目的是为了保证水力切割刀具模块始终紧贴岩石掌子面进行水刀切割，喷嘴支撑环形带状框架6.6起滚动作用，不对岩石施加压力，仅有部分自重力和水力喷射时贴紧岩石表面承担的反力。

进一步地，还包括水刀旋转调节部11，可伸缩水管15和水仓16；

所述水刀旋转调节部11位于所述旋转驱动12的前部、且与所述旋转驱动12共轴；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；TBM的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，位于旋转驱动的前部，与旋转驱动共轴；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；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；

所述水仓16位于所述后支撑14后方；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；

所述可伸缩水管15一端与所述水刀旋转调节部11连通、另一端与所述水仓16连通(如图17、图20所示)；可伸缩水管可以随着TBM的掘进，自由调节水管长度，满足工作需求；所述高压水管道外接口通过连通管道24与所述水刀旋转调节部11连通。

进一步地，所述水刀旋转调节部11包括高压水管道对接口11.1和水刀旋转调节部圆盘11.2；所述高压水管道对接口11.1位于所述水刀旋转调节部圆盘11.2上；所述高压水管道对接口11.1与所述高压水管道外接口一一对应；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，所述水刀旋转调节部圆盘可以与TBM滚刀同步旋转；可以保证高压水旋转和进水的同步实现；

所述高压水管道对接口11.1包括高压水管道对接口前端模块11.11和高压水管道对接口后端模块11.12；所述高压水管道外接口通过连通管道24与所述高压水管道对接口前端模块11.11连通、且与所述边刀高压水射流管道10.2连通；

所述可伸缩水管15一端与所述水仓16连通、另一端与所述高压水管道对接口后端模块11.12连通(如图17、图18、图19所示)；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，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，进一步，所述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。

联合破岩的水力切割滚刀6包括刀具中轴6.1，高压水注水孔6.2、高压水射流通道6.3，保护刚性套筒结构6.4、高压水射流喷嘴6.5、喷嘴支撑环形带状框架6.6；所述高压水注水孔6.2位于所述刀具中轴6.1内、且位于所述刀具中轴6.1中心；所述刀具中轴为所述水力切割滚刀的中心轴承，所述水力切割滚刀可以以所述刀具中轴为轴心滚刀；所述高压水注水孔位于所述刀具中轴中心处，与所述刀具中轴同心；

所述保护刚性套筒结构6.4套在所述高压水射流通道6.3外周；所述高压水射流通道保护刚性套筒结构位于高压水射流通道外侧，起保护所述高压水射流通道以及支撑所述高压水射流喷嘴支撑环形带状框架的作用；

所述保护刚性套筒结构6.4和所述高压水射流通道6.3垂直穿过所述刀具中轴6.1；所述高压水射流通道6.3一端与所述高压水注水孔6.2连通，另一端沿所述喷嘴支撑环形带状框架6.6径向分布、且位于所述喷嘴支撑环形带状框架6.6上；高压水射流通道6.3以高压水注水孔6.2为中心、向喷嘴支撑环形带状框架6.6上辐射，构成轮辐式结构；所述高压水射流喷嘴6.5与所述高压水射流通道6.3连通、且位于所述喷嘴支撑环形带状框架6.6上(如图1、图2、图3、图4、图5所示)。

进一步地，有高压水射流分流结构6.7位于所述高压水注水孔6.2与所述高压水射流通道6.3的交汇处、且位于所述喷嘴支撑环形带状框架6.6的中心(如图1、图5所示)；高压水射流分流结构6.7具有分流作用；有加强结构6.8位于所述高压水射流分流结构6.7上(如图1、图5所示)；加强结构6.8起到加强保护的作用；有高压水转向计时控制阀6.9设于所述高压水射流通道6.3上、且位于所述保护刚性套筒结构6.4上；所述高压水转向计时控制阀6.9位于所述喷嘴支撑环形带状框架6.6内(如图1、图4、图5所示)；高压水转向计时控制阀6.9用以控制高压水射流通道6.3的开闭，高压水转向计时控制阀6.9数目与高压水射流通道6.3一致；高压水转向计时控制阀6.9通过TBM刀盘的扭矩设置，根据水力切割滚刀在刀盘上的布置位置，计算水力切割滚刀的滚动速度并计时，用以控制高压水射流通道6.3的开闭。

进一步地，所述喷嘴支撑环形带状框架6.6为环形带状结构；可以实现所述水力切割滚刀的滚动，同时用来安装所述高压水射流喷嘴；有高压水射流喷嘴保护结构6.10设于所述高压水射流喷嘴6.5上、且位于所述喷嘴支撑环形带状框架6.6上(如图1、图4、图5所示)；高压水射流喷嘴保护结构6.10用于保护高压水射流喷嘴6.5，防止高压水射流喷嘴6.5磨损。

进一步地，所述高压水射流通道6.3有多条；高压水射流通道6.3的数目根据实际破岩需求设定；水力切割滚刀具有多个高压水射流通道6.3，可以通过设定一定得程序，通过高压水转向计时控制阀6.9和高压水射流喷嘴6.5上的调角控制器6.53的控制，水力切割滚刀具6的高压水在旋转切割的过程中，具有切深水槽和拓宽水槽的功能。

进一步地，所述高压水射流通道6.3有六条(如图4、图5所示)。

进一步地，所述高压水射流喷嘴6.5为可变孔径调角喷嘴；所述高压水射流喷嘴6.5包括喷嘴主体6.51、调角旋钮6.52和调角控制器6.53；所述喷嘴主体6.51与所述高压水射流通道6.3连通、且位于所述喷嘴支撑环形带状框架6.6上；所述调角控制器6.53设于所述喷嘴主体6.51上端、且位于所述喷嘴主体6.51与所述高压水射流通道6.3的连接处；

所述调角旋钮6.52设于所述调角控制器6.53上(如图6、图7、图8所示)；喷嘴主体6.51为现有技术；可变孔径调角喷嘴上的调角旋钮6.52可以通过调角控制器6.53的控制改变喷嘴主体6.51的孔径大小，用以完成对高压水射流喷出水压的调节控制；水射流管道喷嘴孔径越小，输出水压越大；

在联合破岩的水力切割滚刀的旋转前进方向，第一个高压水射流喷嘴负责起裂岩石，起裂一段时间后，调角控制器通过调角旋钮调整高压水射流喷嘴的孔径大小，调小高压水射流喷嘴的孔径，使高压水射流增压，促使切槽深度增加；同理，所有的高压水射流通道在旋转过程中可以计时调整孔径大小，实现岩石掌子面切槽深度增加的目的。

参阅附图可知：所述的联合破岩的水力切割滚刀的破岩方法，包括如下步骤，

步骤一：高压水注水孔6.2为外界高压水的注水通道，外界高压水接入高压水注水孔6.2后，通过高压水注水孔6.2进入高压水射流分流结构6.7；

步骤二：高压水射流分流结构6.7连接各个高压水射流通道6.3；进入压水射流分流结构6.7的高压水进一步进入各个高压水射流通道6.3；

步骤三：高压水转向计时控制阀6.9控制高压水的水射流破岩；

高压水转向计时控制阀6.9通过TBM刀盘的扭矩设置，根据水力切割滚刀在刀盘上的布置位置，计算所述水力切割滚刀的滚动速度并计时，用以控制高压水射流通道6.3的开闭；

当高压水转向计时控制阀6.9计算到对应高压水射流通道6.3应当喷射高压水的对应时间，则高压水转向计时控制阀6.9开启，对应高压水射流通道6.3喷射高压水破岩；

当高压水转向计时控制阀6.9计算到对应高压水射流通道6.3达到喷射高压水的持续喷射时间，则高压水转向计时控制阀6.9关闭，对应高压水射流通道6.3停止喷射高压水(如图1、图4、图5、图14所示)；保证高压水射流破岩效果，节约运行成本。

参阅附图可知：水力-机械联合破岩方法，其特征在于：包括所述的水力-机械联合破岩TBM装置25；

步骤一：将TBM刀盘结构23对准待开挖洞时位置(即：掌子面掌子面)；

步骤二：固定外机架17，启动水力-机械联合破岩TBM装置25，使水力-机械联合破岩TBM装置25向前掘进一个行程；

外机架上撑靴20撑紧围岩洞壁，固定水力-机械联合破岩TBM装置25的机架；

TBM刀盘结构23由旋转驱动12驱动旋转，推进油缸13向TBM刀盘结构23施加推力，TBM被慢慢推出，向前掘进，后支撑14提供支撑；

水力切割刀具模块7和机械滚刀结构9自身旋转的同时随TBM刀盘结构23旋转，同步破碎岩体；

破碎岩体产生的岩渣由铲斗21铲入皮带输送机22，最后运至机后卸载；推进油缸13伸长一个行程，TBM刀盘结构23及与TBM刀盘结构23连接的构件相应向前移动一个行程；

步骤三：重复步骤一至步骤二，开始下一个行程作业，直至掘进到指定距离，即完成洞时开挖(如图15、图16、图17所示)；联合破岩TBM用以隧洞开挖，该TBM工作时，由工人将机械滚刀刀具和高压水力切割刀具模块安装到联合破岩TBM刀盘上，该TBM刀盘上配有的刀具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；旋转驱动控制联合破岩TBM刀盘旋转，推进油缸推进TBM刀盘向前掘进；掘进过程中，外机架上撑靴用于撑紧围岩洞壁，固定TBM机架，后支撑用于支撑联合破岩TBM，方便掘进；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。

在上述掘进过程中，TBM刀盘后方支护系统通过锚喷支护等工艺将隧道管片与周围岩体紧密结合，形成完整的支护体系，避免岩体失稳破坏，保障支护的系统性。

进一步地，在步骤二中，水力切割刀具模块7和所述机械滚刀结构9同步破岩，具体如下：

所述高压水射流喷嘴6.5水力致裂岩石、产生水刀切槽26；

所述机械滚刀结构9在水刀切槽26两侧的掌子面岩石上方滚压，使岩渣崩落(如图14、图15、图16所示)。

进一步地，在步骤二中，联合破岩的水力切割滚刀6破岩时，所述喷嘴支撑环形带状框架6.6在所述水力切割刀具模块推力油缸3、所述推力弹簧结构2和所述水力切割刀具模块框架1的作用下抵在掌子面掌子面上、且在掌子面掌子面上滚动，带动高压水射流喷嘴6.5运动，高压水射流喷嘴6.5喷射高压水射流至掌子面掌子面上，形成所述水刀切槽26(如图14、图15、图16、图17所示)。

所述机械滚刀结构9和所述的水力切割刀具模块7均为现有技术。

为了能够更加清楚的说明本发明所述的水力切割刀具模块及水力-机械联合破岩TBM装置及方法与现有技术的机械滚刀及其TBM装置及其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，本发明所述的水力切割刀具模块及水力-机械联合破岩TBM装置及方法与现有技术的机械滚刀及其TBM装置及其破岩方法相比，能够提高破岩效率，减少破岩能耗，降低机械磨损，提高工程进度，降低工程成本。

其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (10)

1.水力切割刀具模块，其特征在于：包括水力切割刀具模块框架(1)、推力弹簧结构(2)、水力切割刀具模块推力油缸(3)和联合破岩的水力切割滚刀(6)；所述推力弹簧结构(2)位于所述水力切割刀具模块框架(1)内；所述水力切割刀具模块推力油缸(3)位于所述推力弹簧结构(2)上端；所述联合破岩的水力切割滚刀(6)固定于所述水力切割刀具模块框架(1)下端；所述联合破岩的水力切割滚刀(6)呈轮辐式结构。

2.根据权利要求1所述的水力切割刀具模块，其特征在于：所述喷嘴支撑环形带状框架(6.6)为环形带状结构。

3.根据权利要求1所述的水力切割刀具模块，其特征在于：所述联合破岩的水力切割滚刀(6)包括刀具中轴(6.1)，高压水注水孔(6.2)、高压水射流通道(6.3)和喷嘴支撑环形带状框架(6.6)；

所述高压水注水孔(6.2)位于所述刀具中轴(6.1)内；所述高压水射流通道(6.3)与所述刀具中轴(1)呈垂直设置；所述高压水射流通道(6.3)一端与所述高压水注水孔(6.2)连通，另一端沿所述喷嘴支撑环形带状框架(6.6)径向分布、且位于所述喷嘴支撑环形带状框架(6.6)上；所述高压水射流通道(6.3)有多条。

4.根据权利要求3所述的水力切割刀具模块，其特征在于：所述联合破岩的水力切割滚刀(6)还包括保护刚性套筒结构(6.4)和高压水射流喷嘴(6.5)；所述保护刚性套筒结构(6.4)套在所述高压水射流通道(6.3)外周；所述保护刚性套筒结构(6.4)与所述刀具中轴(1)呈垂直设置；所述高压水射流喷嘴(6.5)与所述高压水射流通道(6.3)连通、且位于所述喷嘴支撑环形带状框架(6.6)上。

5.根据权利要求3所述的水力切割刀具模块，其特征在于：有高压水射流分流结构(6.7)位于所述高压水注水孔(6.2)与所述高压水射流通道(6.3)的交汇处、且位于所述喷嘴支撑环形带状框架(6.6)的中心。

6.根据权利要求1所述的水力切割刀具模块，其特征在于：所述水力切割刀具模块推力油缸(3)的伸缩端与所述推力弹簧结构(2)的上板固定连接；

所述推力弹簧结构(2)的下板固定在所述水力切割刀具模块框架(1)的侧壁中部。

7.水力-机械联合破岩TBM装置，包括旋转驱动(12)，推进油缸(13)，外机架(17)，油压缸(19)，外机架上撑靴(20)和TBM刀盘结构(23)；所述TBM刀盘结构(23)安装在所述旋转驱动(12)前端、且位于所述外机架(17)前侧；所述外机架(17)位于所述旋转驱动(12)外侧；所述外机架上撑靴(20)位于所述外机架(17)后方、且与所述外机架(17)通过所述推进油缸(13)连接；其特征在于：有机械滚刀结构(9)和权利要求1-6中任一权利要求所述的水力切割刀具模块(7)均呈周向安装在所述TBM刀盘结构(23)上、且均呈间隔布置；所述水力切割刀具模块(7)安装在相邻二个所述机械滚刀结构(9)之间、且位于相邻二个所述机械滚刀结构(9)之间的中心位置。

8.根据权利要求7所述的水力-机械联合破岩TBM装置，其特征在于：还包括水刀旋转调节部(11)，可伸缩水管(15)，水仓(16)，后支撑(14)，护盾(18)，铲斗(21)和皮带输送机(22)；所述水刀旋转调节部(11)位于所述旋转驱动(12)的前部、且与所述旋转驱动(12)共轴；所述水仓(16)位于所述后支撑(14)后方；所述可伸缩水管(15)一端与所述水刀旋转调节部(11)连通、另一端与所述水仓(16)连通；所述高压水管道外接口通过连通管道(24)与所述水刀旋转调节部(11)连通；

所述护盾(18)位于所述外机架(17)侧方、且与所述外机架(17)通过所述油压缸(19)连接；所述后支撑(14)位于所述外机架上撑靴(20)后方；所述皮带输送机(22)位于所述外机架(17)内侧，所述铲斗(21)位于所述皮带输送机(22)前端、且位于所述外机架(17)前端。

9.根据权利要求8中所述的水力-机械联合破岩TBM装置的破岩方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：将TBM刀盘结构(23)对准待开挖洞时位置；

步骤二：固定外机架(17)，启动水力-机械联合破岩TBM装置(25)，使水力-机械联合破岩TBM装置(25)向前掘进一个行程；外机架上撑靴(20)撑紧围岩洞壁，固定水力-机械联合破岩TBM装置(25)的机架；TBM刀盘结构(23)由旋转驱动(12)驱动旋转，推进油缸(13)向TBM刀盘结构(23)施加推力，TBM被推出，向前掘进，后支撑(14)提供支撑；

水力切割刀具模块(7)和机械滚刀结构(9)自身旋转的同时随TBM刀盘结构(23)旋转，同步破碎岩体；破碎岩体产生的岩渣由铲斗(21)铲入皮带输送机(22)，最后运至机后卸载；推进油缸(13)伸长一个行程，TBM刀盘结构(23)及与TBM刀盘结构(23)连接的构件相应向前移动一个行程；

步骤三：重复步骤一至步骤二，开始下一个行程作业，直至掘进到指定距离，即完成洞时开挖。

10.根据权利要求9所述的水力-机械联合破岩方法，其特征在于：步骤二中，水力切割刀具模块(7)和机械滚刀结构(9)同步破岩，具体如下：联合破岩的水力切割滚刀(6)破岩时，所述喷嘴支撑环形带状框架(6.6)在所述水力切割刀具模块推力油缸(3)、所述推力弹簧结构(2)和所述水力切割刀具模块框架(1)的作用下抵在掌子面上、且在掌子面上滚动，带动高压水射流喷嘴(6.5)运动，高压水射流喷嘴(6.5)喷射高压水射流至掌子面上，形成所述水刀切槽(26)；

机械滚刀结构(9)在水刀切槽(26)两侧的掌子面岩石上滚压，使岩渣崩落。

Images