CN110924971A - 一种空化射流辅助破岩的tbm刀盘及破岩方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空化射流辅助破岩的TBM刀盘及破岩方法，以提高TBM刀盘破岩效率。本发明包括刀盘本体，刀盘本体上设有中心滚刀和正滚刀，还包括空化射流机构，空化射流机构的空化射流喷头设置在刀盘本体上且与中心滚刀和正滚刀相对应。所述空化射流机构包括空化射流喷头和空化装置，空化射流喷头垂直设置在刀盘本体的前面板上，且空化射流喷头通过高压水管道与空化装置相连接。本发明在常规刀盘上增加了用于辅助切削硬岩的空化射流破岩装置；通过对空化射流喷头与滚刀的配合，利用空化射流对极硬岩有较强的破坏性，能削弱岩石的各项性能，对岩石进行双重破碎，提高刀盘的破岩效率。

Description

一种空化射流辅助破岩的TBM刀盘及破岩方法

技术领域

本发明涉及极硬岩钻掘施工技术领域，特别是指一种空化射流辅助破岩的TBM刀盘及破岩方法。

背景技术

近年来，随着高速铁路、城市地铁、矿山开采等大型工程的快速发展，越来越多的隧道正在被规划和建设，在硬岩隧道掘进中众多安全可靠的TBM得到了广泛的应用。相对于传统的人工钻爆发而言，这种掘进方法在安全性以及掘进速度上有了很大的提升。但是在掘进过程中，如果遇到极硬岩地段，刀具就会受到剧烈的磨损损坏，掘进速度也因此受到影响而大幅度降低。在这种情况下，众多的刀具在掘进较短的距离时就受到了损坏而不得不进行换刀作业，过于频繁的TBM换刀操作不仅会使隧道掘进成本极大的增加，而且隧道施工工期也不能得到很好的保证。

从19世纪后半叶在螺旋桨叶片上发现空化现象以来，空化理论及应用已经有了很大发展，并且所涉及的领域也越来越多。其中空化射流是一种比较典型的利用空化效应的高效射流，空化是一种复杂的可压缩流体动力学现象，一般认为水在高速运动过程中，当某处的局部压力低于该处饱和蒸汽压时，溶于水中的空气会逸出，水自身也会气化，形成许多空泡，这些空泡到达高压区时发生崩溃，同时产生高温高压以及微射、流压缩波等，对附近固体表面的破坏性极大。

但是空化辅助破岩属于新型的破岩技术，如何通过空化射流提高刀盘破岩效率，是众多设计工作者的研究重点。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种空化射流辅助破岩的TBM刀盘及破岩方法，以提高TBM刀盘破岩效率。

本发明的技术方案是这样实现的：一种空化射流辅助破岩的TBM刀盘，包括刀盘本体，刀盘本体上设有中心滚刀和正滚刀，还包括空化射流机构，空化射流机构的空化射流喷头设置在刀盘本体上且与中心滚刀和正滚刀相对应。

所述空化射流机构包括空化射流喷头和空化装置，空化射流喷头垂直设置在刀盘本体的前面板上，且空化射流喷头通过高压水管道与空化装置相连接。

所述空化射流喷头内径分为上游段、突变段和下游段，上游段的内径为d1，突变段的内径为d2，下游段的内径为d3，d1≥（1.1~1.5）×d3；d3≥（3~8）×d2。

所述与中心滚刀对应的空化射流喷头沿中心滚刀反向转动的方向设置在设置在中心滚刀后方；与正滚刀对应的空化射流喷头沿正滚刀反向转动的方向设置在设置在正滚刀后方，且位于径向相邻两个正滚刀刀刃运动轨迹之间。

所述刀盘本体的前面板上设有螺纹孔，空化射流喷头为阶梯形喷嘴，阶梯形喷嘴的中间阶梯台设有外螺纹，空化射流喷头上的外螺纹与螺纹孔螺纹配合。

所述空化射流喷头伸出刀盘本体前面板且低于相对应的中心滚刀或正滚刀刀刃最高点。所述所述空化射流喷头伸出刀盘本体前面板的距离为50mm~140mm。

一种空化射流辅助破岩的TBM刀盘的破岩方法，具体如下：

S1：在TBM刀盘旋转作业时，中心滚刀和正滚刀转动形成多个同心圆切削轨迹，水射流通过回转接头输送到刀盘区域，经高压水管道流入空化射流喷头；

S2：同一同心圆切削轨迹上的位于运动方向前侧的空化射流喷头喷出空化射流，对硬岩表面进行冲蚀，降低岩石的各项性能；

S3：在空化射流对硬岩表面造成一定的冲蚀后，中心滚刀和正滚刀进行滚刀破岩，形成对岩体的主要破坏；

S4：在滚刀破岩后，同一同心圆切削轨迹上的位于运动方向后侧的空化射流喷头喷出空化射流，对滚刀挤压后岩体产生的裂纹进行扩展破岩，同时将岩石碎屑冲走，完成TBM刀盘的空化射流辅助破岩。

在步骤S2和S4中喷出空化射流过程如下：

S2.1：流入空化射流喷头的高压水射流，在经过空化射流喷头内部突变段时，由于截面缩小导致流体在截面段的压力降低，降压值小于环境的饱和蒸汽压，收缩段局部产生了空化，产生小气泡，并形成气液两相的运动，使得空化射流喷头内整体液体的流动连续被扰乱；

S2.2：空化后的水射流进入空化射流喷头的下游段中，前面形成的小气泡随流体进入下游段长大成大气泡，在空化射流喷头边缘处随流体射出；

S2.3：在空化射流到达硬岩表面时，大气泡处于高压区，大气泡的内外压力失衡，大气泡被外界压力挤压，瞬间收缩溃灭，溃灭时产生能量高度集中的冲击力对硬岩表面进行破坏，完成喷出空化射流喷出。

本发明在常规刀盘上增加了用于辅助切削硬岩的空化射流破岩装置；通过对空化射流喷头与滚刀的配合，利用空化射流对极硬岩有较强的破坏性，能削弱岩石的各项性能，对岩石进行双重破碎，提高刀盘的破岩效率。本发明空化射流喷头相对滚刀位置的设置，使空化射流作用在滚刀破岩处的最佳破碎位置，进行空化射流破岩-滚刀破岩-空化射流破岩这一循环破岩动作，充分将空化射流腐蚀岩石的特性和滚刀破岩结合起来，实现最小输出情况下的最佳破岩，同时降低了滚刀和空化射流喷头的磨损量，具有较高的推广价值。

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为本发明整体结构示意图。

图2为空化射流喷头安装状态示意图。

图3为本发明空化射流喷头与正滚刀位置布置示意图。

图4为空化射流喷头喷射状态示意图。

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。

如图1所示，实施例1，一种空化射流辅助破岩的TBM刀盘，包括刀盘本体1，刀盘本体1上设有中心滚刀2和正滚刀3，中心滚刀2设置在刀盘本体的中心位置，正滚刀3设置在刀盘本体的前正面上，中心滚刀2和正滚刀3与常规TBM刀盘相似即均设置在刀盘本体的前面板上。刀盘本体1上设有空化射流机构，空化射流机构设置在刀盘本体1上且与中心滚刀2和正滚刀3相对应。即空化射流机构的空化射流喷头4与中心滚刀2和正滚刀3一一对应，实现机械破岩与高压水空化射流配合工作破岩，提高TBM破岩效率。

进一步，所述空化射流机构包括空化射流喷头4和空化装置，空化装置设置在后配套拖车或台车上，空化射流喷头4垂直设置在刀盘本体1的前面板上，且空化射流喷头4通过高压水管道与空化装置相连接。空化装置采用现有的空化发生装置，即高压水系统，高压水系统将高压水经高压水管道运至空化射流喷头，空化射流喷头内后部的局部压力低于出口处饱和蒸汽压，溶于水中的空气会逸出，水自身也会气化，形成许多空泡，这些空泡到达高压区时发生崩溃，同时产生高温高压以及微射、流压缩波等，对附近掌子面进行破碎。所述刀盘本体1的前面板上设有螺纹孔5，空化射流喷头4为阶梯形喷嘴，即空化射流喷头的外壁为一体成型的三段不同直经的圆柱，阶梯形喷嘴的中间阶梯台设有外螺纹，空化射流喷头4上的外螺纹与螺纹孔5螺纹配合，用于固定空化射流喷头4的同时便于与后方空化装置相连接，同时便于空化射流喷头损坏后的快速更换。

进一步，如图2所示，所述空化射流喷头4内径分为上游段401、突变段402和下游段403，上游段401的内径为d1，突变段402的内径为d2，下游段403的内径为d3，d1≥（1.1~1.5）×d3；d3≥（3~8）×d2。优选地，（补充）d1=，d2=，d3=

如图3所示，实施例2，一种空化射流辅助破岩的TBM刀盘，所述与中心滚刀2对应的空化射流喷头4沿中心滚刀2反向转动的方向设置在设置在中心滚刀2后方；与正滚刀3对应的空化射流喷头4沿正滚刀3反向转动的方向设置在设置在正滚刀3后方，且位于径向相邻两个正滚刀3刀刃运动轨迹之间。即在刀盘转动过程中，中心滚刀2、正滚刀3形成多个同心圆轨迹，空化射流喷头4设置在这些轨迹圆之间，但位于滚刀的后方，使相对应的滚刀先进行机械破岩，然后空化射流喷头再对滚刀开挖的痕迹进行空化射流，实现位于运动前方的空化射流喷头先进行空化射流侵蚀，位于运动后方的滚刀进行机械破岩，同时运动后方滚刀后的空化射流喷头再进行空化射流侵蚀，加速岩石破裂，空化射流喷头设置在滚刀运动方向的后方，可以保证喷头不会和岩面碰撞摩擦，用于保护空化射流喷头。

进一步，所述空化射流喷头4伸出刀盘本体1前面板且低于相对应的中心滚刀2或正滚刀3刀刃最高点。空化射流喷头伸出刀盘适当的距离，且空化射流喷头的高度低于滚刀的高度。空化射流喷头伸出刀盘是为了保证空化射流到达岩面时压力足够，喷头的高度比滚刀的高度低是为了保护喷头，防止喷头与岩面接触损坏喷头，并减少岩石碎块崩裂时对喷头造成的伤害。所述所述空化射流喷头4伸出刀盘本体1前面板的距离为50mm~140mm，具体数值根据刀盘情况和滚刀安装情况而定，以能满足空化射流破岩为准。

实施例3，如图4所示，一种空化射流辅助破岩的TBM刀盘的破岩方法，具体如下：

S1：在TBM刀盘旋转作业时，中心滚刀2和正滚刀3转动形成多个同心圆切削轨迹，水射流通过回转接头输送到刀盘区域，经高压水管道流入空化射流喷头；

S2：同一同心圆切削轨迹上的位于运动方向前侧的空化射流喷头喷出空化射流，对硬岩表面进行冲蚀，降低岩石的各项性能；

S3：在空化射流对硬岩表面造成一定的冲蚀后，中心滚刀2和正滚刀3进行滚刀破岩，形成对岩体的主要破坏；

S4：在滚刀破岩后，同一同心圆切削轨迹上的位于运动方向后侧的空化射流喷头喷出空化射流，对滚刀挤压后岩体产生的裂纹进行扩展破岩，同时将岩石碎屑冲走，完成TBM刀盘的空化射流辅助破岩。

在步骤S2和S4中喷出空化射流过程如下：

S2.1：流入空化射流喷头的高压水射流，在经过空化射流喷头内部突变段时，由于截面缩小导致流体在截面段的压力降低，降压值Pc小于环境的饱和蒸汽压Pv，收缩段局部产生了空化，产生小气泡，并形成气液两相的运动，使得空化射流喷头内整体液体的流动连续被扰乱；

S2.2：空化后的水射流进入空化射流喷头的下游段中，前面形成的小气泡随流体进入下游段长大成大气泡，在空化射流喷头边缘处随流体射出；

S2.3：在空化射流到达硬岩表面时，大气泡处于高压区，大气泡的内外压力失衡，大气泡被外界压力挤压，瞬间收缩溃灭，溃灭时产生能量高度集中的冲击力对硬岩表面进行破坏，完成喷出空化射流喷出。

其他结构与实施例2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 (9)

1.一种空化射流辅助破岩的TBM刀盘，包括刀盘本体（1），刀盘本体（1）上设有中心滚刀（2）和正滚刀（3），其特征在于：还包括空化射流机构，空化射流机构的空化射流喷头（4）设置在刀盘本体（1）上且与中心滚刀（2）和正滚刀（3）相对应。

2.根据权利要求1所述的空化射流辅助破岩的TBM刀盘，其特征在于：所述空化射流机构包括空化射流喷头（4）和空化装置，空化射流喷头（4）垂直设置在刀盘本体（1）的前面板上，且空化射流喷头（4）通过高压水管道与空化装置相连接。

3.根据权利要求1或2所述的空化射流辅助破岩的TBM刀盘，其特征在于：所述空化射流喷头（4）内径分为上游段（401）、突变段（402）和下游段（403），上游段（401）的内径为d1，突变段（402）的内径为d2，下游段（403）的内径为d3，d1≥（1.1~1.5）×d3；d3≥（3~8）×d2。

4.根据权利要求1所述的空化射流辅助破岩的TBM刀盘，其特征在于：所述与中心滚刀（2）对应的空化射流喷头（4）沿中心滚刀（2）反向转动的方向设置在设置在中心滚刀（2）后方；与正滚刀（3）对应的空化射流喷头（4）沿正滚刀（3）反向转动的方向设置在设置在正滚刀（3）后方，且位于径向相邻两个正滚刀（3）刀刃运动轨迹之间。

5.根据权利要求1或4所述的空化射流辅助破岩的TBM刀盘，其特征在于：所述刀盘本体（1）的前面板上设有螺纹孔（5），空化射流喷头（4）为阶梯形喷嘴，阶梯形喷嘴的中间阶梯台设有外螺纹，空化射流喷头（4）上的外螺纹与螺纹孔（5）螺纹配合。

6.根据权利要求5所述的空化射流辅助破岩的TBM刀盘，其特征在于：所述空化射流喷头（4）伸出刀盘本体（1）前面板且低于相对应的中心滚刀（2）或正滚刀（3）刀刃最高点。

7.根据权利要求6所述的空化射流辅助破岩的TBM刀盘，其特征在于：所述所述空化射流喷头（4）伸出刀盘本体（1）前面板的距离为50mm~140mm。

8.一种如权利要求1或7所述的空化射流辅助破岩的TBM刀盘的破岩方法，其特征在于：具体如下：

S1：在TBM刀盘旋转作业时，中心滚刀（2）和正滚刀（3）转动形成多个同心圆切削轨迹，水射流通过回转接头输送到刀盘区域，经高压水管道流入空化射流喷头；

S2：同一同心圆切削轨迹上的位于运动方向前侧的空化射流喷头喷出空化射流，对硬岩表面进行冲蚀，降低岩石的各项性能；

S3：在空化射流对硬岩表面造成一定的冲蚀后，中心滚刀（2）和正滚刀（3）进行滚刀破岩，形成对岩体的主要破坏；

S4：在滚刀破岩后，同一同心圆切削轨迹上的位于运动方向后侧的空化射流喷头喷出空化射流，对滚刀挤压后岩体产生的裂纹进行扩展破岩，同时将岩石碎屑冲走，完成TBM刀盘的空化射流辅助破岩。

9.根据权利要求7所述的空化射流辅助破岩的TBM刀盘的破岩方法，其特征在于：在步骤S2和S4中喷出空化射流过程如下：

S2.1：流入空化射流喷头的高压水射流，在经过空化射流喷头内部突变段时，由于截面缩小导致流体在截面段的压力降低，降压值小于环境的饱和蒸汽压，收缩段局部产生了空化，产生小气泡，并形成气液两相的运动，使得空化射流喷头内整体液体的流动连续被扰乱；

S2.2：空化后的水射流进入空化射流喷头的下游段中，前面形成的小气泡随流体进入下游段长大成大气泡，在空化射流喷头边缘处随流体射出；

S2.3：在空化射流到达硬岩表面时，大气泡处于高压区，大气泡的内外压力失衡，大气泡被外界压力挤压，瞬间收缩溃灭，溃灭时产生能量高度集中的冲击力对硬岩表面进行破坏，完成喷出空化射流喷出。

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