CN110985032B - 水力-机械联合破岩tbm装置及其破岩方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水力‑机械联合破岩TBM装置。它包括旋转驱动，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：有机械滚刀结构和水力切割刀具模块均呈周向布置在所述TBM刀盘结构上；所述机械滚刀结构和所述水力切割刀具模块均呈间隔设置；所述水力切割刀具模块安装在径向上间隔设置的二个所述机械滚刀结构之间。本发明具有降低喷嘴的磨损，缩短刀具与岩壁之间的距离，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装置的破岩方法。

Description

水力-机械联合破岩TBM装置及其破岩方法

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-机械联合破岩TBM装置。本发明还涉及水力-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。

随着社会的日益发展，隧道及地下工程对TBM的使用需求越来越高；因此，现亟需开发一种破岩效率较高、破岩能耗较少、机械磨损较低的水力切割刀具及模块及联合破岩TBM装置及破岩方法。

发明内容

本发明的第一目的是为了提供一种水力-机械联合破岩TBM装置；降低喷嘴的磨损，缩短刀具与岩壁之间的距离，提高破岩效率；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，保证喷嘴与掌子面的距离为喷嘴喷射作用力最大的范围，提高破岩效率，减少破岩能耗，降低机械磨损。

本发明的第二目的是为了提供所述水力-机械联合破岩TBM装置的破岩方法；提高破岩效率，减少破岩能耗，降低机械磨损，提高工程进度和降低工程成本。

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-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：有机械滚刀结构和水力切割刀具模块均呈周向布置在所述TBM刀盘结构上；所述机械滚刀结构和所述水力切割刀具模块均呈间隔设置；

所述水力切割刀具模块安装在径向上间隔设置的二个所述机械滚刀结构之间。

在上述技术方案中，所述TBM刀盘结构上的布置结构为：一个所述水力切割刀具模块位于相邻二个所述机械滚刀结构之间的中心位置；

或为：以三个同一圆周轨迹上相邻的水力切割刀具模块组成的一个整体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，所述水力切割刀具模块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水力切割刀具；

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的位于所述推力弹簧结构的上板上；

所述水力切割刀具固定于所述水力切割刀具模块框架下端；

所述水力切割刀具包括高压水管道、高压水切割刀具伴随滚动轮和刀具中轴；

所述高压水切割刀具伴随滚动轮套在所述刀具中轴上；所述高压水管道固定于所述刀具中轴上；

所述高压水管道位于间隔设置的所述高压水切割刀具伴随滚动轮之间。

所述高压水管道外侧设有高压水管道保护套筒；

所述高压水管道下端设有喷嘴；

所述喷嘴下端设有喷嘴保护结构；所述喷嘴保护结构位于所述高压水管道保护套筒内；

所述刀具中轴两端分别固定于所述水力切割刀具模块框架侧壁下端；

有高压水管道外接口设于所述水力切割刀具模块框架外侧壁上；

所述高压水管道上端穿过所述水力切割刀具模块框架侧壁、与所述高压水管道外接口连通。

在上述技术方案中，当所述高压水管道有一根或多根、且所述高压水管道保护套筒有一根时；一根或多根所述高压水管道位于一根所述高压水管道保护套筒内；TBM刀盘结构上的布置结构为：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；或为：以三个同一圆周轨迹上相邻的水力切割刀具模块组成的一个整体位于相邻二个所述机械滚刀结构之间的中心位置；

所述刀具中轴中部设有固定通孔；

所述高压水管道保护套筒垂直向下穿过所述固定通孔、且固定于所述固定通孔上。

在上述技术方案中，当所述高压水管道有多根、所述高压水管道保护套筒有多根时；一根所述高压水管道位于一根所述高压水管道保护套筒内；所述TBM刀盘结构上的布置结构为：一个所述水力切割刀具模块位于相邻二个所述机械滚刀结构之间的中心位置。

所述高压水管道保护套筒垂直向下穿过所述固定套筒通孔、且固定于所述固定套筒通孔上。

在上述技术方案中，所述高压水管道保护套筒下端伸出所述刀具中轴的长度小于所述高压水切割刀具伴随滚动轮下端到所述刀具中轴的距离。

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二目的，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，即完成洞的开挖。

在上述技术方案中，在步骤二中，水力切割刀具破岩时，高压水切割刀具伴随滚动轮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，带动高压水管道运动，高压水管道喷射高压水射流至掌子面上，形成所述水刀切槽；

所述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。

所述机械滚刀结构、TBM刀盘结构和所述喷嘴结构均为现有技术。

本发明具有如下优点：

(1)本发明水力切割刀具模块仅作为高压水射流喷射装置，降低了功能复杂性；

(2)本发明高压水射流喷嘴及管道设置了保护机构，可以起到降低喷嘴磨损的作用；

(3)本发明高压水射流喷嘴可以更换，延长了刀具的使用寿命；

(4)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；

(5)本发明水力切割刀具模块与机械滚刀结构在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，高压水切割刀具伴随滚动轮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；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处于同一平面，即TBM刀盘平面，工作状态下始终保持高压水切割刀具伴随滚动轮处于受压滚动状态；本发明高压水切割刀具伴随滚动轮所受力较小，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；本发明水力切割刀具模块缩短了刀具与岩壁之间的距离，提高了破岩效率；高压水切割刀具伴随滚动轮不起机械滚压作用，起滚动作用及保护和带动喷嘴的作用，不对岩石施加压力，仅承担部分自重力和水力喷射时紧贴岩石表面承担的反力；

(6)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。

本发明水力切割刀具模块为更独立的模块(水力切割刀具的高压水切割刀具伴随滚动轮不承担压裂岩石的作用、只起滚动作用)，其高压水管道布置方式更简洁、且能更好地保护喷射喷嘴；本发明能够保证下方的伴随切割滚轮及高压水管道喷嘴，能够更加贴近岩石，实现更好的喷射效果，更好的实现其水切割的功能。

附图说明

图1为本发明水力切割刀具主视局部透视结构示意图一。

图2为本图1的A处放大图。

图3为图2的俯视结构示意图。

图4为图1的俯视结构示意图。

图5为本发明水力切割刀具左视局部透视结构示意图。

图6为本发明水力切割刀具的喷嘴的结构示意图。

图7为图6的俯视图。

图8为本发明水力切割刀具主视局部透视结构示意图二。

图9为图7的俯视图。

图10为图7的侧视图。

图11为本发明去除高压水切割刀具伴随滚动轮的水力切割刀具的透视结构示意图。

图12为本发明TBM刀盘结构的布置结构示意图一。

图13为本发明TBM刀盘结构的布置结构示意图二。

图14为本发明水力切割刀具模块初始状态主视结构示意图。

图15为本发明水力切割刀具模块工作状态主视结构示意图。

图16为本发明喷嘴喷射效率对比图。

图17为本发明TBM刀盘结构的布置结构示意图三。

图18为本发明破岩示意图一。

图19为本发明水力-机械联合破岩TBM装置工作结构示意图。

图20为现有机械滚刀结构破岩示意图。

图21为本发明水力切割刀具模块破岩示意图。

图22为本发明水刀旋转调节部俯视结构示意图。

图23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24为本发明水力切割刀具模块在掌子面上破岩示意图。

图25为现有机械滚刀结构破岩、岩石欠破碎状态(即贯入度过小)结构示意图。

图26为现有机械滚刀结构破岩、岩石最佳破碎状态(即贯入度合适)结构示意图。

图27为现有机械滚刀结构破岩、岩石过破碎状态(即贯入度过大)结构示意图。

图28为本发明机械滚刀结构压入前、水力切割刀具模块切割破岩结构示意图。

图29为本发明采用水力-机械联合破岩TBM装置破岩、岩石破碎状态结构示意图。

图11中，箭头A的方向表示水力切割刀具6的前进方向；T1表示此高压水管道6.1喷射的高压水射流用于拓宽水刀切槽26；T2表示此高压水管道6.1喷射的高压水射流用于切深水刀切槽26；T3表示此高压水管道6.1喷射的高压水射流用于起裂水刀切槽26。

图12表示本发明的TBM刀盘结构为：机械滚刀结构和水力切割刀具模块均呈周向布置在所述TBM刀盘结构上；水力切割刀具模块设于间隔设置的二个机械滚刀结构之间的中心位置；水力切割刀具模块包括高压水管道和高压水管道保护套筒；一根所述高压水管道位于一根所述高压水管道保护套筒内。

图13表示为本发明的TBM刀盘结构为基于联合破岩的水力切割刀具模块的组合刀盘结构，以三个同一圆周轨迹上相邻的水力切割刀具模块组成一个整体，沿刀具前进方向分别为起裂水刀、切深水刀、拓宽水刀，所述起裂水刀用来完成对岩石的初步切槽致裂，所述切深水刀及所述拓宽水刀与所述起裂水刀切槽路径一致，所述切深水刀负责在起裂水刀的切槽基础上，进一步切槽增加槽深；所述扩宽水刀负责在前述两种水刀的基础上，增加切槽的宽度；所述三个水力切割刀具模块构成一个组合整体，位于相邻二个所述机械滚刀结构之间的中心位置，共同完成对岩石掌子面的切削破碎；水力切割刀具模块设于间隔设置的二个机械滚刀结构之间的中心位置；水力切割刀具模块包括高压水管道和高压水管道保护套筒；一根所述高压水管道位于一根所述高压水管道保护套筒内。

具体施工过程中，本发明基于联合破岩的水力切割刀具模块的组合刀盘结构上的水力切割刀具模块区别于传统机械滚刀的是：在TBM刀盘的转动方向上，水力切割刀具模块会随时刀盘的转动在前进方向上切出一定深度和宽度的切槽；切槽的宽度可以由高压水射流的喷嘴孔径和水射流速度决定(水射流的孔径代表射流的直径，而研究发现水射流在冲击切割时，水射流的作用力和水射流的速度有关，即实际的作用范围比水射流直接喷射接触面积大)，切槽的深度与水射流的速度有关(水射流的速度来自于水压和喷嘴孔径)。

与机械刀具结合水射流喷嘴的布置方式相比(传统的水射流喷嘴布置在刀盘上，本专利喷嘴超出刀盘一定距离)，此方式的高压水射流喷嘴距离掌子面更近，破碎效果更好。

这里需要注意的时，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是不同的，距离喷嘴越远，作用力越小。

图16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；本发明水力切割刀具模块7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高压水切割刀具伴随滚动轮处于受压滚动状态；高压水切割刀具伴随滚动轮所受力较小，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；因此，本发明在破岩工作时喷射的高压水射流有90％处于射流核心段，本发明的高压水喷射利用效率较高；

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。

图17中，TBM刀盘结构23上安装的水力切割刀具模块为如图14所述的水力切割刀具模块；图14中的水力切割刀具模块上安装的水力切割刀具为图8所示的水力切割刀具。

图18中，箭头A表示TBM转动方向；B表示机械滚刀轨迹。

图19中，E表示切削前岩石表面(即：掌子面；掌子面前方带开挖岩体)；

图20中，A表示切削前岩石表面；B表示切削后岩石表面；M表示滚刀转动方向。

图21中，A表示切削前岩石表面；B表示切削后岩石表面；M表示滚刀转动方向；FN表示推动预紧力；T表示水射流冲击力；H表示切槽深度；G表示切槽深度线。

图20是传统机械滚刀的切割效果示意图；图20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21是伴随滚轮携带高压水喷射管道喷射出一定深度水槽的效果示意图；图21表明高压水切割刀具伴随滚动轮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24中，M表示TBM转动方向；T1表示第一号水力切割刀具模块后方的水刀切槽痕迹及方向(即：由第一号水力切割刀具模块采用高压水射流切割岩石形成的水刀切槽痕迹及方向)；S1表示第一号水力切割刀具模块；T2表示第二号水力切割刀具模块后方的水刀切槽痕迹及方向；S2表示第二号水力切割刀具模块；T3表示第三号水力切割刀具模块后方的水刀切槽痕迹及方向；S3表示第三号水力切割刀具模块；T4表示第四号水力切割刀具模块后方的水刀切槽痕迹及方向；S4表示第四号水力切割刀具模块；T5表示第五号水力切割刀具模块后方的水刀切槽痕迹及方向；S5表示第五号水力切割刀具模块；T6表示第六号水力切割刀具模块后方的水刀切槽痕迹及方向；S6表示第六号水力切割刀具模块。

图25为岩石贯入度过小状态图；图25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26为岩石贯入度合适状态图；图26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27为岩石贯入度过大状态图；图27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28中，H表示本发明高压水射流喷头结构水射流致裂裂纹；

图29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；图29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-水力切割刀具，6.1-高压水管道,6.2-高压水切割刀具伴随滚动轮,6.21-滚动轴承,6.3-刀具中轴,6.31-固定通孔,6.32-高压水穿管固定套筒，6.321-固定套筒通孔，6.4-高压水管道保护套筒,6.5-喷嘴,6.51-喷嘴保护结构，6.52-喷嘴结构，6.53-调角旋钮，6.54-调角控制器，6.6-高压水管道外接口,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。

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-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均呈周向布置在所述TBM刀盘结构23上；

所述水力切割刀具模块7安装在径向上间隔设置的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13、图17、图19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。

进一步地，所述TBM刀盘结构23上的布置结构为：一个所述水力切割刀具模块7位于相邻二个所述机械滚刀结构9之间的中心位置(如图1、图4、图8、图9、图10、图11、图12、图17所示)；采用水力切割刀具模块与机械滚刀结构联合破岩，破岩效率高、磨损较小；

或为：以三个同一圆周轨迹上相邻的水力切割刀具模块组成的一个整体位于相邻二个所述机械滚刀结构9之间的中心位置(如图1、图2、图3、图4、图5、图13所示)；用于增加切槽的宽度和深度。

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；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6.6通过连通管道24与所述水刀旋转调节部11连通；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。

更进一步地，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6.6一一对应；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6.6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；

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19、图22、图23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。

进一步地，联合破岩的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，和所述的水力切割刀具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；

所述水力切割刀具6固定于所述水力切割刀具模块框架1下端(如图13、图14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，高压水切割刀具伴随滚动轮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高压水切割刀具伴随滚动轮处于受压滚动状态；高压水切割刀具伴随滚动轮所受力较小，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，高压水切割刀具伴随滚动轮用于带动水力切割刀具6运动、不起机械滚压作用(如图15、图16所示)。

进一步地，所述水力切割刀具6有一个(如图12、图14、图15、图17图19所示)；

或所述水力切割刀具6有多个，多个所述水力切割刀具沿刀盘一定半径组团队列布置(如图13、图14、图19所示)。

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(如图14、图15所示)；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(如图14、图15所示)；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。

更进一步地，所述刀具中轴6.3两端分别固定于所述水力切割刀具模块框架1两侧壁下端；保证结果稳定性；

有高压水管道外接口6.6设于所述水力切割刀具模块框架1外侧壁上；高压水管道外接口与外界高压水连接，为水力切割刀具模块注水；

所述高压水管道6.1上端穿过所述水力切割刀具模块框架1侧壁、与所述高压水管道外接口6.6连通；高压水管道外接口与外界高压水连接，通过高压水管道外接口6.6和高压水管道6.1为水力切割刀具模块注水；

所述高压水管道保护套筒6.4上端位于所述水力切割刀具模块框架1内侧壁上、贴紧推力弹簧结构2的下板(如图14、图15所示)；高压水管道保护套筒6.4用于保护高压水管道6.1，防止高压水管道6.1裸露导致易损坏的情况。

进一步地，水力切割刀具6包括高压水管道6.1、高压水切割刀具伴随滚动轮6.2和刀具中轴6.3；

所述高压水切割刀具伴随滚动轮6.2套在所述刀具中轴6.3上；所述高压水切割刀具伴随滚动轮6.2有多个；

所述高压水管道6.1固定于所述刀具中轴6.3上；刀具中轴6.3对高压水管道6.1和高压水管道保护套筒6.4其支撑固定作用；高压水切割刀具伴随滚动轮6.2用于带动高压水管道6.1和喷嘴6.5运动；

所述高压水管道6.1位于间隔设置的二个所述高压水切割刀具伴随滚动轮6.2之间(如图1、图4、图6、图7所示)；保证本发明结构稳定性。

进一步地，所述高压水切割刀具伴随滚动轮6.2中部设有滚动轴承6.21；所述滚动轴承6.21套在所述刀具中轴6.3上、且与所述刀具中轴6.3活动连接；高压水切割刀具伴随滚动轮6.2以滚动轴承6.21为中心、沿着刀具中轴6.3转动，能为高压水管道6.1和喷嘴6.5提供运动动力；

所述高压水切割刀具伴随滚动轮6.2、滚动轴承6.21与所述刀具中轴6.3的中心线相同；保证本发明结构稳定性；

所述高压水切割刀具伴随滚动轮6.2、滚动轴承6.21与所述刀具中轴6.3的中心线相同(如图1、图2、图4、图5、图6、图7所示)；整体结构平衡性，滚动轴承同时作为伴随滚动轮的轴承，确保整体结构前进的同时进行水力切割，机构之间无干涉。

进一步地，所述高压水切割刀具伴随滚动轮6.2有二个；所述高压水管道6.1外侧设有高压水管道保护套筒6.4；所述高压水管道6.1下端设有喷嘴6.5；所述喷嘴6.5下端设有喷嘴保护结构6.51；所述喷嘴保护结构6.51位于所述高压水管道保护套筒6.4内(如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11所示)；喷嘴保护结构6.51用于保护喷嘴6.5，防止喷嘴被磨损。

进一步地，所述刀具中轴6.3中部设有固定通孔6.31；所述高压水管道6.1垂直向下穿过所述固定通孔6.31、且固定于所述固定通孔6.31上；所述高压水管道保护套筒6.4垂直向下穿过所述固定通孔6.31、且固定于所述固定通孔6.31上(如图1、图2、图3、图4所示)；刀具中轴6.3对高压水管道保护套筒6.4和高压水管道6.1起支撑、固定作用，防止高压水管道6.1移动，影响工作精度。

进一步地，当所述高压水管道6.1有一根或多根、且所述高压水管道保护套筒6.4有一根时；一根或多根所述高压水管道6.1位于一根所述高压水管道保护套筒6.4内(如图1、图2、图3、图4、图5所示)；TBM刀盘结构23上的布置结构为：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(如图12所示)；或为：以三个同一圆周轨迹上相邻的水力切割刀具模块组成的一个整体位于相邻二个所述机械滚刀结构9之间的中心位置(如图13所示)。

进一步地，当所述高压水管道6.1有多根、所述高压水管道保护套筒6.4有多根时；一根所述高压水管道6.1位于一根所述高压水管道保护套筒6.4内(如图8、图9、图10、图11所示)；所述TBM刀盘结构23上的布置结构为：一个所述水力切割刀具模块7位于相邻二个所述机械滚刀结构9之间的中心位置(如图17所示)；高压水管道保护套筒6.4用于保护高压水管道6.1，防止高压水管道6.1裸露导致易损坏的情况。

进一步地，有高压水穿管固定套筒6.32固定于所述刀具中轴6.3中部；有固定套筒通孔6.321设于所述高压水穿管固定套筒6.32上；所述高压水管道6.1垂直向下穿过所述固定套筒通孔6.321、且固定于所述固定套筒通孔6.321上；所述高压水管道保护套筒6.4垂直向下穿过所述固定套筒通孔6.321、且固定于所述固定套筒通孔6.321上(如图8、图9、图10、图11所示)。

更进一步地，所述高压水管道保护套筒6.4下端伸出所述刀具中轴6.3的长度小于所述高压水切割刀具伴随滚动轮6.2下端到所述刀具中轴6.3的距离(如图1、图8所示)；保证破岩工作时，喷嘴6.5与掌子面的距离为喷嘴6.5的最大工作效率范围；高压水切割刀具伴随滚动轮6.2用于保护高压水管道保护套筒6.4、高压水管道6.1和喷嘴6.5。

更进一步地，所述喷嘴6.5为可变孔径调角喷嘴；所述喷嘴6.5包括喷嘴结构6.52，调角旋钮6.53和调角控制器6.54；所述喷嘴结构6.52设于所述高压水管道6.1下端；所述调角控制器6.54设于所述喷嘴结构6.52上端、且固定于所述喷嘴结构6.52与所述高压水管道6.1的连接处；所述调角旋钮6.53设于所述调角控制器6.54上(如图6、图7所示)；通过调角控制器6.54和调角旋钮6.53控制喷嘴6.5孔径大小，满足实际工作需求。

参阅附图可知：所述的水力-机械联合破岩TBM装置的破岩方法，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)；

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12、图13、图17、图18、图19、图21、图24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和机械滚刀结构9同步破岩，具体如下：

高压水管道6.1水力致裂岩石、产生水刀切槽26；

机械滚刀结构9在水刀切槽26两侧的掌子面岩石上方滚压，使岩渣崩落(如图18、图24、图28、图29所示)。

更进一步地，在步骤二中，水力切割刀具6破岩时，高压水切割刀具伴随滚动轮6.2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，带动高压水管道6.1运动，高压水管道6.1喷射高压水射流至掌子面上，形成所述水刀切槽26(如图18、图19、图21、图24、图28所示)。

为了能够更加清楚的说明本发明所述的水力-机械联合破岩TBM装置及其破岩方法与现有的TBM掘进装备系统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-机械联合破岩TBM装置及其破岩方法与现有的TBM掘进装备系统及其破岩方法相比，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。

本发明与现有技术的破岩效率对比分析如下：

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(如图25、图26、图27所示)。

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，在两相邻机械滚刀结构的中间位置和机械滚刀结构相同转向的旋转轨迹同步切槽，水力切割会形成一定宽度和深度的水力切槽，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，切槽两侧的TBM的机械滚刀结构跟进，滚压切槽两侧的掌子面岩石；机械滚刀结构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，机械滚刀下方岩体内裂纹与水力切槽形成的自由面贯通，促进岩体破碎(如图28、图29所示)。

由上述可知：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滚刀结构部分的温度，对减少机械磨损同样具有积极意义。

实施例

现以本发明应用于某地铁隧道的掘进为实施例进行详细说明，对本发明应用于其它隧道及地下工程技术(特别是复杂地质条件TBM隧道施工)，同样具有指导作用。

实施例1

某地铁隧道以多种岩体复合地层为主。

采用本发明所述的水力-机械联合破岩TBM装置25用于开挖隧洞；所述的水力-机械联合破岩TBM装置25工作时，由工人将机械滚刀结构9和联合破岩的水力切割刀具模块7安装到所述TBM刀盘结构23上，所述TBM刀盘结构23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；所述TBM刀盘结构23上的旋转驱动12控制所述TBM刀盘结构23旋转，所述推进油缸13推进所述TBM刀盘结构23向前掘进。

本实施例所采用的联合破岩的水力切割刀具模块7设置为：所述高压水管道6.1有一根；所述高压水管道保护套筒6.4有一根；所述高压水管道6.1位于所述高压水管道保护套筒6.4内(如图1、图2、图3、图4、图5所示)；本实施例采用的水力-机械联合破岩TBM装置25的TBM刀盘结构23(如图12所示)；本实施例的破岩工序如图19、图24所示。

采用本发明对某地铁隧道进行水力-机械TBM联合破岩，其方法包括如下步骤：

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，破碎岩体；

水力切割刀具模块7破岩时，水力切割刀具6与机械滚刀结构9同步破岩；高压水管道6.1水力致裂岩石、产生水刀切槽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；

水力切割刀具6破岩时，高压水切割刀具伴随滚动轮6.2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、并在掌子面上滚动，带动高压水管道6.1运动，高压水管道6.1喷射高压水射流至掌子面上，形成所述水刀切槽26；

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；

破岩过程中水力切割刀具和机械滚刀可以根据所切割岩体岩性种类的不同，实时调节破岩参数，使破岩能耗最低，破岩速度最快。

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，即完成硐室开挖。

结论：联合破岩TBM的应用能够降低TBM的破岩能耗，提高破岩效率，对于超长距离隧道的施工提效显著。

实施例2

某地铁隧道以多种岩体复合地层为主。

实施例2对某地铁隧道进行水力-机械TBM联合破岩，其方法同实施例1；不同之处在于：本实施例所采用的联合破岩的水力切割刀具模块7设置为：本发明的TBM刀盘结构为基于联合破岩的水力切割刀具模块的组合刀盘结构，以三个同一圆周轨迹上相邻的水力切割刀具模块组成一个整体，沿刀具前进方向分别为起裂水刀、切深水刀、拓宽水刀，所述起裂水刀用来完成对岩石的初步切槽致裂，所述切深水刀及所述拓宽水刀与所述起裂水刀切槽路径一致；所述三个水力切割刀具模块构成一个组合整体，位于相邻二个所述机械滚刀结构9之间的中心位置，共同完成对岩石掌子面的切削破碎(如图13所示)；本实施例的破岩工序如图19、图24所示。

需要说明的是，本实施例中显示的水力切割刀具模块水射流管道及喷嘴的数目仅作为展示水力切割滚动工作原理的示意，最终的水力切割刀具模块中水流通道的数量需要根据刀盘的直径、水射流的压力、破岩的能耗等进行配置。

结论：联合破岩TBM的应用能够降低TBM的破岩能耗，提高破岩效率，对于超长距离隧道的施工提效显著。

实施例3

某地铁隧道以多种岩体复合地层为主。

实施例3对某地铁隧道进行水力-机械TBM联合破岩，其方法同实施例1；不同之处在于：本实施例所采用的联合破岩的水力切割刀具模块7设置为：所述高压水管道6.1有三根；所述高压水管道保护套筒6.4有三根；所述高压水管道6.1位于所述高压水管道保护套筒6.4内(即为：一根所述高压水管道保护套筒6.4内设有一根所述高压水管道6.1)(如图8、图9、图10、图11所示)；本实施例采用的水力-机械联合破岩TBM装置25的TBM刀盘结构23(如图17所示)；本实施例的破岩工序如图18、图19、图24所示。

需要说明的是，本实施例中显示的水力切割刀具模块水射流管道及喷嘴的数目仅作为展示水力切割滚动工作原理的示意，最终的水力切割刀具模块中水流通道的数量需要根据刀盘的直径、水射流的压力、破岩的能耗等进行配置。

结论：联合破岩TBM的应用能够降低TBM的破岩能耗，提高破岩效率，对于超长距离隧道的施工提效显著。

其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (8)

1.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)和水力切割刀具模块(7)均呈周向布置在所述TBM刀盘结构(23)上；所述机械滚刀结构(9)和所述水力切割刀具模块(7)均呈间隔设置；

所述水力切割刀具模块(7)安装在径向上间隔设置的二个所述机械滚刀结构(9)之间；

所述TBM刀盘结构(23)上的布置结构为：一个所述水力切割刀具模块(7)位于相邻二个所述机械滚刀结构(9)之间的中心位置；

或为：以三个同一圆周轨迹上相邻的水力切割刀具模块组成的一个整体位于相邻二个所述机械滚刀结构(9)之间的中心位置；

所述水力切割刀具模块(7)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)和水力切割刀具(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)的上板上；

所述水力切割刀具(6)固定于所述水力切割刀具模块框架(1)下端；

所述水力切割刀具(6)包括高压水管道(6.1)、高压水切割刀具伴随滚动轮(6.2)和刀具中轴(6.3)；

所述高压水切割刀具伴随滚动轮(6.2)套在所述刀具中轴(6.3)上；所述高压水管道(6.1)固定于所述刀具中轴(6.3)上；

所述高压水管道(6.1)位于间隔设置的所述高压水切割刀具伴随滚动轮(6.2)之间。

2.根据权利要求1所述的水力-机械联合破岩TBM装置，其特征在于：

所述高压水管道(6.1)外侧设有高压水管道保护套筒(6.4)；

所述高压水管道(6.1)下端设有喷嘴(6.5)；

所述喷嘴(6.5)下端设有喷嘴保护结构(6.51)；所述喷嘴保护结构(6.51)位于所述高压水管道保护套筒(6.4)内；

所述刀具中轴(6.3)两端分别固定于所述水力切割刀具模块框架(1)侧壁下端；

有高压水管道外接口(6.6)设于所述水力切割刀具模块框架(1)外侧壁上；

所述高压水管道(6.1)上端穿过所述水力切割刀具模块框架(1)侧壁、与所述高压水管道外接口(6.6)连通。

3.根据权利要求2所述的水力-机械联合破岩TBM装置，其特征在于：当所述高压水管道(6.1)有一根或多根、且所述高压水管道保护套筒(6.4)有一根时；一根或多根所述高压水管道(6.1)位于一根所述高压水管道保护套筒(6.4)内；

所述刀具中轴(6.3)中部设有固定通孔(6.31)；

所述高压水管道保护套筒(6.4)垂直向下穿过所述固定通孔(6.31)、且固定于所述固定通孔(6.31)上。

4.根据权利要求2所述的水力-机械联合破岩TBM装置，其特征在于：当所述高压水管道(6.1)有多根、所述高压水管道保护套筒(6.4)有多根时；一根所述高压水管道(6.1)位于一根所述高压水管道保护套筒(6.4)内；所述TBM刀盘结构(23)上的布置结构为：一个所述水力切割刀具模块(7)位于相邻二个所述机械滚刀结构(9)之间的中心位置；

有高压水穿管固定套筒(6.32)固定于所述刀具中轴(6.3)中部；

有固定套筒通孔(6.321)设于所述高压水穿管固定套筒(6.32)上；

所述高压水管道保护套筒(6.4)垂直向下穿过所述固定套筒通孔(6.321)、且固定于所述固定套筒通孔(6.321)上。

5.根据权利要求3或4所述的水力-机械联合破岩TBM装置，其特征在于：所述高压水管道保护套筒(6.4)下端伸出所述刀具中轴(6.3)的长度小于所述高压水切割刀具伴随滚动轮(6.2)下端到所述刀具中轴(6.3)的距离。

6.根据权利要求5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(6.6)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。

7.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的水力-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，即完成洞的开挖。

8.根据权利要求7所述的水力-机械联合破岩TBM装置的破岩方法，其特征在于：在步骤二中，水力切割刀具(6)破岩时，高压水切割刀具伴随滚动轮(6.2)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，带动高压水管道(6.1)运动，高压水管道(6.1)喷射高压水射流至掌子面上，形成水刀切槽(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滚压，使岩渣崩落。

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