CN112096396B - 微波、激光及空化射流组合的破岩刀盘及破岩方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及隧道掘进技术领域，特别涉及一种微波、激光与空化射流组合的破岩刀盘及破岩方法，刀盘包括刀盘面板和设置在所述刀盘面板上的滚刀，所述滚刀将所述刀盘面板分成多个区域，每个区域均设置有微波发射装置、激光发射装置和空化射流装置，所述微波发射装置能发射微波，所述激光发射装置能发射激光，所述空化射流装置能发射空化射流。本发明将微波与激光辅助破岩、空化射流冲蚀岩石、冷热循环应力破岩和滚刀破岩结合，克服了刀盘在极硬岩环境下掘进速度较慢、滚刀损坏过快等问题，提升了刀盘的破岩效率，节约了破岩成本。
Description
技术领域
本发明涉及隧道掘进技术领域，特别涉及一种微波、激光与空化射流组合的破岩刀盘及破岩方法。
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，安全可靠的隧道掘进机(TBM，包括敞开式隧道掘进机和盾构机)得到了广泛的应用。在极硬岩地段掘进时，盾构机掘进较短的距离，大量刀具就受到剧烈的磨损，从而不得不进行换刀作业，使隧道掘进成本极大的增加，掘进速度也因此受到影响而大幅度降低，隧道施工工期也不能得到很好的保证。
微波照射弱化岩石近年来一直是重要课题，微波穿入岩石时，会引起岩石中的极性分子发生高频震动，分子之间由于摩擦而生热，产生的热量使岩石内部不同的矿物颗粒产生不同的变形，不同矿物颗粒的膨胀相互限制，不同矿物颗粒的接触面附近产生热应力，当热应力达到岩石的强度极限时，岩石就会沿不同矿物颗粒的接触面破裂，产生微裂纹，并随着岩石温度的升高裂纹不断扩展。
激光破岩技术是一种非机械接触式的物理破岩方法，利用激光器发射出的准直光束辐射岩石表面，光能转化成热能向岩石内部传递，受局部温度骤增影响，岩石在热应力作用下发生破裂，而后随着温度的不断升高，岩石发生熔化、蒸发等相变破坏。
空化射流是一种比较典型的利用空化效应的高效射流。水流经过喷头内部截面突变处时，由于截面突然缩小导致流体在截面段的压力降低，当降压值Pc小于环境的饱和蒸汽压Pv时，收缩段局部就产生了空化，形成很多气核；后面流道继续提供足够大的低压区，为空化中的气核提供足够长的生长时间，使流体中夹杂众多气泡。这些空泡到达高压区时发生崩溃，同时产生微射、流压缩波等，对附近固体表面的破坏性极大。
冷热循环应力破岩是在上个世纪末开始研究的，在迅速升温中，岩石的强度和弹性参数都减小，其单轴抗压、抗拉强度随温度的升高而降低，当岩石的膨胀应力超过了其抗拉强度，岩石内部会受到损伤；而快速降温时，岩石的破坏模式由脆性破坏转变为准脆性破坏，岩石内部矿物不收缩协调，岩石内部产生裂纹，由此导致岩石渗透性的增大。因此，岩石经冷热循环后内部结构发生了变化，其物理、力学性质的降低，便于滚刀破岩。
在极硬岩地质条件下，滚刀破岩速度慢、滚刀及易损坏，为了使盾构机能高效的在极硬岩环境下掘进，需要对盾构机进行一定的改造。现有的专利中，有专利直接将激光或者微波与刀盘结合起来破岩，会提升一定的破岩效率，但是没有给设备中增加水射流之类的水流系统，这就有可能使得破岩过程中温度过高而加速滚刀的磨损、对盾构机刀盘产生一定的影响。也有专利直接利用激光与水射流破岩，但是没有和盾构机的滚刀结合起来，破岩效率会比较低。因此本专利将微波、激光与空化射流组合应用在盾构机的刀盘上。在这个组合的系统里面，不仅有微波、激光、空化射流及滚刀对岩石单独的破岩效果，还有其融合起来的破岩效果——冷热循环破岩，五种破岩效果结合起来，能克服盾构机在极硬岩环境下盾构机的掘进速度较慢、滚刀损坏过快等问题，提升隧道掘进效率，是十分具有意义和研究价值的。
发明内容
本发明的目的是为了克服盾构机在极硬岩环境下掘进速度较慢、滚刀损坏过快等问题，提供了一种盾构机的刀盘结构，将微波、激光辅助破岩、空化射流腐蚀岩石、滚刀破岩以及冷热循环破岩结合，以提升刀盘的破岩效率，节约破岩成本。
为了达到上述目的，本发明提供了一种微波、激光与空化射流组合的破岩刀盘，包括刀盘面板和设置在所述刀盘面板上的滚刀，所述刀盘面板上设置有多个微波发射装置、激光发射装置和空化射流装置，所述微波发射装置能发射微波，所述激光发射装置能发射激光，所述空化射流装置能发射空化射流。
进一步地，所述滚刀将所述刀盘面板分成多个区域，每个区域均设置有所述微波发射装置、所述激光发射装置以及所述空化射流装置。
进一步地，所述微波发射装置主要由微波发射盘、波导和微波发生模块组成，所述微波发射盘镶嵌在所述刀盘面板上，表面与所述刀盘面板外表面平齐，所述微波发生模块设置在所述刀盘面板后侧，所述波导穿过所述刀盘面板连接所述微波发射盘与所述微波发生模块。
进一步地，所述激光发射装置主要由激光发射头、激光传输光缆和激光发生器组成，所述激光发射头垂直设置在所述刀盘面板上，使得激光发射方向垂直于刀盘平面，所述激光发生器设置在所述刀盘面板后侧，通过所述激光传输光缆与所述激光发射头连接。
进一步地，所述空化射流装置主要由空化射流喷头、高压软管及高压水流系统组成，所述空化射流喷头垂直设置在所述刀盘面板上，使空化射流方向垂直于刀盘平面，所述空化射流喷头从所述刀盘面板上的通孔伸出，同时通孔的前端还设置有喷头保护罩，所述喷头保护罩用于保护所述空化射流喷头。
进一步地，所述滚刀呈十字型布置在所述刀盘面板上，将所述刀盘面板分成四个区域，每个区域内布置两个所述微波发射装置、五个所述激光发射装置和四个所述空化射流装置，同区域内的所述激光发射装置呈直线排列并与附近滚刀所在直线的夹角为45度，与此区域内的所述微波发射装置所在直线的夹角为15度，同区域内的所述空化射流装置呈直线排列，并与此区域内的所述激光发射装置所在直线的夹角为15度。
进一步地，各个所述微波发射装置、所述激光发射装置和所述空化射流装置到刀盘中心位置的距离都不相同，均呈螺旋线分布，且均与所述滚刀形成的螺旋线不重合。
本发明还提供了一种微波、激光与空化射流组合的破岩方法，具体包括如下步骤：
步骤一、岩石加热过程，开启所述微波发射装置和所述激光发射装置，使刀盘缓慢转动，加热岩石至450～500℃；
步骤二、降温破岩过程，关闭所述微波发射装置和所述激光发射装置，开启所述空化射流装置，保持刀盘旋转，岩石降温到300℃以下后关闭空化射流装置；
步骤三、循环步骤一和步骤二3～5次，使岩石加热过程和降温过程交替进行。
步骤四、完成步骤三以后，使刀盘缓慢旋转推进，开始滚刀破岩。当刀盘的扭矩增大到一定程度后，将刀盘回缩合适距离，开始新一轮的步骤一到步骤四。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
本发明在破岩刀盘上设置了微波发射装置、激光发射装置以及空化射流装置，在极硬岩隧道掘进过程中，微波、激光、空化射流和滚刀组合破岩。(1)微波发射装置发射微波到岩石上，对岩石进行加热，使岩石迅速升温至450～500℃，降低岩石的各项性能；(2)激光发射装置发射激光到岩石上，岩石局部温度骤增使得岩石在热应力作用下发生破裂，给岩石一个小范围、深层次的破坏，激光提升岩石温度的速度更快，使岩石各个部位产生温度差，加快岩石的破坏；(3)空化射流喷射到岩石上时，对岩石表面造成冲蚀、扩大岩石裂缝，空化射流对岩石造成一定的破坏；(4)空化射流给岩石快速降温，岩石表面温度梯度快速增大，当温度低于300℃就达到了岩石的抗拉强度，造成岩石快速降温过程中的损伤；(5)微波、激光快速加热岩石与空化射流快速降温结合起来，岩石上产生冷热循环，循环3～5次以后岩石内部结构发生了变化，其物理、力学性质的降低更有利于滚刀的破岩。因此，将微波与激光辅助破岩、空化射流冲蚀岩石和滚刀破岩结合，克服了刀盘在极硬岩环境下掘进速度较慢、滚刀损坏过快等问题，提升了刀盘的破岩效率，节约了破岩成本。
附图说明
图1为本发明的刀盘结构正视图；
图2为本发明的刀盘结构剖视图；
图3为本发明的空化射流装置示意图。
【附图标记说明】
1-刀盘面板；2-正滚刀；3-中心滚刀；4-微波发射装置；5-激光发射装置；6-空化射流装置；7-微波发射盘；8-波导；9-微波发生模块；10-激光发射头；11-激光传输光缆；12-激光发生器；13-空化射流喷头；14-高压软管；15-高压水流系统；16-喷头保护罩。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例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做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。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1：
如图1所示，本发明的实施例1提供了一种微波、激光与空化射流组合的破岩刀盘，包括刀盘面板1，呈十字型布置在刀盘面板1上的正滚刀2和中心滚刀3，这些滚刀将刀盘面板1分成四个区域，且每个滚刀的运动轨迹不重合，遵循螺旋分布法则。
刀盘面板1的各个区域上均设置有微波发射装置4、激光发射装置5和空化射流装置6。在本实施例中每个区域内布置两个微波发射装置4。同时，每个区域内还布置五个激光发射装置5，呈直线排列并与附近滚刀所在直线的夹角为45度，与附近微波发射装置4所在直线的夹角为15度。另外，每个区域内还布置四个空化射流装置6，同样呈直线分布，与激光发射装置5所在直线的夹角为15度。
其中，每个微波发射装置4、激光发射装置5和空化射流装置6到刀盘中心位置的距离都不相同，均呈螺旋线分布，并且均不与滚刀的螺旋线重合。
各装置的具体结构请参照图2，微波发射装置4主要由微波发射盘7、波导8和微波发生模块9组成，其中微波发射盘7镶嵌在刀盘面板1上，其表面与刀盘面板1表面平齐，微波发生模块9设置在刀盘面板1后侧，波导8穿过刀盘面板1连接微波发射盘7与微波发生模块9。
激光发射装置5主要由激光发射头10、激光传输光缆11和激光发生器12组成，其中激光发射头10垂直刀盘面板1设置，使得激光发射方向垂直于刀盘平面，激光发生器12设置在刀盘面板1后侧，通过激光传输光缆11与激光发射头10连接。
空化射流装置6主要由空化射流喷头13、高压软管14及高压水流系统15组成，其中空化射流喷头13同样垂直于刀盘面板1，其空化射流方向也垂直于刀盘平面1，空化射流喷头13从刀盘面板1上的通孔伸出刀盘一定距离，同时如图3所示，通孔的前端设置喷头保护罩16，用于保护空化射流喷头13。
在本实施例中，微波发射装置4发射微波到岩石上，对岩石进行加热，降低岩石的各项性能；激光发射装置5发射激光到岩石上，岩石局部温度骤增使得岩石在热应力作用下发生破裂，降低岩石的强度；空化射流装置6喷射空化射流，其中的气泡溃灭时对极硬岩有较强的破坏性，能冲蚀岩石并对加热的岩石进行急剧降温。
实施例2：
本发明的实施例2提供了一种微波、激光与空化射流组合的破岩方法，主要分为岩石加热过程和降温破岩过程，具体为：
步骤一、岩石加热过程，开启微波发射装置4和激光发射装置5，使刀盘缓慢转动数圈。微波和激光加热岩石迅速升温至450～500℃，岩石的强度减小，其单轴抗压、抗拉强度随温度的升高而降低，受局部温度骤增影响，岩石在热应力作用下发生破裂。
步骤二、降温破岩过程，关闭微波发射装置4和激光发射装置5，开启空化射流装置6，使刀盘缓慢推进并保持旋转。空化射流冲蚀岩石，并给岩石快速降温至300℃以下，岩石的破坏模式由脆性破坏转变为准脆性破坏，岩石内部矿物不收缩协调，岩石内部产生裂纹，由此导致岩石渗透性的增大，岩石的各项性能均降低。
步骤三、循环步骤一和步骤二3～5次，岩石加热过程和降温破岩过程交替进行。岩石内部产生冷热循环应力，加速岩石的破坏，便于滚刀破岩。
步骤四、完成步骤三以后，使刀盘缓慢旋转推进，开始滚刀破岩。当刀盘的扭矩增大到一定程度后，将刀盘回缩合适距离，开始新一轮的步骤一到步骤四。
此方法通过微波、激光和空化射流对岩石造成一定损伤，同时岩石内部产生冷热循环应力，能有效增加破岩速率，减少滚刀在硬岩中的磨损及换刀次数，减少了掘进机设备的推力和扭矩，降低工程中的经济损失。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种微波、激光与空化射流组合的破岩刀盘，包括刀盘面板和设置在所述刀盘面板上的滚刀，其特征在于，所述刀盘面板上设置有多个微波发射装置、激光发射装置和空化射流装置，所述微波发射装置能发射微波，所述激光发射装置能发射激光，所述空化射流装置能发射空化射流；所述滚刀将所述刀盘面板分成多个区域，每个区域均设置有所述微波发射装置、所述激光发射装置以及所述空化射流装置；
所述微波、激光与空化射流组合的破岩刀盘采用一种激光、微波与空化射流组合的破岩方法，包括如下步骤：
步骤一、岩石加热过程，开启所述微波发射装置和所述激光发射装置，使刀盘缓慢转动，加热岩石至450～500℃；
步骤二、降温破岩过程，关闭所述微波发射装置和所述激光发射装置，开启所述空化射流装置，保持刀盘旋转，岩石降温到300℃以下后关闭空化射流装置；
步骤三、循环步骤一和步骤二3～5次，使岩石加热过程和降温过程交替进行；
步骤四、完成步骤三以后，使刀盘缓慢旋转推进，开始滚刀破岩，当刀盘的扭矩增大到一定程度后，将刀盘回缩合适距离，开始新一轮的步骤一到步骤四。
2.根据权利要求1所述的微波、激光与空化射流组合的破岩刀盘，其特征在于，所述微波发射装置主要由微波发射盘、波导和微波发生模块组成，所述微波发射盘镶嵌在所述刀盘面板上，表面与所述刀盘面板外表面平齐，所述微波发生模块设置在所述刀盘面板后侧，所述波导穿过所述刀盘面板连接所述微波发射盘与所述微波发生模块。
3.根据权利要求2所述的微波、激光与空化射流组合的破岩刀盘，其特征在于，所述激光发射装置主要由激光发射头、激光传输光缆和激光发生器组成，所述激光发射头垂直设置在所述刀盘面板上，使得激光发射方向垂直于刀盘平面，所述激光发生器设置在所述刀盘面板后侧，通过所述激光传输光缆与所述激光发射头连接。
4.根据权利要求3所述的微波、激光与空化射流组合的破岩刀盘，其特征在于，所述空化射流装置主要由空化射流喷头、高压软管及高压水流系统组成，所述空化射流喷头垂直设置在所述刀盘面板上，使空化射流方向垂直于刀盘平面，所述空化射流喷头从所述刀盘面板上的通孔伸出，同时通孔的前端还设置有喷头保护罩，所述喷头保护罩用于保护所述空化射流喷头。
5.根据权利要求4所述的微波、激光与空化射流组合的破岩刀盘，其特征在于，所述滚刀呈十字型布置在所述刀盘面板上，将所述刀盘面板分成四个区域，每个区域内布置两个所述微波发射装置、五个所述激光发射装置和四个所述空化射流装置，同区域内的所述激光发射装置呈直线排列并与附近滚刀所在直线的夹角为45度，与此区域内的所述微波发射装置所在直线的夹角为15度，同区域内的所述空化射流装置呈直线排列，并与此区域内的所述激光发射装置所在直线的夹角为15度。
6.根据权利要求5所述的微波、激光与空化射流组合的破岩刀盘，其特征在于，各个所述微波发射装置、所述激光发射装置和所述空化射流装置到刀盘中心位置的距离都不相同，均呈螺旋线分布，且均与所述滚刀形成的螺旋线不重合。
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| CN110924971A (zh) * | 2019-11-29 | 2020-03-27 | 中铁工程装备集团有限公司 | 一种空化射流辅助破岩的tbm刀盘及破岩方法 |
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2020
- 2020-09-22 CN CN202011003161.8A patent/CN112096396B/zh active Active
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