CN112196552A - 一种利用激光和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬岩掘进机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用激光和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬岩掘进机，包括连接有无滚刀刀盘的中心主驱动机组，无滚刀刀盘上设置有激光发射器，激光发射器上设置有除尘单元，无滚刀刀盘上设置有超临界二氧化碳喷嘴，超临界二氧化碳喷嘴通过超临界二氧化碳高压输送管连接有超临界二氧化碳高压泵站，激光发射器、除尘单元、超临界二氧化碳喷嘴均与控制中心相连。本发明采用激光与超临界二氧化碳射流耦合破岩系统，彻底摈弃了常规的刀具破岩技术，不仅解决了掘进机金属刀具切岩时极易发生异常损坏的难题，而且提升了开挖效率，降低了开挖成本，能够适应各种地层的掘进。
Description
技术领域
本发明涉及第五代隧道掘进机技术领域，特别是指一种利用激光和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬岩掘进机。
背景技术
目前隧道掘进针对岩层来讲，主要是依靠盘型滚刀挤压岩石达到破碎岩体的目的，其主要克服的是岩石的抗压强度，针对一般强度的岩层（100MPa以内）其破岩效率尚可，但在较硬的岩石地层中，滚刀破岩法经济性很差。因此，需要颠覆性的发明一种新型掘进机和破岩工法。
经检索，现有申请日为2018.12.29、申请号为CN201822256047.0的中国实用新型专利公开了一种利用激光破岩的掘进机，包括掘进机主机，掘进机主机上设有刀盘，所述的刀盘上设有激光发生装置。该实用新型专利虽然采用激光及水冷的原理代替传统的金属刀具，能够提升破岩效率，在掘进上软下硬等严重不均匀地质时，解决了传统的金属刀具极易发生异常损坏的难题。
但是单一的采用激光破岩，不仅掘进效率有限，而且破岩过程中岩屑灰尘较多，会遮挡激光发生装置的光学镜，严重影响破岩效果。另外采用单一激光破岩时，会发生岩屑沉积和重凝现象造成严重高热灼伤，不仅能量利用率低，而且激光烧蚀后岩石残屑无法顺畅排出。
发明内容
针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种利用激光和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬岩掘进机，解决了掘进机采用激光单一破岩时能量利用率低且破岩、排渣效果差的技术问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种利用激光和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬岩掘进机，包括连接有无滚刀刀盘的中心主驱动机组，因为无滚刀刀盘质量轻，而且不同于传统刀盘利用刀盘上刀具挤压岩石来破岩，因此无需使用传统的驱动机构，可以摒弃周边多组电机或液压马达减速机的传统驱动方式，只采用中心主驱动机组带动无滚刀刀盘旋转即可。由于无滚刀刀盘采用中心主驱动机组来驱动，则无滚刀刀盘的背部可以有足够的装配空间，在无滚刀刀盘的背部设置激光发射器。激光是一种新型光源，和普通光源相比，具有亮度高、定向性高、单色性高等特点。岩石是由多种矿物颗粒组成的，激光照射在岩石表面，由于各相变界区的导热系数不同，这些矿物颗粒在热膨胀各向异性、热膨胀不均匀性等表现出差异。激光照射时间和激光功率是决定激光破岩能否成功的主要因素，激光功率越大激光破岩的速度越快，而且在岩石上钻出的孔越深。激光破岩基本上是以热碎裂、熔化和气化的方式将岩石进行破坏，受到激光照射的岩石温度场发生剧烈变化，岩石内部结构发生改变，岩石的渗透率提高到4倍左右，激光频率和曝光次数都对烧蚀效果有影响，浸水后的烧蚀效果好于干燥条件下的烧蚀效果。在激光破岩过程中，激光光斑区的岩石及周边的岩体基质要经历固、液、气三相的骤变，其间存在着非常复杂的三维非稳定的热能传递与交换。无滚刀刀盘上设置有超临界二氧化碳喷嘴，超临界二氧化碳喷嘴通过超临界二氧化碳高压输送管连接有超临界二氧化碳高压泵站。二氧化碳为无色无臭、无毒无害的气体，水溶液略呈酸性。超临界二氧化碳扩散性好且动力黏度小，是一种安全、洁净的理想介质。它不能燃烧，易被液化，也容易回收循环利用，在化工领域被称为环境友好型绿色溶剂。二氧化碳的三相点为-56. 56℃ ( 216. 59 K 、0. 52 MPa)，临界点为31. 10℃( 304.25K、7.38 MPa)。二氧化碳的温度和压力大于临界点温度和压力时达到超临界状态，此时的二氧化碳称为超临界二氧化碳。超临界二氧化碳射流破岩原理是以超临界二氧化碳为工作介质，通过发生增压设备加压到数十兆帕后通过特定形状的喷嘴，最后以极高的速度喷出的一股能量高度集中的射流束，这种射流束具有很强的破坏性。温度和压力大于临界点温度和压力时达到超临界状态，此时的二氧化碳称为超临界二氧化碳。超临界二氧化碳破岩主要体现为空化破坏作用、水射流冲击作用、水楔作用等。超临界二氧化碳射流相比常规水射流具有更低的喷嘴压能损失，具有更高的热破裂作用；相比氮气射流，超临界二氧化碳射流具有更高的射流冲击剪切力、剥蚀力和热破裂作用。所以超临界二氧化碳的射流破岩范围更广泛，效率更高。在激光发射器和超临界二氧化碳喷嘴的双重所用下，岩石会受到热应力、高压流体冲蚀、超临界物质超强渗透的多重作用，达到岩石大块剥落的效果。
进一步地，所述激光发射器的激光发射端头指向与前方的掘进面垂直，能够保证激光能量的应用效率达到最高。
进一步地，所述激光发射器连接有角度监测装置和角度调节装置，角度监测装置和角度调节装置与控制中心相连。控制中心能够通过角度监测装置实时监控激光发射器的激光发射端头的指向，在超出误差范围后通过控制角度调节装置进行纠偏。
进一步地，所述激光发射器的激光发射端头与超临界二氧化碳喷嘴同圆周轨迹设置，便于将激光烧蚀后的岩石残屑迅速顺畅排出，避免出现岩屑沉积和重凝现象而造成严重高热灼伤，从而避免造成能量浪费。
进一步地，超临界二氧化碳高压输送管外部包裹有玻璃纤维层，玻璃纤维层能够有效保持超临界二氧化碳高压输送管内超临界二氧化碳的温度，可以有效提高超临界二氧化碳的输送效率。
进一步地，所述除尘单元包括与聚焦镜片相对应的吹气嘴，吹气嘴连接有鼓风系统，鼓风系统与控制中心相连。控制中心控制鼓风系统工作，鼓风系统持续地向吹气嘴鼓吹低压空气，保证聚焦镜片始终保持清洁。
进一步地，所述无滚刀刀盘上的出渣口大于500mm且开口率大于25％，无滚刀刀盘上设置这样的大出渣口，大块剥落的岩石可通过大出渣口排出。鉴于超临界二氧化碳射流冲蚀后岩石呈大面积层状破碎的特点，考虑将刀盘出渣开口设计较大，以利于其顺利出渣；更便于将激光烧蚀后岩石残屑迅速顺畅排出，避免出现岩屑沉积和重凝现象而造成严重高热灼伤，从而避免造成能量浪费。
本发明采用激光与超临界二氧化碳射流耦合破岩系统，彻底摈弃了常规的刀具破岩技术，不仅解决了掘进机金属刀具切岩时极易发生异常损坏的难题，而且提升了开挖效率，降低了开挖成本，能够适应各种地层的掘进。本发明中的激光发射器的激光发射端头与超临界二氧化碳喷嘴同圆周轨迹设置，既能够快速破岩，又便于将激光烧蚀后的岩石残屑迅速顺畅排出，避免出现岩屑沉积和重凝现象而造成严重高热灼伤，从而避免造成能量浪费。本发明结构特点不同于常规盾构机，由于不依靠滚刀挤压破岩，本掘进机前面板重量轻，采用中心主驱动机组带动无滚刀刀盘旋转即可。另外，推进系统不需要强大的推力来挤压岩石，推进系统可由常规盾构的几十根推进油缸减少到四根油缸，即可满足推动前盾体前行。另外，本发明不同于常规掘进机的周边多组电机或液压马达的减速机驱动方式，而采用一组大功率电机中心驱动，这样刀盘背部留有较多的空间用于布置激光发射器。
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为本发明的剖视结构示意图；
图2为本发明的左视图；
图3为图1中激光发射端头与吹风除尘单元配合的结构示意图；
图4为超临界二氧化碳高压输送管的结构示意图；
图中，1、无滚刀刀盘，2、中心主驱动机组，3、激光发射器，31、角度监测装置，32、激光发射端头，33、聚焦镜片，4、除尘单元，41、吹气嘴，5、超临界二氧化碳喷嘴，6、超临界二氧化碳高压输送管，61、玻璃纤维层，7、超临界二氧化碳高压泵站，8、盾体，9、推进油缸，10、管片拼装机，11、螺旋输送机。
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。
实施例1，一种利用激光和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬岩掘进机，如图1所示，包括盾体8，盾体8内设置有中心主驱动机组2，中心主驱动机组2连接有无滚刀刀盘1，中心主驱动机组2带动无滚刀刀盘1周向转动。盾体8内设置有管片拼装机10和螺旋输送机12，螺旋输送机12的进料端位于紧邻无滚刀刀盘1的后侧。
由于无滚刀刀盘1采用中心主驱动机组2来驱动，则无滚刀刀盘的背部可以有足够的装配空间，在无滚刀刀盘1的背部设置激光发射器3。激光是一种新型光源，和普通光源相比，具有亮度高、定向性高、单色性高等特点。岩石是由多种矿物颗粒组成的，激光照射在岩石表面，由于各相变界区的导热系数不同，这些矿物颗粒在热膨胀各向异性、热膨胀不均匀性等表现出差异。激光照射时间和激光功率是决定激光破岩能否成功的主要因素，激光功率越大激光破岩的速度越快，而且在岩石上钻出的孔越深。激光破岩基本上是以热碎裂、熔化和气化的方式将岩石进行破坏，受到激光照射的岩石温度场发生剧烈变化，岩石内部结构发生改变，岩石的渗透率提高到4倍左右，激光频率和曝光次数都对烧蚀效果有影响，浸水后的烧蚀效果好于干燥条件下的烧蚀效果。在激光破岩过程中，激光光斑区的岩石及周边的岩体基质要经历固、液、气三相的骤变，其间存在着非常复杂的三维非稳定的热能传递与交换。
启动激光发射器3，大功率的激光照射到岩石上，瞬间将照射的岩石温度加热到200-300°C左右，此时各矿物不同的热膨胀产生的内应力使岩石内发生沿晶断裂和穿晶断裂，使试样产生损伤和微裂纹，使岩石的强度降低。
所述无滚刀刀盘1上设置有超临界二氧化碳喷嘴5，超临界二氧化碳喷嘴5通过超临界二氧化碳高压输送管6连接有超临界二氧化碳高压泵站7。二氧化碳为无色无臭、无毒无害的气体，水溶液略呈酸性。超临界二氧化碳扩散性好且动力黏度小，是一种安全、洁净的理想介质。它不能燃烧，易被液化，也容易回收循环利用，在化工领域被称为环境友好型绿色溶剂。二氧化碳的三相点为-56. 56℃ （216. 59 K 、0. 52 MPa），临界点为31. 10℃（304.25K、7. 38 MPa）。二氧化碳的温度和压力大于临界点温度和压力时达到超临界状态，此时的二氧化碳称为超临界二氧化碳。超临界二氧化碳射流破岩原理是以超临界二氧化碳为工作介质，通过发生增压设备加压到数十兆帕后通过特定形状的喷嘴，最后以极高的速度喷出的一股能量高度集中的射流束，这种射流束具有很强的破坏性。温度和压力大于临界点温度和压力时达到超临界状态，此时的二氧化碳称为超临界二氧化碳。超临界二氧化碳破岩主要体现为空化破坏作用、水射流冲击作用、水楔作用等。超临界二氧化碳射流相比常规水射流具有更低的喷嘴压能损失，具有更高的热破裂作用；相比氮气射流，超临界二氧化碳射流具有更高的射流冲击剪切力、剥蚀力和热破裂作用。所以超临界二氧化碳的射流破岩范围更广泛，效率更高。
超临界二氧化碳的破岩门槛压力远低于水射流，并且超临界二氧化碳射流冲蚀后的岩石呈网络化破碎，整体呈大体积层状破碎。在激光发射器和超临界二氧化碳喷嘴的双重所用下，岩石会受到热应力、高压流体冲蚀、超临界物质超强渗透的多重作用，达到岩石破碎崩裂的效果。无滚刀刀盘1上设置有大出渣口，大块剥落的岩石可通过大出渣口排出，岩石通过螺旋输送机12排出。
本发明采用激光与超临界二氧化碳射流耦合破岩系统，彻底摈弃了常规的刀具破岩技术，不仅解决了掘进机金属刀具切岩时极易发生异常损坏的难题，而且提升了开挖效率，降低了开挖成本，能够适应各种地层的掘进。
实施例2，一种利用激光和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬岩掘进机，所述激光发射器3的激光发射端头32指向与前方的掘进面垂直，能够保证激光能量的应用效率达到最高。
本实施例的其他结构与实施例1相同。
实施例3，一种利用激光和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬岩掘进机，如图3所示，所述激光发射器3连接有角度监测装置31和角度调节装置，角度监测装置31和角度调节装置与控制中心相连。控制中心能够通过角度监测装置31实时监控激光发射器3的激光发射端头32的指向，在超出误差范围后通过控制角度调节装置进行纠偏。
本实施例的其他结构与实施例1或2相同。
实施例4，一种利用激光和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬岩掘进机，如图2所示，所述激光发射器3的激光发射端头32与超临界二氧化碳喷嘴5同圆周轨迹设置，便于将激光烧蚀后的岩石残屑迅速顺畅排出，避免出现岩屑沉积和重凝现象而造成严重高热灼伤，从而避免造成能量浪费。
本实施例的其他结构与实施例1或2或3相同。
实施例5，一种利用激光和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬岩掘进机，如图4所示，所述超临界二氧化碳高压输送管6外部包裹有玻璃纤维层61，玻璃纤维层61能够有效保持超临界二氧化碳高压输送管6内超临界二氧化碳的温度，可以有效提高超临界二氧化碳的输送效率。
本实施例的其他结构与实施例1或2或3或4相同。
实施例6，一种利用激光和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬岩掘进机，如图3所示，所述所述除尘单元4包括与聚焦镜片33相对应的吹气嘴41，吹气嘴41连接有鼓风系统，鼓风系统与控制中心相连。控制中心控制鼓风系统工作，鼓风系统持续地向吹气嘴41鼓吹低压空气，保证聚焦镜片33始终保持清洁。
本实施例的其他结构可以与实施例1-5任一项相同。
实施例7，一种利用激光和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬岩掘进机，所述无滚刀刀盘上的出渣口大于500mm且开口率大于25％，无滚刀刀盘上设置这样的大出渣口，大块剥落的岩石可通过大出渣口排出。。鉴于超临界二氧化碳射流冲蚀后岩石呈大面积层状破碎的特点，考虑将刀盘出渣开口设计较大，以利于其顺利出渣；更便于将激光烧蚀后岩石残屑迅速顺畅排出，避免出现岩屑沉积和重凝现象而造成严重高热灼伤，从而避免造成能量浪费。
本实施例的其他结构可以与实施例1-6任一项相同。
本发明未详尽之处均为本领域技术人员所公知的常规技术手段。
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 (7)
1.一种利用激光和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬岩掘进机，其特征在于：包括连接有无滚刀刀盘（1）的中心主驱动机组（2），无滚刀刀盘（1）上设置有激光发射器（3），激光发射器（3）上设置有除尘单元（4），无滚刀刀盘（1）上设置有超临界二氧化碳喷嘴（5），超临界二氧化碳喷嘴（5）通过超临界二氧化碳高压输送管（6）连接有超临界二氧化碳高压泵站（7），激光发射器（3）、除尘单元（4）、超临界二氧化碳喷嘴（5）均与控制中心相连。
2.根据权利要求1所述的利用激光和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬岩掘进机，其特征在于：所述激光发射器（3）的激光发射端头（32）指向与前方的掘进面垂直。
3.根据权利要求2所述的利用激光和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬岩掘进机，其特征在于：所述激光发射器（3）连接有角度监测装置（31）和角度调节装置，角度监测装置（31）和角度调节装置与控制中心相连。
4.根据权利要求1-3任一项所述的利用激光和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬岩掘进机，其特征在于：所述激光发射器（3）的激光发射端头（32）与超临界二氧化碳喷嘴（5）同圆周轨迹设置。
5.根据权利要求4所述的利用激光和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬岩掘进机，其特征在于：所述超临界二氧化碳高压输送管（6）外部包裹有玻璃纤维层（61）。
6.根据权利要求5所述的利用激光和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬岩掘进机，其特征在于：所述除尘单元（4）包括与激光发射端头（32）的聚焦镜片（33）相对应的吹气嘴（41），吹气嘴（41）连接有鼓风系统，鼓风系统与控制中心相连。
7.根据权利要求1-3或5或6任一项所述的利用激光和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬岩掘进机，其特征在于：所述无滚刀刀盘（1）上的出渣口大于500mm且开口率大于25％。
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