CN112302675B - 用于复合地层盾构掘进的水压伸缩式超前电爆破岩装置 - Google Patents

Abstract

一种用于复合地层盾构掘进的水压伸缩式超前电爆破岩装置，实现软硬不均复合地层盾构隧道全断面掘进快速利用电爆进行超前精准控制破岩，包括超前先导器、V形射水器、耐压弹性伸缩套、伸缩拉伸铜丝、引流导电铜棒、射水孔（7）、放电预留孔、超前助推管、绝缘电流导线、水压增压控制器、储水箱（14）、压力伸缩控制器、高压储能放电系统、水、超前钻探孔；其中：超前先导器内设射水孔、放电预留孔，对载入能量的超前钻探孔进行堵塞；超前先导器与超前助推管连接，超前助推管为中空的圆柱形管，超前助推管的管径与超前先导器相同；超前助推管往超前钻探孔的孔底方向移动，直至将超前先导器放置在预定的破岩位置并堵塞探孔；等等。

Description

用于复合地层盾构掘进的水压伸缩式超前电爆破岩装置

技术领域

本申请属于复合地层盾构掘进时电爆破碎硬岩的技术领域。

背景技术

复合地层是指在盾构的开挖延伸方向和开挖面范围出现两种或两种以上地层，包括软硬不均地层、全断面灰岩或花岗岩、松散砂卵石、软土地层等，具有工程水文地质和岩土物理力学参数相差悬殊的特征，是沿海城市地铁建设过程中遇到的最大难题之一。盾构在复合地层中掘进，特别是处于因中风化、微风化岩层侵入强风化岩层而形成的软硬不均硬岩复合地层，经常造成盾构滚刀磨损严重，包括偏磨、刀圈松动、刀齿脱落和断裂、轴承损坏、合金头掉落、安装螺栓断裂变形等，致使盾构推进速度慢，安全风险大，设备损耗严重，延误工期。为满足软硬不均硬岩复合地层盾构掘进中的破岩能力，建设、设计、施工和监理等单位均会根据地质情况开展盾构机刀盘和刀具的配置研究，以选择合适的施工方式，降低对刀具的损坏。由于受当前地质勘测技术的限制，岩土工程勘察中获取的盾构掘进区间的物理力学参数均是静态的力学参数，没有考虑盾构掘进是处于应力场、渗流场和温度场多场耦合的真实赋存地质环境，也没有考虑盾构机推进系统和回转系统联合带动刀盘旋转切削岩土的动态力学环境，因而在盾构机的刀盘、刀具配置选择和过硬岩地层的处治方案制定时，都忽略了应力、渗流、温度和动态切削等因素对盾构带来的影响，致使复合地层硬岩施工时所选的盾构机震动剧烈、刀具磨损快、推进速度慢，致使刀具更换频繁，设备和机具损耗大、施工成本高、工效低。

现有关于盾构过软硬不均硬岩复合地层的主要方法有盾构法与矿山法结合、盾构法与地面预处理结合、盾构直接掘进过全断面岩层。盾构法与矿山法结合施工时，需要隧道拱顶的岩土层有一定的厚度同时要具有自稳、隔水能力，否则需进行超前加固，这对盾构穿越处于城市中心的历史文物、既有线路、古旧建筑物等敏感区段时，因炸药潜在危险系数大和振动、飞石、冲击波会使既有结构破坏和人体身心受到影响致其应用受到限制。盾构法与地面预处理结合，主要是通过在地面或隧道内进行预加固地层或降低硬岩的完整性，包括冲孔桩机破岩、竖井开挖清除硬岩、地面钻孔爆破等，为盾构直接掘进创造条件，但是这些方法均易受施工场地限制，且竖井开挖工程量巨大，开挖竖井稳定性不易控制，易引发岩土体坍塌，而冲孔破碎需综合利用铣槽机、成槽机、旋挖钻、冲击锤等，钻头损耗大，费用高、工期长。盾构直接掘进过全断面岩层，是一种最理想的掘进方式，但是硬岩的强度指标目前一般采用岩石天然单轴抗压强度，由于盾构掘进区域的岩体的真实赋存环境是应力场、渗流场和温度场多场耦合的动态环境，单凭一个指标很难实现对硬岩坚硬程度的精准判定，加之不同盾构机品牌、不同刀具配置等均会影响盾构的掘进效率，因而使盾构直接掘进工效低下，刀具损耗量大，泡沫耗材多，致使施工成本大幅增加。

综上所述，目前还没有系统开展复合地层盾构掘进时的电爆破碎硬岩研究，也没有涉及盾构直接掘进过全断面软硬不均地层的水压伸缩式超前电爆破碎硬岩的研究。

发明内容

本申请的目的是，为了克服上述现有技术的不足，提供一种用于复合地层盾构掘进的水压伸缩式超前电爆破岩装置，具有高压放电压力冲击波能量在盾构开挖面前方多维度超前释放、电极先导引流沿面伸缩接触、能量利用率高、振动小、破岩效果好和成本低的特点。

为了实现上述目标，本申请提供了如下技术方案：

一种用于复合地层盾构掘进的水压伸缩式超前电爆破岩装置，实现软硬不均复合地层盾构隧道全断面掘进快速利用电爆进行超前精准控制破岩。该用于复合地层盾构掘进的水压伸缩式超前电爆破岩装置，包括超前先导器1、V形射水器2、耐压弹性伸缩套3、伸缩拉伸铜丝4、引流导电铜棒5、射水孔7、放电预留孔8、超前助推管9、绝缘电流导线11、水压增压控制器13、储水箱14、压力伸缩控制器15、高压储能放电系统16、水19、超前钻探孔20；

其中：

超前先导器1内设射水孔7、放电预留孔8，对载入能量的超前钻探孔20进行堵塞；

超前先导器1与超前助推管9连接，超前助推管9为中空的圆柱形管，超前助推管9的管径与超前先导器1相同；超前助推管9往超前钻探孔20的孔底方向移动，直至将超前先导器1放置在预定的破岩位置并堵塞探孔；

射水孔7和放电预留孔8的内径大小相同，布设的数量一致，分别为水19和绝缘电流导线11提供连通通道；

射水孔7与高压水系统连接，引入带压水；

射水孔7的下端与V形射水器2连接；V形射水器2下端的射水口布设为圆形的小开口V型喷嘴结构，使射水孔7内部的带压水19汇流并迅速集中射向耐压弹性伸缩套3内部后形成高速射流，致使高速射流能迅速驱使耐压弹性伸缩套3和引流导电铜棒5竖直往下伸长至超前钻探孔20的孔底；

耐压弹性伸缩套3布设在超前先导器1的下端；当耐压弹性伸缩套3内部有带压水注入时，耐压弹性伸缩套3会逐渐伸长和膨胀；耐压弹性伸缩套3是为超前钻探孔20提供电爆破岩所需的放电通道和高速扩张的瞬时高水压冲击波能量；

伸缩拉伸铜丝4布设在耐压弹性伸缩套3的内部，与绝缘电流导线11连接；其下端与引流导电铜棒5连接；

引流导电铜棒5为横向布设，主要作用是通过带压水往下的流动压力驱使伸缩拉伸铜丝4拉直并伸至孔底，为复合地层21最大深度破岩提供竖向放电通道；

放电预留孔8内布设的绝缘电流导线11；

高压储能放电系统16，用于提供放电能量。

本申请与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

1.本申请装置具有将高压电能在耐压弹性伸缩套内部转换为高压冲击波压力的力学效应致使盾构开挖面前方多维度超前破岩的特点。本申请装置通过控制高压储能放电系统中的放电控制器对高压储能器内的能量进行快速放电，致使放电电能在耐压弹性伸缩套内部遇水后温度迅速升高，并引起耐压弹性伸缩套内部的压力也迅速升高并膨胀，在水中形成高速扩张的水压冲击波致使预设在复合地层中不同埋深和不同方位的超前先导器四周的岩壁均匀破碎。

2.本申请装置具有耦合引流面、电极先导面和沿面接触面的水压伸缩一体化的特点。本申请装置通过V形射水器底端布设的圆形小开口V型喷嘴结构，将带压水汇流并迅速集中射向耐压弹性伸缩套内后构成高速射流形成引流面，致使耐压弹性伸缩套和引流导电铜棒竖直往下伸长至超前钻探孔的孔底形成电极先导面，而耐压弹性伸缩套同时也发生横向膨胀并与孔壁接触形成沿面接触面，促使在引流面、电极先导面和沿面接触面的一体化作用下为电爆破岩提供水压伸缩式放电通道和高水压冲击波能量。

3.本申请装置具有复合地层盾构掘进时硬岩破碎均匀、振动小、成本低、施工速度快和不污染环境的特点。

附图说明

图1为一种用于复合地层盾构掘进的水压伸缩式超前电爆破岩装置的正剖面示意图。

图2为图1顺时针旋转90°后的剖面示意图。

图3为图1中A-A剖面仰视示意图。

图4为图1中B-B剖面俯视示意图。

图5为图1中C-C剖面俯视示意图。

图6为图1中耐压弹性伸缩套伸长后的工作示意图。

图7为图1中的超前先导器在盾构周边的正剖面布置示意图。

图8为图7中的D-D剖面的左视示意图。

其中，

1超前先导器、2为V形射水器、3耐压弹性伸缩套、4伸缩拉伸铜丝、5引流导电铜棒、6为密封固定环、7射水孔、8为放电预留孔、9超前助推管、10支架式液压压力伸缩器、11绝缘电流导线、12耐高压软管、13水压增压控制器、14储水箱、15为压力伸缩控制器、16高压储能放电系统、1601为变频升压控制器、1602为高压形成器、1603为高压储能器、1604为放电控制器、17螺旋密封器、18外接预留孔、19水、20超前钻探孔、21复合地层、22盾构主机、23盾构隧道。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本申请作进一步的说明。

实施例1

应用工作场景及工作原理(创新点)：

盾构隧道23的盾构主机22开挖面的前方是软硬不均的复合地层21，利用盾构主机22已有的超前钻预留通道和配套钻设超前钻探孔20，在盾构周边布设4个超前钻探孔20并互为90°，在盾构隧道23的掌子面前方中心布设1个超前钻探孔20(本实施例5个超前钻探孔20)；

预埋间隔多个(本实施例5个)适用于复合地层盾构掘进的水压伸缩式超前电爆破岩装置(预埋超前先导器1)在盾构隧道23掌子面前方的复合地层21中用于均匀破岩；

然后将超前先导器1与超前助推管9连接，通过控制压力伸缩控制器15驱使超前助推管9往超前钻探孔20的孔底方向移动，直至将超前先导器1放置在预定的破岩位置并堵塞探孔；进而，控制水压增压控制器13驱使储水箱14内的水19通过耐高压软管12注入至V形射水器2内，并在其底端的圆形小开口V型喷嘴结构处，使带压水19汇流并迅速集中射向耐压弹性伸缩套3内部后形成高速射流，致使高速射流能迅速驱使耐压弹性伸缩套3和引流导电铜棒5竖直往下伸长至超前钻探孔20的孔底，同时耐压弹性伸缩套3也发生横向膨胀并与孔壁接触，而引流导电铜棒5在高速射流压力下往下移动时驱使伸缩拉伸铜丝4拉直并伸至孔底，均为超前钻探孔20提供电爆破岩所需的放电通道和高速扩张的瞬时高水压冲击波能量；最后，通过控制高压储能放电系统16中的放电控制器1604对高压储能器1603内的能量进行放电，此时放电电能遇耐压弹性伸缩套3内部的水19后致使其内部的温度迅速升高，并引起耐压弹性伸缩套3内部的压力也迅速升高并膨胀，在水19中形成高速扩张的水压冲击波并优先将能量释放致超前先导器1所处位置的岩壁，当水压脉冲压力突破复合地层21中硬岩的极限强度时，造成所预埋的各个(实施例为5个)超前先导器1在盾构隧道23掌子面前方的复合地层21中均匀破岩。

实施例2

本实施例给出了实施例1中所述的“复合地层盾构掘进的水压伸缩式超前电爆破岩装置”的装置构造。

如图1～图8所示，一种用于复合地层盾构掘进的水压伸缩式超前电爆破岩装置，包括超前先导器1、V形射水器2、耐压弹性伸缩套3、伸缩拉伸铜丝4、引流导电铜棒5、密封固定环6、射水孔7、放电预留孔8、超前助推管9、支架式液压压力伸缩器10、绝缘电流导线11、耐高压软管12、水压增压控制器13、储水箱14、压力伸缩控制器15、高压储能放电系统16、螺旋密封器17、外接预留孔18、水19、超前钻探孔20、复合地层21、盾构主机22、盾构隧道23。

各部分的连接关系如下：

超前先导器1内设射水孔7、放电预留孔8；超前先导器1为外螺纹圆柱体结构，材质为碳素钢，其作用主要是两方面，一是将盾构开挖面前方软硬不均地层内需破岩位置的能量载体先行超前精准导入，预留盾构掘进的安全施工空间，避免超前电爆破岩对盾构刀盘刀具、地面沉降和掘进速度的影响；二是对载入能量的超前钻探孔20进行堵塞，避免高压冲击波能量过早地冲出超前钻探孔20，确保能量的充分利用。

超前先导器1与超前助推管9螺纹连接，超前助推管9为中空的圆柱形内螺纹钢管，其右侧上端布设有外接预留孔18；超前助推管9的管径与超前先导器1相同，长度可依据复合地层破岩的最大深度进行设计。

射水孔7和放电预留孔8的内径大小相同，布设的数量一致，均设2个；2个放电预留孔8布设在超前先导器1的中部，2个射水孔7分别布设在放电预留孔8的左右两侧，其作用是分别为水19和绝缘电流导线11提供连通通道。

射水孔7的上端通过螺旋密封器17与耐高压软管12密封连接，耐高压软管12通过超前助推管9内设的外接预留孔18与水压增压控制器13连接，水压增压控制器13通过耐高压软管12与储水箱14连接；

射水孔7的下端与V形射水器2焊接连接；V形射水器2下端的射水口布设为圆形的小开口V型喷嘴结构，其主要作用是使射水孔7内部的带压水19汇流并迅速集中射向耐压弹性伸缩套3内部后形成高速射流，致使高速射流能迅速驱使耐压弹性伸缩套3和引流导电铜棒5竖直往下伸长至超前钻探孔20的孔底；共布设2个V形射水器2，其材质为碳素钢，均布设在耐压弹性伸缩套3的内部。

耐压弹性伸缩套3布设在超前先导器1的下端并用密封固定环6密封固定；共设2个耐压弹性伸缩套3，其材质为高弹性橡胶；当耐压弹性伸缩套3内部有带压水注入时，耐压弹性伸缩套3会逐渐伸长和膨胀；耐压弹性伸缩套3的主要作用是为超前钻探孔20提供电爆破岩所需的放电通道和高速扩张的瞬时高水压冲击波能量。

伸缩拉伸铜丝4布设在耐压弹性伸缩套3的内部，共布设2根，分别与绝缘电流导线11的正负极对应连接；伸缩拉伸铜丝4的上端与布设在放电预留孔8内的绝缘电流导线11用螺旋密封器17密封连接，其下端与引流导电铜棒5粘接连接；

引流导电铜棒5为横向布设，主要作用是通过带压水往下的流动压力驱使伸缩拉伸铜丝4拉直并伸至孔底，为复合地层21最大深度破岩提供竖向放电通道。

耐压弹性伸缩套3的伸长长度略大于伸缩拉伸铜丝4伸长后的长度；耐压弹性伸缩套3和伸缩拉伸铜丝4的伸长程度可依据最大深度破岩的需求进行设计。

放电预留孔8内布设的绝缘电流导线11的上端通过超前助推管9内设的外接预留孔18与高压储能放电系统16内设的放电控制器1604对应的正负极连接，组成一个正负极电路通路；放电预留孔8的上端用螺旋密封器17密封。

高压储能放电系统16，包括变频升压控制器1601、高压形成器1602、高压储能器1603、放电控制器1604；

变频升压控制器1601的作用是进行电压调节，把220V电压转变为不低于2kV高频高电压，确保电压恒定和过压保护作用；高压形成器1602的作用是升压整流为直流高压，确保对高压储能器1603能稳定充电；高压储能器1603的作用是储存放电所需的能量；放电控制器1604的作用是通过接通的高压电路通路将高压储能器1603内的能量全部进行放电。

放电控制器1604的一端与绝缘电流导线11连接，另一端通过绝缘电流导线11与高压储能器1603连接，而高压储能器1603的一端则与高压形成器1602连接，高压形成器1602的另一端则与变频升压控制器1601连接；变频升压控制器1601必须进行接地处理。

超前助推管9的上端与支架式液压压力伸缩器10法兰连接；支架式液压压力伸缩器10通过绝缘电流导线11与压力伸缩控制器15连接；支架式液压压力伸缩器10的主要作用是为超前助推管9提供驱动压力和支撑力。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本申请。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本申请不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本申请的揭示，不脱离本申请范畴所做出的改进和修改都应该在本申请的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种用于复合地层盾构掘进的水压伸缩式超前电爆破岩装置，特征是，包括超前先导器（ 1） 、V形射水器（ 2） 、耐压弹性伸缩套（ 3） 、伸缩拉伸铜丝（ 4） 、引流导电铜棒（5） 、射水孔（ 7） 、放电预留孔（ 8） 、超前助推管（ 9） 、绝缘电流导线（ 11） 、水压增压控制器（ 13） 、储水箱（ 14） 、压力伸缩控制器（ 15） 、高压储能放电系统（ 16） 、水（ 19） 、超前钻探孔（ 20） ；

其中：

超前先导器（ 1） 内设射水孔（ 7） 、放电预留孔（ 8） ，对载入能量的超前钻探孔（20） 进行堵塞；

超前先导器（ 1） 与超前助推管（ 9） 连接，超前助推管（ 9） 为中空的圆柱形管，超前助推管（ 9） 的管径与超前先导器（ 1） 相同；超前助推管（ 9） 往超前钻探孔（ 20） 的孔底方向移动，直至将超前先导器（ 1） 放置在预定的破岩位置并堵塞探孔；

射水孔（ 7） 和放电预留孔（ 8） 的内径大小相同，布设的数量一致，分别为水（ 19）和绝缘电流导线（ 11） 提供连通通道；

射水孔（ 7） 与高压水系统连接，引入带压水；

射水孔（ 7） 的下端与V形射水器（ 2） 连接；V形射水器（ 2） 下端的射水口布设为圆形的小开口V型喷嘴结构，使射水孔（ 7） 内部的带压水（ 19） 汇流并迅速集中射向耐压弹性伸缩套（ 3） 内部后形成高速射流，致使高速射流能迅速驱使耐压弹性伸缩套（ 3） 和引流导电铜棒（ 5） 竖直往下伸长至超前钻探孔（ 20） 的孔底；

耐压弹性伸缩套（ 3） 布设在超前先导器（ 1） 的下端；当耐压弹性伸缩套（ 3） 内部有带压水注入时，耐压弹性伸缩套（ 3） 会逐渐伸长和膨胀；耐压弹性伸缩套（ 3） 是为超前钻探孔（ 20） 提供电爆破岩所需的放电通道和高速扩张的瞬时高水压冲击波能量；

伸缩拉伸铜丝（ 4） 布设在耐压弹性伸缩套（ 3） 的内部，与绝缘电流导线（ 11） 连接；其下端与引流导电铜棒（ 5） 连接；

引流导电铜棒（ 5） 为横向布设，主要作用是通过带压水往下的流动压力驱使伸缩拉伸铜丝（ 4） 拉直并伸至孔底，为复合地层（ 21） 最大深度破岩提供竖向放电通道；

放电预留孔（ 8） 内布设的绝缘电流导线（ 11） ；

高压储能放电系统（ 16） ，用于提供放电能量。

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