CN112483106B - 一种pdc截齿刮刀加深扩宽水切槽的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PDC截齿刮刀加深扩宽水切槽的方法。它包括如下步骤，步骤一：将TBM刀盘对准岩石切槽位置；步骤二：具体过程为：TBM刀盘在行进方向破岩时，高压水射流结构随TBM刀盘转动方向转动时，高压水射流至相邻二个机械滚刀结构之间的岩石，在岩石上形成水力切槽；刮刀结构伸入水力切槽、形成槽体；机械滚刀结构在水力切槽两侧的岩石上方进行滚压切削；步骤三：重复步骤二，TBM刀盘开始下一个行程作业，直至岩石切槽完成。本发明克服高压水射流切削岩石在高速移动切削状态下，对于岩石的切槽深度较浅的工程难题；具有效率高、能耗低、磨损小以及改善工作面作业环境的优点。

Description

一种PDC截齿刮刀加深扩宽水切槽的方法

技术领域

本发明涉及隧道及地下工程领域，特别涉及高压水射流破岩技术在TBM隧道施工领域的应用，更具体地说它是一种PDC截齿刮刀加深扩宽水切槽的方法。

背景技术

现有破岩技术采用机械滚刀结合高压水射流的联合破岩方式，该类型破岩方式首先通过高压水射流在岩石上形成一定深度d1的槽体，再有机械滚刀滚压两相邻槽体隔绝形成的局部块体。该类联合破岩的局限性在于，对于实际工程，往往需要高压水射流装置以较快的行进速度对岩石进行切削，然而，在较高行进速度下，即使高压水射流的射流压力很大，依然难以形成较深的切削深度，如图单独水射流切槽配合机械滚刀破岩所示：较高行进速度下，水射流切槽深度较浅，机械滚刀在岩石块体上形成的裂纹延伸长度越过了切槽的最深处，切槽行为不能够完全利用机械滚刀所形成的裂纹，造成机械能的浪费，进行不能致裂该部位的局部岩石块体。

因此，现亟需开发一种高效率、低能耗的破岩方法。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种PDC截齿刮刀加深扩宽水切槽的方法，经过机械刮刀在水射流切槽之后的拓宽加深，即通过水射流+刮刀切槽配合机械滚刀破岩，增加后的切槽深度为d2(如图4、图5所示)，该深度可以完全利用机械滚刀在岩石块体中形成的裂纹，能够较好的对该部位岩石块体进行致裂破碎，从而实现切多深、破多深，更加高效利用切削岩石的滚刀滚压机械能，实现高效率、低能耗破岩。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种PDC截齿刮刀加深扩宽水切槽的方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：将TBM刀盘对准岩石切槽位置；

步骤二：启动TBM刀盘，使TBM刀盘向前行进一个行程；

具体过程为：TBM刀盘上安装的高压水射流结构和TBM刀盘由旋转驱动带动旋转；

TBM刀盘在行进方向破岩时，首先，高压水射流结构随TBM刀盘转动方向转动时，高压水射流至相邻二个机械滚刀结构之间的岩石，在岩石上形成水力切槽；

紧接着，刮刀结构伸入水力切槽、对水力切槽进行加深拓宽、形成槽体；

最后，机械滚刀结构在槽体两侧的岩石上方进行滚压切削；

步骤三：重复步骤二，TBM刀盘开始下一个行程作业，直至岩石切槽完成。

在上述技术方案中，TBM刀盘包括机械滚刀结构、高压水射流结构、刮刀结构；机械滚刀结构、高压水射流结构和刮刀结构均设置在TBM刀盘上。

在上述技术方案中，机械滚刀结构、高压水射流结构、刮刀结构在TBM刀盘上均呈分区布置；

机械滚刀结构、高压水射流结构和刮刀结构组成一个工作组；

TBM刀盘上设置多个所述工作组。

在上述技术方案中，所述刮刀结构位于相邻设置的所述机械滚刀结构与高压水射流结构之间；

在TBM刀盘行进方向，所述高压水射流结构设置在刮刀结构前方；所述刮刀结构设置在机械滚刀结构前方。

在上述技术方案中，所述刮刀结构的尺寸与水力切槽的宽度匹配；

所述刮刀结构的宽度大于或等于所述水力切槽的宽度。

在上述技术方案中，所述刮刀结构安装在TBM刀盘上。

在上述技术方案中，所述刮刀为PDC截齿刮刀；

所述刮刀结构包括刀刃和刀柄；所述刀刃通过刀柄安装在TBM刀盘上；

所述刀刃的长度与刀柄的长度相等、宽度大于刀柄的宽度；所述刀刃的高度大于水力切槽的深度、宽度大于或等于水力切槽的宽度。

在上述技术方案中，在步骤二中，经高压水射流结构、刮刀结构先后处理后的岩石上有多条槽体，相邻二个槽体之间形成三个自由面局部岩石块体；

在步骤二中，槽体的深度为水力切槽深度和刮刀结构处理深度之和。

在上述技术方案中，所述刮刀结构有一个或多个；

当所述刮刀结构有多个时，多个刮刀结构组合呈一个整体后安装在所述TBM刀盘上、且位于相邻设置的所述机械滚刀结构与高压水射流结构之间。

在上述技术方案中，所述机械滚刀结构有一个或多个；

当所述机械滚刀结构有多个时，多个所述机械滚刀结构组合呈一个整体后安装在所述TBM刀盘上。

本发明具有如下优点：

(1)本发明创新出一种新的PDC截齿刮刀扩宽水切槽的破岩方式，利用PDC截齿刮刀与高压水射流组合布置，实现高压水射流切槽的加深拓宽，有利于突破高压水射流高速运动条件下切割岩石困难及切槽较浅的问题，能够提高高压水射流应用于大型工程破岩机械的可行性，进而提高岩石隧道掘进领域的破岩效率；

(2)有别于无切槽的破岩形式，本发明利用机械滚刀+高压水射流+机械刮刀的联合破岩作业形式，一方面相比传统的机械滚刀破碎岩石的工艺方法，在隧道掘进为代表的岩石破碎领域，具有效率高、能耗低、磨损小以及改善工作面作业环境的优点；

(3)另一方面本发明利用刮刀安装于滚刀后方对于岩石的切削槽体的加深作用，能够很好地克服高压水射流切削岩石在高速移动切削状态下，对于岩石(特别是硬岩和极硬岩)的切槽深度较浅的工程难题，有利于机械+水力联合破岩技术更好的实现工程上的推广应用。

附图说明

图1为本发明中的高压水射流结构、刮刀结构先后工作的结构示意图。

图2为本发明中的机械滚刀结构滚压槽体的工作示意图。

图3为本发明中的刮刀结构的立体结构示意图。

图4为现有技术单独采用高压水射流结构配合机械滚刀结构的破岩示意图。

图5为本发明采用高压水射流结构和刮刀结构配合机械滚刀结构的破岩示意图。

图6为本发明中的TBM刀盘的俯视图。

图7为图6的TBM刀盘切削工作痕迹示意图。

图8为本发明中的刮刀结构有多个，多个刮刀结构组合呈一个整体后呈周向安装在所述TBM刀盘上的结构示意图。

图9为图8的TBM刀盘切削工作痕迹示意图。

图10为本发明中的刮刀有多个时的破岩工作示意图。

图11为本发明采用的TBM装置结构示意图。

图1、图2中的箭头表示TBM刀盘的行进方向。

图4中的M表示密实核；d1表示高压水射流结构喷射形成的水力切槽的深度。

图5中的M表示密实核；d1表示高压水射流结构喷射形成的水力切槽的深度；△h表示采用刮刀结构对水力切槽加深的深度；d2表示经高压水射流结构、刮刀结构先后处理后的槽体深度。

图6、图7中的Q2表示一种TBM刀盘的旋转方向。

图8、图9中的Q3表示另一种TBM刀盘的旋转方向。

图6和图8中的Z表示工作组。

从图10中可以看出，当刮刀有多个时，每个刮刀的结构均相同；距离水射流喷嘴较近的刮刀长度尺寸小，距离水射流喷嘴越远、刮刀长度尺寸越大。

图11中，A表示旋转驱动；C表示高压水射流结构的喷嘴；D表示水刀旋转调节部；E表示水仓；F表示水刀外接水管道；G表示高压水管道；Q表示水力切槽。

图中1-槽体,2-机械滚刀结构,3-高压水射流结构,4-TBM刀盘，5-岩石,6-水力切槽，7-刮刀结构，7.1-刀刃，7.2-刀柄。

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：一种PDC截齿刮刀加深扩宽水切槽的方法，包括如下步骤，

步骤一：将TBM刀盘4对准岩石5切槽位置；

步骤二：启动TBM刀盘4，使TBM刀盘4向前行进一个行程；

具体过程为：TBM刀盘4上安装的高压水射流结构3和TBM刀盘4由旋转驱动带动旋转；

水仓通过水刀外接水管道供水给高压水射流结构3(如图11所示)；其中，旋转驱动、水仓和水刀外接水管道均为现有技术；本发明采用的TBM装置为现有技术；

TBM刀盘4在行进方向破岩时，首先，高压水射流结构3随TBM刀盘4转动方向转动时，高压水射流至相邻二个机械滚刀结构2之间的岩石5，在岩石5上形成水力切槽6；

紧接着，刮刀结构7伸入水力切槽6、对水力切槽6进行加深拓宽、形成槽体1；

最后，机械滚刀结构2在水力切槽6两侧的岩石5上方进行滚压切削；经过机械滚刀结构2、高压水射流结构3作用后，所述形成的局部岩石块体，利用机械滚刀的滚压切削作用将其破碎，进而形成岩石的高效破碎；

步骤三：重复步骤二，TBM刀盘4开始下一个行程作业，直至岩石5切槽完成(如图6、图7、图8、图9所示)；本发明经过机械刮刀在水射流切槽之后的拓宽加深，即通过水射流+刮刀切槽配合机械滚刀破岩，增加后的切槽深度为d2(如图4、图5所示)，该深度可以完全利用机械滚刀在岩石块体中形成的裂纹，能够较好的对该部位岩石块体进行致裂破碎，从而实现切多深、破多深，更加高效利用切削岩石的滚刀滚压机械能，实现高效率、低能耗破岩。

进一步地，TBM刀盘4包括机械滚刀结构2、高压水射流结构3、刮刀结构7；机械滚刀结构2、高压水射流结构3和刮刀结构7均设置在TBM刀盘4上。

进一步地，机械滚刀结构2、高压水射流结构3、刮刀结构7在TBM刀盘4上均呈分区布置；

所述机械滚刀结构2有多个，多个所述机械滚刀结构2呈间隔设置；

所述高压水射流结构3有多个，多个所述高压水射流结构3呈间隔设置；所述高压水射流装置可以喷射高压水射流，用以在岩石块体上切割出线性的槽体；

所述刮刀结构7有多个；多个所述刮刀结构7呈间隔设置；

机械滚刀结构2、高压水射流结构3和刮刀结构7组成一个工作组；

TBM刀盘4上设置多个所述工作组。

进一步地，所述刮刀结构7位于相邻设置的所述机械滚刀结构2与高压水射流结构3之间；

在TBM刀盘4行进方向，所述高压水射流结构3设置在刮刀结构7前方；所述刮刀结构7设置在机械滚刀结构2前方(如图6、图8所示)。

进一步地，所述刮刀结构7的尺寸与水力切槽6的宽度匹配；

所述刮刀结构7的最大宽度略大于所述水力切槽6的宽度。

进一步地，所述刮刀结构7安装在TBM刀盘4上(如图6、图8所示)。

进一步地，所述刮刀7.1为PDC截齿刮刀；刮刀为PDC材料(其中，PDC(Polycrystalline Diamond Compact)，为现有技术)，安装在所述高压水射流装置的后方，用以加深所述高压水射流装置在岩石块体上切出的线性槽体。所述高压水射流切割槽深度为d1，所述刮刀加深后的槽深度为d2，经过两种切削工具依次切割过后的岩石槽体深度差值为Δh＝d2-d1(如图4、图5所示)；

所述刮刀7.1包括刀刃7.1和刀柄7.2；所述刀刃7.1通过刀柄7.2安装在所述TBM刀盘4上；

所述刀刃7.1的长度与刀柄7.2的长度相等、宽度大于刀柄7.2的宽度；所述刀刃7.1的高度大于水力切槽6的深度、最大宽度略大于水力切槽6的宽度，根据射流直径的变化进行相应刮刀尺寸的安装(如图1、图3所示)。

进一步地，在步骤二中，经高压水射流结构3、刮刀结构7先后处理后的岩石5上有多条具有一定深度的槽体1，相邻二个槽体1之间形成三个自由面局部岩石块体；

在步骤二中，槽体1的深度为水力切槽6深度和刮刀结构7处理深度之和(如图1、图4、图5所示)。

进一步地，所述刮刀结构7有一个或多个；

当所述刮刀结构7有多个时，多个刮刀结构7组合呈一个整体(即刮刀模块)后安装在所述TBM刀盘4上、且位于相邻设置的所述机械滚刀结构2与高压水射流结构3之间(如图6、图7、图8、图9、图10所示)；当有多个刮刀时，一个刮刀模块安装三个刮刀，每个刮刀的结构相同，距离水射流喷嘴较近的刮刀尺寸长度小，距离水射流喷嘴越远，刮刀尺寸长度越大。

进一步地，所述机械滚刀结构2有一个或多个；

当所述机械滚刀结构2有多个时，多个所述机械滚刀结构2组合呈一个整体后安装在所述TBM刀盘4上、且位于相邻设置的所述高压水射流结构3与刮刀结构7之间。

为了能够更加清楚的说明本发明所述的PDC截齿刮刀加深扩宽水切槽的方法与现有技术相比所具有的优点，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PDC截齿刮刀加深扩宽水切槽的方法与现有技术相比，利用机械滚刀+高压水射流+机械刮刀的联合破岩方式破岩，破岩效率高，破岩能耗低，磨损小，能改善工作面作业环境。

其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (9)

1.一种PDC截齿刮刀加深扩宽水切槽的方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：将TBM刀盘(4)对准岩石切槽位置；

机械滚刀结构(2)、高压水射流结构(3)、刮刀结构(7)在TBM刀盘(4)上均呈分区布置；

机械滚刀结构(2)、高压水射流结构(3)和刮刀结构(7)组成一个工作组；

所述刮刀结构(7)位于相邻设置的所述机械滚刀结构(2)与高压水射流结构(3)之间；

在TBM刀盘(4)行进方向，所述高压水射流结构(3)设置在刮刀结构(7)前方；所述刮刀结构(7)设置在机械滚刀结构(2)前方；

步骤二：启动TBM刀盘(4)，使TBM刀盘(4)向前行进一个行程；

具体过程为：TBM刀盘(4)上安装的高压水射流结构(3)和TBM刀盘(4)由旋转驱动带动旋转；

TBM刀盘(4)在行进方向破岩时，首先，高压水射流结构(3)随TBM刀盘(4)转动方向转动时，高压水射流至相邻二个机械滚刀结构(2)之间的岩石，在岩石上形成水力切槽(6)；

紧接着，刮刀结构(7)伸入水力切槽(6)、对水力切槽(6)进行加深拓宽、形成槽体(1)；

最后，机械滚刀结构(2)在槽体(1)两侧的岩石上方进行滚压切削；

步骤三：重复步骤二，TBM刀盘(4)开始下一个行程作业，直至岩石切槽完成。

2.根据权利要求1所述的PDC截齿刮刀加深扩宽水切槽的方法，其特征在于：TBM刀盘(4)包括机械滚刀结构(2)、高压水射流结构(3)、刮刀结构(7)；机械滚刀结构(2)、高压水射流结构(3)和刮刀结构(7)均设置在TBM刀盘(4)上。

3.根据权利要求2所述的PDC截齿刮刀加深扩宽水切槽的方法，其特征在于：TBM刀盘(4)上设置多个所述工作组。

4.根据权利要求3所述的PDC截齿刮刀加深扩宽水切槽的方法，其特征在于：所述刮刀结构(7)的尺寸与水力切槽(6)的宽度匹配；

所述刮刀结构(7)的宽度大于或等于所述水力切槽(6)的宽度。

5.根据权利要求4所述的PDC截齿刮刀加深扩宽水切槽的方法，其特征在于：所述刮刀结构(7)安装在TBM刀盘(4)上。

6.根据权利要求5所述的PDC截齿刮刀加深扩宽水切槽的方法，其特征在于：所述刮刀结构(7)为PDC截齿刮刀；

所述刮刀结构(7)包括刀刃(7.1)和刀柄(7.2)；所述刀刃(7.1)通过刀柄(7.2)安装在TBM刀盘(4)上；

所述刀刃(7.1)的长度与刀柄(7.2)的长度相等、宽度大于刀柄(7.2)的宽度；所述刀刃(7.1)的高度大于水力切槽(6)的深度、宽度大于或等于水力切槽(6)的宽度。

7.根据权利要求6所述的PDC截齿刮刀加深扩宽水切槽的方法，其特征在于：在步骤二中，经高压水射流结构(3)、刮刀结构(7)先后处理后的岩石上有多条槽体(1)，相邻二个槽体(1)之间形成三个自由面局部岩石块体；

在步骤二中，槽体(1)的深度为水力切槽(6)深度和刮刀结构(7)处理深度之和。

8.根据权利要求7所述的PDC截齿刮刀加深扩宽水切槽的方法，其特征在于：所述刮刀结构(7)有一个或多个；

当所述刮刀结构(7)有多个时，多个刮刀结构(7)组合呈一个整体后安装在所述TBM刀盘(4)上、且位于相邻设置的所述机械滚刀结构(2)与高压水射流结构(3)之间。

9.根据权利要求7或8所述的PDC截齿刮刀加深扩宽水切槽的方法，其特征在于：所述机械滚刀结构(2)有一个或多个；

当所述机械滚刀结构(2)有多个时，多个所述机械滚刀结构(2)组合呈一个整体后安装在所述TBM刀盘(4)上。

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