CN112483107B - 基于脉冲射流+点处理的内外刀盘tbm装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于脉冲射流+点处理的内外刀盘TBM装置。它包括TBM刀盘和旋转驱动；TBM刀盘为上下刀盘空间分层结构；TBM刀盘包括机械刀盘和水射流刀盘；机械刀盘位于水射流刀盘外侧；机械刀盘与旋转驱动连接；机械刀盘为辐板式结构；机械滚刀结构安装在辐板上；辐板之间设有辐板间隙；高压水射流结构安装在水射流刀盘上；机械刀盘由旋转驱动带动旋转时，当机械刀盘旋转至辐板间隙与高压水射流结构重合时，高压水射流自高压水射流结构喷出、对岩体进行定向打孔；当机械刀盘旋转至辐板间隙与高压水射流结构错开时，高压水射流结构停止喷射。本发明具有改善岩石的破碎效果，提高破岩效率，降低刀盘旋转驱动能耗的优点。
Description
技术领域
本发明涉及地下工程领域，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基于脉冲射流+点处理的内外刀盘TBM装置。
背景技术
隧道掘进机(TBM)具有安全、环保、高效等优秀特点，被广泛应用于水工隧洞、矿山巷道、交通隧道以及管道国防等众多隧道建设项目。然而，TBM发展至今，已经从传统的手扶式、机械式、闭胸式以及现在的智能控制集成化的TBM装备，其机械滚刀滚压破碎岩石的破岩方式却没有发生根本性改变，同时也制约着TBM破岩效率的提高。
高压水射流钻孔技术是近年来研究较为成熟的技术，将其应用到TBM刀盘破岩领域，是对TBM技术发展的重要创新，高压水射流联合机械滚刀的破岩方法，能够在机械磨损和改善工作面作业环境等方面实现重大进步。然而，高压水射流在TBM刀盘上的布置方式单一，对岩石的破碎效果并不好；且现有TBM驱动其刀盘旋转的能耗较高。
因此，现亟需开发一种改善岩石的破碎效果、提高破岩效率、降低刀盘旋转驱动能耗的高压水射流钻孔装置。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种基于脉冲射流+点处理的内外刀盘TBM装置，TBM刀盘设置为上下刀盘空间分层结构布置，水射流刀盘上有水射流喷嘴作为点破岩装置，高压水射流自水射流喷嘴喷出，定向冲击到岩石表面，形成具有一定深度的孔洞，同时水射流的冲击作用会使孔洞周围出现一系列的微裂纹破碎，改善岩石的破碎效果，提高破岩效率，降低刀盘旋转驱动能耗。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种基于脉冲射流+点处理的内外刀盘TBM装置，其特征在于：包括TBM刀盘、旋转驱动、外机架、后支撑和外机架上撑靴；
所述TBM刀盘为上下刀盘空间分层结构；所述TBM刀盘上设有辐板；
所述TBM刀盘包括机械刀盘和水射流刀盘；所述机械刀盘位于水射流刀盘外侧；所述机械刀盘与所述旋转驱动连接；
机械刀盘为辐板式结构；机械滚刀结构安装在辐板上；
相邻二个所述辐板之间设有辐板间隙；高压水射流结构安装在水射流刀盘上；
机械刀盘由旋转驱动带动旋转时，当机械刀盘旋转至所述辐板间隙与高压水射流结构重合时，高压水射流自高压水射流结构喷出、对岩体进行定向打孔；
当机械刀盘旋转至所述辐板间隙与高压水射流结构错开时，高压水射流结构停止喷射、机械滚刀结构滚压破碎打孔后的岩石。
在上述技术方案中，所述机械滚刀结构有多个，多个所述机械滚刀结构间隔安装在所述辐板上；
所述高压水射流结构有多个，多个所述高压水射流结构间隔安装在所述水射流刀盘上。
在上述技术方案中，机械滚刀结构和高压水射流结构均呈周向布置；
一排机械滚刀结构位于二排高压水射流结构之间。
本发明具有如下优点：
(1)本发明创新出一种基于脉冲射流的点处理破岩结合机械滚刀的破岩模式，高压水射流对岩石的预先打孔致裂，能够降低岩石的强度；相比只采用机械滚刀的破岩技术，本发明有利于提高岩石的破岩效率；
(2)本发明中的旋转驱动带动机械刀盘旋转，机械滚刀结构设置在机械刀盘上，机械刀盘为辐板式结构，相邻二个辐板之间设有辐板间隙；减轻了机械刀盘的重量，从而降低驱动机械刀盘旋转的能耗，提高破岩效果，降低成本；
(3)与机械滚刀和高压水射流同时旋转破岩的联合破岩技术相比，本发明不存在高压水射流旋转破岩时对高压状态下水射流管道旋转接头的密封问题；水射流刀盘为固定机构，不需要采用旋转密封接头，更具有经济性；同时，水射流刀盘不旋转，可以提供更大的密封压力，有利于高压水射流打孔深度的加深，进而促进岩石的破碎，提高整台TBM的破岩效率。
附图说明
图1为本发明中的TBM内外刀盘的装置的工作结构示意图。
图2为本发明中的TBM内外刀盘的装置破岩的工作结果示意图。
图3为本发明中的机械刀盘的结构示意图。
图4为本发明中的水射流刀盘的结构示意图。
图5为本发明中的TBM刀盘的结构示意图。
图1中，G1表示可伸缩水管，G2表示高压水管道，其中，可伸缩水管G1与高压水管道G2连接，将水仓中的水供给高压水射流结构；B表示高压水射流。
图2中，G1表示可伸缩水管；B表示高压水射流打孔；C表示岩层。
图3中、图4、图5中，Q2表示TBM刀盘旋转方向。
图中1-辐板，1.1-辐板间隙，2-机械滚刀结构，3-高压水射流结构，4-TBM刀盘，4.1-机械刀盘，4.2-水射流刀盘，5-旋转驱动，6-孔洞，7-油压缸，8-护盾，9-外机架，10-后支撑，11-外机架上撑靴，12-推进油缸，13-传动输送机，14-铲斗，15-水仓。
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。
本发明提供一种高效破岩的机械-脉冲射流点处理联合破岩TBM，其机械刀盘上安装机械滚刀用于破岩，水射流刀盘位于所述联合破岩TBM刀盘之后，喷射高压水射流辅助破岩；其中，TBM工作时，机械刀盘上的滚刀直接滚压岩石，水射流刀盘上的高压水射流结构在机械刀盘辐板间隙时喷射高压水射流，促进岩石的致裂，提高破岩效率；机械刀盘在TBM工作时进行旋转破岩，水射流刀盘4.2上的高压水射流结构3位于机械刀盘辐板间隙时，喷射高压水射流在岩体上打孔作业；高压水射流结构3被机械刀盘的辐板遮挡时，停止喷射高压水射流，辅助破岩。
参阅附图可知：一种基于脉冲射流+点处理的内外刀盘TBM装置，包括TBM刀盘4、旋转驱动5、外机架9、后支撑10和外机架上撑靴11；
所述推进油缸12位于外机架9外侧、且连接于所述外机架9后端；
所述外机架9位于所述旋转驱动5外侧；
有外机架上撑靴11位于所述外机架9后方，所述推进油缸12分别固定于所述外机架9和所述外机架上撑靴11上；
有后支撑10和水仓15位于所述外机架上撑靴11后方，所述后支撑10位于所述外机架上撑靴11与所述水仓15之间；
有传动输送机13位于所述外机架9内侧；有铲斗14位于所述传动输送机13前端；
有护盾8和油压缸7设于所述外机架9外侧，所述油压缸7两端分别连接所述外机架9外壁和所述护盾8内壁；所述联合破岩TBM用以隧洞开挖，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(如图1、图2所示)；
所述TBM刀盘4为上下刀盘空间分层结构，所述新型联合破岩TBM包括两种刀盘，具体指所述机械刀盘和所述水射流刀盘；所述TBM刀盘4上设有辐板1；机械滚刀结构2安装在所述辐板1上；机械刀盘为辐板式，所述辐板上安装布置一系列机械滚刀(如图3、图4、图5所示)；
所述TBM刀盘4包括机械刀盘4.1和水射流刀盘4.2；所述机械刀盘4.1位于水射流刀盘4.2外侧，所述机械刀盘安装在所述水射流刀盘的前面；所述机械刀盘4.1与所述旋转驱动5连接；水射流刀盘不随所述机械刀盘转动，是固定安装在整台TBM装备上(如图3、图4、图5所示)；
机械刀盘4.1为辐板式结构(如图3、图5所示)，机械刀盘4.1用于支撑固定机械滚刀结构2；
相邻二个所述辐板1之间设有辐板间隙1.1，用于实现高压水射流结构3的定向打孔；
机械滚刀结构2安装在所述辐板上；所述高压水喷嘴安装在水射流刀盘上；所述高压水喷嘴通过高压水管道与水仓连接；高压水射流结构3用于喷射水射流定向打孔；
机械刀盘4.1由旋转驱动5带动旋转时，当机械刀盘4.1旋转至所述辐板间隙1.1与高压水射流结构3重合时，高压水射流自高压水射流结构3喷出、对岩体进行定向打孔；
当机械刀盘4.1旋转至所述辐板间隙1.1与高压水射流结构3错开时，高压水射流结构3停止喷射、机械滚刀结构滚压破碎打孔后的岩石。
所述机械滚刀结构2有多个，多个所述机械滚刀结构2间隔安装在所述辐板上；
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间隔安装在所述水射流刀盘4.2上(如图3、图4所示)；水射流刀盘上布置一系列高压水射流喷嘴，所述水射流喷嘴的布置于所述机械刀盘的辐板间隙处；高压水射流在岩体上打孔之后，岩体表面会形成一定排列分布的孔洞，岩体的抗压强度被降低，之后TBM第一机械刀盘上的机械滚刀在布满孔洞的岩体上滚压切削，致裂岩体。
进一步地，机械滚刀结构2和高压水射流结构3均呈周向布置；
机械滚刀结构2位于二排周向布置的高压水射流结构3之间；一排高压水射流结构3位于二排周向布置的机械滚刀结构2之间(如图3所示)，机械滚刀滚压定向孔(即高压水射流结构3喷射形成的定向孔)破岩。
进一步地，所述高压水射流结构3包括高压水喷嘴和高压水管道；高压脉冲射流可以通过后端高压水泵及其控制软件实现对射流脉冲频率、水压等参数的控制。
参阅附图可知：本发明所述的基于脉冲射流+点处理的内外刀盘TBM装置的破岩方法，包括如下步骤，
步骤一：安装基于脉冲射流+点处理的内外刀盘TBM装置，将TBM刀盘4对准待开挖洞室位置；
步骤二：固定TBM外机架，启动基于脉冲射流+点处理的内外刀盘TBM装置，使TBM向前掘进一个行程；TBM工作时，机械刀盘上的滚刀直接滚压岩石，水射流刀盘上的高压水射流喷嘴在机械刀盘辐板间隙时喷射高压水射流，促进岩石的致裂，提高破岩效率；
具体过程为：外机架上撑靴11撑紧围岩洞壁，固定整个TBM的机架，后支撑基于脉冲射流+点处理的内外刀盘TBM装置，方便掘进；
推进油缸12向刀盘主体1施加推力，TBM被推出，向前掘进；机械刀盘4.1和机械滚刀结构2由联合破岩TBM工作系统的旋转驱动5驱动旋转，且机械刀盘4.1安装的机械滚刀结构2用于滚压破岩；
位于机械刀盘4.1后方的水射流刀盘4.2上的高压水射流结构3喷射高压水射流辅助破岩；机械刀盘在TBM工作时进行旋转破岩，所述高压水喷嘴位于所述机械刀盘辐板间隙时，喷射高压水射流在岩体上打孔作业；所述高压水射流被所述机械刀盘的辐板遮挡时，停止喷射高压水射流；
崩落的岩渣由铲斗11铲入带式输送机10，通过带式输送机10运至洞外；联合破岩TBM工作系统伸长一个行程，TBM刀盘4及与TBM刀盘4连接的构件相应向前移动一个行程；
步骤三：重复步骤二，开始下一个行程作业，直至掘进到指定距离；即完成洞室开挖。
进一步地，在步骤二中，机械滚刀结构2自身旋转的同时随刀盘主体1旋转；
当机械刀盘4.1旋转至所述辐板间隙1.1与高压水射流结构3重合时，水仓15通过水刀外接水管道13供水给高压水射流结构3，高压水射流自高压水射流结构3的喷嘴喷出、对岩体进行定向打孔冲击到相邻二个机械滚刀结构2之间的岩石表面，形成具有一定深度的孔洞6，同时高压水射流的冲击作用致裂会使孔洞周围的岩石出现一系列的微裂纹破碎；
机械滚刀结构2直接滚压破碎打孔后的岩石(如图2所示)，提高破岩效果，降低能耗。
进一步地，水射流刀盘4.2上的高压水射流结构3为脉冲射流模式，即每隔一定时间进行一次高压水射流喷射；
高压水射流结构3的脉冲规律根据所述机械刀盘4.1的转速和实际工况条件进行调整(即：高压水射流的脉冲规律(即喷射时间和间隔喷射时间)根据所述机械刀盘的转速和实际工况条件进行调整)，所述高压水射流在喷射开始前和停止时应当位于所述机械刀盘辐板间隙位置，喷射设置预留一定的启动时间和制动时间，避免高压水射流喷射到所述安装机械滚刀的机械刀盘辐板上。所述的高压水射流结构3为现有技术。
进一步地，联合破岩TBM工作系统包括传动箱体、液压进给系统和旋转驱动；所述旋转驱动内装有电机、扭矩转速传感器、减速器，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和推力杆；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。
为了能够更加清楚的说明本发明所述的基于脉冲射流+点处理的内外刀盘TBM装置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，本发明所述的基于脉冲射流+点处理的内外刀盘TBM装置与现有技术相比，破岩方式为高压水射流定向打孔和机械滚刀联合破岩，破岩效率高。
其它未说明的部分均属于现有技术。
Claims (3)
1.一种基于脉冲射流+点处理的内外刀盘TBM装置，其特征在于：包括TBM刀盘(4)、旋转驱动(5)、外机架(9)、后支撑(10)和外机架上撑靴(11)；
所述TBM刀盘(4)为上下刀盘空间分层结构；所述TBM刀盘(4)上设有辐板(1)；
所述TBM刀盘(4)包括机械刀盘(4.1)和水射流刀盘(4.2)；所述机械刀盘(4.1)位于水射流刀盘(4.2)外侧；所述机械刀盘(4.1)与所述旋转驱动(5)连接；
机械刀盘(4.1)为辐板式结构；机械滚刀结构(2)安装在辐板上；
相邻二个所述辐板(1)之间设有辐板间隙(1.1)；高压水射流结构(3)安装在水射流刀盘(4.2)上；水射流刀盘为固定机构、不旋转；
机械刀盘(4.1)由旋转驱动(5)带动旋转时，当机械刀盘(4.1)旋转至所述辐板间隙(1.1)与高压水射流结构(3)重合时，高压水射流自高压水射流结构(3)的喷嘴喷出、对岩体进行定向打孔冲击到相邻二个机械滚刀结构(2)之间的岩石表面，形成具有一定深度的孔洞(6)，同时高压水射流的冲击作用致裂使孔洞(6)周围的岩石出现一系列的微裂纹破碎；
当机械刀盘(4.1)旋转至所述辐板间隙(1.1)与高压水射流结构(3)错开时，高压水射流结构(3)停止喷射、机械滚刀结构滚压破碎打孔后的岩石。
2.根据权利要求1所述的基于脉冲射流+点处理的内外刀盘TBM装置，其特征在于：所述机械滚刀结构(2)有多个，多个所述机械滚刀结构(2)间隔安装在所述辐板(1)上；
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)间隔安装在所述水射流刀盘(4.2)上。
3.根据权利要求2所述的基于脉冲射流+点处理的内外刀盘TBM装置，其特征在于：机械滚刀结构(2)和高压水射流结构(3)均呈周向布置；
一排机械滚刀结构(2)位于二排高压水射流结构(3)之间。
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