CN112539068B - 以温差作为辅助措施的可破岩盾构机系统和作业方法 - Google Patents

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Abstract

本申请以温差作为辅助措施的可破岩盾构机系统和作业方法，主要包括：盾构机刀盘、滚刀、摩擦原件、伸缩杆、伸缩电机、旋转电机、温度传感器、水喷头、计算机；所述摩擦原件与伸缩杆焊接，安装在盾构机的刀梁上，并受到伸缩电机以及旋转电机的控制；所述温度传感器安装在两相邻摩擦原件之间，便于及时感知温度，触发喷水装置；本申请可以充分利用盾构机运转所产生的热量，并与摩擦元件产生的热量相结合进行辅助破岩，通过冷热交替使岩石产生大量裂隙，从而降低滚刀破岩的难度，减少刀具的磨耗，降低工程成本，提高盾构机在硬岩地层掘进效率。

Description

以温差作为辅助措施的可破岩盾构机系统和作业方法
技术领域
本申请涉及地下工程施工技术领域。
背景技术
随着全国城市轨道交通的高速发展，对地下掘进的效率要求也越来越高，但与此同时，盾构施工过程中面临的地下情况也愈发复杂多变，通常来说，盾构机适用于开挖以软土、砂土为主的地层，可如今许多城市例如南京、广州等的地下工程中，掘进线路中往往会有含有大量的硬岩地层的地段，这就需要采用复合式盾构机进行掘进，可面对较为坚硬的岩石地层，复合式盾构机在推进过程中也往往会给刀具造成很大的磨耗，增加换刀频率，反复的换刀将严重增加施工成本并降低施工效率。
另外，盾构机在开挖过程中会产生大量的热，这些热能往往是被注入的泥水带走，以保障控制室内温度的适宜，造成大量的能源及资源损耗，而若我们将这些热量保留，并额外用摩擦元件进行进一步的加热，再进行降温，使岩石受到温差应力作用而发生裂解，将会有效利用刀具摩擦产生的这部分热量。如今，地下工程越来越得到重视，传统的盾构机无法在含有较硬岩层的地段使用，复合式盾构机遇到较硬岩层也会大大降低运转效率。因此，很有必要发明一种改进的盾构机以适应更为复杂的土层，在遇到硬岩时可以降低刀具磨耗、提高施工效率、降低成本。
发明内容
基于目前盾构机中的不足之处，本申请目的充分利用了盾构机运转过程中产生的热量，在达到所需温度后喷射冷却液，使岩石在冷热交替效应下产生裂解，并将之与滚刀破岩相结合，给出了技术方案一：提供了一种以温差作为辅助措施的可破岩盾构机刀盘改造结构，进一步给出技术方案以温差作为辅助措施的可破岩盾构机系统和作业方法。本申请具有很高的工程应用价值。
技术方案一
一种破岩盾构机刀盘改造结构，其特征在于：适用于含有硬岩地层的地下区间隧道掘进；包括一刀盘，安装于所述盾构机前端；所述刀盘(1)上有数组边缘滚刀(5)与数组滚刀(3)；所述刀盘(1)上共设有八片刀梁(2)，在其中四片刀梁(2)上装有摩擦元件(4)；还包括伸缩杆(8)、水喷头(6)、温度传感器 (7)；所述摩擦元件(4)通过焊接与伸缩杆(8)相连；所述伸缩杆(8)上装有旋转电机(9)、伸缩电机(10)；所述水喷头(6)安装固定在刀梁(2)两侧，并接通水管。
所述摩擦元件(4)、水喷头(6)、温度传感器(7)安装在四片相互垂直的刀梁(2)上；每两个摩擦元件(4)之间装有温度传感器(7)；每两个摩擦元件(4) 之间安装有温度传感器(7)，所述温度传感器(7)安装在刀梁(2)上，且位于两水喷头(6)之间，外侧有一金属保护层，拥有良好导热性，且能保护传感器 (7)不受岩石破坏。
所述摩擦元件(4)依据滚刀(3)位置布设，两组滚刀或三组滚刀与一个摩擦元件(4)运行轨迹对应一个同心圆，相互垂直的相邻刀梁(2)上的摩擦元件 (4)相互错开，使得盾构机旋转开挖过程中，开挖面的每一个圆环面上都能得到摩擦加热，减少未加热的区域面积。
所述滚刀(3)以同心圆方式布置；所述摩擦原件(4)与伸缩杆(8)焊接后安装在盾构机刀梁(2)上。
所述水喷头(6)均匀的分布在装有摩擦元件(4)的刀梁(2)两侧，数目是摩擦元件(4)的四至六倍。
在每两个摩擦元件(4)的中心处安装有温度传感器(7)，以保证及时感知岩石附近温度，所述温度传感器(7)外层有一导热系数良好的金属保护，可保护传感器不会受到碎石的损伤。
所述摩擦元件(4)与伸缩杆(8)相连接，伸缩杆(8)上装有旋转电机(9) 与伸缩电机(10)，伸缩杆可绕A轴进行高速旋转，并可沿轴向施加推进力。
所述摩擦元件(4)周围安装有四个或六个水喷头(6)，可快速喷水大量冷却液，使岩石迅速降温。
技术方案二
一种以温差作为辅助措施的可破岩盾构机系统，特征是，整个控制系统由摩擦元件(4)、水喷头(6)、温度传感器(7)、旋转电机(9)、伸缩电机(10)、计算机(11)以及若干线路组成；摩擦元件(4)安装在刀梁(2)上，伸缩电机(10) 控制着刀梁(2)的位置，摩擦元件(4)的旋转由旋转电机(9)驱动；旋转电机(9)、伸缩电机(10)均通过电线与计算机连接，受计算机(11)控制；同时电机的运转需要大量的电能，也通过电线提供；水喷头(6)通过电线与计算机连接，受到计算机(11)作为开关控制；同时通过水管与蓄水池(12)相连。所述温度传感器(7)通过电线与计算机连接，将温度信号传输给计算机以实现智能控制；温度传感器(7)实时将信息提供给计算机，当温度达到计算机初始设定的温度上限时由计算机发出指令触发水喷头(6)进行喷水降温；反之，在温度降至计算机设定的温度下限时发出指令关闭喷头。摩擦元件(4)能在旋转电机(9)的作用下以伸缩杆(8)为轴绕自身进行高速旋转，与岩石摩擦产生大量的热。摩擦元件(4)能在伸缩电机(10)作用下进行伸缩，在需要加热岩石时优先接触岩石，在开挖软土时则通过计算机(11)控制收回。
技术方案三
一种以温差作为辅助措施的可破岩盾构机系统的作业方法，特征是，将温差破岩与盾构机刀具开挖相结合，上述控制系统的控制过程包含以下步骤：
S1.启动伸缩电机(10)，将摩擦元件(4)伸至滚刀同一垂直面；
S2.启动盾构机与旋转电机(9)，使摩擦元件(4)在随盾构机刀盘转动的同时，自身也在高速旋转，与岩石摩擦产生大量热量，加热岩石至200度，使岩石产生初步裂解，同时滚刀(3)也在进行初步的岩石切割；
S3.温度传感器(7)在感受到温度达到200度时，给计算机(11)发出信号，计算机(11)控制伸缩电机(10)将摩擦元件(4)与刀具收回，同时开启水喷头(6)，大量冷却水从盾构内循环系统中的蓄水池(12)中抽出被喷至岩石上，使岩石降温产生拉应力，岩石进一步裂解，滚刀继续开挖；
S4.待温度传感器(7)感受到温度低于20度后，信号传给计算机(11)，将水喷头(6)关闭；循环1-4步骤，摩擦升温-降温切削破岩这一过程循环进行，从而实现减少刀具磨损，更为高效的破岩。
优选的，所述摩擦元件对应于两组滚刀随盾构机环绕所经过的范围。
优选的，相互垂直的两刀梁上布置的摩擦元件相互错开，对应不同的两组滚刀边缘，从而使得摩擦元件随盾构机的运动轨迹可以覆盖更多面积。
优选的，所述水喷头布置在摩擦元件周围，运动轨迹为摩擦元件产生的圆环边缘，数目为摩擦元件的4～6倍。
优选的，所述摩擦元件数量应根据盾构机半径以及滚刀位置确定，且确保摩擦元件所能加热的面积占整个开挖面积的90％以上。
优选的，所述摩擦元件焊接在伸缩杆上，所述伸缩杆在伸缩电机作用下伸缩方向与盾构机前进方向平行，且可以在旋转电机作用下以自身为轴进行高速旋转。
优选的，所述温度传感器与计算机相连接，计算机与水喷头、伸缩电机、旋转电机相连接，可实现智能控制。
优选的，所述温度传感器外有一层导热金属保护。
优选的，所述水喷头喷出的水应低于温度下限设置值。
优选的，所述温差辅助破岩盾构机刀盘可在无硬岩地层将摩擦元件通过伸缩杆收回，仅用滚刀、切刀开挖即可。
与相关技术相比，本申请提供的温差辅助破岩装置，利用摩擦元件高速旋转摩擦产生的大量热量以及滚刀开挖过程产生的热量加热岩石，再通过水喷头喷射冷却液对岩石进行快速的降温，如此往复，使岩石在拉应力作用下产生大量裂隙，降低岩石的强度。
附图说明
图1为本申请实施例1的刀盘正面图。
图2为本申请摩擦元件与刀盘沿45度刀梁剖面图。
图3为本申请摩擦元件细部剖面图。
图4为本申请水喷头与温度传感器在45度刀梁剖面上布置图。
图5为本申请温度传感器细部保护示意图。
图6为本申请实施例2智能控制系统示意图。
具体实施方式
为使本申请的实施方法和技术方案更加清晰，下面将结合附图对本申请实施过程中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施过程是本申请的一个个例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
方法原理
本申请利用温差效应与盾构机掘进技术相结合，充分将盾构机开挖过程中摩擦产生的热能用于对岩石进行破坏，利用岩石导热系数低的特点，使岩石在冷热交替作用下产生裂解，再在滚刀的作用下将岩石破碎，整体上将解决刀具磨损严重的问题，从而提高破岩效率，降低破岩成本。
(1)本申请充分考虑了盾构机开挖过程中遇到硬岩的情况，通过摩擦产生大量热能加热岩石，同时也利用了盾构机在掘进过程中自身产生的大量热量，由于摩擦元件具有耐高温、摩擦系数大的特点，可以使接触到的岩石表层迅速升温。
(2)本申请还配有大量的水喷头，在温度达到温度上限时及时喷出大量冷却水，对岩石进行降温，同时防止开挖环境温度过高对器械、施工人员带来的负面影响，对于传感器而言，必须进行精心严密的设计，既要能够精准感知开挖面处的温度，也要能够对自身进行保护，防止被开挖过程中崩落的岩渣所破坏。
(3)本申请中的摩擦元件与伸缩杆相连接，且各个摩擦元件均独立存在，可有效避免摩擦元件卡顿时对盾构机产生大量不利扭矩的影响；并且伸缩杆采用隔热效果优良的材质制成，使摩擦产生的热量更多传入岩石，而非机舱内。对于摩擦元件的转速以及轴力而言，必须进行精心的设计，过慢则岩石达到温度上限的时间会延长，影响掘进效率，过快则对旋转电机有很高要求。
实施例1介绍了完成盾构机改造和安装结构，为实施例2构建完整的作业系统和工作方式做准备
结构部分：
一种破岩盾构机刀盘改造结构，其特征在于：适用于含有硬岩地层的地下区间隧道掘进，
如图1所示，包括一刀盘，安装于所述盾构机前端；所述刀盘(1)上有数组边缘滚刀(5)与数组滚刀(3)；所述刀盘(1)上共设有八片刀梁(2)，在其中四片刀梁(2)上装有摩擦元件(4)；
本装置还包括伸缩杆(8)、水喷头(6)、温度传感器(7)；所述摩擦元件(4) 通过焊接与伸缩杆(8)相连；所述伸缩杆(8)上装有旋转电机(9)、伸缩电机 (10)；所述水喷头(6)安装固定在刀梁(2)两侧，并接通水管。
所述摩擦元件(4)、水喷头(6)、温度传感器(7)安装在四片相互垂直的刀梁(2)上。每两个摩擦元件(4)之间装有温度传感器(7)；
每两个摩擦元件(4)之间安装有温度传感器(7)，所述温度传感器(7)安装在刀梁(2)上，且位于两水喷头(6)之间，外侧有一金属保护层，拥有良好导热性，且能保护传感器(7)不受岩石破坏。
所述摩擦元件(4)依据滚刀(3)位置布设，可以两组滚刀或三组滚刀与一个摩擦元件(4)运行轨迹对应一个同心圆，相互垂直的相邻刀梁(2)上的摩擦元件(4)相互错开，采用这样的设置可以使得盾构机旋转开挖过程中，开挖面的每一个圆环面上都能得到摩擦加热，减少未加热的区域面积。
每一个摩擦元件(4)在开挖面的摩擦范围与两组滚刀边缘的圆环轨迹相对应，相互垂直的两刀梁(2)上的摩擦元件(4)错开布置，使得开挖面的每一个岩石环面都能得到加热。
所述滚刀(3)以同心圆方式布置；所述摩擦原件(4)与伸缩杆(8)焊接后安装在盾构机刀梁(2)上。
所述水喷头(6)均匀的分布在装有摩擦元件(4)的刀梁(2)两侧，数目是摩擦元件(4)的四至六倍。
在每两个摩擦元件(4)的中心处安装有温度传感器(7)，以保证及时感知岩石附近温度，所述温度传感器(7)外层有一导热系数良好的金属保护，可保护传感器不会受到碎石的损伤。
如图3所示，所述摩擦元件(4)与伸缩杆(8)相连接，伸缩杆(8)上装有旋转电机(9)与伸缩电机(10)，伸缩杆可绕A轴进行高速旋转，并可沿轴向施加推进力。
所述摩擦元件(4)周围安装有四个或六个水喷头(6)，可快速喷水大量冷却液，使岩石迅速降温。
实施例2为一种利用温差辅助破岩盾构机刀盘作业系统和方法
系统基于实施例1的机械改造和安装，还开发控制部分
如图6所示，整个控制系统由摩擦元件(4)、水喷头(6)、温度传感器(7)、旋转电机(9)、伸缩电机(10)、计算机(11)以及若干线路组成。摩擦元件(4) 安装在刀梁(2)上，伸缩电机(10)控制着刀梁(2)的位置，摩擦元件(4)的旋转由旋转电机(9)驱动；旋转电机(9)、伸缩电机(10)均通过电线与计算机连接，受计算机(11)控制；同时电机的运转需要大量的电能，也通过电线提供。水喷头(6)通过电线与计算机连接，受到计算机(11)作为开关控制；同时通过水管与蓄水池(12)相连。所述温度传感器(7)通过电线与计算机连接，将温度信号传输给计算机以实现智能控制。温度传感器(7)实时将信息提供给计算机，当温度达到计算机初始设定的温度上限时由计算机发出指令触发水喷头 (6)进行喷水降温；反之，在温度降至计算机设定的温度下限时发出指令关闭喷头。摩擦元件(4)能在旋转电机(9)的作用下以伸缩杆(8)为轴绕自身进行高速旋转，与岩石摩擦产生大量的热。摩擦元件(4)能在伸缩电机(10)作用下进行伸缩，在需要加热岩石时优先接触岩石，在开挖软土时则通过计算机(11) 控制收回。
实施例3
将温差破岩与盾构机刀具开挖相结合，实施例2控制系统的控制过程包含以下步骤：
1.启动伸缩电机(10)，将摩擦元件(4)伸至滚刀同一垂直面。
2.启动盾构机与旋转电机(9)，使摩擦元件(4)在随盾构机刀盘转动的同时，自身也在高速旋转，与岩石摩擦产生大量热量，加热岩石至200度，使岩石产生初步裂解，同时滚刀(3)也在进行初步的岩石切割。
3.温度传感器(7)在感受到温度达到200度时，给计算机(11)发出信号，计算机(11)控制伸缩电机(10)将摩擦元件(4)与刀具收回，同时开启水喷头(6)，大量冷却水从盾构内循环系统中的蓄水池(12)中抽出被喷至岩石上，使岩石降温产生拉应力，岩石进一步裂解，滚刀继续开挖。
4.待温度传感器(7)感受到温度低于20度后，信号传给计算机(11)，将水喷头(6)关闭。循环1-4步骤，摩擦升温-降温切削破岩这一过程循环进行，从而实现减少刀具磨损，更为高效的破岩。
在实际工程中，针对不同类别的岩石，需根据实验结果，综合考虑，选取合适的加热温度上限与摩擦元件的自转速率，确保岩石可在温差作用下产生裂解。
对于非硬岩地层的施工过程中，可将摩擦元件(4)收回，避免土压失稳对盾构施工安全造成影响。
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本申请的保护范围。

Claims (1)

1.一种以温差作为辅助措施的可破岩盾构机系统，特征是，适用于含有硬岩地层的地下区间隧道掘进，整个系统包括破岩盾构机刀盘改造结构、摩擦元件(4)、水喷头(6)、温度传感器(7)、旋转电机(9)、伸缩电机(10)、计算机(11)以及若干线路；
所述破岩盾构机刀盘改造结构，包括一刀盘，安装于所述盾构机前端；所述刀盘(1)上有数组边缘滚刀(5)与数组滚刀(3)；所述刀盘(1)上共设有八片刀梁(2)，在其中四片刀梁(2)上装有摩擦元件(4)；还包括伸缩杆(8)、水喷头(6)、温度传感器(7)；所述摩擦元件(4)通过焊接与伸缩杆(8)相连；所述伸缩杆(8)上装有旋转电机(9)、伸缩电机(10)；所述水喷头(6)安装固定在刀梁(2)两侧，并接通水管；
所述摩擦元件(4)、水喷头(6)、温度传感器(7)安装在四片相互垂直的刀梁(2)上；每两个摩擦元件(4)之间装有温度传感器(7)；每两个摩擦元件(4)之间安装有温度传感器(7)，所述温度传感器(7)安装在刀梁(2)上，且位于两水喷头(6)之间，外侧有一金属保护层，拥有良好导热性，且能保护传感器(7)不受岩石破坏；
所述摩擦元件(4)依据滚刀(3)位置布设，两组滚刀或三组滚刀与一个摩擦元件(4)运行轨迹对应一个同心圆，相互垂直的相邻刀梁(2)上的摩擦元件(4)相互错开，使得盾构机旋转开挖过程中，开挖面的每一个圆环面上都能得到摩擦加热，减少未加热的区域面积；
所述水喷头(6)均匀的分布在装有摩擦元件(4)的刀梁(2)两侧，数目是摩擦元件(4)的四至六倍；
摩擦元件(4)安装在刀梁(2)上，伸缩电机(10)控制着刀梁(2)的位置，摩擦元件(4)的旋转由旋转电机(9)驱动；旋转电机(9)、伸缩电机(10)均通过电线与计算机连接，受计算机(11)控制；同时电机的运转需要大量的电能，也通过电线提供；水喷头(6)通过电线与计算机连接，受到计算机(11)作为开关控制；同时通过水管与蓄水池(12)相连；所述温度传感器(7)通过电线与计算机连接，将温度信号传输给计算机以实现智能控制；温度传感器(7)实时将信息提供给计算机，当温度达到计算机初始设定的温度上限时由计算机发出指令触发水喷头(6)进行喷水降温；反之，在温度降至计算机设定的温度下限时发出指令关闭喷头；摩擦元件(4)能在旋转电机(9)的作用下以伸缩杆(8)为轴绕自身进行高速旋转，与岩石摩擦产生大量的热；摩擦元件(4)能在伸缩电机(10)作用下进行伸缩，在需要加热岩石时优先接触岩石，在开挖软土时则通过计算机(11)控制收回；
将温差破岩与盾构机刀具开挖相结合，所述系统的控制运行算法：
S1.启动伸缩电机(10)，将摩擦元件(4)伸至滚刀同一垂直面；
S2.启动盾构机与旋转电机(9)，使摩擦元件(4)在随盾构机刀盘转动的同时，自身也在高速旋转，与岩石摩擦产生大量热量，加热岩石至200度，使岩石产生初步裂解，同时滚刀(3)也在进行初步的岩石切割；
S3.温度传感器(7)在感受到温度达到200度时，给计算机(11)发出信号，计算机(11)控制伸缩电机(10)将摩擦元件(4)与刀具收回，同时开启水喷头(6)，大量冷却水从盾构内循环系统中的蓄水池(12)中抽出被喷至岩石上，使岩石降温产生拉应力，岩石进一步裂解，滚刀继续开挖；
S4.待温度传感器(7)感受到温度低于20度后，信号传给计算机(11)，将水喷头(6)关闭；
循环1-4步骤，摩擦升温-降温切削破岩这一过程循环进行，从而实现减少刀具磨损，更为高效的破岩。
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