CN113338965A - 一种联合破岩施工方法及其掘进设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种联合破岩施工方法及其掘进设备，该施工方法包括如下步骤：利用激光器在岩石上灼烧出周向分布的凹坑；利用高压喷头在岩石的凹坑上旋转切割出切割槽；利用刀具在岩石上相邻两个凹坑及切割槽之间旋转刮出沟槽；重复上述步骤，直至隧道破岩施工完成。该掘进设备包括护盾，护盾的前端通过六自由度组件设置激光器、高压喷头和刀具。本发明的有益效果：减少或避免滚刀的使用，降低刀具成本；提高掘进效率，降低振动，减少刀盘开裂及磨损；增大刀盘的贯入度，提高掘进效率。

Description

一种联合破岩施工方法及其掘进设备

技术领域

本发明涉及隧道施工设备，特别是指一种联合破岩施工方法及其掘进设备。

背景技术

滚刀破岩机理是利用密实核的作用破岩，其具体流程如下：压头侵入岩石时，在巨大压力的作用下，压头作用点的岩石会出现一个由粉碎体组成的密实核，核内的粉碎体处于高压流动状态，像液体一样向周边传递压力（利用液体的各相同性），部分压力的方向可以与滚刀推力方向垂直，从而向两侧挤压岩石使之发生剪裂或拉裂。

滚刀的侵入是跃进式发生的，推力与刀盘刚度、岩体弹性组成一个系统，滚刀荷载加到一定程度后岩面破裂，荷载又随之减小，滚刀在破岩中始终经历瞬间加载和卸载的不断循环过程。

目前硬岩TBM刀盘存在的问题：中心刀安装块侧弯、刀圈卷刃、刀圈崩刃、刀圈断裂，从而滚刀消耗严重，TBM掘进效率低；刀盘掘进效率不高、载荷分布不匀、振动强烈，刀盘大面积开裂，刀盘磨损严重；面对极硬岩地层，刀盘贯入度小；TBM的施工时间中，其中刀具的检查、更换与维修等作业时间约占掘进总时间的1/3，刀具的费用也约占掘进施工总费用的1/3。

发明内容

本发明提出一种联合破岩施工方法及其掘进设备，解决了现有TBM刀盘易损坏、效率低的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种联合破岩施工方法，包括如下步骤：

步骤1，利用激光器在岩石上灼烧出周向分布的凹坑；

步骤2，利用高压喷头在岩石的凹坑上旋转切割出切割槽；

步骤3，利用刀具在岩石上相邻两个凹坑及切割槽之间旋转刮出沟槽；

步骤4，重复步骤1~3，直至隧道破岩施工完成。

所述的步骤1中，在岩石上灼烧出内外至少两层的周向分布的凹坑。

所述的步骤2中，在岩石的凹坑上旋转切割出贯穿的切割槽。

所述的步骤3中，在岩石上相邻两个凹坑及切割槽之间旋转刮出贯穿的沟槽。

所述的步骤4中，重复步骤1时，此时凹坑灼烧的位置与上次凹坑灼烧的位置错开。

所述的步骤1~3在岩石上破碎出孔洞，若干的孔洞形成隧道的断面形状。

一种采用上述施工方法的掘进设备，包括护盾，护盾的前端通过六自由度组件设置激光器、高压喷头和刀具。

所述的高压喷头为高压水喷头。

所述的刀具为撕裂刀。

所述的激光器滑动设在滑移组件上，滑移组件旋转设在甲盘上，甲盘通过六自由度平台设在转盘上，转盘旋转设在护盾的前端。

所述的高压喷头和刀具旋转设在乙盘上，乙盘通过六自由度平台设在转盘上，转盘旋转设在护盾的前端。

所述的激光器上设有超声波传感器。

所述的激光器上设有旋转编码器。

所述的激光器上设有线激光立体相机。

所述的高压喷头和刀具旋转设在乙盘上，乙盘设在六自由度机械臂上，六自由度机械臂设在护盾的前端。

所述的护盾的前端设有翻转的出渣铲斗。

所述的护盾的后端设有位于出渣铲斗后方的皮带机。

所述的护盾的后端设有钢拱架拼装机。

所述的护盾与箱凯连接，箱凯上设有滑动配合的撑靴，撑靴与箱凯之间设有撑靴油缸，箱凯的后端与后支腿连接。

所述的箱凯内设有皮带机。

所述的箱凯上设有锚杆钻机、湿喷机。

所述的箱凯与后配套连接，后配套上设有激光单元、高压流体单元、液压单元和注浆单元，激光单元与激光器连接，高压流体单元与高压喷头连接。

本发明实现的功能或目的：

近年来TBM面对极硬岩地层、高磨蚀地层时滚刀消耗严重，TBM掘进效率低，刀盘大面积开裂，刀盘磨损严重，刀盘贯入度小。

采用联合破岩掘进机可以利用激光、高压水和刮刀复合破岩方式可以有效提高掘进机贯入度，线激光立体相机可以进行采集、分析、决策如何第二次、第三次等有效破岩策略，从而有效的保证设备高效率地施工。

本发明的有益效果：

减少或避免滚刀的使用，降低刀具成本；提高掘进效率，降低振动，减少刀盘开裂及磨损；增大刀盘的贯入度，提高掘进效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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为本发明掘进设备结构示意图I（前段）。

图2为本发明掘进设备结构示意图I（后段）。

图3为本发明掘进设备结构示意图II（前段）。

图4为本发明掘进设备结构示意图II（后段）。

图5为本发明甲盘结构侧视图。

图6为本发明甲盘结构主视图。

图7为本发明乙盘结构侧视图。

图8为本发明乙盘结构主视图。

图9为图1的甲盘和乙盘的结构主视图。

图10为图2的甲盘和乙盘的结构主视图。

图11为本发明施工方法步骤1。

图12为本发明施工方法步骤2。

图13为本发明施工方法步骤3。

图14为本发明施工方法步骤4（叠加覆盖）。

图15为本发明施工方法步骤4（圆周切削）。

图中：1-激光器，2-超声波传感器，4-液压马达，5-旋转编码器，6-线激光立体相机，7-滑移组件，8-高压喷头，9-刀具，10-六自由度组件，11-出渣铲斗，12-护盾，13-钢拱架拼装机，14-锚杆钻机，15-湿喷机，16-撑靴油缸，17-后支腿，18-撑靴，19-皮带机，20-激光单元，21-高压水单元，22-液压单元，23-注浆单元。

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。

如图11~15所示，一种联合破岩施工方法，包括如下步骤：

步骤1，利用激光器1在岩石上灼烧出至少两层的周向分布的凹坑，凹坑覆盖在一个小的孔洞内（多次成形）或整个的隧道断面（一次成形）；

步骤2，利用高压喷头8在岩石的凹坑上旋转切割出贯穿的切割槽；

步骤3，利用刀具9在岩石上相邻两个凹坑及切割槽之间旋转刮出贯穿的沟槽；

步骤4，重复步骤1~3，重复步骤1时，此时凹坑灼烧的位置与上次凹坑灼烧的位置错开，步骤1~3在岩石上破碎出孔洞，若干的孔洞形成隧道的断面形状，或步骤1~3在岩石上一次就破碎出隧道的断面形状，施工直至隧道破岩施工完成。

如图1~10所示，一种采用上述施工方法的掘进设备，包括护盾12，护盾12的前端通过六自由度组件10设置激光器1、高压喷头8和刀具9，其中高压喷头8为高压水喷头，刀具9为撕裂刀。

具体的，激光器1滑动设在滑移组件7上，滑移组件包括滑轨和丝杆，激光器滑动设置滑轨上，同时通过丝杆控制激光器位置的调整。滑移组件7旋转设在甲盘上，通过甲盘上的液压马达控制滑移组件的旋转，带动激光器进行旋转。

激光器1上设有超声波传感器2、旋转编码器5、线激光立体相机6，对激光器的工作状况进行实时监测并反馈。

甲盘通过六自由度平台设在转盘上，六自由度平台为Stewart油缸组平台，实现甲盘六自由度的活动。转盘旋转设在护盾12的前端，通过护盾上的驱动装置控制转盘旋转，进行转盘的旋转调向。

由于激光器采用单个灼烧的方式，因此需要滑移组件控制激光器的横移，同时配合液压马达实现激光器的旋转，在圆周内灼烧出内外至少两层的周向分布的凹坑。六自由度平台则控制甲盘六自由度活动，开挖出隧道的断面形状。

高压喷头8和刀具9共同旋转设在乙盘上，通过乙盘上的液压马达控制高压喷头8和刀具9的旋转，实现乙盘六自由度的方式有两种。其一，与甲盘相同，乙盘通过六自由度平台设在转盘上，六自由度平台为Stewart油缸组平台。其二，乙盘设在六自由度机械臂上，六自由度机械臂设在护盾12的前端。

高压喷头8和刀具9采用多个旋转的方式，其中高压喷头8和刀具9布置的刀心距需要根据凹坑的灼烧位置确定，以保证高压喷头在凹坑内进行切割，刀具对凹坑之间进行剥离。六自由度平台则控制乙盘六自由度活动，开挖出隧道的断面形状。

护盾12与箱凯连接，箱凯上设有滑动配合的撑靴18，撑靴18与箱凯之间设有撑靴油缸16，撑靴能够撑紧洞壁，提供推进的反支撑，撑靴油缸为前端设备提供推进力。箱凯的后端与后支腿17连接，后支撑用于撑靴换步时箱凯后端的支撑。

护盾12的前端设有翻转的出渣铲斗11，用于渣土的收集，出渣铲斗11后方设有皮带机19，用于渣土的转运，并皮带机19位于箱凯内，能够节省设备空间。护盾12的后端设有钢拱架拼装机13，用于钢拱架的拼装，箱凯上设有锚杆钻机14、湿喷机15，用于隧道的支护浇筑。

箱凯与后配套连接，后配套上设有激光单元20、高压流体单元、注浆单元23和液压单元22。激光单元20与激光器1连接，为激光器提供能量。高压流体单元为高压水单元21，与高压喷头8连接，为高压喷头提供高压水。液压单位为各液压油缸提供动力，注浆单元23对隧道进行注浆支护。

本发明具体施工流程如下：

首先采用激光器在轮廓最外边缘进行圆周均匀灼烧出凹坑，再通过高压水射流贯穿激光灼烧的凹坑，再用撕裂刀在凹坑周边刮出沟槽，再次采用激光叠加灼烧覆盖（从而表面破坏面积达到90%），撕裂刀与高压喷头的乙盘、激光器与线激光立体相机的甲盘沿中线轨迹线圆周移动，然后逐步向中间移动破岩。

（一）如图11所示，采用激光灼烧岩石可以直接破坏岩石和降低岩石强度，激光的高能量能将大块岩石面进行破坏处理，降低岩石强度，减少刀具使用以及换刀工作。

激光器产生激光射线，照射在岩石表面产生凹坑，能够降低岩石强度。液压马达4带动激光器进行圆周运动，电动丝杆带动激光器进行直线运动。旋转编码器5能够确定开挖面实际状况，超声波传感器2能够防止激光器发生碰撞，线激光立体相机6可以检测激光工作过程中的实时状态，增强工作过程的反馈。

（二）如图12和13所示，激光破岩后利用撕裂刀及高压水喷头进一步破岩。采用高压水喷头和撕裂刀结合的破岩方式能够在刀具破岩之前对岩石进行尽可能多的裂纹预制，降低破岩难度。

液压马达带动高压水喷头沿激光破岩的轨迹进行圆周破岩处理，高压水喷头对激光切割后的岩石表面进行进一步的处理，增加岩石表面裂纹，撕裂刀在高压水喷头之后对未切割的部位进行撕裂破岩，充分完成了工作区域的破岩。同时水附着在岩石表面能够一定程度的润滑刀具和岩石的接触，降低刀具工作时的温度，降低破岩难度和刀具磨损。

（三）如图14所示，采用激光器进行叠加覆盖的破岩处理，采用线激光立体相机检测，激光器对刀盘撕裂刀未处理的部位进行破岩处理，充分完成对工作区域内的岩石的破岩处理。

完成了第一阶段切割处理的激光器，重复撕裂刀行程，以圆周运动进行覆盖破岩处理。对检测到的未进行破岩处理的区域重新进行叠加覆盖破岩处理。

（四）如图15所示，利用六自由度组件来调整各盘的位置，以圆周运动对整个隧道面进行破岩处理。

以Stewart油缸组平台带动各盘进行移动破岩，增加了刀盘活动空间，可对未处理的区域进行重复破岩，同时降低了在施工过程中的换刀难度。线激光立体相机可以进行采集、分析、决策如何第二次、第三次等有效破岩策略，从而有效的保证设备高效率地施工。在完成了一个区域内的破岩处理后，Stewart油缸组平台带动各盘以圆周运动移动到待施工的区域，重复之前的激光器破岩、高压水喷头破岩以及撕裂刀破岩过程，重复移动刀盘对整个隧道面进行破岩处理。

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 (9)

1.一种联合破岩施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，利用激光器（1）在岩石上灼烧出周向分布的凹坑；

步骤2，利用高压喷头（8）在岩石的凹坑上旋转切割出切割槽；

步骤3，利用刀具（9）在岩石上相邻两个凹坑及切割槽之间旋转刮出沟槽；

步骤4，重复步骤1~3，直至隧道破岩施工完成

根据权利要求1所述的联合破岩施工方法，其特征在于：所述的步骤1中，在岩石上灼烧出内外至少两层的周向分布的凹坑。

2.根据权利要求1或2所述的联合破岩施工方法，其特征在于：所述的步骤4中，重复步骤1时，此时凹坑灼烧的位置与上次凹坑灼烧的位置错开。

3.根据权利要求1所述的联合破岩施工方法，其特征在于：所述的步骤1~3在岩石上破碎出孔洞，若干的孔洞形成隧道的断面形状。

4.一种采用权利要求1~4任一所述施工方法的掘进设备，包括护盾（12），其特征在于：所述的护盾（12）的前端通过六自由度组件（10）设置激光器（1）、高压喷头（8）和刀具（9）。

5.根据权利要求5所述的掘进设备，其特征在于：所述的激光器（1）滑动设在滑移组件（7）上，滑移组件（7）旋转设在甲盘上，甲盘通过六自由度平台设在转盘上，转盘旋转设在护盾（12）的前端。

6.根据权利要求5或6所述的掘进设备，其特征在于：所述的高压喷头（8）和刀具（9）旋转设在乙盘上，乙盘通过六自由度平台设在转盘上，转盘旋转设在护盾（12）的前端。

7.根据权利要求5或6所述的掘进设备，其特征在于：所述的高压喷头（8）和刀具（9）旋转设在乙盘上，乙盘设在六自由度机械臂上，六自由度机械臂设在护盾（12）的前端。

8.根据权利要求5所述的掘进设备，其特征在于：所述的护盾（12）的前端设有翻转的出渣铲斗（11）。

9.根据权利要求5或9所述的掘进设备，其特征在于：所述的护盾（12）与箱凯连接，箱凯上设有滑动配合的撑靴（18），撑靴（18）与箱凯之间设有撑靴油缸（16），箱凯的后端与后支腿（17）连接。

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