CN113356876A - 一种破岩用刀盘和一种隧道掘进机及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种破岩用刀盘和一种隧道掘进机及其使用方法，包括刀盘本体，还包括辅助破岩装置，刀盘本体上设置有安装槽，辅助破岩装置可拆卸的设置在安装槽中，辅助破岩装置包括微波发射装置和冲击钻头，微波发射装置设置在辅助破岩装置的中心，冲击钻头为多个且环绕微波发射装置设置。微波加热岩石是通过岩石内部偶极分子的高频往复运动产生“内摩擦热”而使岩石温度升高，不须任何热传导过程就能使岩石内外部同时加热和升温，通过微波的热效应来降低岩石强度。然后通过冲击钻头对微波照射岩石区域进行冲击破碎，形成大体积岩石碎块，最后滚刀挤压破岩，利用微波与冲击辅助滚刀破岩的方法进行辅助高效破岩，从而提高破岩效率。

Description

一种破岩用刀盘和一种隧道掘进机及其使用方法

技术领域

本发明涉及隧道掘进技术领域，尤其涉及一种破岩用刀盘和一种隧道掘进机及其使用方法。

背景技术

传统的隧道工程采用钻爆法或者TBM掘进工法，然而均存在一定的不足，如钻爆法存在精度低、工作条件差等问题，而TBM掘进法对于极硬岩开凿困难。

其中，钻爆法对围岩扰动大，容易造成周边岩石破坏，存在施工精度低、围岩支护困难等一系列缺点。TBM掘进法在破碎抗压强度较高的硬岩时，刀具切削破碎极为困难，刀具磨损消耗量大以及破岩效率低。

因此，对于开凿抗压强度较高的硬岩，主要思路是先通过一系列的辅助破岩方法降低掌子面岩体的强度，然后采用TBM机械破岩的方法。当前常规的思路是将掌子面岩体进行加热，降低其强度。然而一方面传统的热源加热不仅存在热量利用率低、安全性低的问题，另一方面，由于岩石的导热系数低导致传热速度慢，导致工作效率低。

因此，如何提供一种破岩用刀盘，以提高破岩效率，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种破岩用刀盘，以提高破岩效率。本发明的另一目的在于提供一种采用上述破岩用刀盘的隧道掘进机及其使用方法。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种破岩用刀盘，包括刀盘本体，还包括辅助破岩装置，

所述刀盘本体上设置有安装槽，所述辅助破岩装置可拆卸的设置在所述安装槽中，

所述辅助破岩装置包括微波发射装置和冲击钻头，

所述微波发射装置设置在所述辅助破岩装置的中心，所述冲击钻头为多个且环绕所述微波发射装置设置。

优选的，上述冲击钻头的数量为三个，三个所述冲击钻头等夹角设置。

优选的，上述冲击钻头的顶端突出于所述微波发射装置设置。

优选的，上述辅助破岩装置为多个。

优选的，上述辅助破岩装置为六个。

优选的，上述辅助破岩装置呈圆形等夹角设置。

本发明还提供一种隧道掘进机，包括刀盘，所述刀盘为如上述任意一项所述的破岩用刀盘。

本发明还提供一种隧道掘进机的使用方法，基于上述所述的隧道掘进机，

在掘进过程中，当遇到硬岩需要辅助破岩时，将所述辅助破岩装置安装在所述安装槽中，

当不需要辅助破岩时，将所述辅助破岩装置从所述安装槽中拆卸。

优选的，当遇到硬岩需要辅助破岩时，所述辅助破岩装置在隧道掘进机的维保时间段入场，运至所述刀盘的后方区域，利用刀盘空间，安装好所述辅助破岩装置后并进行调试和试运行，在所述隧道掘进机正常掘进期间开启所述辅助破岩装置，进行辅助破岩，

当不需要辅助破岩时，在所述隧道掘进机的维保时间段拆除所述辅助破岩装置，并离场。

本发明提供的破岩用刀盘，包括刀盘本体，还包括辅助破岩装置，所述刀盘本体上设置有安装槽，所述辅助破岩装置可拆卸的设置在所述安装槽中，所述辅助破岩装置包括微波发射装置和冲击钻头，所述微波发射装置设置在所述辅助破岩装置的中心，所述冲击钻头为多个且环绕所述微波发射装置设置。

微波加热岩石是通过岩石内部偶极分子的高频往复运动产生“内摩擦热”而使岩石温度升高，不须任何热传导过程就能使岩石内外部同时加热和升温，通过微波的热效应来降低岩石强度。然后通过冲击钻头对微波照射岩石区域进行冲击破碎，形成大体积岩石碎块，最后滚刀破岩，从岩石的物理性质以及实际实验可操作性出发，本发明提供的破岩用刀盘，利用微波与冲击辅助滚刀破岩的方法进行辅助高效破岩，从而提高破岩效率。

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为本发明实施例提供的破岩用刀盘的破岩时的部分结构示意图；

图2为本发明实施例提供的辅助破岩装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的破岩用刀盘的结构示意图。

上图1-3中：

冲击钻头1、微波发射装置2、破碎岩石3、微波4、待破岩的岩石5、滚刀6、刀盘本体7、辅助破岩装置8。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，都属于本发明保护的范围。

请参考图1至图3，图1为本发明实施例提供的破岩用刀盘的破岩时的部分结构示意图；图2为本发明实施例提供的辅助破岩装置的结构示意图；图3为本发明实施例提供的破岩用刀盘的结构示意图。

本发明实施例提供的破岩用刀盘，包括刀盘本体7，还包括辅助破岩装置8，刀盘本体7上设置有安装槽，辅助破岩装置8可拆卸的设置在安装槽中，辅助破岩装置8包括微波发射装置2和冲击钻头1，微波发射装置2设置在辅助破岩装置8的中心，冲击钻头1为多个且环绕微波发射装置2设置。

微波加热待破岩的岩石5是通过待破岩的岩石5内部偶极分子的高频往复运动产生“内摩擦热”而使岩石温度升高，不须任何热传导过程就能使岩石内外部同时加热和升温，通过微波4的热效应来降低岩石强度。然后通过冲击钻头1对微波照射岩石区域进行冲击破碎，形成大体积岩石碎块，即破碎岩石3，最后滚刀挤压破岩，从岩石的物理性质以及实际实验可操作性出发，本发明实施例提供的破岩用刀盘，利用微波与冲击辅助滚刀破岩的方法进行辅助高效破岩，从而提高破岩效率。

具体的，每个辅助破岩装置8上的冲击钻头1的数量为三个，三个冲击钻头1等夹角设置。辅助破岩装置8为多个，具体为六个。辅助破岩装置8呈圆形等夹角设置。其中，冲击钻头1的顶端突出于微波发射装置2设置。

本发明实施例还提供一种隧道掘进机，包括刀盘，刀盘为如上述任意一项实施例所述的破岩用刀盘。

本发明实施例还提供一种隧道掘进机的使用方法，基于上述实施例所述的隧道掘进机，

在掘进过程中，当遇到硬岩需要辅助破岩时，将辅助破岩装置8安装在安装槽中，

当不需要辅助破岩时，将辅助破岩装置8从安装槽中拆卸。

当遇到硬岩需要辅助破岩时，辅助破岩装置8在隧道掘进机的维保时间段入场，运至刀盘的后方区域，利用刀盘空间，安装好辅助破岩装置8后并进行调试和试运行，在隧道掘进机正常掘进期间开启辅助破岩装置8，进行辅助破岩，

当不需要辅助破岩时，在隧道掘进机的维保时间段拆除辅助破岩装置8，并离场。

现有技术中，隧道施工掘进过程中，常用盾构机或TBM滚刀掘进的方式进行施工，通常当岩石地层单轴抗压强度超过100MPa时，容易出现掘进效率低、刀具磨损大、滚刀更换难度大、换刀时间长的问题，从而影响施工进度和成本。本发明实施例提供的破岩用刀盘，利用微波4其升温迅速、体加热以及无二次污染等优点被引入到硬岩破碎领域，通过微波4的热效应来降低岩石强度从而达到提高破岩效率的目的。

具体的，由于岩石作为介质材料不同程度地吸收微波能，岩石介质材料与微波电磁场相互耦合，形成各种功率耗散从而使微波能在岩石内部转化成热能。微波加热岩石是通过岩石内部偶极分子的高频往复运动产生“内摩擦热”而使岩石温度升高，不须任何热传导过程就能使岩石内外部同时加热和升温。岩石的抗拉强度很低，从岩石的物理性质以及实际实验可操作性出发，本发明实施例提供的破岩用刀盘，利用微波4与冲击辅助滚刀破岩的方法进行辅助高效破岩，以解决现有技术中TBM存在的效率低的技术问题。

本发明实施例提供的破岩用刀盘，是一种集微波致裂、冲击钻头破碎、滚刀挤压破岩的多模式辅助破岩系统，能够有效实现对硬度较高、单轴抗压强度较高的岩石的顺利掘进，提高掘进效率，降低刀具磨损。

采用可拆卸、便捷式的辅助破岩装置8设计，将微波协同冲击联合破岩装置搭载于TBM中，当遇到较硬岩石难以掘进时，启用该辅助破岩系统，可提高掘进效率。

本发明实施例提供的破岩用刀盘，通过微波4对岩石进行加热，微波4加热效率高，能快速提高岩石温度，使岩石内部的矿物发生反应，由于岩石内部的矿物的吸波能力不同产生温度梯度，使得岩体内部产生裂缝。然后通过冲击钻头对微波照射岩石区域进行冲击破碎，形成大体积岩石碎块，从而显著提高了硬岩隧道掘进效率，减少装备以及刀具的磨损程度。

通过微波与冲击机构破岩产生自由面后，利用岩石扛剪强度远低于抗压强度的特性，能有效解决现有TBM单一滚刀破岩遇到硬岩时掘进效率低下、刀具磨损严重的现状。形成大面积、大块岩石崩裂，显著提高破岩效率。具有明显更高破岩效率以及寿命，在TBM遇到坚硬岩石工况下能快速搭载，高效地掘进施工，可以显著缩短工期，节约成本。

本发明实施例提供的破岩用刀盘，冲击钻头1与微波发射装置2集中于可拆卸式的辅助破岩装置8中。本具体实施例所提供的辅助破岩装置8安装和拆卸方法为：当TBM有辅助破岩需求时，辅助破岩装置8在TBM维保时间段入场，所有部件运至TBM刀盘后方区域。利用刀盘空间，安装好微波与冲击破岩装置后并进行调试和试运行。在TBM正常掘进期间开启设备，进行辅助破岩。当TBM辅助破岩需求消失时，在TBM维保时间段拆除辅助破岩装置8，设备离场，整个过程快速便捷。

TBM掘进过程中，只有遇到硬岩地质时需要使用辅助破岩装置8，在地质条件好时，无需采用辅助破岩装置8，因此采用可拆卸、便捷式的辅助破岩装置8设计，将微波协同联合破岩装置搭载于TBM中，当遇到较硬岩石难以掘进时，启用该辅助破岩装置，可提高掘进效率。

针对不同地质情况及掘进需要，可在敞开式TBM上布置多个辅助破岩装置8，进一步提高掘进施工效率。

本发明实施例提供的破岩用刀盘，利用岩石抗剪强度远低于抗压强度的特性，通过微波4照射岩石产生裂缝，协同冲击机构剪切破岩，然后再联合TBM滚刀挤压破岩，形成全断面破岩掘进。

本发明实施例提供的破岩用刀盘，能够解决现有TBM遇到硬岩时掘进效率低、刀具磨损严重的现状问题。当TBM掘进岩层硬度高时设备入场辅助破岩，当地质条件好时设备撤出，避免影响TBM正常施工，避免占用TBM设备内本来就非常紧凑的空间，对TBM正常掘进施工造成不便。

本发明实施例提供的破岩用刀盘，可以大幅度提高机械破岩能力和效率，减小施工成本和提高施工效率，可实现硬岩地层乃至超硬岩地层的有效和快速掘进。

本发明实施例提供的破岩用刀盘，针对的情况为，凿岩技术在上个世纪迅速发展，但非常坚硬的岩石开挖仍然存在钻头穿透率低，钻头和刀具磨损率高等问题。为了解决这个问题，本发明实施例提供的破岩用刀盘，通过微波照射预处理降低岩石的强度，形成预裂纹，可提高冲击钻进效率，延长刀具的使用寿命。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种破岩用刀盘，包括刀盘本体，其特征在于，还包括辅助破岩装置，

所述刀盘本体上设置有安装槽，所述辅助破岩装置可拆卸的设置在所述安装槽中，

所述辅助破岩装置包括微波发射装置和冲击钻头，

所述微波发射装置设置在所述辅助破岩装置的中心，所述冲击钻头为多个且环绕所述微波发射装置设置。

2.根据权利要求1所述的破岩用刀盘，其特征在于，所述冲击钻头的数量为三个，

三个所述冲击钻头等夹角设置。

3.根据权利要求1所述的破岩用刀盘，其特征在于，所述冲击钻头的顶端突出于所述微波发射装置设置。

4.根据权利要求1所述的破岩用刀盘，其特征在于，所述辅助破岩装置为多个。

5.根据权利要求4所述的破岩用刀盘，其特征在于，所述辅助破岩装置为六个。

6.根据权利要求4所述的破岩用刀盘，其特征在于，所述辅助破岩装置呈圆形等夹角设置。

7.一种隧道掘进机，包括刀盘，其特征在于，所述刀盘为如上述权利要求1-6任意一项所述的破岩用刀盘。

8.一种隧道掘进机的使用方法，其特征在于，基于上述权利要求7所述的隧道掘进机，

在掘进过程中，当遇到硬岩需要辅助破岩时，将所述辅助破岩装置安装在所述安装槽中，

当不需要辅助破岩时，将所述辅助破岩装置从所述安装槽中拆卸。

9.根据权利要求8所述的隧道掘进机的使用方法，其特征在于，当遇到硬岩需要辅助破岩时，所述辅助破岩装置在隧道掘进机的维保时间段入场，运至所述刀盘的后方区域，利用刀盘空间，安装好所述辅助破岩装置后并进行调试和试运行，在所述隧道掘进机正常掘进期间开启所述辅助破岩装置，进行辅助破岩，

当不需要辅助破岩时，在所述隧道掘进机的维保时间段拆除所述辅助破岩装置，并离场。

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