CN113404504B - 刀盘和冲击排钻与滚刀破岩的全断面掘进机及破岩方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刀盘和冲击排钻与滚刀破岩的全断面掘进机及破岩方法，用于全断面掘进机，刀盘的径向方向上设置有多个滚刀装置，刀盘的外缘部位设置有钻孔装置。使用时刀盘不转动，所有钻孔装置开始工作，向掌子面钻孔，完成当前一组钻孔后，刀盘旋转一定角度使得钻孔装置的下一组钻孔与当前一组钻孔相邻，完成第二组钻孔，最终掌子面与周边围岩的分离形成临空面，钻孔装置在掌子面上先挖出周边槽孔形成临空面，使掌子面与周边围岩隔离，再用滚刀进行破岩，减小了后续施工中对围岩的扰动，并且形成临空面后减小了掌子面最外侧岩石的强度，外圈滚刀不再是三向受力，增加外圈滚刀破岩的效率，降低刀具和能量损耗，从而提高破岩效率且提高使用寿命。

Description

刀盘和冲击排钻与滚刀破岩的全断面掘进机及破岩方法

技术领域

本发明涉及盾构掘进技术领域，尤其涉及一种刀盘和冲击排钻与滚刀破岩的全断面掘进机及破岩方法。

背景技术

在隧道施工领域，盾构机进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理。但是针对硬岩和超硬岩的开挖施工，TBM掘进速度依然十分缓慢，特别是靠近刀盘中心的岩石破碎难度极大，刀具损坏严重，导致施工成本和能源消耗巨大。

TBM在掘进中是利用刀盘上的滚刀滚压切削破岩，在驱动系统的作用下，刀盘上的滚刀随刀盘径向旋转，在推进力的作用下，滚刀切入掌子面岩石并挤压破岩。但是刀盘的旋转速度很慢，通常为10r/min，所产生的冲击载荷较小，与液压冲击器相比，例如潜孔锤、凿岩机，其冲击载荷可忽略不计，因此，刀盘在破碎硬岩或超硬岩的效率低，而且越靠近刀盘中心位置滚刀的线速度越低，其产生的冲击载荷就越低，导致破碎掌子面中心位置的岩石难度极大，刀具磨损严重，掘进效率慢。

因此，如何提供一种刀盘，以提高破岩效率且提高使用寿命，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刀盘，以提高破岩效率且提高使用寿命。本发明的另一目的在于提供一种采用上述刀盘的冲击排钻与滚刀破岩的全断面掘进机及破岩方法。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种刀盘，用于全断面掘进机，所述刀盘的径向方向上设置有多个滚刀装置，

所述刀盘的外缘部位设置有钻孔装置。

优选的，上述钻孔装置包括箱体、安装座、驱动装置、钻头和钻杆，所述箱体固定在所述刀盘上，所述箱体内设置有所述安装座，所述驱动装置固定在所述安装座上，所述钻杆连接在所述驱动装置上，所述钻头固定在所述钻杆的端部。

或者，所述钻孔装置为液压凿岩机，或者潜孔锤，或者破碎锤。

优选的，上述钻孔装置为排钻，所述驱动装置为排钻驱动装置，所述钻头和所述钻杆均为多个。

优选的，上述驱动装置为液压冲击破岩设备。

优选的，上述钻孔装置为多个且呈等夹角设置在所述刀盘上。

优选的，每个所述滚刀装置自圆心至外缘逐渐凸起。

本发明还提供一种冲击排钻与滚刀破岩的全断面掘进机，包括刀盘，所述刀盘为如上述任意一项所述的刀盘。

优选的，上述的冲击排钻与滚刀破岩的全断面掘进机还包括盾体和出渣装置，所述刀盘设置在所述盾体上，所述出渣装置内置在所述盾体中。

本发明还提供一种破岩方法，采用如上述任意一项所述的刀盘，包括：

步骤1)所述刀盘不转动，所述刀盘的外缘部位所有所述钻孔装置开始工作，向掌子面钻孔；

步骤2)完成当前一组钻孔后，所述钻头回退至所述刀盘内，然后所述刀盘旋转一定角度，使得所述钻孔装置的下一组钻孔与当前一组钻孔相邻，然后所述钻孔装置再次启动，完成第二组钻孔；

步骤3)重复所述步骤2)，直至完成整个所述掌子面的周边钻孔，完成所述掌子面与周边围岩的分离；

步骤4)所述钻头回退至所述刀盘内，所述刀盘旋转，向前掘进；

步骤5)当掘进至钻孔深度后，完成一轮推进，然后重复所述步骤1)至所述步骤4)，直至完成整个隧道的掘进。

优选的，当所述钻孔装置为排钻装置时：

步骤1)所述刀盘不转动，所述刀盘的外缘部位所有所述排钻装置开始工作，向掌子面钻孔成槽，形成槽孔；

步骤2)在所述排钻装置完成当前一组槽孔后，所述钻头回退至所述刀盘内，然后所述刀盘旋转一定角度，使得所述排钻装置的下一组槽孔与当前一组槽孔相邻，然后所述排钻装置再次启动，完成第二组槽孔钻进；

步骤3)重复所述步骤2)，直至完成整个所述掌子面的周边槽孔的钻孔，完成所述掌子面与周边围岩的分离；

步骤4)退回所有所述排钻装置，所述刀盘旋转，向前掘进；

步骤5)当掘进至所述排钻装置的钻孔深度后，完成一轮推进，然后重复所述步骤1)至所述步骤4)，直至完成整个隧道的掘进。

优选的，上述步骤4)还包括，每个所述滚刀装置自圆心至外缘逐渐凸起，在所述刀盘旋转，向前掘进的掘进过程中，所述刀盘的外缘的滚刀最先接触所述掌子面，并压溃最外圈岩石，

随后相邻内圈滚刀接触所述掌子面，继续压溃内圈岩石，

以此类推，掘进过程中，所述掌子面从外缘至中心依次被破碎。

本发明提供的刀盘，用于全断面掘进机，所述刀盘的径向方向上设置有多个滚刀装置，

所述刀盘的外缘部位设置有钻孔装置。

使用时，刀盘不转动，刀盘的外缘部位所有钻孔装置开始工作，向掌子面钻孔，完成当前一组钻孔后，刀盘旋转一定角度使得钻孔装置的下一组钻孔与当前一组钻孔相邻，完成第二组钻孔，最终掌子面与周边围岩的分离形成临空面，通过钻孔装置在掌子面上先挖出周边槽孔形成临空面，使掌子面与周边围岩隔离，再用滚刀进行破岩，这种施工方式，减小了后续施工中对围岩的扰动，并且形成临空面后，减小了掌子面最外侧岩石的强度，外圈滚刀不再是三向受力，故增加了外圈滚刀破岩的效率，降低刀具和能量损耗，从而提高破岩效率且提高使用寿命。

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冲击排钻与滚刀破岩的全断面掘进机的简易结构示意图；

图2为本发明实施例提供的钻孔装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的刀盘的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的冲击排钻与滚刀破岩的全断面掘进机破岩时的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的掌子面与周边围岩的分离形成临空面的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的掌子面滚刀破岩时的结构示意图。

上图1-6中：

刀盘1、箱体11、安装座12、排钻13、整形装置14、钻头15、滚刀装置16、盾体2、出渣机构3、岩体4、槽孔5、滚刀破岩作用位置6。

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6，图1为本发明实施例提供的冲击排钻与滚刀破岩的全断面掘进机的简易结构示意图；图2为本发明实施例提供的钻孔装置的结构示意图；图3为本发明实施例提供的刀盘的结构示意图；图4为本发明实施例提供的冲击排钻与滚刀破岩的全断面掘进机破岩时的结构示意图；图5为本发明实施例提供的掌子面与周边围岩的分离形成临空面的结构示意图；图6为本发明实施例提供的掌子面滚刀破岩时的结构示意图。

本发明实施例提供的刀盘1，用于全断面掘进机，刀盘1的径向方向上设置有多个滚刀装置16，

刀盘1的外缘部位设置有钻孔装置，钻孔装置包括箱体11、安装座12、驱动装置、钻头15和钻杆，箱体11固定在刀盘1上，箱体11内设置有安装座12，驱动装置固定在安装座12上，钻杆连接在驱动装置上，钻头15固定在钻杆的端部，或者，钻孔装置为液压凿岩机，或者潜孔锤，或者破碎锤。

使用时，刀盘1不转动，刀盘1的外缘部位所有钻孔装置开始工作，向掌子面岩体4钻孔，完成当前一组钻孔后，刀盘1旋转一定角度使得钻孔装置的下一组钻孔与当前一组钻孔相邻，完成第二组钻孔，最终掌子面与周边围岩的分离形成临空面，通过钻孔装置在掌子面上先挖出周边槽孔5形成临空面，使掌子面与周边围岩隔离，再用滚刀进行破岩，这种施工方式，减小了后续施工中对围岩的扰动，并且形成临空面后，减小了掌子面最外侧岩石的强度，外圈滚刀不再是三向受力，故增加了外圈滚刀破岩的效率，降低刀具和能量损耗，从而提高破岩效率且提高使用寿命。

为了进一步优化上述方案，钻孔装置为排钻13，驱动装置为排钻驱动装置，钻头15和钻杆均为多个。其中，钻孔装置为多个且呈等夹角设置在刀盘1上。进一步提高效率。

为了进一步优化上述方案，每个滚刀装置16自圆心至外缘逐渐凸起。即将刀盘1上滚刀布置成外圈凸出，中心内凹的形式，使刀盘1掘进过程中外圈滚刀先接触岩石，进行破岩。外侧岩石破碎后，相邻内侧滚刀再触内测岩石破岩，依次类推，使得掌子面岩体4由外向中心依次破碎。这样布置，可使得所有滚刀都避免三向受力，进而提高破岩效率，提高掘进速度、降低刀具和能量损耗，减少对围岩强度的损伤，保证支护强度。

具体的，驱动装置为液压冲击破岩设备。

本发明实施例还提供一种冲击排钻与滚刀破岩的全断面掘进机，包括刀盘，刀盘为如上述任意一项实施例所述的刀盘1。

具体的，上述的冲击排钻与滚刀破岩的全断面掘进机还包括盾体2和出渣装置3，刀盘1设置在盾体2上，出渣装置3内置在盾体2中。

本发明实施例还提供一种破岩方法，采用如上述任意一项实施例所述的刀盘，包括：

步骤1)刀盘1不转动，刀盘1的外缘部位所有钻孔装置开始工作，向掌子面钻孔；

步骤2)完成当前一组钻孔后，钻头15回退至刀盘1内，然后刀盘1旋转一定角度，使得钻孔装置的下一组钻孔与当前一组钻孔相邻，然后钻孔装置再次启动，完成第二组钻孔；

步骤3)重复步骤2)，直至完成整个掌子面的周边钻孔，完成掌子面与周边围岩的分离；

步骤4)钻头15回退至刀盘1内，刀盘1旋转，向前掘进；

步骤5)当掘进至钻孔深度后，完成一轮推进，然后重复步骤1)至步骤4)，直至完成整个隧道的掘进。

为了进一步优化上述方案，当钻孔装置为排钻装置时：

步骤1)刀盘1不转动，刀盘1的外缘部位所有排钻装置开始工作，向掌子面钻孔成槽，形成槽孔5；

步骤2)在排钻装置完成当前一组槽孔5后，钻头15回退至刀盘1内，然后刀盘1旋转一定角度，使得排钻装置的下一组槽孔与当前一组槽孔相邻，然后排钻装置再次启动，完成第二组槽孔5钻进；

步骤3)重复步骤2)，直至完成整个掌子面的周边槽孔5的钻孔，完成掌子面与周边围岩的分离；

步骤4)退回所有排钻装置，刀盘1旋转，向前掘进；

步骤5)当掘进至排钻装置的钻孔深度后，完成一轮推进，然后重复步骤1)至步骤4)，直至完成整个隧道的掘进。

为了进一步优化上述方案，步骤4)还包括，每个滚刀装置16自圆心至外缘逐渐凸起，在刀盘1旋转，向前掘进的掘进过程中，刀盘1的外缘的滚刀最先接触掌子面，并压溃最外圈岩石，

随后相邻内圈滚刀接触掌子面，继续压溃内圈岩石，如图6所示，图6中示意有滚刀破岩作用位置6，

以此类推，掘进过程中，掌子面从外缘至中心依次被破碎。

本发明实施例提供的刀盘1，可解决掘进机掘进过程对周边围岩扰动大，以及刀盘刀具磨损不均，例如中心滚刀磨损大于外圈滚刀的问题，进一步提高破岩效率，减小刀具磨损。

本发明实施例提供的刀盘1，以钻孔装置为排钻13为例，具体操作时：

本发明提供一种采用排钻设备与滚刀联合破岩的刀盘，包括：刀盘1、排钻装置和滚刀装置16，排钻装置包括排钻箱体、排钻安装座、排钻13、整形装置14、钻头15及钻杆。数个排钻装置均布在刀盘1最外圈。排钻13为液压冲击破岩设备，具有多个钻杆，可实现一次钻进多空成槽的效果，同时边心距小，可垂直掌子面沿隧道轮廓边缘钻孔。

滚刀装置16沿刀盘1半径布置，且由中心到外圈，滚刀位置逐渐外凸，使掘进过程中，刀盘1外圈滚刀先接触岩石，接着相邻内圈滚刀接触岩石，直至中心滚刀最后接触岩石。

应用本发明实施例提供的刀盘1的冲击排钻与滚刀联合破岩的全断面掘进机，施工的步骤为：

第一步：刀盘1不转动，最外侧排钻13开始同时钻孔，在安装座12及驱动装置作用下向掌子面钻孔成槽，钻进一定深度后退回；

第二歩：在排钻13完成一组槽孔后，在安装座12带动下回退至刀盘1内，然后刀盘1旋转一定角度，排钻13开始钻第二组孔，并使第二组孔与第一组孔相邻，即使得排钻13下一组槽孔与上一组槽孔相邻，然后排钻13再次启动，完成第二组槽孔钻进；

第三歩：重复第一步和第二步，直至排钻13所钻出的孔全部相连，完成掌子面周边成槽，形成临空面，与周边围岩分离；

第四歩：退回排钻设备，刀盘1开始以一定速度旋转并向前掘进。由于滚刀成外凸中心凹布置，掌子面岩石会由外圈至中心依次被破除，即掘进过程中，外圈滚刀最先接触掌子面，并压溃最外圈岩石。随后相邻内圈滚刀接触掌子面，继续压溃内圈岩石，掌子面从外至中心依次被破碎。当掘进至钻孔深度后，完成一轮掘进，刀盘1停止旋转，掘进过程中破碎岩石有出渣机构3运出隧道；

第五步：重复第一步至第四歩，直至完成整个隧道的掘进。

由于排钻13能够依次钻进连孔成槽，通过排钻13钻进周边眼，可有效调高周边眼成槽效率，快速使掌子面与周边围岩分离，减小掌子面强度，同时由于冲击破岩效率高于滚刀破岩，可替代周边扩挖刀，减少刀具种类。

并且，由于中心岩石强度高与周边，掘进过程中中心滚刀磨损大于外围滚刀。故采用外凸中心凹的滚刀布置方式，能使掌子面岩石由外至中心依次破碎，这样中心岩石的强度是逐步降低的，故减少了刀具磨损，提高了掘进速度和降低了掘进成本。

本发明实施例提供的冲击排钻与滚刀破岩的全断面掘进机，采用排钻与滚刀联合破岩，包括刀盘1、盾体2、出渣装置3；

刀盘1包括滚刀装置16和排钻装置组成。排钻装置包括排钻箱体，排钻安装座，排钻13，整形装置14，钻头15和钻杆。其中，排钻箱体固定在刀盘1上，起到保护排钻设备的作用。排钻安装座用于排钻设备的安装，管路连接以及连有驱动装置，负责推进排钻向掌子面钻孔。排钻13为液压冲击破岩设备，具有多个钻杆，可实现一次钻进多空成槽的效果，同时边心距小，可垂直掌子面沿隧道轮廓边缘钻孔，本实施例以四杆排钻为例进行介绍。整形装置14为整形板，布置在排钻13的钻头15后面，负责去除排钻相邻孔间的欠挖区域，使成槽外边缘光滑，保证后续盾体2的推进。

刀盘1上滚刀装置16和排钻装置的布置方式可参考图3所示，排钻装置均布在刀盘1最外圈，其数量可根据实际需求确定。滚刀布置16数量可根据岩石强度等级、掌子面大小等按要求沿刀盘1半径布置，但刀盘1上一条线上的滚刀按中间凹，外圈凸出的弧线布置方式，使掘进过程中，刀盘1外圈滚刀先接触岩石，接着相邻内圈滚刀接触岩石，直至中心滚刀最后接触岩石。

本发明实施例提供的冲击排钻与滚刀破岩的全断面掘进机：

①冲击破岩效率大于滚刀破岩效率，在刀盘1最外侧安装排钻13，利用排钻13小边心距的特点，配合合适的钻头15可实现周边槽孔外径等于盾体2直径，从而到达替代周边扩挖刀的目的，并提高了周边破岩效率；

②掘进前，先用排钻钻周边槽孔，形成临空面，将掌子面与周边围岩隔绝，进而减小了后续施工中对围岩的扰动。并且形成临空面后，减小了掌子面最外侧岩石的强度，外圈滚刀不再是三向受力，故增加了外圈滚刀破岩的效率，降低刀具和能量损耗；

③由于最外侧岩石强度降低，故将刀盘1上滚刀布置成外圈凸出，中心内凹的弧线布置形式，使刀盘1掘进过程中外圈滚刀先接触岩石，进行破岩。外侧岩石破碎后，相邻内侧滚刀再触内测岩石破岩，依次类推，使得掌子面岩石由外向中心依次破碎。这样布置，可使得所有滚刀都避免三向受力，进而提高破岩效率，提高掘进速度、降低刀具和能量损耗，减少对围岩强度的损伤，保证支护强度。

④在周边槽孔的掏除中，钻孔装置除了采用钻头15和钻杆，还可以采用普通的液压凿岩机、潜孔锤、破碎锤等其他凿岩设备可作为替代，达到同样的掏除周边孔形成临空面，并削弱岩体强度效果，只是在成本和效率等方面有所差异；

⑤除将刀盘1上滚刀按弧形布置外，也可直接将刀盘1前端面设计成凹型，或其他方式以达到外圈滚刀先接触岩石，中间滚刀最后接触岩石的效果。

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 (4)

1.一种刀盘，用于全断面掘进机，其特征在于，所述刀盘的径向方向上设置有多个滚刀装置；

所述刀盘的外缘部位设置有钻孔装置，所述钻孔装置包括箱体、安装座、驱动装置、钻头、钻杆以及整形装置，所述箱体固定在所述刀盘上，所述箱体内设置有所述安装座，所述驱动装置固定在所述安装座上，所述钻杆连接在所述驱动装置上，所述钻头固定在所述钻杆的端部，所述钻头可垂直掌子面沿隧道轮廓边缘钻孔，使形成的周边槽孔外径等于盾体直径；

所述钻孔装置为排钻装置，所述驱动装置为排钻驱动装置，所述钻头和所述钻杆均为多个，所述整形装置为整形板，布置在所述排钻装置的钻头后面；

所述钻孔装置为多个且呈等夹角设置在所述刀盘上；每个所述滚刀装置自圆心至外缘逐渐凸起。

2.一种冲击排钻与滚刀破岩的全断面掘进机，包括刀盘，其特征在于，所述刀盘为如上述权利要求1所述的刀盘。

3.根据权利要求2所述的冲击排钻与滚刀破岩的全断面掘进机，其特征在于，还包括盾体和出渣装置，所述刀盘设置在所述盾体上，所述出渣装置内置在所述盾体中。

4.一种破岩方法，其特征在于，采用如上述权利要求1所述的刀盘，当所述钻孔装置为排钻装置时，包括：

步骤1)所述刀盘不转动，所述刀盘的外缘部位所有所述排钻装置开始工作，向掌子面钻孔成槽，形成槽孔；

步骤2)在所述排钻装置完成当前一组槽孔后，所述钻头回退至所述刀盘内，然后所述刀盘旋转一定角度，使得所述排钻装置的下一组槽孔与当前一组槽孔相邻，然后所述排钻装置再次启动，完成第二组槽孔钻进；

步骤3)重复所述步骤2)，直至完成整个所述掌子面的周边槽孔的钻孔，完成所述掌子面与周边围岩的分离；

步骤4)退回所有所述排钻装置，所述刀盘旋转，向前掘进；每个所述滚刀装置自圆心至外缘逐渐凸起，在所述刀盘旋转，向前掘进的掘进过程中，所述刀盘的外缘的滚刀最先接触所述掌子面，并压溃最外圈岩石，随后相邻内圈滚刀接触所述掌子面，继续压溃内圈岩石，以此类推，掘进过程中，所述掌子面从外缘至中心依次被破碎；

步骤5)当掘进至所述排钻装置的钻孔深度后，完成一轮推进，然后重复所述步骤1)至所述步骤4)，直至完成整个隧道的掘进。

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