CN113685196A - 一种用于隧道施工的破障装置及破障方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于隧道施工的破障装置及破障方法，通过传感器检测隧道掘进机是否正常工作；通过视觉系统获取障碍物的图像，当为钢筋混凝土结构时，启动水射流系统加固地基，关闭水射流系统并启动激光系统辐射钢筋混凝土结构至达到隧道掘进机切削要求，再关闭光系统并启动隧道掘进机；当为岩石时，启动激光系统高温弱化岩石，启动水射流系统破碎岩石达到隧道掘进机切削要求后关闭激光系统和水射流系统并启动隧道掘进机。根据障碍物的类型对激光、水射流和隧道掘进机进行选择，从而应对不同障碍物，实现了破障的快速施工。利用水射流系统和激光系统的高聚能和高密度能量等优点，辅助机械刀具联合破障，有效解决单一机械刀具破障能力不足的问题。

Description

一种用于隧道施工的破障装置及破障方法

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，特别涉及一种用于隧道施工的破障装置及破障方法。

背景技术

目前我国以全断面隧道掘进机为代表的地下工程装备取得了突飞猛进的发展，技术日趋成熟，支撑了国家基础建设的需求。

但随着长度和直径越来越大的隧道和地下轨道交通的高密度开发，遭遇钢筋混凝土桩基和(极)硬岩等地下障碍物的占比越来越高。目前，一般钢筋混凝土抗压强度达40MPa，主筋螺纹钢直径有22mm且抗拉强度达400MPa，而(极)硬岩的单轴抗压强度≥200MPa。

现有的掘进方式中，全断面隧道掘进机穿越地下障碍物的方法主要有人工清障、爆破法清障和直接切削清障。现有实践证明，人工清障工期较长，施工人员危险性较高；爆破法清障工期长，施工组织复杂，危险性高，易对周边环境和构筑物产生影响；全断面隧道掘进机直接切削清障需要对刀盘及出渣装置进行设计，由于设计前是难以对地下障碍物全面探测到位的，因此所设计的刀盘是不完全具有适用性。

综上，采用常规单一的机械刀具面临着刀具磨损严重、维修量大以及破障能力不足等问题，导致施工成本增加，工期延误，难以满足隧道快速掘进施工需求。

因此，如何提供一种用于隧道施工的破障装置，以适应不同的障碍物，提高破障能力，是本技术领域人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于隧道施工的破障装置，以适应不同的障碍物，提高破障能力。此外，本发明还提供了一种用于隧道施工的破障方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于隧道施工的破障装置，其包括：

用于断面掘进的隧道掘进机；

水射流系统，所述水射流系统用于加固地基以及用于切割障碍物；

激光系统，所述激光系统用于高温弱化障碍物；

用于检测所述隧道掘进机的掘进参数的传感器，若掘进参数在预设范围内则所述隧道掘进机工作；

用于检测掌子面以获取障碍物的类型的拍摄图像的视觉系统，若所述传感器检测到掘进参数超过预设范围，则所述视觉系统启动并获取障碍物类型，当所述障碍物为钢筋混凝土结构时，则启动所述水射流系统加固地基，再关闭所述水射流系统并启动所述激光系统辐射钢筋混凝土结构至钢筋混凝土结构达到所述隧道掘进机切削要求，再关闭所述激光系统并启动所述隧道掘进机；

若所述传感器检测到掘进参数超过预设范围，则所述视觉系统启动并获取障碍物类型，当所述障碍物为岩石时，则启动所述激光系统高温弱化岩石，然后启动水射流系统破碎岩石达到所述隧道掘进机切削要求后关闭所述激光系统和所述水射流系统并启动所述隧道掘进机。

优选的，上述的破障装置中，所述隧道掘进机包括：盾体和安装在所述盾体上用于掘进的刀盘，所述刀盘上设置有刀具；所述掘进参数为所述刀盘的扭矩。

优选的，上述的破障装置中，所述水射流系统包括射流喷嘴和用于对所述射流喷嘴提供高压液体的高压泵站，所述射流喷嘴角度可调的安装在所述刀盘上。

优选的，上述的破障装置中，所述激光系统包括激光发生器和与所述激光发生器相连用于发射激光的激光头，所述激光头角度可调的安装在所述刀盘上。

一种用于隧道施工的破障方法，其包括步骤：

S1：检测隧道掘进机的掘进参数，并判断是否在预设范围内，当在预设范围内时所述隧道掘进机工作；

S2：若掘进参数超过预设范围时，则判断障碍物类型，当障碍物为钢筋混凝土结构时则执行步骤S21-步骤S23，当障碍物为岩石时则执行步骤S31-步骤S33；

S21：启动水射流系统加强破障部位周边地基，直至地基达到要求，关闭水射流系统；

S22：获取掌子面的钢筋混凝土结构的图像信息，调整激光系统对准钢筋混凝土结构，调节激光发生器的功率和辐射时间并启动激光系统直至钢筋混凝土结构熔化或熔断，待钢筋混凝土结构切割达到隧道掘进机切削要求后关闭激光系统；

S23：启动隧道掘进机对钢筋混凝土结构切削直至排出障碍物；

S31：获取掌子面的岩石的图像信息，启动激光系统对掌子面进行高温预处理；

S32：开启水射流系统，对激光辐射过的岩石进行低温冲击，判断岩体是否已达到隧道掘进机的切削要求，若没有达到则返回步骤S31，直至达到隧道掘进机的切削要求；

S33：启动隧道掘进机对钢筋混凝土结构切削直至排出障碍物。

本发明提供的一种破障装置和破障方法，可根据障碍物的类型对激光、水射流和隧道掘进机进行选择，从而应对不同障碍物，实现了破障的快速施工。此外，利用水射流系统和激光系统的高聚能和高密度能量等优点，辅助机械刀具联合破障，有效解决单一机械刀具破障能力不足的问题。

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为本发明实施例中公开的用于隧道施工的破障装置的工作示意图；

图2为本发明实施例中公开的用于隧道施工的破障方法的流程图。

具体实施方式

本发明公开了一种用于隧道施工的破障装置，以适应不同的障碍物，提高破障能力。此外，本发明还提供了一种用于隧道施工的破障方法。

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。

如图1所示，本申请还公开了一种用于隧道施工的破障装置，包括隧道掘进机、水射流系统、激光系统、传动器和视觉系统。其中，隧道掘进机用于断面掘进，具体为全断面隧道掘进机，该全断面隧道掘进机为隧道施工过程中的主要部件。水射流系统和激光系统则用于辅助隧道掘进机对障碍物进行清除，具体的，水射流系统用于加固地基以及用于切割障碍物，激光系统则用于高温弱化障碍物从而实现切割障碍物。

为了对各个系统进行控制，本申请中设置了用于检测隧道掘进机的掘进参数的传感器，通过传感器检测隧道掘进机是否正常工作，即若掘进参数在预设范围内则说明隧道掘进机可以正常工作，不需要水射流系统和激光系统的辅助，此时不启动水射流系统和激光系统；若掘进参数不在预设范围内，则说明隧道掘进机已无法满足切削要求，因此，需要启动水射流系统和激光系统，以辅助隧道掘进机。

具体的，视觉系统用于检测掌子面以获取障碍物的类型，优选的，可为通过获取的图像进行判断。若视觉系统获取的障碍物为钢筋混凝土结构4时，则启动水射流系统加固地基，再关闭水射流系统并启动激光系统辐射钢筋混凝土结构4至钢筋混凝土结构4达到隧道掘进机切削要求，再关闭激光系统并启动隧道掘进机，即通过水射流系统和激光系统的配合弱化钢筋混凝土结构4。激光具有高密度能量和高聚能等优势，对于钢筋混凝土桩基，将其与机械刀具结合联合破障，不仅能有效解决刀具直接切削带来的钢筋缠绕在刀盘6上、滞留土舱内和卡住螺旋输送机等问题，而且相比于刀盘6改制更具有适应性，可缩短工期和降低施工成本。

若视觉系统获取到的障碍物为岩石时，如图1所示，该岩石可为孤石1、全断面硬岩2和上软下硬岩体3等，则启动激光系统高温弱化岩石，然后启动水射流系统破碎岩石达到隧道掘进机切削要求后关闭激光系统和水射流系统并启动隧道掘进机。激光系统对岩石进行高温加热预处理可使岩石产生热裂纹或热破碎，然后对经过激光处理的高温岩石喷射低温高压水流，从而形成冷-热效应，促进裂隙扩展、延伸和贯通，降低岩体强度，使岩石结构弱化，提高破岩效率。

综上，采用本申请中的破障装置可根据障碍物的类型对激光、水射流和隧道掘进机进行选择，从而应对不同障碍物，实现了破障的快速施工。此外，利用水射流系统和激光系统的高聚能和高密度能量等优点，辅助机械刀具联合破障，有效解决单一机械刀具破障能力不足的问题。

具体的实施例中，上述的隧道掘进机包括盾体和刀盘6。具体的，刀盘6设置在盾体上作为切削工具，刀盘6上设置有刀具，上述的掘进参数优选的设置为刀盘6的扭矩。通过检测刀盘6的扭矩实现判断隧道掘进机是否正常工作。

优选的实施例中，上述的水射流系统包括射流喷嘴5和用于对射流喷嘴5提供高压液体的高压泵站7，其中，射流喷嘴5角度可调的安装在刀盘6上。在实际中可根据要求调整刀盘6上射流喷嘴5位姿，使射流喷嘴5对准所需加工部位。该水射流系统可调节注浆流量和压力，以适应不同的要求。

进一步的实施例中，上述的激光系统包括激光发生器8和与激光发生器8相连用于发射激光的激光头9，该激光头9角度可调的安装在刀盘6上。在实际中可根据要求调节激光头9的位姿，以使激光头9对准所需加工部位。通过调节激光发生器8的功率和辐射时间可达到不同的温度，适应不同的要求。在调节过程中需要同时调节刀盘6的角度，以更好的保证射流喷嘴5和激光头9的位置的准确性。

此外，如图2所示，本申请还公开了一种用于隧道施工的破障方法，其包括以下步骤：

步骤S1：检测隧道掘进机的掘进参数，并判断是否在预设范围内，当在预设范围内时所述隧道掘进机工作。

通过布置在隧道掘进机上的刀盘扭矩传感器来获取隧道掘进机的掘进参数。

步骤S2：若掘进参数超过预设范围时，则判断障碍物类型，当障碍物为钢筋混凝土结构时则执行步骤S21-步骤S23，当障碍物为岩石时则执行步骤S31-步骤S33。

当掘进参数超过预设范围时，则说明隧道掘进机无法满足切削要求，即遇到了更为坚硬的障碍物。根据障碍物的不同采取的方式不同。

步骤S21：启动水射流系统加强破障部位周边地基，直至地基达到要求，关闭水射流系统。

开启水射流系统，利用视觉系统采集到的掌子面图像信息，调整刀盘上射流喷嘴位姿及刀盘转动方位使射流喷嘴对准破障部位周边地基，调节注浆流量和压力等参数对地基进行补强加固，防止切削钢筋混凝土结构时发生坍塌，待地基加固质量达到要求后关闭水射流系统。该钢筋混凝土结构可为建筑物的钢筋混凝土桩基。

步骤S22：获取掌子面的钢筋混凝土结构的图像信息，启动激光系统直至钢筋混凝土结构熔化或熔断，待钢筋混凝土切割达到隧道掘进机切削要求后关闭激光系统。

开启激光系统，利用视觉系统采集到的掌子面钢筋混凝土结构的图像信息，调整刀盘上激光头位姿及刀盘转动方位使激光头对准裸露钢筋，调节激光发生器的功率和辐射时间等参数对钢筋聚能熔化或熔断，防止大直径长钢筋磨损且缠绕在刀盘上，待钢筋初次切割达到隧道掘进机直接切削要求后关闭激光系统。

步骤S23：启动隧道掘进机对钢筋混凝土结构切削直至排出障碍物。

开启隧道掘进机，合理调节掘进参数，使用机械刀具对钢筋混凝土桩基进行二次切削，将钢筋切断切短顺利排出，达到联合破除钢筋混凝土桩基障碍物的目的，提高掘进机的破障能力。

此外，当检测到障碍物为岩石时：

步骤S31：获取掌子面的岩石的图像信息，启动激光系统对掌子面进行高温预处理。

开启激光系统，利用视觉系统采集到的掌子面图像信息，分析地层类型和围岩等级，使用搭载在刀盘上激光头，调整刀盘上激光头位姿、激光发生器的功率和辐射时间以及刀盘转动速度等参数对掌子面进行高温预处理，使岩石结构弱化、裂纹发育并产生表面破裂，视觉系统实时检测岩石的状态。

步骤S32：开启水射流系统，对激光辐射过的岩石进行低温冲击，判断岩体是否已达到隧道掘进机的切削要求，若没有达到则返回步骤S31，直至达到隧道掘进机的切削要求。

开启水射流系统，使用搭载在刀盘上的射流喷嘴，通过调节射流流量和射流喷嘴的位姿等参数，对微波辐射过的高温岩体进行低温高速冲击，促进岩石裂纹生长，削弱岩石的力学性能。此外，视觉系统实时检测岩石的状态，当经过水射流系统后的岩石无法达到隧道掘进机的切削要求时，则重复步骤S31和步骤S32，直至达到隧道掘进机的切削要求，关闭水射流系统和激光系统。

步骤S33：启动隧道掘进机对钢筋混凝土结构切削直至排出障碍物。

开启隧道掘进机，合理调节掘进参数，使用机械刀具对岩石进行二次破碎，达到联合破除岩石障碍物的目的，提高掘进机的破障能力。对于岩石的种类可根据实际需要设定，且均在保护范围内。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

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 (5)

1.一种用于隧道施工的破障装置，其特征在于，包括：

用于断面掘进的隧道掘进机；

水射流系统，所述水射流系统用于加固地基以及用于切割障碍物；

激光系统，所述激光系统用于高温弱化障碍物；

用于检测所述隧道掘进机的掘进参数的传感器，若掘进参数在预设范围内则所述隧道掘进机工作；

用于检测掌子面以获取障碍物的类型的拍摄图像的视觉系统，若所述传感器检测到掘进参数超过预设范围，则所述视觉系统启动并获取障碍物类型，当所述障碍物为钢筋混凝土结构时，则启动所述水射流系统加固地基，再关闭所述水射流系统并启动所述激光系统辐射钢筋混凝土结构至钢筋混凝土结构达到所述隧道掘进机切削要求，再关闭所述激光系统并启动所述隧道掘进机；

若所述传感器检测到掘进参数超过预设范围，则所述视觉系统启动并获取障碍物类型，当所述障碍物为岩石时，则启动所述激光系统高温弱化岩石，然后启动水射流系统破碎岩石达到所述隧道掘进机切削要求后关闭所述激光系统和所述水射流系统并启动所述隧道掘进机。

2.根据权利要求1所述的破障装置，其特征在于，所述隧道掘进机包括：盾体和安装在所述盾体上用于掘进的刀盘，所述刀盘上设置有刀具；所述掘进参数为所述刀盘的扭矩。

3.根据权利要求2所述的破障装置，其特征在于，所述水射流系统包括射流喷嘴和用于对所述射流喷嘴提供高压液体的高压泵站，所述射流喷嘴角度可调的安装在所述刀盘上。

4.根据权利要求3所述的破障装置，其特征在于，所述激光系统包括激光发生器和与所述激光发生器相连用于发射激光的激光头，所述激光头角度可调的安装在所述刀盘上。

5.一种用于隧道施工的破障方法，其特征在于，包括步骤：

S1：检测隧道掘进机的掘进参数，并判断是否在预设范围内，当在预设范围内时所述隧道掘进机工作；

S2：若掘进参数超过预设范围时，则判断障碍物类型，当障碍物为钢筋混凝土结构时则执行步骤S21-步骤S23，当障碍物为岩石时则执行步骤S31-步骤S33；

S21：启动水射流系统加强破障部位周边地基，直至地基达到要求，关闭水射流系统；

S22：获取掌子面的钢筋混凝土结构的图像信息，调整激光系统对准钢筋混凝土结构，调节激光发生器的功率和辐射时间并启动激光系统直至钢筋混凝土结构熔化或熔断，待钢筋混凝土结构切割达到隧道掘进机切削要求后关闭激光系统；

S23：启动隧道掘进机对钢筋混凝土结构切削直至排出障碍物；

S31：获取掌子面的岩石的图像信息，启动激光系统对掌子面进行高温预处理；

S32：开启水射流系统，对激光辐射过的岩石进行低温冲击，判断岩体是否已达到隧道掘进机的切削要求，若没有达到则返回步骤S31，直至达到隧道掘进机的切削要求；

S33：启动隧道掘进机对钢筋混凝土结构切削直至排出障碍物。

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