CN114427467B - 一种水射流辅助成型异形断面刀盘、隧道掘进机及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水射流辅助成型异形断面刀盘、隧道掘进机及方法，本发明包括圆形刀盘和若干异形刀盘，各异形刀盘的设置位置与圆形刀盘的设置位置，沿刀盘轴线方向具有一定距离，异形刀盘的破岩作用面位于所述圆形刀盘的破岩作用面后侧，且所述异形刀盘设置于所述圆形刀盘圆周方向上；圆形刀盘正面设置有多个机械破岩机构，圆形刀盘的盾体周边布设有若干水射流机构；异形刀盘正面设置有若干机械破岩机构，异形刀盘的至少一部分边缘设置有若干水射流机构；本发明能够实现异形断面的整体成型、一次性成型，对坚硬岩石的有效切割，且能够保证岩渣顺利排出。

Description

一种水射流辅助成型异形断面刀盘、隧道掘进机及方法

技术领域

本发明属于隧道掘进技术领域，具体涉及一种水射流辅助成型异形断面刀盘、隧道掘进机及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

近些年来，交通隧道得到广泛建设和大力发展，(全断面)隧道掘进机(TunnelBoring Machine，TBM)作为一种高度自动化掘进机械，具有施工速度快、成洞质量好、安全性高等优点，被广泛应用于公路、铁路等交通隧道建设中。为了实现功能需求，目前交通隧道断面形状主要以马蹄形、矩形等异形断面为主。但是现有的TBM刀盘形状为圆形，掘进的隧洞断面为圆形，还需进一步的后续施工才能完成异形断面，主要方法为局部洞壁切削，并将剥离的岩石渣片对隧洞底部进行回填。这既延长了施工工期、大幅增加了成本，又降低了隧洞的使用高度，严重影响了工程效益。

目前，想要使用TBM一次成型马蹄形等异形隧道断面还存在一些困难：

（1）TBM刀盘不能像软土盾构机那样，通过设计异形机械刀盘来实现硬岩条件下隧道断面的一次成型，因为软土盾构的异形刀盘结构非常复杂，强度和刚度不足，可靠性较差，难以用来破碎坚硬岩石；

（2）尽管目前提出了利用多个机械刀盘先后掘进形成异形断面的方案，但该方法实际上是分步施工的，并不能同步施工使隧道断面一次成型，影响了总体施工进度。

综上，因此，要想能够高效一次成型马蹄形等异形隧道断面，需要解决：刀盘机械强度要足够支撑TBM在硬岩条件下的可靠掘进；TBM在掘进过程中不停机，一次性施工成型异形隧道断面，确保施工高效。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种水射流辅助成型异形断面刀盘、隧道掘进机及方法，本发明利用高压水射流的易搭载、高效的特点，通过水射流机构和机械破岩机构的巧妙结合与布局，能够实现异形断面的整体成型、一次性成型，对坚硬岩石的有效切割，且能够保证岩渣顺利排出。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

一种水射流辅助成型异形断面刀盘，包括圆形刀盘和若干异形刀盘，其中：

各异形刀盘与圆形刀盘呈阶梯式布置，各异形刀盘的破岩作用面位于所述圆形刀盘的破岩作用面后侧，且所述异形刀盘设置于所述圆形刀盘圆周方向上；

所述圆形刀盘正面设置有多个机械破岩机构，圆形刀盘的盾体周边布设有若干水射流机构；

所述异形刀盘正面设置有若干机械破岩机构，异形刀盘的至少一部分边缘设置有若干水射流机构。

这样的设置方式，使得各异形刀盘的破岩作用面后置于所述圆形刀盘的破岩作用面，在刀盘行进过程中，圆形刀盘先工作，形成圆形断面，并根据盾体周边布设的水射流机构作用下，在圆形断面周围形成裂缝网络以弱化岩体，便于异形刀盘的机械破岩机构动作，且在异形刀盘边缘处设置的水射流机构，能够沿所布设的形状，剥落剩余的岩体，切割出要求形成的异形断面。

作为可选择的实施方式，所述异形刀盘至少一边呈弧形，与所述圆形刀盘的外沿相吻合。

作为可选择的实施方式，所述异形刀盘与所述圆形刀盘不吻合的其他侧边，设置有若干水射流机构，且所述水射流机构沿其所在边的延伸方向排列。

作为进一步的限定方式，所述水射流机构至少具有一个自由度，能够沿其设置所在边的延伸方向摆动。

作为可选择的实施方式，所述圆形刀盘的盾体周边布设的水射流机构能够沿圆形刀盘盾体做切向方向的摆动。

作为可选择的实施方式，所述水射流机构均设置有保护装置。

作为可选择的实施方式，所述圆形刀盘上设置有若干出渣口。

作为可选择的实施方式，位于圆形刀盘下侧的异形刀盘底部设置有若干出渣口。

作为可选择的实施方式，所述异形刀盘的数量和形状根据待异形断面的形状确定。

即各异形刀盘和圆形刀盘非贴合部分的外轮廓和圆形刀盘中不与异形刀盘贴合部分的外轮廓，组成的图形和待异形断面的形状一致。

一种隧道掘进机，包括上述水射流辅助成型异形断面刀盘。

基于上述刀盘或隧道掘进机的工作方法，包括以下步骤：

采用阶梯式破岩方式：

位于前方的圆形刀盘进行破岩和出渣，形成断面；

盾体周边设置的水射流机构随圆形刀盘推进过程中在断面周围岩石上形成裂缝；

异形刀盘的机械破岩机构和水射流机构继续作用，使形成裂缝的岩石被破除，一次性完成异形断面的施工。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的刀盘由圆形刀盘和异形刀盘两部分组成，在TBM掘进过程中，两个刀盘面直接组合形成异形破岩面，能够同时施工，一次性成型马蹄形或矩形等异形隧道断面，中间不停机，极大提高了掘进效率。

本发明圆形刀盘与异形刀盘呈阶梯状布置，两个刀盘有各自的出渣口，在出渣、排渣上互不干扰。圆形刀盘采用现有的TBM结构和出渣方式，结构合理可靠；异形刀盘结构相对简单，刀盘上的机械破岩装置强度足够，同时所述水射流机构都具有保护装置，整体结构具有很高的可靠性。

本发明异形刀盘破除前方异形断面岩体的过程包含三部分：一是在TBM向前推进过程中，盾体水射流机构沿圆形刀盘盾体周向摆动，切割岩石形成有S形裂缝网络的弱化岩体；二是异形刀盘上的水射流机构对前方岩体进行切割，将前方岩体与周边岩体剥离，成为孤立状态；三是在异形刀盘上机械破岩装置的破坏作用和异形刀盘向前推进的冲击挤压作用下，弱化的岩石很容易被破除形成碎屑和岩渣，掉落在异形刀盘下方，经由出渣口排出。由于异形刀盘上布设的水射流机构，能够快速精准切割隧道异形断面边界，避免了隧道超挖和欠挖，容易一次形成想要的异形断面形状，因此具有适应性强、隧道断面成型质量高和掘进速度快的优点。

圆形刀盘和异形刀盘有各自的出渣口，两类刀盘在出渣、排渣上互不干扰。大的圆形刀盘破岩形成的岩渣由圆形刀盘上的出渣口单独排出，异形刀盘切割破除的岩石渣片由异形刀盘底部的出渣口单独排出。这样圆形刀盘形成的大量岩渣不会影响到异形刀盘的排渣，也不会出现岩渣堆积从而致使出渣口阻塞的问题，避免了异形刀盘出渣口排渣容量和排渣能力不足的弊端，保证TBM在掘进过程中岩渣顺利排出。

本发明解决了一次性成型异形隧道断面的实际关键问题，为异形TBM在交通隧道中快速成型异形断面提供了切实可行的解决方案。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明至少一个实施例的结构示意图；

图2是本发明至少一个实施例的刀盘正视图；

其中，1.圆形刀盘，2.异形刀盘。

11.圆形刀盘盾体，12.盾体水刀，13滚刀。

21.侧边水刀，22.底边水刀，23.钻头，24.出渣口，25.异形刀盘盾体。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

实施例一：

本实施例以马蹄形断面隧道的施工为例，进行如下说明。但本发明所提供的刀盘并不仅限于成型该种形状的断面，还可以破岩各种形状的断面。

一种水射流辅助成型异形断面的刀盘，如图1所示，包括圆形刀盘1和异形刀盘2，异形刀盘2与圆形刀盘1破岩面呈前后阶梯状布置，圆形刀盘1在前，异形刀盘2在后，在本实施例中，异形刀盘2有两个，对称设置于圆形刀盘1下方两侧，且异形刀盘2与圆形刀盘1相接触的一侧，呈弧形，另外两边相互垂直。圆形刀盘1和异形刀盘2整体呈现代加工的断面马蹄形形状。

圆形刀盘包括圆形刀盘盾体11、盾体上设置的水射流机构（本实施例中选用水刀），水刀12和滚刀13；异形刀盘包括侧边水刀21，底边水刀22，机械破岩装置（本实施例中选择为机械钻头23）和出渣口24和异形刀盘盾体25。

圆形刀盘1采用现有的刀盘布置方式，在圆形刀盘1上布设有滚刀13，而沿圆形刀盘盾体11的周向布设有若干盾体水刀12，盾体水刀12可沿圆形刀盘盾体11做环向摆动，在TBM向前推进过程中摆动切割岩石，沿前进方向形成S形裂缝网络，弱化岩石强度。

异形刀盘2与圆形刀盘1呈阶梯状前后布置，圆形刀盘1在前，异形刀盘2位于后面，能够保证圆形刀盘1先作用于岩体。

异形刀盘2的侧边缘布置若干竖向分布的侧边水刀21，可以沿异形刀盘侧边边界做上下摆动；异形刀盘2的底边边缘布置有若干水平向分布的底边水刀22，可沿异形刀盘底边左右摆动。在TBM向前推进过程中，侧边水刀21和底边水刀22共同摆动切割岩石，使异形刀盘2前方的岩石与开挖断面周边的岩体分割开来，形成孤立的岩石块。

异形刀盘中间部位布设有数个钻头23，在TBM向前推进过程中钻进破坏异形刀盘2前方的岩石。异形刀盘2的底部开设有出渣口24，异形刀盘2前方的岩石被破碎后形成的岩石碎块和碎屑皆由出渣口24排出。

所述出渣口24设置在异形刀盘底部，开口宽阔，形状与刀盘相适应，开口下缘为倾斜的铲刃，掉落的渣片在异形刀盘2向前推进作用下进入出渣口24，再经由皮带机等装置排走。

所述水刀的水喷嘴均设置防止撞击、摩擦等破坏作用的防护罩。

在该异形刀盘掘进过程中，位于前方的圆形刀盘1按照现有TBM掘进方式进行破岩和出渣，形成圆形断面。在TBM继续向前推进过程中，若干盾体水刀12可沿圆形刀盘盾体11做周向摆动，切割岩石后，沿前进方向形成S形裂缝网络的弱化岩体；同时，异形刀盘2上的侧边水刀21和底边水刀22沿异形刀盘边界上下或左右摆动切割岩石，使异形刀盘2前方的岩体与开挖断面周边岩体剥离开来；这些被盾体水刀12、边界水刀21和底边水刀22共同切割形成的具有S形裂缝网络的被孤立的弱化的岩体，在钻头23的破坏作用和异形刀盘盾体25向前推进的冲击挤压作用下被破除，剥落形成的岩石碎块和岩石渣片，掉落在异形刀盘2的底部，由异形刀盘2底部的出渣口24排出，从而一次性完成马蹄形断面隧道的施工。

需要注意的是，圆形刀盘1破除岩石掉落的岩石碎块和岩石渣屑由圆形刀盘1上的出渣口排出，异形刀盘2破除的岩石碎块和岩石渣屑由异形刀盘2上的出渣口24排出，两个断面上形成的岩石碎块的排出不会相互干涉。因此圆形刀盘1形成的岩石碎块不会造成异形刀盘2上的出渣口24堵塞，从而保证两个断面都能够正常出渣排渣。

实施例二：

一种TBM，包含上述刀盘。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种水射流辅助成型异形断面刀盘，其特征是：包括圆形刀盘和若干异形刀盘，其中：

各异形刀盘与圆形刀盘呈阶梯式布置，各异形刀盘的破岩作用面位于所述圆形刀盘的破岩作用面后侧，且所述异形刀盘设置于所述圆形刀盘圆周方向上；

所述圆形刀盘正面设置有多个机械破岩机构，圆形刀盘的盾体周边布设有若干水射流机构；

所述异形刀盘正面设置有若干机械破岩机构，异形刀盘的至少一部分边缘设置有若干水射流机构；

所述异形刀盘至少一边呈弧形，与所述圆形刀盘的外沿相吻合；

所述异形刀盘与所述圆形刀盘不吻合的其他侧边，设置有若干水射流机构，且所述水射流机构沿其所在边的延伸方向排列；

所述水射流机构至少具有一个自由度，能够沿其设置所在边的延伸方向摆动。

2.如权利要求1所述的一种水射流辅助成型异形断面刀盘，其特征是：所述圆形刀盘的盾体周边布设的水射流机构能够沿圆形刀盘盾体切向方向摆动。

3.如权利要求1或2所述的一种水射流辅助成型异形断面刀盘，其特征是：所述水射流机构均设置有保护装置。

4.如权利要求1所述的一种水射流辅助成型异形断面刀盘，其特征是：所述圆形刀盘上设置有若干出渣口。

5.如权利要求1所述的一种水射流辅助成型异形断面刀盘，其特征是：所示异形刀盘设置有若干出渣口。

6.一种隧道掘进机，其特征是：包括权利要求1-5中任一项所述的水射流辅助成型异形断面刀盘。

7.基于权利要求1-5中任一项所述的刀盘或权利要求6所述的隧道掘进机的工作方法，其特征是：包括以下步骤：

采用阶梯式破岩方式：

位于前方的圆形刀盘进行破岩和出渣，形成断面；

盾体周边设置的水射流机构随圆形刀盘推进过程中在断面周围岩石上形成裂缝；

异形刀盘的机械破岩机构和水射流机构继续作用，使形成裂缝的岩石被破除，一次性完成异形断面的施工。

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