CN115653626B - 等离子体破岩设备及隧道施工方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种等离子体破岩设备及隧道施工方法。其中，等离子体破岩设备包括破岩组件、顶进组件以及衬砌形成组件，破岩组件包括等离子体发生机构以及负压机构，负压机构与等离子体发生机构固定相连，顶进组件包括张紧机构与牵引机构，破岩组件可转动地与张紧机构相连；衬砌形成组件包括喷砂机构，喷砂机构与负压机构连通，喷砂机构与牵引机构相连。通过破岩组件进行破岩并汽化岩土，再通过喷砂机构将汽化的岩土用作衬砌的材料直接成型，避免了大量的渣土外排，同时还减少了衬砌的制备运输时间。本申请有效地解决了现有技术中破岩设备需要向外排渣以及预置的衬砌进行隧道施工，导致隧道施工的工序繁琐，施工效率较低的问题。

Description

等离子体破岩设备及隧道施工方法

技术领域

本申请涉及隧道施工的技术领域，尤其涉及一种等离子体破岩设备及隧道施工方法。

背景技术

随着科学技术的不断发展，南水北调、西部大开发、西气东输、川藏铁路等相继开工，城市轨道交通、地下空间开发和跨区域交通不断推进，隧道和地下工程修建规模也越来越大。在市场需求的推动下，全断面硬岩掘进机作为集机、电、液、信息、人工智能于一体的现代化隧道专用装备，其具有自动化程度高、施工速度快、节约人力、安全经济以及一次成型的优点，使用时不受外界气候影响，开挖时可以控制地面沉陷，减少对地面建筑物的影响，并且水下地下施工不影响水中地面，得以广泛应用于铁路、公路、地下通道施工。现有掘进机大多是利用旋转刀盘上的滚刀来挤压剪切破岩的，这种开挖方法在实际工程应用上存在较多的限制。

现有的掘进机由于需要刀盘进行岩面的切割，再将破碎后的渣土通过运输装置向外运输走，并在之后进行隧道壁面布施定做的衬砌管片。现有技术中，渣土进行运输时通常容易出现卡机，并且形成的隧道需要异地浇筑的衬砌进行后续隧道稳固支护，双向的运输导致施工周期无法进行缩短，严重影响隧道施工效率。

发明内容

本申请提供了一种等离子体破岩设备及隧道施工方法，以解决现有技术中破岩设备需要向外排渣以及预置的衬砌进行隧道施工，导致隧道施工的工序繁琐，施工效率较低的问题。

第一方面，本申请提供了一种等离子体破岩设备，包括：破岩组件、顶进组件以及衬砌形成组件，破岩组件包括等离子体发生机构以及负压机构，负压机构与等离子体发生机构固定相连，等离子体发生机构用于产生高温等离子体束，负压机构用于收集汽化的岩土与碎渣；顶进组件包括张紧机构与牵引机构，破岩组件可转动地与张紧机构相连；衬砌形成组件包括喷砂机构，喷砂机构与负压机构连通，喷砂机构与牵引机构相连，喷砂机构用于汽化岩土的喷淋，以形成衬砌。

进一步地，张紧机构包括第一张紧结构以及第二张紧结构，牵引机构包括第一牵引结构与第二牵引结构，破岩组件与第一张紧结构可转动地相连，第一牵引结构分别与第一张紧结构以及第二张紧结构相连，第二牵引结构分别与第二张紧结构以及衬砌形成组件相连。

进一步地，第一张紧结构包括第一箱体与第一盾体，第一盾体可滑动地设置于第一箱体的周外侧，第二张紧结构包括第二箱体与第二盾体，第二盾体可滑动地设置于第二箱体的周外侧。

进一步地，第一盾体为多个，各第一盾体可沿远离第一箱体的方向滑动，第二盾体为多个，各第二盾体可沿远离第二箱体的方向滑动。

进一步地，顶进组件还包括第一主梁、第二主梁和滑动梁，第一主梁与第一箱体固定相连，第二主梁与衬砌形成组件固定相连，滑动梁分别与第一主梁以及第二主梁固定相连，滑动梁可相对第二张紧结构滑动。

进一步地，第一牵引结构包括第一推杆与第一缸体，第二牵引结构包括第二推杆与第二缸体，第一推杆可转动地与第一主梁相连，第一缸体可转动地与第二盾体相连，第二推杆可转动地与第二主梁相连，第二缸体可转动地与第二盾体相连。

进一步地，衬砌形成组件还包括转动轴，喷砂机构包括第一转盘与多个喷砂枪头，各喷砂枪头均匀地设置于第一转盘的周外侧，第一转盘可转动地与转动轴相连，各喷砂枪头均与负压机构连通，喷砂枪头与负压机构之间设置过滤机构。

进一步地，衬砌形成组件还包括加热机构，加热机构包括第二转盘以及多个加热枪头，各加热枪头均匀地设置于第二转盘的周外侧，第二转盘可转动地与转动轴相连。

第二方面，本申请提供了一种隧道施工方法，隧道施工方法使用上述的等离子体破岩设备，隧道施工方法包括如下步骤：

S01，使张紧机构的第二张紧结构处于伸展状态，第二盾体与隧道侧壁相抵；

S02，启动等离子体发生机构进行破岩；

S03，通过牵引机构的第一牵引结构将破岩组件向工作壁面方向推进；

S04，当第一牵引结构达到最大行程时，停止推进，使张紧机构的第一张紧结构处于伸展状态，第一盾体与隧道侧壁相抵；

S05，使第二张紧结构处于收缩状态，通过第一牵引结构将第二张紧结构沿靠近工作壁面方向拉近，直到第一牵引结构回到最小行程状态。

进一步地，在启动等离子体发生机构进行破岩时，隧道施工方法还包括如下步骤：

S021，启动负压机构收集汽化的岩土；

S022，启动过滤机构进行汽化的岩土的过滤和分流，以制造砂浆和排除废气废渣；

S023，启动喷砂机构，使其围绕转动轴旋转，并通过喷砂枪头在隧道侧壁面喷撒砂浆，以形成衬砌。

进一步地，在形成衬砌后，隧道施工方法还包括如下步骤：

S024，启动加热枪头，对衬砌进行加热，以实现衬砌的陶瓷化。

进一步地，通过牵引机构的第一牵引结构将破岩组件向工作壁面方向推进时，隧道施工方法还包括如下步骤：

S031，通过牵引机构的第二牵引结构将衬砌形成组件以固定的速度沿靠近第二张紧结构的方向移动。

进一步地，第一盾体与隧道侧壁相抵时，隧道施工方法还包括如下步骤：

S041，将衬砌形成组件固定，通过第二牵引结构的伸展配合第一牵引结构的收缩，将第二张紧结构沿靠近工作壁面的方向推进。

本申请提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本申请提供的一种等离子体破岩设备及隧道施工方法，其中，等离子体破岩设备包括破岩组件、顶进组件以及衬砌形成组件，破岩组件包括等离子体发生机构以及负压机构，负压机构与等离子体发生机构固定相连，等离子体发生机构用于产生高温等离子体束，负压机构用于收集汽化的岩土与碎渣；顶进组件包括张紧机构与牵引机构，破岩组件可转动地与张紧机构相连；衬砌形成组件包括喷砂机构，喷砂机构与负压机构连通，喷砂机构与牵引机构相连，喷砂机构用于汽化岩土的喷淋，以形成衬砌。通过破岩组件进行破岩并汽化岩土，再通过喷砂机构将汽化的岩土用作衬砌的材料直接成型，避免了大量的渣土外排，同时还减少了衬砌的制备运输时间。本申请有效地解决了现有技术中等离子体破岩设备需要向外排渣以及预置的衬砌进行隧道施工，导致隧道施工的工序繁琐，施工效率较低的问题。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本申请实施例提供的等离子体破岩设备的俯视示意图；

图2示出了图1等离子体破岩设备的侧视示意图；

图3示出了图1等离子体破岩设备的破岩组件的主视示意图；

图4示出了图1等离子体破岩设备的等离子体发生机构的剖视示意图。

其中，上述附图包含如下的附图标记：

10、破岩组件；11、等离子体发生机构；111、等离子体出口；112、电弧发生结构；1121、第一电极；1122、第二电极；113、气体运输结构；114、发生室；115、冷却结构；116、绝缘套筒；12、负压机构；13、安装基座；20、顶进组件；21、张紧机构；211、第一张紧结构；2111、第一箱体；2112、第一盾体；212、第二张紧结构；2121、第二箱体；2122、第二盾体；2123、撑紧油缸；22、牵引机构；221、第一牵引结构；2211、第一推杆；2212、第一缸体；222、第二牵引结构；2221、第二推杆；2222、第二缸体；23、第一主梁；24、第二主梁；25、滑动梁；26、固定座；30、衬砌形成组件；31、喷砂机构；311、第一转盘；312、喷砂枪头；32、转动轴；33、加热机构；331、第二转盘；332、加热枪头。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，第一方面，本申请实施例的技术方案中，提供了一种等离子体破岩设备，包括：破岩组件10、顶进组件20以及衬砌形成组件30，破岩组件10包括等离子体发生机构11以及负压机构12，负压机构12与等离子体发生机构11固定相连，等离子体发生机构11用于产生高温等离子体束，负压机构12用于收集汽化的岩土与碎渣；顶进组件20包括张紧机构21与牵引机构22，破岩组件10可转动地与张紧机构21相连；衬砌形成组件30包括喷砂机构31，喷砂机构31与负压机构12连通，喷砂机构31与牵引机构22相连，喷砂机构31用于汽化岩土的喷淋，以形成衬砌。

通过破岩组件进行破岩并汽化岩土，再通过喷砂机构将汽化的岩土用作衬砌的材料直接成型，避免了大量的渣土外排，同时还减少了衬砌的制备运输时间，有效地解决了现有技术中等离子体破岩设备需要向外排渣以及预置的衬砌进行隧道施工，导致隧道施工的工序繁琐，施工效率较低的问题。需要说明的是，破岩组件10可转动地与张紧机构21相连，以控制破岩组件10进行均匀的破岩。

如图1和图2所示，在实施例的技术方案中，张紧机构21包括第一张紧结构211以及第二张紧结构212，牵引机构22包括第一牵引结构221与第二牵引结构222，破岩组件10与第一张紧结构211可转动地相连，第一牵引结构221分别与第一张紧结构211以及第二张紧结构212相连，第二牵引结构222分别与第二张紧结构212以及衬砌形成组件30相连。这样设置的好处是，通过第一张紧结构211的张紧状态控制破岩组件10沿长度方向的自由度，第二张紧结构212的张紧状态则是控制顶进组件20以及衬砌形成组件30的自由度，再通过第一牵引结构221与第二牵引结构222之间伸缩的配合实现破岩顶进状态与移动状态之间的切换。

如图1和图2所示，在实施例的技术方案中，第一张紧结构211包括第一箱体2111与第一盾体2112，第一盾体2112可滑动地设置于第一箱体2111的周外侧，第二张紧结构212包括第二箱体2121与第二盾体2122，第二盾体2122可滑动地设置于第二箱体2121的周外侧。需要说明的是，第一箱体2111的内部设置有动力源，以便于第一盾体2112进行滑动，具体使用油缸进行动力输出，采用液压传动进行第一盾体2112的滑动，一方面是液压传动具有稳定性，能够提供较大的输出力度，以便于第一盾体2112的作用较为完整，另一方面由于第一盾体2112在抵顶的过程中可能出现盾体陷入土质层的现象，此时需要使用油缸回收时的作用力，将盾体从隧道侧壁拉出，以便于进行下一步的推进。

如图1和图2所示，在实施例的技术方案中，第一盾体2112为多个，各第一盾体2112可沿远离第一箱体2111的方向滑动，第二盾体2122为多个，各第二盾体2122可沿远离第二箱体2121的方向滑动。多个第一盾体2112的设置是便于第一盾体2112能够尽可能贴合更大面积以及更长宽度的隧道截面，通过分段式的抵接以获得更好的固定性能，保证在进行破岩的时候不会出现因气体膨胀以及温度变化等导致的第一张紧结构211固定不稳定的情况。需要说明的是，在本实施例的技术方案中，第一盾体2112具体为四个，且第一盾体2112围成的形状与破岩后的隧道形状相近，以便于更好的贴合。

如图1和图2所示，在实施例的技术方案中，顶进组件20还包括第一主梁23、第二主梁24和滑动梁25，第二张紧结构212还包括滑动梁25，第一主梁23与第一箱体2111固定相连，第二主梁24与衬砌形成组件30固定相连，滑动梁25分别与第一主梁23以及第二主梁24固定相连，滑动梁25可相对第二张紧结构212滑动。第一主梁23与第二主梁24的设置便于破岩组件10与衬砌形成组件30之间设置一定的距离，避免高温以及等离子体束的溢出造成零部件的损坏，同时第一主梁23的内部与第二主梁24的内部均设有空腔，以便于管路的连接设置，同时第一主梁23与第二主梁24能够起到保护的作用，减少内部管路的损坏。需要说明的是，第一主梁23与第二主梁24的内部可根据需要设置安装基座13，以便于管路的分隔，避免其中出现损坏时直接或者间接地影响其他的管路的正产运转。滑动梁25的设置延长了设备的长度，进一步避免了温度的长距离传递，同时滑动梁25可相对第二张紧结构212滑动，有两种方式，第一种采用与第二张紧结构212错开的方式，将滑动梁25呈拱形设置，第二箱体2121位于滑动梁25之下，这样设置的好处是完全避开滑动梁25与第二箱体2121，避免两者出现干涉。第二种方式是将滑动梁25穿过第二箱体2121设置，使得滑动梁25作为第二箱体2121滑动的限位，能够起到相互限位以及引导的作用。

如图1和图2所示，在实施例的技术方案中，第一牵引结构221包括第一推杆2211与第一缸体2212，第二牵引结构222包括第二推杆2221与第二缸体2222，第一推杆2211可转动地与第一主梁23相连，第一缸体2212可转动地与第二盾体2122相连，第二推杆2221可转动地与第二主梁24相连，第二缸体2222可转动地与第二盾体2122相连。第一推杆2211可滑动地置于第一缸体2212内，具体通过液压的方式驱动，第二推杆2221可滑动地置于第二缸体2222内，具体通过液压的方式驱动，这样的设置控制稳定，能够精确的控制位置。第一推杆2211可转动地与第一主梁23相连，第一缸体2212可转动地与第二盾体2122相连，这样的设置便于在第二张紧结构212进行运动时，避免第一牵引结构221对第二盾体2122造成干涉，也避免在第一牵引结构221进行工作时，第二盾体2122对其造成干涉，第二牵引结构222的设置方式与第一牵引结构221的设置方式相同。需要说明的是，在本实施例的技术方案中，第一牵引结构221具体为四个，第二牵引结构222具体为四个，分别布置在第一主梁23以及第二主梁24的周外侧，对称布置，多个牵引结构的设置一方面是为了平衡单一推力，避免造成推进出现偏向的问题，另一方面多个牵引结构还能够避免其中一个牵引结构出现问题时，设备无法复位导致不能及时进行检修，耽误施工进度的同时，还容易出现危险。

如图1和图2所示，在实施例的技术方案中，衬砌形成组件30还包括转动轴32，喷砂机构31包括第一转盘311与多个喷砂枪头312，各喷砂枪头312均匀地设置于第一转盘311的周外侧，第一转盘311可转动地与转动轴32相连，各喷砂枪头312均与负压机构12连通，喷砂枪头312与负压机构12之间设置过滤机构。设置多个喷砂枪头312，且均匀的布置，一方面能够减少第一转盘311的转动速度，通过较小的角度位移就能够使得隧道周边均匀涂上喷砂，另一方面均匀设置的喷砂枪头312还能够使得喷砂机构31的整体重量均匀，增加喷砂机构31的平衡性。

需要说明的是，由于岩层的组成成分不同，在汽化之后形成的气体成分复杂，不是所有的气体均能够用于衬砌的制造，并且衬砌的使用体积相对破岩的体积差距较大，故需要设置过滤机构进行气体的分类以及处理，在这最优的实施例中，通过过滤机构之后的气体达到衬砌的成型要求，其余气体以及残渣，进行二次处理后再排出，还可设置热能回收系统，将部分气体所带热能进行回收用于发电或者给加热机构33供能。

如图1和图2所示，在实施例的技术方案中，衬砌形成组件30还包括加热机构33，加热机构33包括第二转盘331以及多个加热枪头332，各加热枪头332均匀地设置于第二转盘331的周外侧，第二转盘331可转动地与转动轴32相连。加热机构33的设置用于衬砌的加热陶瓷化，以获得更高的硬度以及强度，用于支护。需要说明的是，用上述方法形成的衬砌为同一整体，或较大块的整体，一方面避免了人工后期的安装，减少了粘着剂的使用，另一方面衬砌的结构强度较高，且连成一个整体能够相互支撑，相较于预置的衬砌能够更好地执行支护任务。

如图3和图4所示，在实施例的技术方案中，等离子体发生机构11包括电弧发生结构112、气体运输结构113以及发生室114，电弧发生结构112设置于发生室114内，等离子体出口111与发生室114的出口端相连，气体运输结构113与发生室114的进口端相连。具体的气体运输结构113内流动的是惰性气体，优选为氮气，电弧发生结构112在发生室114内产生电弧，氮气穿过发生室114时电弧电离了惰性气体，形成高温的等离子体，在气压的作用下，等离子体朝等离子体出口111向外形成等离子体束，等离子体束最终打在工作壁面上利用其高温进行壁面的汽化。

如图3和图4所示，在实施例的技术方案中，电弧发生结构112包括第一电极1121以及第二电极1122，第一电极1121固定于安装基座13上，第二电极1122环绕于第一电极1121外，以形成发生室114。第一电极1121具体悬在空中与第二电极1122不接触，第二电极1122为环绕设置，形成碗状的侧壁面，以增大电弧的区域，在惰性气体通过电弧区时得以进行电离。第一电极1121为负电极，第二电极1122为正电极。

如图3和图4所示，在实施例的技术方案中，第一电极1121的第一电极端设置于发生室114内，第一电极端沿远离安装基座13的方向直径逐渐减小，第二电极1122环绕第一电极端设置，第二电极1122的第二电极端沿远离安装基座13的方向，第二电极端形成的发生室114的直径逐渐减小。这样设置的好处一方面能够增大电弧存在区域的体积，充分电离惰性气体充分利用惰性气体形成等离子体，另一方面发生室114的直径逐渐减小，能够增加等离子体束向外溢出的速度，从而获得较高的速度，确保等离子体束能够到达工作壁面上，这样的设置也能够增加等离子体束的工作距离，增大等离子体束的作用距离，充分利用其电离后所携带的能量。

如图3和图4所示，在实施例的技术方案中，等离子体发生机构11还包括冷却结构115，冷却结构115包括环形槽、流体进口以及流体出口，环形槽环绕第二电极1122设置，流体进口以及流体出口设置于冷却结构115远离等离子体出口111的一侧。由于等离子体束形成后热能较高，热量会影响电极的导电性能，甚至让电极融化，所以需要对电极进行保护，具体的通过设置环形槽并通入流动的冷却液进行降温，保证电极的正常性能的同时，也避免发生室114的内壁融化。

如图3和图4所示，在实施例的技术方案中，等离子体发生机构11为多个，负压机构12为多个，各负压机构12均设置于相邻的等离子体发生机构11之间。多个等离子体发生机构11能够避免热量过于集中导致出现事故，对应设置多个负压机构12也是为了避免出现吸收的热量过于集中导致出现相应的零部件出现损毁。

需要说明的是，本申请实施例提供了一种等离子体破岩设备，具体包括破岩组件10、顶进组件20、以及衬砌形成组件30，在设备后端还包括后配置装置，后配制装置包括空气压缩装置、冷却装置、真空装置、分离装置、水源、电源和电缆等。空气压缩装置便于产生氮气用于制备等离子体束，真空装置用于给负压机构12产生负压，分离装置用于汽化后的岩土进行过滤和回收，便于后续的排放，水源负责提供冷却液。

破岩组件10由等离子体发生机构11、负压机构12、安装基座13构成。等离子体发生机构11和负压机构12安装在安装基座13上，安装基座13的一端设置有等离子体发生装置，为等离子体发生机构11提供等离子体束。第一主梁23与安装基座13传动连接，为安装基座13驱动提供动力。

顶进组件20由第一箱体2111、第一盾体2112、第一主梁23、第一牵引结构221、滑动梁25、第二盾体2122、第二牵引结构222、第二主梁24、固定座26和转动轴32构成。等离子体发生机构11和第一主梁23四周设置第一箱体2111，第一箱体2111嵌套在第一盾体2112内侧。第一主梁23的一端固定连接有第一主梁23，第一主梁23的另一端固定连接有滑动梁25，滑动梁25上套设有第一箱体2111，且第一箱体2111的外侧对称固定安装有一对撑紧油缸2123，撑紧油缸2123的一端固定安装有第二盾体2122。第一主梁23与第二盾体2122通过第一牵引结构221连接。滑动梁25的另一端固定连接有第二主梁24，第二主梁24的另一端固定连接滑动梁25。第二主梁24的末端固定连接固定座26。滑动梁25的另一端固定连接转动轴32。

衬砌形成组件30由喷砂机构31和加热机构33组成。喷砂机构31由喷砂枪头312、第一转盘311组成。喷砂机构31可以通过滑动梁25沿隧道掘进方向前后滑动。喷砂枪头312可以沿着第一转盘311在隧道截面360°旋转。加热机构33由加热枪头332、第二转盘331组成。加热机构33可以通过转动轴32沿隧道掘进方向前后滑动。加热枪头332可以沿着第二转盘331在隧道截面360°旋转。

各部分的作用：破岩组件10的运行可以实现隧道的非接触式热能破岩，等离子体发生机构11通过在阴极和阳极之间加上一定的直流电压，形成电弧，电弧将工作气体（惰性气体）电离形成等离子体。等离子体在喷嘴的机械压缩、热收缩或磁收缩等压缩作用下形成高温、高速的等离子体束，通过等离子体出口111靠近岩体，将岩石气化，实现破岩。安装基座13是由耐热、隔热的金属材料制成的，具体可以采用金属钨或者其合金，其作用是将盾构内部与岩体隔离，减少高温余热对盾构内部的伤害。第一主梁23通过传杆与安装基座13和等离子体发生机构11连接，使其可以实现360°旋转，实现破岩无死角。在等离子体束切割岩体过程中，会形成废气和少许废渣。利用负压机构12对废气和废渣进行回收，完成除渣。

等离子体发生机构11内部各部分之间的作用：进气口面向发生室114设置，后面连接气体运输结构113，工作气体由此进入等离子体发生机构11内部；调气阀门可以调控工作气体的流量；通气管将工作气体导入到电弧附近，随后工作气体被电离。冷却水由流体进口流进等离子体发生机构11内部，对第二电极1122冷却后，由流体出口流出，实现冷却循环。调水阀门可以调控冷却液的流量。第一电极1121连接直流电源的阴极。当阴极材料损耗时，第一电极1121可通过推动的方式向发生室114的方向滑动，以保证电离过程的发生，绝缘套筒116起绝缘、防水作用。

顶进组件20起支撑岩体和换步推进的作用，第一盾体2112靠近岩壁，起支撑开挖隧道以及保护盾构内部元件设备的作用。第一箱体2111紧贴第一盾体2112，对等离子体发生机构11和第一主梁23起到固定和支撑的作用。固定座26支承在洞底以承受机器后部重量。第一主梁23、滑动梁25、第二主梁24、滑动梁25和转动轴32都是中空的，内部空间有输气管、输水管、电缆等，为破岩组件10和顶进组件20提供原材料和动力。当等离子体破岩设备需要前进时，在撑紧油缸2123的作用下，第二盾体2122撑紧洞壁，为等离子体破岩设备提供固定支撑。在第一牵引结构221的作用下，两侧油缸活塞杆伸长，推动第一主梁23向前移动，等离子体出口111靠近工作壁面，实现破岩。与此同时，在第二牵引结构222的作用下，两侧油缸活塞杆收缩，带动第二主梁24向前移动。然后，撑紧油缸2123两侧油缸活塞杆收缩，第二盾体2122离开洞壁，不再保持撑紧状态。第一牵引结构221两侧油缸活塞杆收缩，第二牵引结构222两侧油缸活塞杆伸长，第二盾体2122和撑紧油缸2123沿着滑动梁25向前移动一段，这样就完成了等离子体破岩设备的一次换步。

衬砌形成组件30对刚开挖的隧道起永久支护作用。钻进中产生的高温热能使工作壁面岩石熔化，并被等等离子体束挤到侧壁上，然后逐渐冷却，形成致密的玻璃层。特制衬砌砂浆（主要成分为粘土、水、硅酸钙水泥、速凝剂、回收的砂石、氧化物等）由喷砂枪头312喷向岩体，实现3D打印。喷砂枪头312可以沿着第一转盘311在隧道截面360°旋转，保证衬砌无死角。喷砂机构31可以通过滑动梁25沿隧道掘进方向前后滑动，实现一长段距离的衬砌。加热机构33对刚衬砌的砂浆高温加热，使其实现陶瓷化，增加管片强度。加热枪头332可以沿着第二转盘331在隧道截面360°旋转。加热机构33可以通过转动轴32沿隧道掘进方向前后滑动，实现一长段距离的加热。

在本实施例的技术方案中（图中未示出），喷砂枪头312为多个，各喷砂枪头312均匀地设置于第一转盘311的周外侧，各喷砂枪头312均沿转动轴32的轴线方向与第一转盘311可滑动地相连。设置多个喷砂枪头312，且均匀的布置，一方面能够减少第一转盘311的转动速度，通过较小的角度位移就能够使得隧道周边均匀涂上喷砂，另一方面均匀设置的喷砂枪头312还能够使得喷砂机构31的整体重量均匀，增加喷砂机构31的平衡性。需要说明的是，喷砂枪头312的具体个数为4个，在同一深度位置是仅需要通过90度的转动，即能够实现隧道一周的喷洒，具体实施方式中，可针对隧道的壁面对应的角度，调整各喷砂枪头312之间的角度差，从而实现隧道壁面的喷砂处理符合要求，这样的设置也能够避免衬砌材料的浪费。

在本实施例的技术方案中（图中未示出），第一转盘311设置有多个导向槽以及多个推块，多个导向槽、多个推块以及多个喷砂枪头312一一对应地设置，推块以及喷砂枪头312可滑动地设置于导向槽内，推块沿转动轴32的轴线方向可滑动以推动喷砂枪头312。导向槽的设置让喷砂枪头312沿转动轴32的轴线方向具有一定的自由度，在进行喷砂作业的时候，能够依靠推块推动喷砂枪头312进行一段的位移，使得喷砂机构31能够完成在一定轴线方向上的喷砂作业，这样的设置一方面能够降低喷砂机构31推进的次数，另一方面旋转套筒在旋转的过程中受到轴线方向移动的影响较小，保证了喷砂的均匀，能够提高工程质量。需要说明的是，为进一步地获得同一位置的喷砂范围，喷砂枪头312还可以包括圆球头，导向槽为弧形槽，喷砂枪头312可围绕其圆心方向，沿周向摆动，摆动形成的路线与圆球头同心，这样的设置能够增加喷砂枪头312的摆动方向，使得喷砂枪头312的喷砂范围更广，能够进一步减少因喷砂面积所需要的角度转动，一方面能够提高喷砂的精度，另一方面能够减小旋转喷砂机构31消耗的能源。

需要说明的是，由混合结构的高压泵将搅拌均匀的砂浆通过出料口运输到喷砂机构31，由输送料管运输到喷砂枪头312，然后喷向岩体。喷砂枪头312可以绕着第一转盘311旋转360°，实现衬砌无死角。第一转盘311可以通过导轨沿着转动轴32前进和后退，实现一长段距离的衬砌。喷砂枪头312将砂浆喷到岩体上，加热机构33通电后会产生高温，对刚衬砌的砂浆进行高温加热，使其实现陶瓷化（岩体切割后，会有余热，利用这些余热对砂浆的内部加热），强度大大提高。加热组件可以绕着第一转盘311旋转360°，实现加热无死角。第二转盘331可以通过导轨沿着转动轴32前进和后退，实现一长段距离的加热。

在本实施例的技术方案中（图中未示出），后配套装置包括依次连通的冷却装置、分离装置以及混合结构，破岩组件10与冷却装置连通，分离装置用于筛分调温后的衬砌材料，混合结构用于衬砌材料以及其他衬砌材料的混合，混合结构的输出端与喷砂枪头312连通。冷却装置设置于分离装置的输入端端口，被汽化的岩土具有较高的温度，在进入分离装置进行成分的分离前，需要将温度降低至合适的温度区间，或者通过控制温度将所需要的成分进行凝华，一方面能够控制成分的转变，另一方面能够保护分离装置不会受到损坏。需要说明的是，分离装置具体为差速离心器，内部设置有滚筒和电机，在电机的带动下，内部滚筒快速转动，在离心力作用下，可将不同密度的碎石分离，衬砌所用的高强度岩石由第一出渣口排出，其他的均由出第二出渣口排出。差速离心器的转速是可以调节的，由此，它不仅可以分离不同密度的岩石，还可以分离不同粒径的岩石。因此，由出第一出渣口排出的岩石，不仅在成份上适合衬砌，在粒径上也适合。

后配套装置是整个等离子体破岩设备快速掘进的功能保证，在各个机构和设备的有效配合下保证等离子体破岩设备的高效运转。空气压缩装置对工作气体（惰性气体）进行压缩，一是方便储存，二是使工作气体具有一定的初速度；通过输气管为等离子体发生机构11提供气体。水源为等离子体发生机构11提供冷却液。真空装置通过输气管连接负压机构12，抽取岩石气化产生的气体和少量废渣，实现除渣过程。冷却装置对真空装置抽取的废气进行冷却凝固。分离装置对凝固的固体进行离心分离，筛选出用于衬砌的骨料。电源为等离子体发生机构11提供直流电，并且采用模块化电源。（即一个直流电源仅给2到5个等离子体出口111供电。当某一个电源发生故障时，保证不超过10%的等离子体出口111停止工作。因此，尽管开挖速度会减慢，但是隧道仍可以继续掘进，直到电源可以被修理或替换。）电缆进行电力输送。后配套装置分为多个结构可以设置于设备的尾部进行工作，这样使得需要人工操作时离工作壁面的距离较远，作业更加安全。若后配套装置采用机械工作代替人工作业，后配套装置的各部分可分别设置于加工壁面与喷砂机构31之间的间隙内，这样设置的好处是能够使得结构紧凑，减少气化岩土与喷砂机构31之间的传送距离，同时能够减少热能的损耗，提高热能回收的效率。

在本实施例的技术方案中（图中未示出），其他衬砌材料至少包括粘土、水、硅酸钙水泥、速凝剂以及氧化物。具体地，由分离装置的第一出渣口排出的可用于衬砌的岩石骨料通过进料口进入混合结构的进料漏斗内，在电机作用下，与其它衬砌材料（粘土、水、硅酸钙水泥、速凝剂、氧化物等）搅拌均匀。在高压泵的作用下，由出料口传送到喷砂机构31，然后通过喷砂枪头312在隧道侧壁面喷撒砂浆，以形成衬砌。上述技术方案形成的衬砌材料属于高强度材料，结合黏土、水、硅酸钙水泥、速凝剂以及氧化物等，能够有效地粘合，形成符合要求的衬砌材料。

等离子体发生过程为，直流电源对等离子体发生机构11通电后，第一电极1121与第二电极1122形成电弧；工作气体被电弧击穿，电离形成稳定的电弧等离子体，并释放大量的热量；等离子体束在等离子体出口111的机械压缩作用下形成火炬状的高温、高速等离子体束，接触岩石破岩。

第二方面，本申请实施例还提供了一种隧道施工方法，隧道施工方法使用上述的等离子体破岩设备，隧道施工方法包括如下步骤：

S01，使张紧机构21的第二张紧结构212处于伸展状态，第二盾体2122与隧道侧壁相抵；以使得第二张紧结构212用于整个等离子体破岩设备得到固定。

S02，启动等离子体发生机构11进行破岩；具体产生等离子体束，并使得等离子体发生机构11进行旋转，以确保加工的平面受到的热量均衡。

S03，通过牵引机构22的第一牵引结构221将破岩组件10向工作壁面方向推进；进行一定长度的破岩。

S04，当第一牵引结构221达到最大行程时，停止推进，使张紧机构21的第一张紧结构211处于伸展状态，第一盾体2112与隧道侧壁相抵；进行状态的转换，一方面是收回第一牵引结构221为后续推进做准备，并且拉动第二张紧结构212到下一工作位置，同时为后续的衬砌形成组件让出位移距离。这样的转换有利于等离子体破岩设备的冷却，以增加设备的整体使用寿命。

S05，使第二张紧结构212处于收缩状态，通过第一牵引结构221将第二张紧结构212沿靠近工作壁面方向拉近，直到第一牵引结构221回到最小行程状态。

在实施例的技术方案中（图中未示出），在启动等离子体发生机构11进行破岩时，隧道施工方法还包括如下步骤：

S021，启动负压机构12收集汽化的岩土。

S022，启动过滤机构进行汽化的岩土的过滤和分流，以制造砂浆和排除废气废渣。

S023，启动喷砂机构31，使其围绕转动轴32旋转，并通过喷砂枪头312在隧道侧壁面喷撒砂浆，以形成衬砌。直接形成衬砌，减少施工工序的同时，减少了渣土和废气的排放。

在实施例的技术方案中（图中未示出），在形成衬砌后，隧道施工方法还包括如下步骤：

S024，启动加热枪头332，对衬砌进行加热，以实现衬砌的陶瓷化。增加衬砌的结构强度和材料强度，增加支护的可靠性。

在实施例的技术方案中（图中未示出），通过牵引机构22的第一牵引结构221将破岩组件10向工作壁面方向推进时，隧道施工方法还包括如下步骤：

S031，通过牵引机构22的第二牵引结构222将衬砌形成组件30以固定的速度沿靠近第二张紧结构212的方向移动。以固定速度位移形成的衬砌壁厚均匀，同时减少设备的抖动，增加设备运转的稳定性。

在实施例的技术方案中（图中未示出），第一盾体2112与隧道侧壁相抵时，隧道施工方法还包括如下步骤：

S041，将衬砌形成组件30固定，通过第二牵引结构222的伸展配合第一牵引结构221的收缩，将第二张紧结构212沿靠近工作壁面的方向推进。具体通过固定座26与底面接触，形成衬砌形成组件30的固定，然后通过衬砌形成组件30作为支点推动第二张紧结构212，从而与第一牵引结构221配合。

需要说明的是，实际应用中，等离子体破岩设备的工作流程为，当等离子体破岩设备开始工作时，第二盾体2122在第二箱体2121两侧的油缸活塞杆伸长，使第二盾体2122撑紧洞壁。固定座26收缩，离开地面。第一牵引结构221的第一推杆2211伸长，使等离子体发生机构11靠近岩体。在第二牵引结构222的作用下，两侧第一推杆2211收缩，拉动第二主梁24向前移动。于此同时，等离子体发生机构11开始运行，形成高温、高速的等离子体束，经过等离子体发生机构11对工作壁面加热，逐渐将岩石汽化，开始破岩。第一主梁23使破岩组件10进行360°旋转，实现破岩无死角。此过程直到第一牵引结构221两侧的第一推杆2211伸到最长为止，这完成了等离子体破岩设备的“一步”掘进。撑紧油缸2123两侧油缸活塞杆收缩，第二盾体2122离开洞壁，不再保持撑紧状态。固定座26撑腿伸长，支承在洞底以承受机器后部重量。第一牵引结构221两侧油缸活塞杆收缩，第二牵引结构222两侧油缸活塞杆伸长，第二盾体2122和撑紧油缸2123沿着滑动梁25向前移动一段，这样就完成了等离子体破岩设备的一次换步。喷砂枪头312将特制衬砌砂浆喷向岩体，加热机构33对砂浆的外部高温加热，使其实现陶瓷化（岩体切割后，会有余热，利用这些余热对砂浆的内部加热，通过回收再利用可用于衬砌的加热）。喷砂枪头312沿着第一转盘311在隧道截面旋转，保证衬砌无死角。喷砂机构31通过滑动梁25沿隧道掘进方向前后滑动，实现一长段距离的衬砌。加热机构33对刚衬砌的砂浆高温加热，使其实现陶瓷化。加热枪头332沿着第二转盘331在隧道截面360°旋转，保证加热无死角。加热机构33通过转动轴32沿隧道掘进方向前后滑动，实现一长段距离的加热。重复上述步骤，等离子体破岩设备持续向前推进。

本申请提供的等离子体破岩设备及隧道施工方法，能够进一步发挥隧道施工安全高效的优势。本申请实施例采用了先进的等离子体破岩技术，该技术充分发挥了等离子体高温高速的优势，对岩石的适用范围广，并且可以无视岩体的硬度，其破岩效率远大于机械破岩效率，并且刀具不需接触岩体就可以实现破岩，对“钻头”的磨损小，避免了刀具的多次维护和更换，因此可以实现连续施工，施工成本降低，施工速度加快。本申请实施例采用高温高速的等离子体束对岩体加热并将其气化，后利用真空装置进行除渣。该开挖方法对周围环境影响小，产生噪声少，产生的废渣仅为岩石气化后的气体和少量的岩石碎末。利用真空装置即可轻易地对废气、废渣进行回收，除渣效率高，除渣成本低，产生的废气进行冷却、过滤筛选后可以成为衬砌管片的原材料之一，取之亦用之，降低了施工成本，符合建筑产业在“双碳”战略背景下低碳绿色的发展理念。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的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申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种等离子体破岩设备，其特征在于，包括：

破岩组件（10），所述破岩组件（10）包括等离子体发生机构（11）以及负压机构（12），所述负压机构（12）与所述等离子体发生机构（11）固定相连，所述等离子体发生机构（11）用于产生高温等离子体束，所述负压机构（12）用于收集汽化的岩土与碎渣；

顶进组件（20），所述顶进组件（20）包括张紧机构（21）与牵引机构（22），所述破岩组件（10）可转动地与所述张紧机构（21）相连；

衬砌形成组件（30），所述衬砌形成组件（30）包括喷砂机构（31），所述喷砂机构（31）与所述负压机构（12）连通，所述喷砂机构（31）与所述牵引机构（22）相连，所述喷砂机构（31）用于汽化岩土的喷淋，以形成衬砌；

所述张紧机构（21）包括第一张紧结构（211）以及第二张紧结构（212），所述牵引机构（22）包括第一牵引结构（221）与第二牵引结构（222），所述破岩组件（10）与所述第一张紧结构（211）可转动地相连，所述第一牵引结构（221）分别与所述第一张紧结构（211）以及所述第二张紧结构（212）相连，所述第二牵引结构（222）分别与所述第二张紧结构（212）以及所述衬砌形成组件（30）相连；

所述第一张紧结构（211）包括第一箱体（2111）与第一盾体（2112），所述第一盾体（2112）可滑动地设置于所述第一箱体（2111）的周外侧，所述第二张紧结构（212）包括第二箱体（2121）与第二盾体（2122），所述第二盾体（2122）可滑动地设置于所述第二箱体（2121）的周外侧。

2.根据权利要求1所述的等离子体破岩设备，其特征在于，所述第一盾体（2112）为多个，各所述第一盾体（2112）可沿远离所述第一箱体（2111）的方向滑动，所述第二盾体（2122）为多个，各所述第二盾体（2122）可沿远离所述第二箱体（2121）的方向滑动。

3.根据权利要求1所述的等离子体破岩设备，其特征在于，所述顶进组件（20）还包括第一主梁（23）、第二主梁（24）和滑动梁（25），所述第一主梁（23）与所述第一箱体（2111）固定相连，所述第二主梁（24）与所述衬砌形成组件（30）固定相连，所述滑动梁（25）分别与所述第一主梁（23）以及所述第二主梁（24）固定相连，所述滑动梁（25）可相对所述第二张紧结构（212）滑动。

4.根据权利要求3所述的等离子体破岩设备，其特征在于，所述第一牵引结构（221）包括第一推杆（2211）与第一缸体（2212），所述第二牵引结构（222）包括第二推杆（2221）与第二缸体（2222），所述第一推杆（2211）可转动地与所述第一主梁（23）相连，所述第一缸体（2212）可转动地与所述第二盾体（2122）相连，所述第二推杆（2221）可转动地与所述第二主梁（24）相连，所述第二缸体（2222）可转动地与所述第二盾体（2122）相连。

5.根据权利要求1所述的等离子体破岩设备，其特征在于，所述衬砌形成组件（30）还包括转动轴（32），所述喷砂机构（31）包括第一转盘（311）与多个喷砂枪头（312），各所述喷砂枪头（312）均匀地设置于所述第一转盘（311）的周外侧，所述第一转盘（311）可转动地与所述转动轴（32）相连，各所述喷砂枪头（312）均与所述负压机构（12）连通，所述喷砂枪头（312）与所述负压机构（12）之间设置过滤机构。

6.根据权利要求5所述的等离子体破岩设备，其特征在于，所述衬砌形成组件（30）还包括加热机构（33），所述加热机构（33）包括第二转盘（331）以及多个加热枪头（332），各所述加热枪头（332）均匀地设置于所述第二转盘（331）的周外侧，所述第二转盘（331）可转动地与所述转动轴（32）相连。

7.一种隧道施工方法，其特征在于，所述隧道施工方法使用如权利要求1至6中任一项所述的等离子体破岩设备，所述隧道施工方法包括如下步骤：

S01，使所述张紧机构（21）的第二张紧结构（212）处于伸展状态，所述第二盾体（2122）与隧道侧壁相抵；

S02，启动所述等离子体发生机构（11）进行破岩；

S03，通过所述牵引机构（22）的第一牵引结构（221）将所述破岩组件（10）向工作壁面方向推进；

S04，当所述第一牵引结构（221）达到最大行程时，停止推进，使所述张紧机构（21）的第一张紧结构（211）处于伸展状态，所述第一盾体（2112）与隧道侧壁相抵；

S05，使所述第二张紧结构（212）处于收缩状态，通过所述第一牵引结构（221）将所述第二张紧结构（212）沿靠近工作壁面方向拉近，直到所述第一牵引结构（221）回到最小行程状态。

8.根据权利要求7所述的隧道施工方法，其特征在于，在启动所述等离子体发生机构（11）进行破岩时，所述隧道施工方法还包括如下步骤：

S021，启动所述负压机构（12）收集汽化的岩土；

S022，启动过滤机构进行汽化的岩土的过滤和分流，以制造砂浆和排除废气废渣；

S023，启动所述喷砂机构（31），使其围绕转动轴（32）旋转，并通过喷砂枪头（312）在隧道侧壁面喷撒砂浆，以形成衬砌。

9.根据权利要求8所述的隧道施工方法，其特征在于，在形成衬砌后，所述隧道施工方法还包括如下步骤：

S024，启动加热枪头（332），对衬砌进行加热，以实现衬砌的陶瓷化。

10.根据权利要求7所述的隧道施工方法，其特征在于，通过所述牵引机构（22）的第一牵引结构（221）将破岩组件（10）向工作壁面方向推进时，所述隧道施工方法还包括如下步骤：

S031，通过所述牵引机构（22）的第二牵引结构（222）将所述衬砌形成组件（30）以固定的速度沿靠近所述第二张紧结构（212）的方向移动。

11.根据权利要求10所述的隧道施工方法，其特征在于，第一盾体（2112）与隧道侧壁相抵时，所述隧道施工方法还包括如下步骤：

S041，将所述衬砌形成组件（30）固定，通过所述第二牵引结构（222）的伸展配合所述第一牵引结构（221）的收缩，将所述第二张紧结构（212）沿靠近工作壁面的方向推进。

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