CN115653646B - 陶瓷化衬砌形成机构及具有其的等离子体破岩施工设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种陶瓷化衬砌形成机构及具有其的等离子体破岩施工设备，陶瓷化衬砌形成机构中，岩土汽化组件将隧道施工产生的渣土汽化，材料处理组件将汽化的渣土处理后产生衬砌材料，喷砂组件通过喷砂枪头向隧道壁面喷洒衬砌材料，喷砂枪头可在周向以及轴线方向对周围的隧道壁面进行均匀的喷砂，加热组件对壁面进行均匀地加热，使得衬砌材料形成一体化结构的陶瓷化衬砌管片，形成的衬砌为一体成型结构，强度硬度高。这样的设置减少了废渣的运输，衬砌不需要异地预制，减少了生产施工环节，提高了施工效率。本申请有效地解决了现有技术中隧道施工的衬砌需要异地浇筑再进行运输，导致隧道施工的实际效率较低，成本较高的问题。

Description

陶瓷化衬砌形成机构及具有其的等离子体破岩施工设备

技术领域

本申请涉及隧道施工的技术领域，尤其涉及一种陶瓷化衬砌形成机构及具有其的等离子体破岩施工设备。

背景技术

随着科学技术的不断发展，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，因其具有自动化程度高、施工速度快、节约人力、安全经济、一次成型以及不受外界气候影响的优点，在开挖时可以控制地面沉陷，减少对地面建筑物的影响，水下地下施工不影响水中地面交通。目前，全断面硬岩掘进机已广泛应用于铁路、公路、地下通道施工。然而，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中具有很多的限制。

现有的掘进机通过刀盘对岩面进行切割，再将破碎后的渣土通过运输装置向外运输走，之后在隧道壁面布施定做的衬砌管片。现有技术中的隧道施工，需要将渣土向外排出，运输环节需要消耗大量的人力物力，并且衬砌管片需要在异地浇筑后，再通过运输抵达施工现场，随后通过安装以及固化等工序形成隧道的衬砌。衬砌管片由于掘进机的挖掘尺寸的不同，不能直接进行采购，需要匹配对应的掘进机进行预制，这样的做法使得制造成本以及运输成本较高，并且制造和运输均需要消耗大量的人力物力。

发明内容

本申请提供了一种陶瓷化衬砌形成机构及具有其的等离子体破岩施工设备，以解决现有技术中隧道施工的衬砌需要异地浇筑再进行运输，导致隧道施工的实际效率较低，成本较高的问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种陶瓷化衬砌形成机构，包括：岩土汽化组件、材料处理组件、喷砂组件以及加热组件，岩土汽化组件用于汽化隧道施工产生的渣土；材料处理组件与岩土汽化组件连通，材料处理组件用于渣土的处理并产生衬砌材料；喷砂组件包括第一转盘以及喷砂枪头，喷砂枪头与材料处理组件连通，喷砂枪头可滑动地与第一转盘相连，第一转盘可转动地与固定轴体相连，以将衬砌材料均匀地喷洒至隧道壁面；加热组件包括第二转盘以及加热结构，加热结构可滑动地与第二转盘相连，第二转盘可转动地与固定轴体相连，加热结构加热隧道壁面上的衬砌材料，将衬砌材料陶瓷化形成一体，以支撑隧道壁面。

进一步地，喷砂枪头为多个，各喷砂枪头均匀地设置于第一转盘的周外侧，各喷砂枪头均沿固定轴体的轴线方向与第一转盘可滑动地相连。

进一步地，第一转盘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一一对应地设置，推块以及喷砂枪头可滑动地设置于导向槽内，推块沿固定轴体的轴线方向滑动，以推动喷砂枪头。

进一步地，固定轴体与第一转盘以及第二转盘之间设置有旋转套筒，旋转套筒可转动地与固定轴体相连，第一转盘以及第二转盘均沿固定轴体的轴线方向与旋转套筒可滑动地相连。

进一步地，旋转套筒设置有第一轨道和第二轨道，第一轨道和第二轨道之间形成滑动通道，第一转盘的内圈设置有第一滑片和第二滑片，第一滑片与第二滑片形成第一滑动块，第一滑动块可滑动地与滑动通道相接触，第二转盘的内圈设置有第三滑片和第四滑片，第三滑片与第四滑片形成第二滑动块，第二滑动块可滑动地与滑动通道相接触。

进一步地，材料处理组件包括依次连通的控温结构、分离结构以及混合结构，岩土汽化组件与控温结构连通，分离结构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连通。

进一步地，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。

第二方面，本申请实施例提供了一种等离子体破岩施工设备，等离子体破岩施工设备包括陶瓷化衬砌形成机构以及等离子体破岩机构，陶瓷化衬砌形成机构为上述的陶瓷化衬砌形成机构，陶瓷化衬砌形成机构与等离子体破岩机构相连。

进一步地，等离子体破岩机构的端部设置岩土汽化组件和负压组件，岩土汽化组件用于产生等离子体束，等离子体束用于岩土的汽化，负压组件的输出端与材料处理组件连通，负压组件用于将汽化的岩土传送至材料处理组件。

进一步地，岩土汽化组件包括等离子体出口、电弧发生结构、气体运输结构以及发生室，电弧发生结构设置于发生室内，等离子体出口与发生室的出口端相连，电弧发生结构包括第一电极以及第二电极，第二电极环绕于第一电极外，以形成发生室，气体运输结构与发生室的进口端相连。

进一步地，岩土汽化组件还包括冷却结构，冷却结构包括环形槽、流体进口以及流体出口，环形槽环绕第二电极设置，流体进口以及流体出口设置于冷却结构远离等离子体出口的一侧。

进一步地，等离子体破岩机构还包括顶进组件，顶进组件包括张紧结构与牵引结构，张紧结构包括第一张紧结构和第二张紧结构，牵引结构包括第一牵引结构，岩土汽化组件可转动地与第一张紧结构相连，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。

进一步地，等离子体破岩机构还包括第一主梁，第一牵引结构包括第一推杆与第一缸体，第一张紧结构与第一主梁固定相连，第二张紧结构与第一主梁可滑动地相连，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张紧结构相连。

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：

本申请提供的一种陶瓷化衬砌形成机构及具有其的等离子体破岩施工设备，其中陶瓷化衬砌形成机构，包括了岩土汽化组件、材料处理组件、喷砂组件以及加热组件；岩土汽化组件用于汽化隧道施工产生的渣土，材料处理组件将汽化的渣土处理后产生衬砌材料，喷砂组件将衬砌材料通过喷砂枪头向隧道壁面喷洒，最后通过加热组件对壁面进行加热形成一体化的陶瓷化衬砌管片。喷砂枪头可滑动地与第一转盘相连，以及第一转盘可转动地与固定轴体相连；使得喷砂枪头能够在周向以及轴线方向对周围的隧道壁面进行均匀的喷砂，第二转盘以及加热结构的设置能够使得隧道壁面受到均匀的加热以实现衬砌的陶瓷化。这样的设置使得衬砌为一体成型结构，有利于增加衬砌的强度硬度，同时将隧道施工产生的渣土进行利用，进行了初步处理，减少了废渣的运输，同时避免了衬砌的延后安装，也不需要异地预制衬砌，避免了工序繁琐，提高了施工效率。本申请有效地解决了现有技术中隧道施工的衬砌需要异地浇筑再进行运输，导致隧道施工的实际效率较低，成本较高的问题。

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一种陶瓷化衬砌形成机构的立体结构示意图；

图2示出了本申请实施例提供的一种陶瓷化衬砌形成机构的喷砂组件的立体结构示意图；

图3示出了本申请实施例提供的一种陶瓷化衬砌形成机构的加热组件的立体结构示意图；

图4示出了本申请实施例提供的一种陶瓷化衬砌形成机构的分离结构的立体结构示意图；

图5示出了本申请实施例提供的一种陶瓷化衬砌形成机构的混合结构的立体结构示意图；

图6示出了本申请实施例提供的一种等离子体破岩施工设备的俯视示意图；

图7示出了图5等离子体破岩施工设备的侧视示意图；

图8示出了图5等离子体破岩施工设备的岩土汽化组件的剖视示意图；

图9示出了图7岩土汽化组件的主视示意图；

图10示出了等离子体破岩施工设备的真空泵的立体结构示意图。

其中，上述附图包含如下的附图标记：

10、岩土汽化组件；11、等离子体出口；12、电弧发生结构；121、第一电极；122、第二电极；13、气体运输结构；14、发生室；15、冷却结构；151、环形槽；152、流体进口；153、流体出口；16、绝缘套筒；20、材料处理组件；22、分离结构；221、第一出渣口；222、第二出渣口；223、渣土进口；23、混合结构；231、进料漏斗；232、高压泵；233、出料口；30、喷砂组件；31、第一转盘；311、导向槽；312、推块；313、第一滑片；314、第二滑片；32、喷砂枪头；33、输送料管；40、固定轴体；41、旋转套筒；411、第一轨道；412、第二轨道；50、加热组件；51、第二转盘；511、第三滑片；512、第四滑片；52、加热结构；60、负压组件；61、负压入口；62、真空泵；621、进气口；622、出气口；70、顶进组件；71、张紧结构；711、第一张紧结构；7111、第一箱体；7112、第一盾体；712、第二张紧结构；7121、第二箱体；7122、第二盾体；7123、撑紧油缸；72、牵引结构；721、第一牵引结构；7211、第一推杆；7212、第一缸体；722、第二牵引结构；7221、第二推杆；7222、第二缸体；81、第一主梁；82、第二主梁；83、滑动梁；84、固定座。

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和图2所示，本申请实施例提供的一种陶瓷化衬砌形成机构，包括：岩土汽化组件10、材料处理组件20、喷砂组件30以及加热组件50，岩土汽化组件10用于汽化隧道施工产生的渣土；材料处理组件20与岩土汽化组件10连通，材料处理组件20用于渣土的处理并产生衬砌材料；喷砂组件30包括第一转盘31以及喷砂枪头32，喷砂枪头32与材料处理组件20连通，喷砂枪头32可滑动地与第一转盘31相连，第一转盘31可转动地与固定轴体40相连，以将衬砌材料均匀地喷洒至隧道壁面；加热组件50包括第二转盘51以及加热结构52，加热结构52可滑动地与第二转盘51相连，第二转盘51可转动地与固定轴体40相连，加热结构52加热隧道壁面上的衬砌材料，将衬砌材料陶瓷化形成一体，以支撑隧道壁面。岩土汽化组件10用于汽化隧道施工产生的渣土，材料处理组件20将汽化的渣土处理后产生衬砌材料，喷砂组件30将衬砌材料通过喷砂枪头32向隧道壁面喷洒，最后通过加热组件50对壁面进行加热形成一体化的陶瓷化衬砌管片。喷砂枪头32可滑动地与第一转盘31相连，以及第一转盘31可转动地与固定轴体40相连，使得喷砂枪头32能够在周向以及轴线方向对周围的隧道壁面进行均匀的喷砂，第二转盘51以及加热结构52的设置能够使得隧道壁面受到均匀的加热以实现衬砌的陶瓷化。这样的设置使得衬砌为一体成型结构，有利于增加衬砌的强度硬度，同时将隧道施工产生的渣土进行利用，进行了初步处理，减少了废渣的运输，同时避免了衬砌的延后安装，也不需要异地预制衬砌，避免了工序繁琐，提高了施工效率。本申请有效地解决了现有技术中隧道施工的衬砌需要异地浇筑再进行运输，导致隧道施工的实际效率较低，成本较高的问题。需要说明的是，现有技术的衬砌为了便于运输通常是拼装而成，需要进行浇筑或者焊接钢架形成一个整体，其防水性能较差，同时需要较多的人力才能够完成衬砌的拼装。而本申请中的衬砌属于一体成型结构，形成一个整体具有良好的密封性，能够抵挡液体的侵入，同时形成整体的衬砌其承载性能更强，更适用于隧道的支护作业以及隧道成型后的壁面支撑，能够减少隧道施工的作业量，缩短工期。

如图1和图2所示，在本实施例的技术方案中，喷砂枪头32为多个，各喷砂枪头32均匀地设置于第一转盘31的周外侧，各喷砂枪头32均沿固定轴体40的轴线方向与第一转盘31可滑动地相连。设置多个喷砂枪头32，且均匀的布置，一方面能够减少第一转盘31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地涂上喷砂，另一方面均匀设置的喷砂枪头32还能够使得喷砂组件30的整体重量均匀，增加喷砂组件30的平衡性。需要说明的是，喷砂枪头32的具体个数为4个，在同一深度位置时仅需要通过90度的转动，即能够实现隧道一周的喷洒。在具体实施方式中，可针对隧道的壁面所对应的角度，调整各喷砂枪头32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。

如图1和图2所示，在本实施例的技术方案中，第一转盘31设置有多个导向槽311以及多个推块312，多个导向槽311、多个推块312以及多个喷砂枪头32一一对应地设置，推块312以及喷砂枪头32可滑动地设置于导向槽311内，推块312沿固定轴体40的轴线方向可滑动以推动喷砂枪头32。导向槽311的设置让喷砂枪头32沿固定轴体40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312推动喷砂枪头32进行一小段的位移，使得喷砂组件30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组件30推进的次数，另一方面旋转套筒41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，喷砂枪头32还可以包括圆球头，导向槽311为弧形槽，喷砂枪头32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32的摆动方向，使得喷砂枪头32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组件30消耗的能源。

如图1至图3所示，在本实施例的技术方案中，固定轴体40与第一转盘31以及第二转盘51之间设置有旋转套筒41，旋转套筒41可转动地与固定轴体40相连，第一转盘31以及第二转盘51均沿固定轴体40的轴线方向与旋转套筒41可滑动地相连。这样的设置能够使得第一转盘31以及第二转盘51均可沿固定轴体40的轴线方向滑动，这样进一步减少了因喷砂的需要，频繁移动喷砂组件30以及加热组件50的需求，同时移动第一转盘31以及第二转盘51需要消耗的能量远小于同时挪动喷砂组件30以及加热组件50需要消耗的能量。

需要说明的是，由混合结构23的高压泵232将搅拌均匀的砂浆通过出料口233运输到喷砂组件30，由输送料管33运输到喷砂枪头32，然后喷向岩体。喷砂枪头32可以绕着第一转盘31旋转360°，实现衬砌无死角。第一转盘31可以通过导轨沿着固定轴体40前进和后退，实现一长段距离的衬砌。喷砂枪头32将砂浆喷到岩体上，加热组件50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，可回收利用这些余热对砂浆加热），强度大大提高。加热组件可以绕着第一转盘31旋转360°，实现加热无死角。第二转盘51可以通过导轨沿着固定轴体40前进和后退，实现一长段距离的隧道壁面加热。

如图1至图3所示，在本实施例的技术方案中，旋转套筒41设置有第一轨道411和第二轨道412，第一轨道411和第二轨道412之间形成滑动通道，第一转盘31的内圈设置有第一滑片313和第二滑片314，第一滑片313与第二滑片314形成第一滑动块，第一滑动块可滑动地与滑动通道相接触，第二转盘51的内圈设置有第三滑片511和第四滑片512，第三滑片511与第四滑片512形成第二滑动块，第二滑动块可滑动地与滑动通道相接触。滑动通道的设置限定第一转盘31与第二转盘51只能通过旋转套筒41进行旋转，而第一转盘31以及第二转盘51仅能与旋转套筒41进行滑动，这样的设置能够增加喷砂组件30以及加热组件50装配的稳定性，能够减少第一转盘31与第二转盘51的自由度，从而降低第一转盘31与第二转盘51的加工要求，能够节省成本。

如图1至图5所示，在本实施例的技术方案中，材料处理组件20包括依次连通的控温结构、分离结构22以及混合结构23，岩土汽化组件10与控温结构连通，分离结构22用于筛分调温后的衬砌材料，混合结构23用于衬砌材料以及其他衬砌材料的混合，混合结构23的输出端与喷砂枪头32连通。控温结构设置于分离结构22的输入端端口，被汽化的岩土具有较高的温度，在进入分离结构22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结构22不会受到损坏。需要说明的是，分离结构22包括第一出渣口221、第二出渣口222和渣土进口223，渣土进口223处可设置第一道过滤机构，第一过滤机构采用风机作为动力源，产生负压将未凝华的气体收集，初步分离的固体物进入分离结构22内部，分离结构22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221排出，其他的均由出第二出渣口222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221排出的岩石，不仅在成份上适合衬砌，在粒径上也适合。

需要说明的是，材料处理组件20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。若材料处理组件20采用机械工作代替人工作业，材料处理组件20的各部分可分别设置于加工壁面与喷砂组件30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组件30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，由第一出渣口221排出的可用于衬砌的岩石骨料通过进料口进入混合结构23的进料漏斗231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组件30，然后通过喷砂枪头32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。

如图6和图7所示，本申请实施例的技术方案中，等离子体破岩施工设备包括陶瓷化衬砌形成机构以及等离子体破岩机构，陶瓷化衬砌形成机构为上述的陶瓷化衬砌形成机构，陶瓷化衬砌形成机构与等离子体破岩机构相连。等离子体破岩机构能够产生汽化的岩土，用于陶瓷化衬砌形成机构在等离子体破岩机构后端形成衬砌。这样的设置能够减少汽化的岩土的转移，减少管路封堵的风险，同时使得施工效率得到较大的提升。

如图6和图7所示，本申请实施例的技术方案中，等离子体破岩机构的端部设置岩土汽化组件10和负压组件60，岩土汽化组件10用于产生等离子体束，等离子体束用于岩土的汽化，负压组件60的输出端与材料处理组件20连通，负压组件60用于将汽化的岩土传送至材料处理组件20。需要说明的是，如图10所示，负压组件60包括真空泵62，真空泵62的进气口621连通负压入口61，真空泵62的出气口622连通分离结构22的进口端。

如图6至图9所示，本申请实施例的技术方案中，岩土汽化组件10包括等离子体出口11、电弧发生结构12、气体运输结构13以及发生室14，电弧发生结构12设置于发生室14内，等离子体出口11与发生室14的出口端相连，电弧发生结构12包括第一电极121以及第二电极122，第二电极122环绕于第一电极121外，以形成发生室14，气体运输结构13与发生室14的进口端相连。

如图6至图9所示，本申请实施例的技术方案中，岩土汽化组件10还包括冷却结构15，冷却结构15包括环形槽151、流体进口152以及流体出口153，环形槽151环绕第二电极122设置，流体进口152以及流体出口153设置于冷却结构15远离等离子体出口11的一侧。

如图1至图3所示，在实施例的技术方案中，岩土汽化组件10包括电弧发生结构12、气体运输结构13以及发生室14，电弧发生结构12设置于发生室14内，等离子体出口11与发生室14的出口端相连，气体运输结构13与发生室14的进口端相连。具体地，气体运输结构13内流动的是惰性气体，优选为氮气可直接从空气中获取，电弧发生结构12在发生室14内产生电弧，氮气穿过发生室14时，通过电弧的电离作用，形成高温的等离子体，在气压的作用下，等离子体沿靠近等离子体出口11的方向形成等离子束，等离子束最终打在工作壁面上利用其高温进行汽化岩土。

如图1至图3所示，在实施例的技术方案中，电弧发生结构12包括第一电极121以及第二电极122，第一电极121固定于基座组件上，第二电极122环绕于第一电极121外，以形成发生室14。第一电极121具体悬在空中与第二电极122不接触，第二电极122为环绕设置，形成碗状的壁面，以增大电弧的区域，提高电离效率。需要说明的是，第一电极121为负电极，第二电极122为正电极。

如图1至图3所示，在实施例的技术方案中，第一电极121的第一电极端设置于发生室14内，第一电极端沿远离基座组件的方向直径逐渐减小，第二电极122环绕第一电极端设置，第二电极122的第二电极端沿远离基座组件的方向，第二电极端形成的发生室14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，以形成等离子体，另一方面发生室14的直径逐渐减小，能够增加等离子束向外溢出的速度，从而获得较高的速度，确保等离子束能够到达工作壁面上，这样的设置也能够增加等离子束的动能，增大等离子束的作用距离，充分利用其电离后所携带的能量。

如图1至图3所示，在实施例的技术方案中，岩土汽化组件10还包括冷却结构15，冷却结构15包括环形槽151、流体进口152以及流体出口153，环形槽151环绕第二电极122设置，流体进口152以及流体出口153设置于冷却结构15远离等离子体出口11的一侧。由于等离子束形成后热能较高，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151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14的内壁融化。

如图1至图3所示，在实施例的技术方案中，岩土汽化组件10为多个，负压组件60为多个，各负压组件60均设置于相邻的岩土汽化组件10之间。多个岩土汽化组件10能够避免热量过于集中导致设备出现故障，对应设置多个负压组件60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，岩土汽化组件10内部各部分之间的作用：进气口面向发生室14设置，后面连接气体运输结构13，工作气体由此进入岩土汽化组件10内部；调气阀门可以调控工作气体的流量；通气管（即气体运输结构13）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152流进岩土汽化组件10内部，对第二电极122冷却后，由流体出口153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121连接直流电源的阴极。当阴极材料损耗时，第一电极121可通过推动的方式向发生室14的方向滑动，以保证电离过程的发生，绝缘套筒16起绝缘、防水作用。等离子发生过程为，直流电源对岩土汽化组件10通电后，第一电极121与第二电极122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；等离子束在等离子体出口11的机械压缩作用下形成火炬状的高温、高速等离子束，接触岩石破岩。

如图6和图7所示，本申请实施例的技术方案中，等离子体破岩机构还包括顶进组件70，顶进组件70包括张紧结构71与牵引结构72，张紧结构71包括第一张紧结构711和第二张紧结构712，牵引结构72包括第一牵引结构721，岩土汽化组件10可转动地与第一张紧结构711相连，第一牵引结构721分别与第一张紧结构711以及第二张紧结构712相连。

这样设置的好处是，通过第一张紧结构711的张紧状态控制岩土汽化组件10沿长度方向的自由度，第二张紧结构712的张紧状态则是控制顶进组件70以及陶瓷化衬砌形成机构的自由度，再通过第一牵引结构721与第二牵引结构722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6和图7所示，本申请实施例的技术方案中，等离子体破岩机构还包括第一主梁81，第一牵引结构721包括第一推杆7211与第一缸体7212，第一张紧结构711与第一主梁81固定相连，第二张紧结构712与第一主梁81可滑动地相连，第一推杆7211可转动地与第一主梁81相连，第一缸体7212可转动地与第二张紧结构712相连。

如图6和图7所示，本申请实施例的技术方案中，顶进组件70还包括第一主梁81、第二主梁82和滑动梁83，第一主梁81与第一箱体7111固定相连，第二主梁82与陶瓷化衬砌形成机构固定相连，滑动梁83分别与第一主梁81以及第二主梁82固定相连，滑动梁83可相对第二张紧结构712滑动。第一主梁81与第二主梁82的设置便于岩土汽化组件10与陶瓷化衬砌形成机构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81的内部与第二主梁82的内部均设有空腔，以便于管路的连接设置，同时第一主梁81与第二主梁82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81与第二主梁82的内部可根据需要设置安装基座，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83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83可相对第二张紧结构712滑动，有两种方式，第一种采用与第二张紧结构712错开的方式，将滑动梁83呈拱形设置，第二箱体7121位于滑动梁83之下，这样设置的好处是完全避开滑动梁83与第二箱体7121，避免两者出现干涉。第二种方式是将滑动梁83穿过第二箱体7121设置，使得滑动梁83作为第二箱体7121滑动的限位，能够起到相互限位以及引导的作用。

如图6和图7所示，本申请实施例的技术方案中，第一张紧结构711包括第一箱体7111与第一盾体7112，第一盾体7112可滑动地设置于第一箱体7111的周外侧，第二张紧结构712包括第二箱体7121与第二盾体7122，第二盾体7122可滑动地设置于第二箱体7121的周外侧。需要说明的是，第一箱体7111的内部设置有动力源，以便于第一盾体7112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7112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7112的作用较为完整，另一方面由于第一盾体7112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至图3所示，在实施例的技术方案中，第一盾体7112为多个，各第一盾体7112可沿远离第一箱体7111的方向滑动，第二盾体7122为多个，各第二盾体7122可沿远离第二箱体7121的方向滑动。多个第一盾体7112的设置是便于第一盾体7112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711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7112具体为四个，且第一盾体7112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至图3所示，在实施例的技术方案中，第一牵引结构721包括第一推杆7211与第一缸体7212，第二牵引结构722包括第二推杆7221与第二缸体7222，第一推杆7211可转动地与第一主梁81相连，第一缸体7212可转动地与第二盾体7122相连，第二推杆7221可转动地与第二主梁82相连，第二缸体7222可转动地与第二盾体7122相连。第一推杆7211可滑动地置于第一缸体7212内，具体通过液压的方式驱动，第二推杆7221可滑动地置于第二缸体7222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7211可转动地与第一主梁81相连，第一缸体7212可转动地与第二盾体7122相连，这样的设置便于在第二张紧结构712进行运动时，避免第一牵引结构721对第二盾体7122造成干涉，也避免在第一牵引结构721进行工作时，第二盾体7122对其造成干涉，第二牵引结构722的设置方式与第一牵引结构721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721具体为四个，第二牵引结构722具体为四个，分别布置在第一主梁81以及第二主梁82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。

需要说明的是，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施工设备，隧道施工方法包括如下步骤：

使张紧结构71的第二张紧结构712处于伸展状态，第二盾体7122与隧道侧壁相抵；以使得第二张紧结构712用于整个等离子体破岩施工设备得到固定。

启动岩土汽化组件10进行破岩；具体产生等离子体束，并使得岩土汽化组件10进行旋转，以确保加工的平面收到的热量均衡。

通过牵引结构72的第一牵引结构721将岩土汽化组件10向工作壁面方向推进；逐步进行一定长度的破岩。

当第一牵引结构721达到最大行程时，停止推进，使张紧结构71的第一张紧结构711处于伸展状态，第一盾体7112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721为后续推进做准备，并且拉动第二张紧结构712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。

使第二张紧结构712处于收缩状态，通过第一牵引结构721将第二张紧结构712沿靠近工作壁面方向拉近，直到第一牵引结构721回到最小行程状态。

在实施例的技术方案中（图中未示出），在启动岩土汽化组件10进行破岩时，隧道施工方法还包括如下步骤：

启动负压组件60收集汽化的岩土；

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；

启动喷砂组件30，使其围绕固定轴体40旋转，并通过喷砂枪头32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：

启动加热结构52，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），通过牵引结构72的第一牵引结构721将岩土汽化组件10向工作壁面方向推进时，隧道施工方法还包括如下步骤：

通过牵引结构72的第二牵引结构722将陶瓷化衬砌形成机构以固定的速度沿靠近第二张紧结构712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7112与隧道侧壁相抵时，隧道施工方法还包括如下步骤：

将陶瓷化衬砌形成机构固定，以第二牵引结构722的伸展配合第一牵引结构721的收缩，将第二张紧结构712沿靠近工作壁面的方向推进。具体通过固定座84与底面接触，形成陶瓷化衬砌形成机构的固定，然后通过陶瓷化衬砌形成机构作为支点推动第二张紧结构712，从而与第一牵引结构721配合。

需要说明的是，实际应用中，等离子体破岩施工设备的工作流程为：当等离子体破岩施工设备开始工作时，第二盾体7122在第二箱体7121两侧的油缸活塞杆伸长，使第二盾体7122撑紧洞壁。固定座84收缩，离开地面。第一牵引结构721的第一推杆7211伸长，使岩土汽化组件10靠近岩体。在第二牵引结构722的作用下，两侧第一推杆7211收缩，拉动第二主梁82向前移动。于此同时，岩土汽化组件10开始运行，形成高温、高速的等离子体束，经过岩土汽化组件10对工作壁面加热，逐渐将岩石汽化，开始破岩。第一主梁81使岩土汽化组件10进行360°旋转，实现破岩无死角。此过程直到第一牵引结构721两侧的第一推杆7211伸到最长为止，这完成了等离子体破岩施工设备的“一步”掘进。撑紧油缸7123两侧油缸活塞杆收缩，第二盾体7122离开洞壁，不再保持撑紧状态。固定座84撑腿伸长，支承在洞底以承受机器后部重量。第一牵引结构721两侧油缸活塞杆收缩，第二牵引结构722两侧油缸活塞杆伸长，第二盾体7122和撑紧油缸7123沿着滑动梁83向前移动一段，这样就完成了等离子体破岩施工设备的一次换步。喷砂枪头32将特制衬砌砂浆喷向岩体，加热组件50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）。喷砂枪头32沿着第一转盘31在隧道截面旋转，保证衬砌无死角。喷砂组件30通过滑动梁83沿隧道掘进方向前后滑动，实现一长段距离的衬砌。加热组件50对刚衬砌的砂浆高温加热，使其实现陶瓷化。加热结构52沿着第二转盘51在隧道截面360°旋转，保证加热无死角。加热组件50通过固定轴体40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，等离子体破岩施工设备持续向前推进。

本申请提供的等离子体破岩施工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 (13)

1.一种陶瓷化衬砌形成机构，其特征在于，包括：

岩土汽化组件（10），所述岩土汽化组件（10）用于汽化隧道施工产生的渣土；

材料处理组件（20），所述材料处理组件（20）与所述岩土汽化组件（10）连通，所述材料处理组件（20）用于所述渣土的处理并产生衬砌材料；

喷砂组件（30），所述喷砂组件（30）包括第一转盘（31）以及喷砂枪头（32），所述喷砂枪头（32）与所述材料处理组件（20）连通，所述喷砂枪头（32）可滑动地与所述第一转盘（31）相连，所述第一转盘（31）可转动地与固定轴体（40）相连，以将所述衬砌材料均匀地喷洒至隧道壁面；

加热组件（50），所述加热组件（50）包括第二转盘（51）以及加热结构（52），所述加热结构（52）可滑动地与所述第二转盘（51）相连，所述第二转盘（51）可转动地与所述固定轴体（40）相连，所述加热结构（52）加热所述隧道壁面上的所述衬砌材料，将所述衬砌材料陶瓷化形成一体，以支撑所述隧道壁面。

2.根据权利要求1所述的陶瓷化衬砌形成机构，其特征在于，所述喷砂枪头（32）为多个，各所述喷砂枪头（32）均匀地设置于所述第一转盘（31）的周外侧，各所述喷砂枪头（32）均沿所述固定轴体（40）的轴线方向与所述第一转盘（31）可滑动地相连。

3.根据权利要求2所述的陶瓷化衬砌形成机构，其特征在于，所述第一转盘（31）设置有多个导向槽（311）以及多个推块（312），多个所述导向槽（311）、多个所述推块（312）以及多个所述喷砂枪头（32）一一对应地设置，所述推块（312）以及所述喷砂枪头（32）可滑动地设置于所述导向槽（311）内，所述推块（312）沿所述固定轴体（40）的轴线方向滑动，以推动所述喷砂枪头（32）。

4.根据权利要求1所述的陶瓷化衬砌形成机构，其特征在于，所述固定轴体（40）与所述第一转盘（31）以及所述第二转盘（51）之间设置有旋转套筒（41），所述旋转套筒（41）可转动地与所述固定轴体（40）相连，所述第一转盘（31）以及所述第二转盘（51）均沿所述固定轴体（40）的轴线方向与所述旋转套筒（41）可滑动地相连。

5.根据权利要求4所述的陶瓷化衬砌形成机构，其特征在于，所述旋转套筒（41）设置有第一轨道（411）和第二轨道（412），所述第一轨道（411）和所述第二轨道（412）之间形成滑动通道，所述第一转盘（31）的内圈设置有第一滑片（313）和第二滑片（314），所述第一滑片（313）与所述第二滑片（314）形成第一滑动块，所述第一滑动块可滑动地与所述滑动通道相接触，所述第二转盘（51）的内圈设置有第三滑片（511）和第四滑片（512），所述第三滑片（511）与所述第四滑片（512）形成第二滑动块，所述第二滑动块可滑动地与所述滑动通道相接触。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的陶瓷化衬砌形成机构，其特征在于，材料处理组件（20）包括依次连通的控温结构、分离结构（22）以及混合结构（23），所述岩土汽化组件（10）与所述控温结构连通，所述分离结构（22）用于筛分调温后的衬砌材料，所述混合结构（23）用于所述衬砌材料以及其他衬砌材料的混合，所述混合结构（23）的输出端与所述喷砂枪头（32）连通。

7.根据权利要求6所述的陶瓷化衬砌形成机构，其特征在于，所述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。

8.一种等离子体破岩施工设备，其特征在于，所述等离子体破岩施工设备包括陶瓷化衬砌形成机构以及等离子体破岩机构，所述陶瓷化衬砌形成机构为权利要求1至7中任一项所述的陶瓷化衬砌形成机构，所述陶瓷化衬砌形成机构与所述等离子体破岩机构相连。

9.根据权利要求8所述的等离子体破岩施工设备，其特征在于，所述等离子体破岩机构的端部设置所述岩土汽化组件（10）和负压组件（60），所述岩土汽化组件（10）用于产生等离子体束，所述等离子体束用于岩土的汽化，所述负压组件（60）的输出端与所述材料处理组件（20）连通，所述负压组件（60）用于将汽化的岩土传送至所述材料处理组件（20）。

10.根据权利要求9所述的等离子体破岩施工设备，其特征在于，所述岩土汽化组件（10）包括等离子体出口（11）、电弧发生结构（12）、气体运输结构（13）以及发生室（14），所述电弧发生结构（12）设置于所述发生室（14）内，所述等离子体出口（11）与所述发生室（14）的出口端相连，所述电弧发生结构（12）包括第一电极（121）以及第二电极（122），所述第二电极（122）环绕于所述第一电极（121）外，以形成所述发生室（14），所述气体运输结构（13）与所述发生室（14）的进口端相连。

11.根据权利要求10所述的等离子体破岩施工设备，其特征在于，所述岩土汽化组件（10）还包括冷却结构（15），所述冷却结构（15）包括环形槽（151）、流体进口（152）以及流体出口（153），所述环形槽（151）环绕所述第二电极（122）设置，所述流体进口（152）以及流体出口（153）设置于所述冷却结构（15）远离所述等离子体出口（11）的一侧。

12.根据权利要求9所述的等离子体破岩施工设备，其特征在于，所述等离子体破岩机构还包括顶进组件（70），所述顶进组件（70）包括张紧结构（71）与牵引结构（72），所述张紧结构（71）包括第一张紧结构（711）和第二张紧结构（712），所述牵引结构（72）包括第一牵引结构（721），所述岩土汽化组件（10）可转动地与所述第一张紧结构（711）相连，所述第一牵引结构（721）分别与所述第一张紧结构（711）以及所述第二张紧结构（712）相连。

13.根据权利要求12所述的等离子体破岩施工设备，其特征在于，所述等离子体破岩机构还包括第一主梁（81），所述第一牵引结构（721）包括第一推杆（7211）与第一缸体（7212），所述第一张紧结构（711）与所述第一主梁（81）固定相连，所述第二张紧结构（712）与所述第一主梁（81）可滑动地相连，所述第一推杆（7211）可转动地与所述第一主梁（81）相连，所述第一缸体（7212）可转动地与所述第二张紧结构（712）相连。

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