CN116066124A - 等离子体破岩机构及具有其的等离子体破岩设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及隧道施工的技术领域，具体公开了一种等离子体破岩机构及具有其的等离子体破岩设备，其中等离子体破岩机构包括等离子发生组件、负压组件和基座组件，等离子发生组件包括等离子出口；负压组件包括负压入口；等离子发生组件与负压组件均与基座组件固定相连，离子出口与负压入口均设置与基座组件的同一侧。通过等离子发生组件产生高温离子束，再进行工作壁面岩土的汽化，通过负压组件上的负压入口进行汽化岩土以及部分小颗粒岩土的收集，实现破岩与排渣，设置于同一侧便于第一时间将汽化的岩土进行收集和转移，有效地解决现有技术中掘进设备使用刀盘切割的方式进行顶进施工，出现刀具侵入岩石困难，刀具磨损严重的问题。

Description

等离子体破岩机构及具有其的等离子体破岩设备

技术领域

本申请涉及隧道施工的技术领域，尤其涉及一种等离子体破岩机构及具有其的等离子体破岩设备。

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，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，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，水下地下施工不影响水中地面交通等优点，已被广泛应用于铁路、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上有很多限制。

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。现有的掘进设备刀盘切削施工效率慢，刀头磨损大。当掘进设备遇到硬岩施工环境时，滚刀侵入岩石困难，刀具磨损严重，严重制约了掘进设备的掘进速度。频繁的刀具维护和更换不仅严重制约了施工进度，也极大地增加了施工成本。

发明内容

本申请提供了一种等离子体破岩机构及具有其的掘进设备，以解决现有技术中掘进设备使用刀盘切割的方式进行顶进施工，应对不同的岩层时会出现刀具侵入岩石困难，刀具磨损严重的问题。

第一方面，本申请提供了一种等离子体破岩机构，包括：等离子发生组件、负压组件和基座组件，等离子发生组件包括等离子出口；负压组件包括负压入口；等离子发生组件与负压组件均与基座组件固定相连，等离子出口与负压入口均设置与基座组件的同一侧。

进一步地，等离子发生组件包括电弧发生结构、气体运输结构以及发生室，电弧发生结构设置于发生室内，等离子出口与发生室的出口端相连，气体运输结构与发生室的进口端相连。

进一步地，电弧发生结构包括第一电极以及第二电极，第一电极固定于基座组件上，第二电极环绕于第一电极外，以形成发生室。

进一步地，第一电极的第一电极端1211设置于发生室内，第一电极端1211沿远离基座组件的方向直径逐渐减小，第二电极环绕第一电极端1211设置，第二电极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的直径逐渐减小。

进一步地，等离子发生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出口的一侧。

进一步地，等离子发生组件为多个，负压组件为多个，各负压组件均设置于相邻的等离子发生组件之间。

第二方面，本申请提供了一种等离子体破岩设备，等离子体破岩设备包括等离子体破岩机构以及顶进机构，等离子体破岩机构为上述的等离子体破岩机构，等离子体破岩机构与顶进机构固定相连。

进一步地，顶进机构包括固定组件以及牵引组件，固定组件包括第一张紧结构和第二张紧结构，牵引组件包括第一牵引结构，等离子体破岩机构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，等离子体破岩设备还包括第一主梁，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。

进一步地，等离子体破岩设备还包括衬砌形成机构，衬砌形成机构包括喷砂组件以及加热组件，喷砂组件与加热组件均可转动地与转动轴相连，喷砂组件远离加热组件的一侧与第二张紧结构可滑动地相连。

进一步地，衬砌形成机构还包括第二主梁，喷砂组件包括第一转盘和多个喷砂枪头，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第二主梁相连，加热组件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第二主梁相连。

进一步地，喷砂枪头与负压组件连通，喷砂枪头与负压组件之间设置过滤组件。

进一步地，牵引组件还包括第二牵引结构，第二牵引结构包括第二推杆与第二缸体，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张紧结构相连。

本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本申请实施例提供的等离子体破岩机构及具有其的等离子体破岩设备，其中等离子体破岩机构包括等离子发生组件、负压组件和基座组件，等离子发生组件包括等离子出口；负压组件包括负压入口；等离子发生组件与负压组件均与基座组件固定相连，离子出口与负压入口均设置与基座组件的同一侧。通过等离子发生组件产生高温离子束，再进行工作壁面岩土的汽化，再通过负压组件上的负压入口进行汽化岩土以及部分小颗粒岩土的收集，实现破岩与排渣，设置于同一侧便于第一时间将汽化的岩土进行收集和转移，避免了刀具与岩土通过物理的方式进行切割破碎，有效地解决现有技术中掘进设备使用刀盘切割的方式进行顶进施工，出现刀具侵入岩石困难，刀具磨损严重的问题。

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机构的主视示意图；

图2示出了图1等离子体破岩机构的等离子发生组件的剖视示意图；

图3示出了本申请实施例提供的一种等离子体破岩设备的俯视示意图；

图4示出了图3等离子体破岩设备的侧视示意图。

其中，上述附图包含如下的附图标记：

10、等离子发生组件；11、等离子出口；12、电弧发生结构；121、第一电极；1211、第一电极端；122、第二电极；1221、第二电极端；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、负压组件；30、基座组件；40、固定组件；41、第一张紧结构；411、第一箱体；412、第一盾体；42、第二张紧结构；421、第二箱体；422、第二盾体；423、撑紧油缸；50、牵引组件；51、第一牵引结构；511、第一推杆；512、第一缸体；52、第二牵引结构；521、第二推杆；522、第二缸体；61、第一主梁；62、第二主梁；63、滑动梁；64、转动轴；65、固定座；70、喷砂组件；71、第一转盘；72、喷砂枪头；80、加热组件；81、第二转盘；82、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。

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，第一方面，本申请实施例提供了一种等离子体破岩机构，包括：等离子发生组件10、负压组件20和基座组件30，等离子发生组件10包括等离子出口11；负压组件20包括负压入口；等离子发生组件10与负压组件20均与基座组件30固定相连，等离子出口11与负压入口均设置与基座组件30的同一侧。通过等离子发生组件10产生高温离子束，再进行工作壁面岩土的汽化，再通过负压组件20上的负压入口进行汽化岩土以及部分小颗粒岩土的收集，实现破岩与排渣，设置于同一侧便于第一时间将汽化的岩土进行收集和转移，避免了刀具与岩土通过物理的方式进行切割破碎，有效地解决现有技术中掘进设备使用刀盘切割的方式进行顶进施工，出现刀具侵入岩石困难，刀具磨损严重的问题。

如图1和图2所示，在实施例的技术方案中，等离子发生组件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和图2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30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和图2所示，在实施例的技术方案中，第一电极121的第一电极端1211设置于发生室14内，第一电极端1211沿远离基座组件30的方向直径逐渐减小，第二电极122环绕第一电极端1211设置，第二电极122的第二电极端1221沿远离基座组件30的方向，第二电极端1221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和图2所示，在实施例的技术方案中，等离子发生组件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和图2所示，在实施例的技术方案中，等离子发生组件10为多个，负压组件20为多个，各负压组件20均设置于相邻的等离子发生组件10之间。多个等离子发生组件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20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，等离子发生组件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，工作气体由此进入等离子发生组件10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152流进等离子发生组件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，直流电源对等离子发生组件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3和图4所示，第二方面，本申请实施例提供了一种等离子体破岩设备，等离子体破岩设备包括等离子体破岩机构以及顶进机构，等离子体破岩机构为上述的等离子体破岩机构，等离子体破岩机构与顶进机构固定相连。等离子体破岩机构的运行可以实现隧道的非接触式热能破岩，等离子发生组件10通过在第一电极121以及第二电极122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、高速的等离子束，通过等离子出口11靠近岩体，将岩石气化，实现破岩。基座组件30是由耐热、隔热的金属材料钨制成的，其作用是将第一箱体411的内部与岩体隔离，减少高温余热对第一箱体411内部的伤害。第一主梁61通过基座组件30和等离子发生组件10连接，使其可以实现360°旋转，实现破岩无死角。在等离子束切割岩体过程中，会形成大量的废气和少许废渣。利用负压组件20对废气和废渣进行回收，完成除渣。

如图3和图4所示，在实施例的技术方案中，顶进机构包括固定组件40以及牵引组件50，固定组件40包括第一张紧结构41和第二张紧结构42，牵引组件50包括第一牵引结构51，等离子体破岩机构可转动地与第一张紧结构41相连，第一牵引结构51分别与第一张紧结构41以及第二张紧结构42相连。等离子体破岩机构与第一张紧结构41可转动地相连，第一张紧结构41，第一牵引结构51分别与第一张紧结构41以及第二张紧结构42相连，这样设置的好处是，通过第一张紧结构41的张紧状态控制等离子体破岩机构沿长度方向的自由度，第二张紧结构42的张紧状态则是控制顶进机构以及衬砌形成机构的自由度。

如图3和图4所示，在实施例的技术方案中，第一张紧结构41包括第一箱体411与第一盾体412，第一盾体412可滑动地设置于第一箱体411的周外侧，第二张紧结构42包括第二箱体421与第二盾体422，第二盾体422可滑动地设置于第二箱体421的周外侧。需要说明的是，第一箱体411的内部设置有动力源，以便于第一盾体412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412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412的作用较为完整，另一方面由于第一盾体412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3和图4所示，在实施例的技术方案中，第一盾体412为多个，各第一盾体412可沿远离第一箱体411的方向滑动，第二盾体422为多个，各第二盾体422可沿远离第二箱体421的方向滑动。多个第一盾体412的设置是便于第一盾体412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41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412具体为四个，且第一盾体412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3和图4所示，在实施例的技术方案中，等离子体破岩设备包括第一主梁61，第一牵引结构51包括第一推杆511与第一缸体512，第一张紧结构41与第一主梁61固定相连，第二张紧结构42与第一主梁61可滑动地相连，第一推杆511可转动地与第一主梁61相连，第一缸体512可转动地与第二张紧结构42相连。衬砌形成机构还包括第二主梁62，喷砂组件70包括第一转盘71和多个喷砂枪头72，各喷砂枪头72均匀地设置于第一转盘71的周外侧，第一转盘71可转动地与第二主梁62相连，加热组件80包括第二转盘81以及多个加热枪头82，各加热枪头82均匀地设置于第二转盘81的周外侧，第二转盘81可转动地与第二主梁62相连。

第一主梁61与第二主梁62的设置便于等离子体破岩机构与衬砌形成机构之间设置一定的距离，避免高温以及等离子束的溢出造成零部件的损坏，同时第一主梁61的内部与第二主梁62的内部均设有空腔，以便于管路的连接设置，同时第一主梁61与第二主梁62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61与第二主梁62的内部可根据需要设置基座组件30，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63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63可相对第二张紧结构42滑动，有两种方式，第一种采用与第二张紧结构42错开的方式，将滑动梁63呈拱形设置，第二箱体421位于滑动梁63之下，这样设置的好处是完全避开滑动梁63与第二箱体421，避免两者出现干涉。第二种方式是将滑动梁63穿过第二箱体421设置，使得滑动梁63作为第二箱体421滑动的限位，能够起到相互限位以及引导的作用。

如图3和图4所示，在实施例的技术方案中，等离子体破岩设备还包括衬砌形成机构，衬砌形成机构包括喷砂组件70以及加热组件80，喷砂组件70与加热组件80均可转动地与转动轴64相连，喷砂组件70远离加热组件80的一侧与第二张紧结构42可滑动地相连。通过破岩组件进行破岩并汽化岩土，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，等离子体破岩机构可转动地与固定组件40相连，以控制等离子体破岩机构进行均匀的破岩。设置多个喷砂枪头72，且均匀的布置，一方面能够减少第一转盘71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72还能够使得喷砂组件70的整体重量均匀，增加喷砂组件70的平衡性。

如图1和图2所示，在实施例的技术方案中，衬砌形成机构还包括加热组件80，加热组件80包括第二转盘81以及多个加热枪头82，各加热枪头82均匀地设置于第二转盘81的周外侧，第二转盘81可转动地与转动轴64相连。加热组件80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。

在本实施例的技术方案中(图中未示出)，喷砂枪头72与负压组件20连通，喷砂枪头72与负压组件20之间设置过滤组件。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，通过过滤组件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组件80供能。过滤组件的设置位置并不限定于衬砌形成结构与破岩结构之间，而是接入喷砂枪头72与负压组件20之间的连通管路内。

如图1和图2所示，在实施例的技术方案中，牵引组件50还包括第二牵引结构52，第二牵引结构52包括第二推杆521与第二缸体522，第二推杆521可转动地与第二主梁62相连，第二缸体522可转动地与第二张紧结构42相连。第二牵引结构52分别与第二张紧结构42以及衬砌形成机构相连。通过第一牵引结构51与第二牵引结构52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，第一牵引结构51包括第一推杆511与第一缸体512，第二牵引结构52包括第二推杆521与第二推杆521，第一推杆511可转动地与第一主梁61相连，第一缸体512可转动地与第二盾体422相连，第二推杆521可转动地与第二主梁62相连，第二推杆521可转动地与第二盾体422相连。第一推杆511可滑动地置于第一缸体512内，具体通过液压的方式驱动，第二推杆521可滑动地置于第二推杆521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511可转动地与第一主梁61相连，第一缸体512可转动地与第二盾体422相连，这样的设置便于在第二张紧结构42进行运动时，避免第一牵引结构51对第二盾体422造成干涉，也避免在第一牵引结构51进行工作时，第二盾体422对其造成干涉，第二牵引结构52的设置方式与第一牵引结构51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51具体为四个，第二牵引结构52具体为四个，分别布置在第一主梁61以及第二主梁62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。

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，具体包括等离子体破岩机构、顶进机构、以及衬砌形成机构，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束，真空装置用于给负压组件20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。

等离子体破岩机构由等离子发生组件10、负压组件20、基座组件30构成。等离子发生组件10和负压组件20安装在基座组件30上，基座组件30的一端设置有等离子体发生装置，为等离子发生组件10提供等离子束。第一主梁61与基座组件30传动连接，为基座组件30驱动提供动力。

顶进机构由第一箱体411、第一盾体412、第一主梁61、第一牵引结构51、滑动梁63、第二盾体422、第二牵引结构52、第二主梁62、固定座65和转动轴64构成。等离子发生组件10和第一主梁61四周设置第一箱体411，第一箱体411嵌套在第一盾体412内侧。第一主梁61的一端固定连接有第一主梁61，第一主梁61的另一端固定连接有滑动梁63，滑动梁63上套设有第一箱体411，且第一箱体411的外侧对称固定安装有一对撑紧油缸423，撑紧油缸423的一端固定安装有第二盾体422。第一主梁61与第二盾体422通过第一牵引结构51连接。滑动梁63的另一端固定连接有第二主梁62，第二主梁62的另一端固定连接滑动梁63。第二主梁62的末端固定连接固定座65。滑动梁63的另一端固定连接转动轴64。

衬砌形成机构由喷砂组件70和加热组件80组成。喷砂组件70由喷砂枪头72、第一转盘71组成。喷砂组件70可以通过滑动梁63沿隧道掘进方向前后滑动。喷砂枪头72可以沿着第一转盘71在隧道截面360°旋转。加热组件80由加热枪头82、第二转盘81组成。加热组件80可以通过转动轴64沿隧道掘进方向前后滑动。加热枪头82可以沿着第二转盘81在隧道截面360°旋转。

各部分的作用：顶进机构起支撑岩体和换步推进的作用，第一盾体412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411紧贴第一盾体412，对等离子发生组件10和第一主梁61起到固定和支撑的作用。固定座65支承在洞底以承受机器后部重量。第一主梁61、滑动梁63、第二主梁62和转动轴64都是中空的，内部空间有输气管、输水管、电缆等，为等离子体破岩机构和顶进机构提供原材料和动力。当等离子体破岩设备需要前进时，在撑紧油缸423的作用下，第二盾体422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51的作用下，两侧油缸活塞杆伸长，推动第一主梁61向前移动，等离子出口11靠近工作壁面，实现破岩。与此同时，在第二牵引结构52的作用下，两侧油缸活塞杆收缩，拉动第二主梁62向前移动。然后，撑紧油缸423两侧油缸活塞杆收缩，第二盾体422离开洞壁，不再保持撑紧状态。第一牵引结构51两侧油缸活塞杆收缩，第二牵引结构52两侧油缸活塞杆伸长，第二盾体422和撑紧油缸423沿着滑动梁63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。

衬砌形成机构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掌子面岩石熔化，并被等等离子束挤到侧壁上，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72喷向岩体，实现3D打印。喷砂枪头72可以沿着第一转盘71在隧道截面360°旋转，保证衬砌无死角。喷砂组件70可以通过滑动梁63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80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82可以沿着第二转盘81在隧道截面360°旋转。加热组件80可以通过转动轴64沿隧道掘进方向前后滑动，实现一长段距离的加热。

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发生组件10提供气体。水源为等离子发生组件10提供冷却液。真空装置通过输气管连接负压组件20，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。电源为等离子发生组件10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个等离子出口11供电。当某一个电源发生故障时，保证不超过10％的等离子出口11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。

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，使固定组件40的第二张紧结构42处于伸展状态，第二盾体422与隧道侧壁相抵；以使得第二张紧结构42用于整个等离子体破岩设备得到固定。

S02，启动等离子发生组件10进行破岩；具体产生等离子束，并使得等离子发生组件10进行旋转，以确保加工的平面收到的热量均衡。

S03，通过牵引组件50的第一牵引结构51将等离子体破岩机构向工作壁面方向推进；逐步进行一定长度的破岩。

S04，当第一牵引结构51达到最大行程时，停止推进，使固定组件40的第一张紧结构41处于伸展状态，第一盾体412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51为后续推进做准备，并且拉动第二张紧结构42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。

S05，使第二张紧结构42处于收缩状态，通过第一牵引结构51将第二张紧结构42沿靠近工作壁面方向拉近，直到第一牵引结构51回到最小行程状态。

在实施例的技术方案中(图中未示出)，在启动等离子发生组件10进行破岩时，隧道施工方法还包括如下步骤：

S021，启动负压组件20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，启动喷砂组件70，使其围绕转动轴64旋转，并通过喷砂枪头72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82，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)，通过牵引组件50的第一牵引结构51将等离子体破岩机构向工作壁面方向推进时，隧道施工方法还包括如下步骤：

S031，通过牵引组件50的第二牵引结构52将衬砌形成机构以固定的速度沿靠近第二张紧结构42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412与隧道侧壁相抵时，隧道施工方法还包括如下步骤：

S041，将衬砌形成机构固定，以第二牵引结构52的伸展配合第一牵引结构51的收缩，将第二张紧结构42沿靠近工作壁面的方向推进。具体通过固定座65与底面接触，形成衬砌形成机构的固定，然后通过衬砌形成机构作为支点推动第二张紧结构42，从而与第一牵引结构51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422在第二箱体421两侧的油缸活塞杆伸长，使第二盾体422撑紧洞壁。固定座65收缩，离开地面。第一牵引结构51的第一推杆伸长，使等离子发生组件10靠近岩体。在第二牵引结构52的作用下，两侧油缸活塞杆收缩，拉动第二主梁62向前移动。于此同时，等离子发生组件10开始运行，形成高温、高速的等离子束，经过等离子发生组件10对掌子面的工作壁面加热，逐渐将岩石气化，开始破岩。第一主梁61使等离子体破岩机构进行360°旋转，实现破岩无死角。此过程直到第一牵引结构51两侧油缸的活塞杆伸到最长为止，这完成了等离子体破岩设备的“一步”掘进。撑紧油缸423两侧油缸活塞杆收缩，第二盾体422离开洞壁，不再保持撑紧状态。固定座65撑腿伸长，支承在洞底以承受机器后部重量。第一牵引结构51两侧油缸活塞杆收缩，第二牵引结构52两侧油缸活塞杆伸长，第二盾体422和撑紧油缸423沿着滑动梁63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72将特制衬砌砂浆喷向岩体，加热组件80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72沿着第一转盘71在隧道截面旋转，保证衬砌无死角。喷砂组件70通过滑动梁63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80对刚衬砌的砂浆高温加热，使其实现陶瓷化。加热枪头82沿着第二转盘81在隧道截面360°旋转，保证加热无死角。加热组件80通过转动轴64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)

1.一种等离子体破岩机构，其特征在于，包括：

等离子发生组件(10)，所述等离子发生组件(10)包括等离子出口(11)；

负压组件(20)，所述负压组件(20)包括负压入口；

基座组件(30)，所述等离子发生组件(10)与所述负压组件(20)均与所述基座组件(30)固定相连，所述等离子出口(11)与所述负压入口均设置与所述基座组件(30)的同一侧。

2.根据权利要求1所述的等离子体破岩机构，其特征在于，所述等离子发生组件(10)包括电弧发生结构(12)、气体运输结构(13)以及发生室(14)，所述电弧发生结构(12)设置于所述发生室(14)内，所述等离子出口(11)与所述发生室(14)的出口端相连，所述气体运输结构(13)与所述发生室(14)的进口端相连。

3.根据权利要求2所述的等离子体破岩机构，其特征在于，所述电弧发生结构(12)包括第一电极(121)以及第二电极(122)，所述第一电极(121)固定于所述基座组件(30)上，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)。

4.根据权利要求3所述的等离子体破岩机构，其特征在于，所述第一电极(121)的第一电极端(1211)设置于所述发生室(14)内，所述第一电极端(1211)沿远离所述基座组件(30)的方向直径逐渐减小，所述第二电极(122)环绕所述第一电极端(1211)设置，所述第二电极(122)的第二电极端(1221)沿远离所述基座组件(30)的方向，所述第二电极端(1221)形成的所述发生室(14)的直径逐渐减小。

5.根据权利要求3所述的等离子体破岩机构，其特征在于，所述等离子发生组件(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)远离所述等离子出口(11)的一侧。

6.根据权利要求1所述的等离子体破岩机构，其特征在于，所述等离子发生组件(10)为多个，所述负压组件(20)为多个，各所述负压组件(20)均设置于相邻的所述等离子发生组件(10)之间。

7.一种等离子体破岩设备，其特征在于，所述等离子体破岩设备包括等离子体破岩机构以及顶进机构，所述等离子体破岩机构为权利要求1至6中任一项所述的等离子体破岩机构，所述等离子体破岩机构与所述顶进机构固定相连。

8.根据权利要求7所述的等离子体破岩设备，其特征在于，所述顶进机构包括固定组件(40)以及牵引组件(50)，所述固定组件(40)包括第一张紧结构(41)和第二张紧结构(42)，所述牵引组件(50)包括第一牵引结构(51)，所述等离子体破岩机构可转动地与所述第一张紧结构(41)相连，所述第一牵引结构(51)分别与所述第一张紧结构(41)以及所述第二张紧结构(42)相连。

9.根据权利要求8所述的等离子体破岩设备，其特征在于，所述等离子体破岩设备还包括第一主梁(61)，所述第一牵引结构(51)包括第一推杆(511)与第一缸体(512)，所述第一张紧结构(41)与所述第一主梁(61)固定相连，所述第二张紧结构(42)与所述第一主梁(61)可滑动地相连，所述第一推杆(511)可转动地与所述第一主梁(61)相连，所述第一缸体(512)可转动地与所述第二张紧结构(42)相连。

10.根据权利要求8所述的等离子体破岩设备，其特征在于，所述等离子体破岩设备还包括衬砌形成机构，所述衬砌形成机构包括喷砂组件(70)以及加热组件(80)，所述喷砂组件(70)与所述加热组件(80)均可转动地与转动轴(64)相连，所述喷砂组件(70)远离所述加热组件(80)的一侧与所述第二张紧结构(42)可滑动地相连。

11.根据权利要求10所述的等离子体破岩设备，其特征在于，所述衬砌形成机构还包括第二主梁(90)，所述喷砂组件(70)包括第一转盘(71)和多个喷砂枪头(72)，各所述喷砂枪头(72)均匀地设置于所述第一转盘(71)的周外侧，所述第一转盘(71)可转动地与所述第二主梁(90)相连，所述加热组件(80)包括第二转盘(81)以及多个加热枪头(82)，各加热枪头(82)均匀地设置于所述第二转盘(81)的周外侧，所述第二转盘(81)可转动地与所述第二主梁(90)相连。

12.根据权利要求11所述的等离子体破岩设备，其特征在于，所述喷砂枪头(72)与所述负压组件(20)连通，所述喷砂枪头(72)与所述负压组件(20)之间设置过滤组件。

13.根据权利要求11所述的等离子体破岩设备，其特征在于，所述牵引组件(50)还包括第二牵引结构(52)，所述第二牵引结构(52)包括第二推杆(521)与第二缸体(522)，所述第二推杆(521)可转动地与所述第二主梁(90)相连，所述第二缸体(522)可转动地与所述第二张紧结构(42)相连。

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