CN118167332A - 一种tbm激光-高压水-滚刀联合装置及破岩方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种TBM激光‑高压水‑滚刀联合装置及破岩方法，属于隧道及地下工程技术领域，激光辅助破岩模块上设置有激光发生器，激光发生器上设置有激光传输线缆，激光传输线缆的另一端设置有激光发射器，激光发生器与设置于其一侧的冷却组件连接；水射流辅助破岩模块上设置有高压水射流发生器，高压水射流发生器上设置有高压水传输管道，高压水传输管道的一端设置有水射流喷嘴；刀盘外壳上设置有激光发射孔和水射流发射孔，所述激光发生器位于激光发射孔内，水射流喷嘴位于水射流发射孔内。本发明采用上述的一种TBM激光‑高压水‑滚刀联合装置及破岩方法，实现TBM高效掘进的同时降低刀具磨损，在完整硬岩或极硬岩地层中掘进时，经济效益更佳。

Description

一种TBM激光-高压水-滚刀联合装置及破岩方法

技术领域

本发明涉及隧道及地下工程技术领域，尤其是涉及一种TBM激光-高压水-滚刀联合装置及破岩方法。

背景技术

全断面隧道掘进机(TBM)以其安全、高效、机械化程度高、节省人工等优势，在国内外隧道工程中得以广泛应用，特别近年来随着水利、公路、铁路等基础设施建设规模逐步提升，对TBM提出了更高的要求。

在硬岩或极硬岩地层中，由于围岩强度较高、完整性较好，TBM掘进时滚刀磨损速率极快，掘进成本迅速增加，同时掘进速率大幅下降，TBM难以发挥其高效快速掘进的优势。

激光破岩技术是一种非机械接触式的物理破岩方法，利用激光器发出的高能激光光束辐射岩石表面，光能转化成热能向岩石内部传递，受局部温度骤增影响，岩石在热应力作用下发生破裂，而后随着温度的不断升高，岩石发生熔化、蒸发甚至气化等相变破坏。激光破岩技术最早应用于石油钻井领域，在隧道及地下工程领域应用较少。

水射流破岩技术又名水刀，是利用高压水射流的强冲击力与裹挟能力，对岩石等材料进行切割，切割时产生的热量会立即被高速流动的水射流带走，并且不产生有害物质。目前国内水刀的最大压强已经做到了420MPa，足以满足隧道破岩需求。

中国专利号：CN110318765A，专利名称为“基于岩性识别的机械-水力联合破岩TBM实时掘进方法”，提出通过监测滚刀推力识别掌子面的岩性指标，经过与室内试验结果比对，选取针对性水力破岩参数，联合刀具进行机械-水力联合破岩的TBM掘进方法，可一定程度降低破岩能耗，但识别掌子面岩性指标时考虑的因素比较简单，使用的辅助破岩方式较为单一。

中国专利号：CN112096396A，专利名称为“微波、激光及空化射流组合的破岩刀盘及破岩方法”，发明人夏毅敏，向香彩等人发明了一种将微波、激光与空化射流技术相组合的破岩刀盘及破岩方法，运用了多种辅助破岩方式，最终需要配合滚刀进行破岩，但并未考虑滚刀与其他辅助破岩方式共同作用条件下的最优参数，且未结合掌子面的围岩情况选取针对性的破岩与掘进参数，破岩效率有待提高。

中国专利号：CN109139034A，专利名称为“一种采用激光切割破岩的隧道掘进装置及方法”，发明人马修泉，周邵巍等人发明了一种采用激光切割破岩的隧道掘进装置及方法，设计较为新颖，但由于纯粹依靠激光进行切割破岩，能耗较高，实际工程中推广难度大。

虽然许多专家学者针对TBM在硬岩地层中掘进速率较低的问题，结合各种辅助破岩技术设计了许多新型TBM，但大都没有针对掌子面的围岩情况采取针对性的辅助破岩参数，往往存在辅助破岩“过度”或“不足”的情况，因此，亟需开发一种可以根据掌子面围岩情况采取针对性辅助破岩参数的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种TBM激光-高压水-滚刀联合装置及破岩方法，可显著提高TBM破岩效率，降低刀具磨损，同时可依托围岩识别技术，结合大量室内实验数据，综合考虑辅助破岩技术与滚刀破岩的结合效果，针对掌子面的围岩情况选取最优辅助破岩参数与掘进参数，使TBM能最大限度发挥破岩能力。

为实现上述目的，本发明提供了一种TBM激光-高压水-滚刀联合装置及破岩方法，包括TBM刀盘主体，所述TBM刀盘主体上设置有刀盘和设置于刀盘外围的刀盘保护壳，所述刀盘上设置有滚刀，所述刀盘的一侧设置有转轴，所述转轴的上方设置有输送组件，所述输送组件的上方设置有第一支撑板；所述转轴的上套设有支架，所述支架的两侧分别设置有第二支撑板、第三支撑板与输送组件、第一支撑板的两侧连接，激光辅助破岩模块上设置有激光发生器，激光发生器上设置有激光传输线缆，激光传输线缆的另一端设置有激光发射器，激光发生器与设置于其一侧的冷却组件连接；

水射流辅助破岩模块上设置有高压水射流发生器，高压水射流发生器上设置有高压水传输管道，高压水传输管道的一端设置有水射流喷嘴；

所述刀盘上设置有激光发射孔和水射流发射孔，所述激光发生器位于激光发射孔内，所述水射流喷嘴位于水射流发射孔内。

优选的，包括岩渣图像采集模块，所述岩渣图像采集模块上设置有采集支架，所述采集支架的中央位置上设置有补光灯，所述采集支架上设置有多个高速照相机；

所述激光发射孔、水射流发射孔的一端分别设置有激光头保护罩、喷嘴保护罩。

优选的，包括刀盘振动监测模块，所述刀盘振动监测模块上设置有刀盘振动监测组件于刀盘的一侧，所述刀盘振动监测模块上还设置有无线振动数据采集仪设置于刀盘保护壳上；

所述刀盘振动监测组件上设置有监测点保护罩，所述监测点保护罩内设置有沿半径方向的水平无线振动监测传感器、垂直半径方向的垂直无线振动监测传感器和隧道轴线方向的竖向无线振动监测传感器；

还包括中央控制控制系统，所述中央控制系统上设置有围岩识别模块、综合处理模块、刀盘掘进控制模块、激光破岩控制模块、水射流破岩控制模块、激光-水射流-滚刀联合破岩模块、辅助破岩数据库；

所述围岩识别模块包括刀盘振动围岩识别组件和岩渣图像围岩识别组件；

所述刀盘振动围岩识别组件包括刀盘振动数据采集控制单元、刀盘振动数据前处理单元、刀盘振动数据分析单元和刀盘振动数据库单元；

所述岩渣图像围岩识别组件包括岩渣图像数据采集控制单元、岩渣图像数据前处理单元、岩渣图像数据分析单元和岩渣图像特征数据库单元。

一种TBM激光-高压水-滚刀联合装置的破岩方法，包括以下步骤：

S1、激光-水射流-滚刀联合破岩施工准备；

S2、TBM试掘进，刀盘带动滚刀以固定推力和刀盘转速破碎掌子面围岩；

S3、围岩识别模块收集刀盘振动监测模块监测的刀盘振动情况和岩渣图像采集模块拍摄的传送带岩渣图像；

S4、围岩识别模块处理反馈信息并提出掌子面围岩各项岩性指标的预测值；

S5、综合处理模块联合辅助破岩数据库，分析围岩识别模块预测出的掌子面围岩岩性指标数据，提出激光-水射流-滚刀联合破岩参数；

S6、激光辅助破岩模块、水射流辅助破岩模块和刀盘掘进控制模块获取参数并进行调整；

S7、TBM激光-水射流-滚刀联合破岩。

优选的，在步骤S1中，通过现场钻孔取芯和切割大块岩渣获取岩样，分别进行激光破岩室内试验、水射流破岩室内试验和激光-水射流-滚刀联合破岩室内试验，建立辅助破岩数据库，具体包括：

激光破岩室内试验分析采集得到的岩样在不同激光功率、离焦量激光参数下对切缝深度、切缝宽度及微裂隙的影响规律，分析岩样对不同单轴抗压强度和岩体完整性系数岩样的切割效果，得到的分析结果存储到辅助破岩数据库中；

水射流破岩室内试验分析岩样在不同水压下对切缝深度、切缝宽度及微裂隙的影响规律，分析岩样对不同单轴抗压强度和岩体完整性系数岩样的切割效果，得到的分析结果存储到辅助破岩数据库中；

激光-水射流-滚刀联合破岩室内试验参考激光破岩室内试验和水射流破岩室内试验的分析结果，通过激光-水射流-滚刀联合破岩室内缩尺模型试验获取针对不同单轴抗压强度和岩体完整性系数岩样的最优激光参数、水射流参数和掘进参数，并将最优激光参数、水射流参数和掘进参数存储到辅助破岩数据库中。

优选的，在步骤S3中，刀盘振动监测模块监测的刀盘振动情况包括：通过刀盘振动数据采集控制单元控制刀盘振动监测模块中的无线振动数据采集仪采集TBM刀盘的振动数据，并将TBM刀盘的振动数据反馈给围岩识别模块中的刀盘振动围岩识别组件；

岩渣图像采集模块拍摄的传送带岩渣图像包括：通过岩渣图像数据采集控制单元控制岩渣图像采集模块中的高速照相机采集TBM主机皮带上的岩渣图像数据，并反馈给围岩识别模块中的岩渣图像围岩识别组件。

优选的，在步骤S4中，包括以下步骤：

S41、刀盘振动围岩识别组件接收无线振动数据采集仪采集到的TBM刀盘主体的振动数据，通过刀盘振动数据前处理单元对振动数据进行预处理，之后TBM刀盘主体的振动数据分析单元联合刀盘振动数据库单元对预处理后的振动数据进行分析，预测掌子面围岩的岩石单轴抗压强度值，并反馈给综合处理模块；

S42、岩渣图像围岩识别组件接收高速照相机拍摄的输送组件上的岩渣图像数据，通过岩渣图像数据前处理单元对岩渣图像数据进行预处理，之后岩渣图像数据分析单元对预处理后的岩渣图像数据进行分析，得出粗糙度指数、最大粒径、不均匀系数、曲率系数反映岩渣图像特征的数据指标，再结合岩渣图像特征数据库单元进行比对分析，预测掌子面围岩的岩体完整性系数值，并反馈给综合处理模块。

优选的，在步骤S5中，包括以下步骤：

S51、综合处理模块汇总刀盘振动围岩识别组件识别预测出的掌子面围岩岩石单轴抗压强度值和岩渣图像围岩识别组件识别预测出的掌子面围岩岩体完整性系数值，联合辅助破岩数据库进行比对分析，提出适合当前岩石单轴抗压强度和岩体完整性系数的最优激光-水射流-滚刀联合破岩参数；

S52、适合当前岩石单轴抗压强度和岩体完整性系数的最优激光-水射流-滚刀联合破岩参数包括激光功率、离焦量、水压、刀盘转速和推力参数；

S53、综合处理模块将提出的最优激光功率和离焦量传递给激光辅助破岩模块，将提出的最优水压传递给水射流辅助破岩模块，将提出的最优刀盘转速和推力传递给刀盘掘进控制模块。

优选的，在步骤S6中，包括以下步骤：

S61、激光破岩控制模块接收综合处理模块传来的最优激光功率和离焦量，调整激光发生器的激光功率以及激光发射器的离焦量，准备激光辅助破岩；

S62、水射流破岩控制模块接收综合处理模块传来的最优水压，调整高压水射流发生器的水压，准备水射流辅助破岩；

S63、刀盘掘进控制模块接收综合处理模块传来的最优刀盘转速和推力并进行调整，准备以最优掘进参数进行掘进。

优选的，在步骤S7中，包括以下步骤：

S71、通过控制激光破岩控制模块和水射流破岩控制模块，打开激光头保护罩和喷嘴保护罩；

S72、控制激光辅助破岩模块发射高能激光光束进行激光破岩；控制水射流辅助破岩模块喷射高压水射流进行水射流破岩；控制刀盘掘进控制模块指挥TBM刀盘旋转推进利用滚刀破岩；

S73、激光-水射流-滚刀联合破岩时，高能激光光束、高压水射流和滚刀三者同时作用于掌子面围岩，但局部围岩的破碎有先后顺序；

S74、局部围岩首先由高能激光光束进行切槽，同时迅速加热切槽范围内的围岩，切槽内部由于巨大温差产生微裂隙；之后高压水射流继续对切槽进行切割，增大切槽的深度和宽度，同时迅速降低切槽内围岩的温度，经过如此急速加热和降温，切槽内部的微裂隙迅速扩展；最后滚刀对相邻两条切槽之间的围岩进行滚压破碎，并在围岩内部产生局部裂隙，局部裂隙与相邻切槽产生的裂隙贯通之后，加速掌子面围岩的破坏和剥落；

S75、激光-水射流-滚刀联合破岩完成一个掘进循环后，停止发射高能激光光束和高压水射流，刀盘停止旋转和推进，关闭激光头保护罩和喷嘴保护罩，准备下一掘进循环重复步骤S71到步骤S75。

因此，本发明采用上述一种TBM激光-高压水-滚刀联合装置及破岩方法，其技术效果如下：

(1)本发明适用于不同岩性、不同地质条件地层中的TBM掘进，通过刀盘振动和岩渣图像分析，结合室内实验数据，能够根据掌子面的围岩情况，获取最优破岩参数组合，实时调整联合破岩参数，最大限度发挥激光-水射流-滚刀联合破岩体系的破岩效果，降低能耗与成本，克服现有技术难以针对掌子面围岩情况采取针对性破岩参数以及难以充分发挥各种破岩方式的联合作用效果的难题。

(2)本发明具有节能、高效的特点，通过对传统TBM进行适度改造，在刀盘上安装了激光辅助破岩装置和水射流辅助破岩装置，使用时随着刀盘转动，高能激光束首先进行切槽，同时迅速加热切槽范围内的围岩，切槽内部由于巨大温差产生微裂隙，之后高压水射流继续对切槽进行切割，增大切槽的深度和宽度，同时迅速降低切槽内围岩的温度，经过如此急速加热和降温，切槽内部的微裂隙迅速扩展，给滚刀破岩提供有利条件，最后滚刀对相邻两条切槽之间的围岩进行滚压破碎，并在其内部产生局部裂隙，局部裂隙与相邻切槽产生的裂隙贯通之后，加速掌子面围岩的破坏和剥落。由于高能激光光束与高压水射流的辅助作用，使得掌子面围岩内部裂隙得以充分扩展，因此滚刀破岩时使用较小推力和转速即可达到破岩效果，可大幅节约电能消耗和刀具消耗。此外由于水射流的降温作用，可间接降低滚刀温度，延长滚刀使用寿命。

(3)本发明在现有TBM的基础上通过对刀盘、主机皮带及主控室主机进行小幅改动就可实现，可操作性好。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明一种TBM激光-高压水-滚刀联合装置的示意图；

图2是本发明一种TBM激光-高压水-滚刀联合装置上的TBM刀盘主体的示意图；

图3是本发明一种TBM激光-高压水-滚刀联合装置上的TBM刀盘主体的后视示意图；

图4是本发明一种TBM激光-高压水-滚刀联合装置上的TBM刀盘主体的剖视图；

图5是岩渣图像采集装置示意图；

图6是一种TBM激光-高压水-滚刀联合装置的破岩方法的流程示意图。

附图标记

1、TBM刀盘主体；101、刀盘；102、刀盘保护壳；103、滚刀；104、转轴；105、输送组件；106、第一支撑板；107、支架；108、第二支撑板；109、第三支撑板；

2、激光辅助破岩模块；201、激光发生器；202、激光传输线缆；203、激光发射器；204、冷却组件；

3、水射流辅助破岩模块；301、高压水射流发生器；302、高压水传输管道；303、水射流喷嘴；

4、激光发射孔；5、水射流发射孔；6、激光头保护罩；7、喷嘴保护罩；8、岩渣图像采集模块；801、采集支架；802、补光灯；803、高速照相机；

9、刀盘振动监测模块；901、刀盘振动监测组件；9011、监测点保护罩；9012、水平无线振动监测传感器；9013、垂直无线振动监测传感器；9014、竖向无线振动监测传感器；902、无线振动数据采集仪；

10、围岩识别模块；1001、刀盘振动围岩识别组件；10011、刀盘振动数据采集控制单元；10012、刀盘振动数据前处理单元；10013、刀盘振动数据分析单元；10014、刀盘振动数据库单元；

1002、岩渣图像围岩识别组件；10021、岩渣图像数据采集控制单元；10022、岩渣图像数据前处理单元；10023、岩渣图像数据分析单元；10024、岩渣图像特征数据库单元；

11、综合处理模块；12、刀盘掘进控制模块；13、激光破岩控制模块；14、水射流破岩控制模块；15、激光-水射流-滚刀联合破岩模块；16、辅助破岩数据库。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

实施例一

如图所示，本发明提供了一种TBM激光-高压水-滚刀联合装置，包括TBM刀盘主体1，TBM刀盘主体1上设置有刀盘101和设置于刀盘101外围的刀盘保护壳102，刀盘101上设置有滚刀103，滚刀103包括单刃滚刀和双刃滚刀，且布置形式可以是“十字形”、“米字型”或“螺旋线形”等多种形式。

刀盘101的一侧设置有转轴104，转轴104的上方设置有输送组件105，输送组件105的上方设置有第一支撑板106；转轴104的上套设有支架107，支架107的两侧分别设置有第二支撑板108、第三支撑板109与输送组件105、第一支撑板106的两侧连接，

激光辅助破岩模块2上设置有激光发生器201，激光发生器201上设置有激光传输线缆202，激光传输线缆202的另一端设置有激光发射器203，激光发生器203与设置于其一侧的冷却组件204连接；

水射流辅助破岩模块3上设置有高压水射流发生器301，高压水射流发生器301上设置有高压水传输管道302，高压水传输管道302的一端设置有水射流喷嘴303；

刀盘保护壳102上设置有激光发射孔4和水射流发射孔5，激光发射器203位于激光发射孔4内，水射流喷嘴303位于水射流发射孔5内。

激光发射孔4、水射流发射孔5的一端分别设置有激光头保护罩6、喷嘴保护罩7；

激光发射器203有若干个，分别安装在刀盘101上的激光发射孔4内，与激光传输线缆202连接，可以通过控制镜片对发射激光的离焦量进行调整。

激光发生器201主要负责产生高能激光光束，可以包括光纤激光器、CO₂激光器等多种形式，分别与冷却组件204、激光破岩控制模块13和激光传输线缆202连接。

冷却组件204主要负责为激光发生器201降温。

激光破岩控制模块13与综合处理模块11相连接，安装在TBM主控室内，主要负责控制激光发生器201产生的激光功率以及激光发射器203调控的离焦量。

激光传输线缆202主要负责将激光发生器201产生的高能激光光束传输给激光发射器203。

激光头保护罩6安装在刀盘101上的激光发射孔4外侧，用于保护激光发射器203。

激光发射孔4布置在TBM刀盘主体1上，各个激光发射孔4距离TBM刀盘主体1中心的距离都不同，且与滚刀103形成的轨迹不重合，激光发射孔4布置在相邻两个滚刀103之间。

水射流喷嘴303有若干个，分别安装在TBM刀盘主体1上的水射流发射孔5内，后部与高压水传输管道302连接，主要负责将高压水射流喷射出去。

高压水射流发生器301主要负责产生高压水，分别与水射流破岩控制模块14和高压水传输管道302相连接。

水射流破岩控制模块14分别与高压水射流发生器301和综合处理模块11相连接，安装在TBM主控室内，主要负责调控高压水射流发生器301产生的水压。

高压水传输管道302主要负责传输高压水，两端分别与高压水射流发生器301和水射流喷嘴303相连接。

喷嘴保护罩7安装在TBM刀盘主体1上的水射流发射孔5外侧，用于保护水射流喷嘴303。

水射流发射孔5布置在TBM刀盘主体1上，各个水射流发射孔5距离TBM刀盘主体1中心的距离都不同，且与滚刀103形成的轨迹不重合，但相邻两个水射流发射孔5与激光发射孔4半径相同，轨迹重合，且激光发射孔4在TBM刀盘主体1的旋转方向上位于水射流发射孔5的前方，水射流发射孔5布置在相邻两个滚刀103之间。

刀盘掘进控制模块12主要负责控制TBM刀盘主体1的旋转推进，调控刀盘101转速和推力。

包括岩渣图像采集模块8上设置有采集支架801，采集支架801的中央位置上设置有补光灯802，采集支架801上设置有多个高速照相机803。高速照相机803通过数据线与围岩识别模块10相连接。

高速照相机803和补光灯802固定在采集支架801上，高速照相机803位于采集支架801的中心位置，镜头朝下，正对下方设置在输送组件105上的TBM主机皮带，补光灯802共4个，分别布置在所述高速照相机803的左前、左后、右前、右后4个方位，光源正对高速照相机803镜头正对的TBM主机皮带位置。

包括刀盘振动监测模块9，刀盘振动监测模块9上设置有刀盘振动监测组件901于刀盘101的一侧，无线振动数据采集仪902设置于刀盘保护壳102上；无线振动数据采集仪902通过数据线与围岩识别模块10相连接。

刀盘振动监测组件901上设置有监测点保护罩9011，监测点保护罩9011内设置有沿半径方向的水平无线振动监测传感器9012、垂直半径方向的垂直无线振动监测传感器9013和隧道轴线方向的竖向无线振动监测传感器9014；

还包括中央控制控制系统，中央控制系统上设置有围岩识别模块10、综合处理模块11、刀盘掘进控制模块12、激光破岩控制模块13、水射流破岩控制模块14、激光-水射流-滚刀联合破岩模块15、辅助破岩数据库16，方便TBM操作手在操控TBM掘进时进行围岩识别、数据综合处理和刀盘掘进控制。

围岩识别模块10包括刀盘振动围岩识别组件1001和岩渣图像围岩识别组件1002，围岩识别模块10通过数据线与综合处理模块11相连；

刀盘振动围岩识别组件1001包括刀盘振动数据采集控制单元10011、刀盘振动数据前处理单元10012、刀盘振动数据分析单元10013和刀盘振动数据库单元10014；

刀盘振动数据采集控制单元10011主要控制无线振动数据采集仪902采集TBM刀盘振动数据。刀盘振动数据前处理单元10012主要对无线振动数据采集仪902输入的初始振动数据进行去噪等操作，排除异常值及TBM刀盘旋转推进时由于设备本身引起的振动。刀盘振动数据库单元10014包含大量固定推力和刀盘101转速条件下刀盘振动与对应岩石单轴抗压强度数据。刀盘振动数据分析单元10013主要结合刀盘振动数据库单元10014对经过刀盘振动数据前处理单元10012处理后的TBM刀盘振动数据进行分析，预测掌子面围岩的岩石单轴抗压强度。

岩渣图像围岩识别组件1002包括岩渣图像数据采集控制单元10021、岩渣图像数据前处理单元10022、岩渣图像数据分析单元10023和岩渣图像特征数据库单元10024。

岩渣图像数据采集控制单元10021主要控制高速照相机803采集TBM主机皮带上的岩渣图像数据。岩渣图像数据前处理单元10022主要运用二值化方法和分水岭算法对高速照相机803采集的岩渣图像数据进行处理。岩渣图像数据分析单元10023主要对岩渣图像数据前处理单元10022处理后的岩渣图像数据进行分析，得出粗糙度指数、最大粒径、不均匀系数、曲率系数等反映岩渣图像特征的数据指标，再结合岩渣图像特征数据库单元10024进行比对分析，预测掌子面围岩的岩体完整性系数。岩渣图像特征数据库单元10024包含大量固定推力和刀盘转速条件下岩渣的粗糙度指数、最大粒径、不均匀系数、曲率系数等岩渣图像特征数据与对应岩体完整性系数数据。

综合处理模块11主要对围岩识别模块10识别预测出的掌子面围岩岩石单轴抗压强度和岩体完整性系数进行汇总，并联合辅助破岩数据库进行比对分析，提出适合当前岩石单轴抗压强度和岩体完整性系数的最优激光-水射流-滚刀联合破岩参数。

一种TBM激光-高压水-滚刀联合装置的破岩方法，包括以下步骤：

S1、激光-水射流-滚刀联合破岩施工准备；

通过现场钻孔取芯和切割大块岩渣获取岩样，分别进行激光破岩室内试验、水射流破岩室内试验和激光-水射流-滚刀联合破岩室内试验，建立辅助破岩数据库，具体包括：

激光破岩室内试验分析采集得到的岩样在不同激光功率、离焦量激光参数下对切缝深度、切缝宽度及微裂隙的影响规律，分析岩样对不同单轴抗压强度和岩体完整性系数岩样的切割效果，得到的分析结果存储到辅助破岩数据库中；

水射流破岩室内试验分析岩样在不同水压下对切缝深度、切缝宽度及微裂隙的影响规律，分析岩样对不同单轴抗压强度和岩体完整性系数岩样的切割效果，得到的分析结果存储到辅助破岩数据库中；

激光-水射流-滚刀联合破岩室内试验参考激光破岩室内试验和水射流破岩室内试验的分析结果，通过激光-水射流-滚刀联合破岩室内缩尺模型试验获取针对不同单轴抗压强度和岩体完整性系数岩样的最优激光参数、水射流参数和掘进参数，并将最优激光参数、水射流参数和掘进参数存储到辅助破岩数据库中。

S2、TBM试掘进，刀盘101带动滚刀103以固定推力和刀盘101转速破碎掌子面围岩；刀盘101掘进控制模块控制TBM刀盘主体1以固定推力和刀盘转速进行试掘进，试掘进长度为0.1～0.3m。

S3、围岩识别模块10收集刀盘振动监测模块9监测的刀盘振动情况和岩渣图像采集模块8拍摄的传送带岩渣图像；

刀盘振动监测模块9监测的刀盘振动情况包括：通过刀盘振动数据采集控制单元10011控制刀盘振动监测模块9中的无线振动数据采集仪902采集TBM刀盘主体1的振动数据，并将TBM刀盘主体1的振动数据反馈给围岩识别模块10中的刀盘振动围岩识别组件1001；

岩渣图像采集模块8拍摄的传送带岩渣图像包括：通过岩渣图像数据采集控制单元10021控制岩渣图像采集模块8中的高速照相机803采集TBM主机皮带上的岩渣图像数据，并反馈给围岩识别模块10中的岩渣图像围岩识别组件1002。

S4、围岩识别模块10处理反馈信息并提出掌子面围岩各项岩性指标的预测值；

S41、刀盘振动围岩识别组件1001接收无线振动数据采集仪902采集到的TBM刀盘主体1的振动数据，通过刀盘振动数据前处理单元10012对振动数据进行预处理，之后TBM刀盘主体1的振动数据分析单元联合刀盘振动数据库单元10014对预处理后的振动数据进行分析，预测掌子面围岩的岩石单轴抗压强度值，并反馈给综合处理模块11；

S42、岩渣图像围岩识别组件1002接收高速照相机803拍摄的输送组件上的岩渣图像数据，通过岩渣图像数据前处理单元10022对岩渣图像数据进行预处理，之后岩渣图像数据分析单元10023对预处理后的岩渣图像数据进行分析，得出粗糙度指数、最大粒径、不均匀系数、曲率系数反映岩渣图像特征的数据指标，再结合岩渣图像特征数据库单元10024进行比对分析，预测掌子面围岩的岩体完整性系数值，并反馈给综合处理模块。

S5、综合处理模块11联合辅助破岩数据库16，分析围岩识别模块预测出的掌子面围岩岩性指标数据，提出激光-水射流-滚刀联合破岩参数；

S51、综合处理模块11汇总刀盘振动围岩识别组件1001识别预测出的掌子面围岩岩石单轴抗压强度值和岩渣图像围岩识别组件1002识别预测出的掌子面围岩岩体完整性系数值，联合辅助破岩数据库16进行比对分析，提出适合当前岩石单轴抗压强度和岩体完整性系数的最优激光-水射流-滚刀联合破岩参数；

S52、适合当前岩石单轴抗压强度和岩体完整性系数的最优激光-水射流-滚刀联合破岩参数包括激光功率、离焦量、水压、刀盘转速和推力参数；

S53、综合处理模块11将提出的最优激光功率和离焦量传递给激光辅助破岩模块2，将提出的最优水压传递给水射流辅助破岩模块3，将提出的最优刀盘101转速和推力传递给刀盘掘进控制模块12。

S6、激光辅助破岩模块2、水射流辅助破岩模块3和刀盘掘进控制模块12获取参数并进行调整；

S61、激光破岩控制模块2接收综合处理模块11传来的最优激光功率和离焦量，调整激光发生器201的激光功率以及激光发射器203的离焦量，准备激光辅助破岩；

S62、水射流破岩控制模块3接收综合处理模块11传来的最优水压，调整高压水射流发生器301的水压，准备水射流辅助破岩；

S63、刀盘掘进控制模块12接收综合处理模块11传来的最优刀盘101转速和推力并进行调整，准备以最优掘进参数进行掘进。

S7、TBM激光-水射流-滚刀联合破岩。

S71、通过控制激光破岩控制模块2和水射流破岩控制模块3，打开激光头保护罩6和喷嘴保护罩7；

S72、控制激光辅助破岩模块2发射高能激光光束进行激光破岩；控制水射流辅助破岩模块3喷射高压水射流进行水射流破岩；控制刀盘掘进控制模块12指挥TBM刀盘主体1旋转推进利用滚刀破岩；

S73、激光-水射流-滚刀联合破岩时，高能激光光束、高压水射流和滚刀103三者同时作用于掌子面围岩，但局部围岩的破碎有先后顺序；

S74、局部围岩首先由高能激光光束进行切槽，同时迅速加热切槽范围内的围岩，切槽内部由于巨大温差产生微裂隙；之后高压水射流继续对切槽进行切割，增大切槽的深度和宽度，同时迅速降低切槽内围岩的温度，经过如此急速加热和降温，切槽内部的微裂隙迅速扩展；最后滚刀103对相邻两条切槽之间的围岩进行滚压破碎，并在围岩内部产生局部裂隙，局部裂隙与相邻切槽产生的裂隙贯通之后，加速掌子面围岩的破坏和剥落；

S75、激光-水射流-滚刀联合破岩完成一个掘进循环后，停止发射高能激光光束和高压水射流，TBM刀盘主体1停止旋转和推进，关闭激光头保护罩6和喷嘴保护罩7，准备下一掘进循环重复步骤S71到步骤S75。

因此，本发明采用上述一种TBM激光-高压水-滚刀联合装置及破岩方法，可显著提高TBM破岩效率，降低刀具磨损，同时可依托围岩识别技术，结合大量室内实验数据，综合考虑辅助破岩技术与滚刀破岩的结合效果，针对掌子面的围岩情况选取最优辅助破岩参数与掘进参数，使TBM能最大限度发挥破岩能力。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种TBM激光-高压水-滚刀联合装置，包括TBM刀盘主体，所述TBM刀盘主体上设置有刀盘和设置于刀盘外围的刀盘保护壳，所述刀盘上设置有滚刀，所述刀盘的一侧设置有转轴，所述转轴的上方设置有输送组件，所述输送组件的上方设置有第一支撑板；所述转轴上套设有支架，所述支架的两侧分别设置有第二支撑板、第三支撑板，所述第二支撑板、第三支撑板分别与与输送组件、第一支撑板的两侧连接，其特征在于，激光辅助破岩模块上设置有激光发生器，激光发生器上设置有激光传输线缆，激光传输线缆的另一端设置有激光发射器，激光发生器与设置于其一侧的冷却组件连接；

水射流辅助破岩模块上设置有高压水射流发生器，高压水射流发生器上设置有高压水传输管道，高压水传输管道的一端设置有水射流喷嘴；

所述刀盘上设置有激光发射孔和水射流发射孔，所述激光发生器位于激光发射孔内，所述水射流喷嘴位于水射流发射孔内。

2.根据权利要求1所述的一种TBM激光-高压水-滚刀联合装置，其特征在于，包括岩渣图像采集模块，所述岩渣图像采集模块上设置有采集支架，所述采集支架的中央设置有补光灯，所述采集支架上设置有多个高速照相机；

所述激光发射孔、水射流发射孔的一端分别设置有激光头保护罩、喷嘴保护罩。

3.根据权利要求2所述的一种TBM激光-高压水-滚刀联合装置，其特征在于，包括刀盘振动监测模块，所述刀盘振动监测模块上设置有刀盘振动监测组件于刀盘的一侧，所述刀盘振动监测模块上还设置有无线振动数据采集仪设置于刀盘保护壳上；

所述刀盘振动监测组件上设置有监测点保护罩，所述监测点保护罩内设置有沿半径方向的水平无线振动监测传感器、垂直半径方向的垂直无线振动监测传感器和隧道轴线方向的竖向无线振动监测传感器；

包括中央控制控制系统，所述中央控制系统上设置有围岩识别模块、综合处理模块、刀盘掘进控制模块、激光破岩控制模块、水射流破岩控制模块、激光-水射流-滚刀联合破岩模块、辅助破岩数据库；

所述围岩识别模块包括刀盘振动围岩识别组件和岩渣图像围岩识别组件；

所述刀盘振动围岩识别组件包括刀盘振动数据采集控制单元、刀盘振动数据前处理单元、刀盘振动数据分析单元和刀盘振动数据库单元；

所述岩渣图像围岩识别组件包括岩渣图像数据采集控制单元、岩渣图像数据前处理单元、岩渣图像数据分析单元和岩渣图像特征数据库单元。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种TBM激光-高压水-滚刀联合装置的破岩方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、激光-水射流-滚刀联合破岩施工准备；

S2、TBM试掘进，刀盘带动滚刀以固定推力和刀盘转速破碎掌子面围岩；

S3、围岩识别模块收集刀盘振动监测模块监测的刀盘振动情况和岩渣图像采集模块拍摄的传送带岩渣图像；

S4、围岩识别模块处理反馈信息并提出掌子面围岩各项岩性指标的预测值；

S5、综合处理模块联合辅助破岩数据库，分析围岩识别模块预测出的掌子面围岩岩性指标数据，提出激光-水射流-滚刀联合破岩参数；

S6、激光辅助破岩模块、水射流辅助破岩模块和刀盘掘进控制模块获取参数并进行调整；

S7、TBM激光-水射流-滚刀联合破岩。

5.根据权利要求4所述的一种TBM激光-高压水-滚刀联合装置的破岩方法，其特征在于，在步骤S1中，通过现场钻孔取芯和切割大块岩渣获取岩样，分别进行激光破岩室内试验、水射流破岩室内试验和激光-水射流-滚刀联合破岩室内试验，建立辅助破岩数据库，具体包括：

激光破岩室内试验分析采集得到的岩样在不同激光功率、离焦量激光参数下对切缝深度、切缝宽度及微裂隙的影响规律，分析岩样对不同单轴抗压强度和岩体完整性系数岩样的切割效果，得到的分析结果存储到辅助破岩数据库中；

水射流破岩室内试验分析岩样在不同水压下对切缝深度、切缝宽度及微裂隙的影响规律，分析岩样对不同单轴抗压强度和岩体完整性系数岩样的切割效果，得到的分析结果存储到辅助破岩数据库中；

激光-水射流-滚刀联合破岩室内试验参考激光破岩室内试验和水射流破岩室内试验的分析结果，通过激光-水射流-滚刀联合破岩室内缩尺模型试验获取针对不同单轴抗压强度和岩体完整性系数岩样的最优激光参数、水射流参数和掘进参数，并将最优激光参数、水射流参数和掘进参数存储到辅助破岩数据库中。

6.根据权利要求5所述的一种TBM激光-高压水-滚刀联合装置的破岩方法，其特征在于，在步骤S3中，刀盘振动监测模块监测的刀盘振动情况包括：通过刀盘振动数据采集控制单元控制刀盘振动监测模块中的无线振动数据采集仪采集TBM刀盘的振动数据，并将TBM刀盘的振动数据反馈给围岩识别模块中的刀盘振动围岩识别组件；

岩渣图像采集模块拍摄的传送带岩渣图像包括：通过岩渣图像数据采集控制单元控制岩渣图像采集模块中的高速照相机采集TBM主机皮带上的岩渣图像数据，并反馈给围岩识别模块中的岩渣图像围岩识别组件。

7.根据权利要求6所述的一种TBM激光-高压水-滚刀联合装置的破岩方法，其特征在于，在步骤S4中，包括以下步骤：

S41、刀盘振动围岩识别组件接收无线振动数据采集仪采集到的TBM刀盘主体的振动数据，通过刀盘振动数据前处理单元对振动数据进行预处理，之后TBM刀盘主体的振动数据分析单元联合刀盘振动数据库单元对预处理后的振动数据进行分析，预测掌子面围岩的岩石单轴抗压强度值，并反馈给综合处理模块；

S42、岩渣图像围岩识别组件接收高速照相机拍摄的输送组件上的岩渣图像数据，通过岩渣图像数据前处理单元对岩渣图像数据进行预处理，之后岩渣图像数据分析单元对预处理后的岩渣图像数据进行分析，得出粗糙度指数、最大粒径、不均匀系数、曲率系数反映岩渣图像特征的数据指标，再结合岩渣图像特征数据库单元进行比对分析，预测掌子面围岩的岩体完整性系数值，并反馈给综合处理模块。

8.根据权利要求7所述的一种TBM激光-高压水-滚刀联合装置的破岩方法，其特征在于，在步骤S5中，包括以下步骤：

S51、综合处理模块汇总刀盘振动围岩识别组件识别预测出的掌子面围岩岩石单轴抗压强度值和岩渣图像围岩识别组件识别预测出的掌子面围岩岩体完整性系数值，联合辅助破岩数据库进行比对分析，提出适合当前岩石单轴抗压强度和岩体完整性系数的最优激光-水射流-滚刀联合破岩参数；

S52、适合当前岩石单轴抗压强度和岩体完整性系数的最优激光-水射流-滚刀联合破岩参数包括激光功率、离焦量、水压、刀盘转速和推力参数；

S53、综合处理模块将提出的最优激光功率和离焦量传递给激光辅助破岩模块，将提出的最优水压传递给水射流辅助破岩模块，将提出的最优刀盘转速和推力传递给刀盘掘进控制模块。

9.根据权利要求8所述的一种TBM激光-高压水-滚刀联合装置的破岩方法，其特征在于，在步骤S6中，包括以下步骤：

S61、激光破岩控制模块接收综合处理模块传来的最优激光功率和离焦量，调整激光发生器的激光功率以及激光发射器的离焦量，准备激光辅助破岩；

S62、水射流破岩控制模块接收综合处理模块传来的最优水压，调整高压水射流发生器的水压，准备水射流辅助破岩；

S63、刀盘掘进控制模块接收综合处理模块传来的最优刀盘转速和推力并进行调整，准备以最优掘进参数进行掘进。

10.根据权利要求9所述的一种TBM激光-高压水-滚刀联合装置的破岩方法，其特征在于，在步骤S7中，包括以下步骤：

S71、通过控制激光破岩控制模块和水射流破岩控制模块，打开激光头保护罩和喷嘴保护罩；

S72、控制激光辅助破岩模块发射高能激光光束进行激光破岩；控制水射流辅助破岩模块喷射高压水射流进行水射流破岩；控制刀盘掘进控制模块指挥TBM刀盘旋转推进利用滚刀破岩；

S73、激光-水射流-滚刀联合破岩时，高能激光光束、高压水射流和滚刀三者同时作用于掌子面围岩，但局部围岩的破碎有先后顺序；

S74、局部围岩首先由高能激光光束进行切槽，同时迅速加热切槽范围内的围岩，切槽内部由于巨大温差产生微裂隙；之后高压水射流继续对切槽进行切割，增大切槽的深度和宽度，同时迅速降低切槽内围岩的温度，经过加热和降温，切槽内部的微裂隙迅速扩展；最后滚刀对相邻两条切槽之间的围岩进行滚压破碎，并在围岩内部产生局部裂隙，局部裂隙与相邻切槽产生的裂隙贯通之后，加速掌子面围岩的破坏和剥落；

S75、激光-水射流-滚刀联合破岩完成一个掘进循环后，停止发射高能激光光束和高压水射流，刀盘停止旋转和推进，关闭激光头保护罩和喷嘴保护罩，准备下一掘进循环重复步骤S71到步骤S75。