CN208456609U - 一种新型激光辅助破岩tbm结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型激光辅助破岩TBM结构，包括刀盘装置和激光系统，激光系统包括至少一台激光发生器，激光传输光纤和激光输出光学头；激光发生器产生激光，并通过激光传输光缆及激光输出光学头输出，激光输出光学头按照预先设定的位置搭载在TBM刀盘上，在TBM工作的过程中，激光输出光学头发出的激光束通过对应的激光输出口按预定的方式照射在岩石上配合刀盘上的刀具破岩，岩石或其他物体在吸收激光能量下，结构发生弱化并在TBM刀具的作用下发生破坏，本实用新型可降低隧道施工难度，节省施工成本，同时采用激光照射破岩减少了机械开挖对地层的扰动，提高施工安全性。

Description

一种新型激光辅助破岩TBM结构

技术领域

本实用新型属于隧道施工设备技术领域，涉及到一种新型激光辅助破岩TBM结构。

背景技术

由于TBM(tunnel boring machine，隧道掘进机)掘进效率高，而且安全性远远高于钻爆法开挖，所以越来越多的山岭隧道采用TBM进行施工。当遇到高强度岩石，如花岗岩、大理石等，TBM掘进效率明显下降，刀具消耗快，施工成本增加。如何有效提高TBM的破岩效率，是TBM研究的关键技术之一。

未来10年内，各类隧道掘进里程约2万公里，硬岩TBM设备需求约600台，能有效提高这些TBM设备的掘进效率，产生的节能、环保、经济效益将非常显著。常规TBM在深层地层高硬度岩石施工方面遇到一定的困难，因此，寻找一个节能、安全高效的破岩方法是目前研究中的一个热点。

发明内容

为了解决上述问题，本实用新型提供一种新型激光辅助破岩TBM结构，适应于深层地层高硬度岩石等地质，开挖过程中对地层扰动小，在提高了破岩效率和施工效率的同时提升了施工安全性。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种新型激光辅助破岩TBM结构，其包括驱动装置，TBM刀盘装置，清理装置和激光系统；所述激光系统包括至少一台激光发生器，其中每台激光发生器至少包括一根激光输出光缆和一个激光输出光学头；其中和激光传输光缆相连的激光输出光学头按照预先设定的位置搭载在所述TBM刀盘上，驱动装置推动TBM并驱动所述TBM刀盘装置，在TBM工作的过程中，激光发生器发出的激光束通过激光传输光缆并通过激光输出光学头按预定照射在掘进表面上，掘进表面上的岩石或其他物体在吸收激光能量被加热下，结构发生弱化并在TBM刀盘装置上刀具的作用下发生破坏，使掘进完成，清理装置则在掘进中清理碎石碎渣并保证掘进可连续进行。

进一步，还包括一个激光空间分束系统，所述激光空间分束系统将激光发生器所产生的激光分成多路，各路激光可通过相应的激光输出光缆以及相应的激光输出光学头到达加热表面。

优选的，所述刀盘上相对应于激光输出光学头具有光学窗口，所述光学窗口在刀盘上所连接的位置具有预定的角度，使激光可按照预定的角度照射到刀具作用部位附近岩石表面。

优选的，所述激光的光斑可保持刀具作用部位附近岩石表面处于软化或弱化的状态。

优选的，还包括激光冷却器和电源系统，用来给各激光发生器供电及提供冷却。

优选的，每个光斑激光功率范围50-20000瓦。

优选的，照射在岩石或其他物体上的光斑形状为圆形，方形，长方形或不规则形状。

优选的，所述激光发生器为半导体激光器、光纤激光器或固体激光器。

优选的，所述激光发生器为脉冲输出激光器或连续输出激光器。

优选的，所述激光发生器为或波长为近红外的激光器。

本实用新型激光辅助破岩TBM，包括驱动装置，TBM刀盘装置，清理装置和激光系统，激光系统包括至少一台激光发生器，其中每台激光发生器至少包括一根激光输出光缆和一个激光输出光学头；其中和激光传输光缆相连的激光输出光学头按照预先设定的位置搭载在所述TBM刀盘上，驱动装置推动TBM并驱动所述TBM刀盘装置，在TBM工作的过程中，激光发生器发出的激光束通过激光传输光缆并通过激光输出光学头按预定照射在掘进表面上，掘进表面上的岩石或其他物体在吸收激光能量被加热下，结构发生弱化并在TBM刀盘装置上刀具的作用下发生破坏，使掘进完成，清理装置则在掘进中清理碎石碎渣并保证掘进可连续进行。

本实用新型激光辅助破岩TBM结构，包括驱动装置，TBM刀盘装置，清理装置和激光系统，激光系统包括一台激光发生器，一个空间分束系统，激光输出光缆和相应的激光输出光学头；其中激光发生器产生激光，所述激光空间分束系统将激光发生器所产生的激光分成多路，各路激光可通过相应的激光输出光缆以及相应的激光输出光学头到达加热表面，和激光传输光缆相连的激光输出光学头按照预先设定的位置搭载在所述TBM刀盘上，驱动装置推动TBM并驱动所述TBM刀盘装置，在TBM工作的过程中，激光发生器发出的激光束通过激光传输光缆并通过激光输出光学头按预定照射在掘进表面上，掘进表面上的岩石或其他物体在吸收激光能量被加热下，结构发生弱化并在TBM刀盘装置上刀具的作用下发生破坏，使掘进完成，清理装置则在掘进中清理碎石碎渣并保证掘进可连续进行。

在上述本实用新型激光辅助破岩TBM结构中，刀具可以是滚刀或其他刀具。在这个掘进设备中，另外可以包括激光冷却器和电源系统，用来给各激光发生器供电及提供冷却。

每台激光发生器的功率可以任意选择，比如可以在50-20000W间任意选择。激光功率可以任意调整。当多路激光器使用时，各路激光输出功率可以按需要调整为一样或不同。

另外照射在掘进面岩石或其他物体上的光斑形状可以按要求设定为圆形，方形，长方形或其他形状。所述激光发生器可以随光束要求和性价比任意选择。比如所述激光发生器可以是半导体激光器，光纤激光器或其他固体激光器。激光的工作模式可以为连续输出，也可以是脉冲输出。工作波长也可以任意选择，但目前波长为近红外的激光器性价比比较高。为了最好地达到辅助破岩的目的，在掘进设备中还可以包括温度监控装置，如红外温度监控或其他监控系统用来监控加热部分的温度，甚至可以通过温度反馈控制激光输出以达到最佳效果。在需要时，本实用新型中的激光输出头可以加入分光结构实现多路输出。在发生器上也可以由多各输出光学头来满足多路输出的需求。

为了满足激光照射角度及刀盘上刀具的关系，刀盘上设有相对应于激光输出光学头具有光学窗口，所述光学窗口在刀盘上所连接的位置具有预定的角度，使激光从输出光学头射出后可按照预定的角度照射到刀具作用部位附近岩石表面。照射光斑与刀具(如滚刀)的相对位置可以保证掘进的最高效率。滚刀附近的岩石在激光加热下弱化或软化可最大的发挥刀具(如滚刀)的破岩作用。即在掘进中激光光斑保持刀具作用部位附近岩石表面处于软化或弱化的状态，而作用部位的岩石失去侧向支撑，并在刀具作用下破裂。

本实用新型的特点是：

1.多个激光发生器产生的激光通过光纤光缆及所连接的所述的激光输出光学头输出至掘进面，激光从激光输出光学头发出并从刀盘上对应的激光孔射出，形成了激光加热区，弱化加工面，在刀具，如滚刀，的协同作用下达到掘进目的。

2.单个激光发生器产生的激光通过空间分光器中分光后分别进入相应光纤光缆，各光纤光缆分别连接于一个所述的激光输出光学头，激光从激光输出光学头发出并从刀盘上对应的激光孔射出，形成了激光加热区，弱化加工面，在刀具，如滚刀，的协同作用下达到掘进目的。相比现有的TBM而言，本实用新型利用激光辅助破岩的方式可以降低岩石硬度，大大提高隧道施工效率和施工质量，刀具，如滚刀，无需经常更换，节省了人力，不仅降低了施工成本和施工难度，而且还提高的施工的安全性。

附图说明

为了更清楚地说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做简要地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1、图2是本实用新型实施例的两种结构原理示意图。

图3是本实用新型一种激光辅助破岩的TBM结构示意图。

图4是本实用新型另一种激光辅助破岩的TBM结构示意图。

图5是本实用新型激光辅助破岩TBM的刀盘装置正面示意图。

图中：1是激光输出光学头、2是激光孔、3是光纤光缆、4是空间分光系统、5是激光发生器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1、图2是本实用新型的两种结构示意图。框架结构表明了激光辅助破岩TBM的工作模式。

图3、图5所示为一种新型激光辅助破岩TBM结构，其包括刀盘装置和激光系统，刀盘上按照一定规律均匀搭载一定数量的激光输出光学头1，并对应布置相应的激光孔2，激光输出光学头1发出激光通过激光孔2射向岩石；激光系统包括激光发生器5、激光传输光缆3和激光输出光学头1，激光发生器5产生的激光通过所述激光传输光缆3传输，各路激光通过相应的激光输出光缆以及相应的激光输出光学头到达加热表面，和激光传输光缆相连的激光输出光学头按照预先设定的位置搭载在所述TBM刀盘上，驱动装置推动TBM并驱动所述TBM刀盘装置，在TBM工作的过程中，激光发生器发出的激光束通过激光传输光缆并通过激光输出光学头按预定照射在掘进表面上，掘进表面上的岩石或其他物体在吸收激光能量被加热下，结构发生弱化并在TBM刀盘装置上刀具的作用下发生破坏，使掘进完成，清理装置则在掘进中清理碎石碎渣并保证掘进可连续进行。

图4是另一个新型激光辅助破岩TBM结构，其包括刀盘装置和激光系统，刀盘上按照一定规律均匀搭载一定数量的激光输出光学头1，并对应布置相应的激光孔2，激光输出光学头1发出激光通过激光孔2射向岩石；激光系统包括激光发生器5、激光传输光缆3、空间分光器4和激光输出光学头1，激光发生器5产生的激光通过所述激光传输光缆3传输，在空间分光器4中，光束被分为多束，各路激光可耦合进相应的激光输出光缆以及通过相应的激光输出光学头到达加热表面，和激光传输光缆相连的激光输出光学头按照预先设定的位置搭载在所述TBM刀盘上，驱动装置推动TBM并驱动所述TBM刀盘装置，在TBM工作的过程中，激光发生器发出的激光束通过激光传输光缆并通过激光输出光学头按预定照射在掘进表面上，掘进表面上的岩石或其他物体在吸收激光能量被加热下，结构发生弱化并在TBM刀盘装置上刀具的作用下发生破坏，使掘进完成，清理装置则在掘进中清理碎石碎渣并保证掘进可连续进行。

本实用新型的工作流程如下：

在TBM工作的过程中，各激光发生器5分别通过光纤光缆3传输，每条光纤光缆连接于一个所述的激光输出光学头1，激光通过激光输出光学头1发出激光束通过刀盘上各自对应的激光孔2照射在岩石上产生光斑，弱化加工面上的岩石，在刀具，如滚刀，的协同作用下达到掘进目的。然后利用清理系统，如刀盘上刮刀收集破碎的岩石进入溜渣槽。在另一个流程中，在TBM工作的过程中，激光发生器5产生的激光通过空间分束器进行分束，分出的光束分别通过光纤光缆3传输，每条光纤光缆连接于一个所述的激光输出光学头1，激光通过激光输出光学头1发出激光束通过刀盘上各自对应的激光孔2照射在岩石上产生光斑，弱化加工面上的岩石，在刀具，如滚刀，的协同作用下达到掘进目的。然后利用清理系统，如刀盘上刮刀收集破碎的岩石进入溜渣槽。

本实用新型利用激光破岩的方式可以大大提高隧道施工效率和施工质量，同时本实用新型可数量级低降低岩石硬度，无需经常更换滚刀等刀具，节省了人力和材料，不仅降低了施工成本和施工难度，而且在施工过程中对地层扰动较小，提高了施工的安全性。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种新型激光辅助破岩TBM结构，其特征在于，包括驱动装置，TBM刀盘装置，清理装置和激光系统；所述激光系统包括至少一台激光发生器，其中每台激光发生器至少包括一根激光输出光缆和一个激光输出光学头；其中和激光传输光缆相连的激光输出光学头按照预先设定的位置搭载在所述TBM刀盘上，驱动装置推动TBM并驱动所述TBM刀盘装置，在TBM工作的过程中，激光发生器发出的激光束通过激光传输光缆并通过激光输出光学头按预定照射在掘进表面上，掘进表面上的岩石或其他物体在吸收激光能量被加热下，结构发生弱化并在TBM刀盘装置上刀具的作用下发生破坏，使掘进完成，清理装置则在掘进中清理碎石碎渣并保证掘进可连续进行。

2.如权利要求1所述的新型激光辅助破岩TBM结构，其特征在于，还包括一个激光空间分束系统，所述激光空间分束系统将激光发生器所产生的激光分成多路，各路激光可通过相应的激光输出光缆以及相应的激光输出光学头到达加热表面。

3.如权利要求1所述的新型激光辅助破岩TBM结构，其特征在于，所述刀盘上相对应于激光输出光学头具有光学窗口，所述光学窗口在刀盘上所连接的位置具有预定的角度，使激光可按照预定的角度照射到刀具作用部位附近岩石表面。

4.如权利要求3所述的新型激光辅助破岩TBM结构，其特征在于，所述激光的光斑可保持刀具作用部位附近岩石表面处于软化或弱化的状态。

5.如权利要求1所述的新型激光辅助破岩TBM结构，其特征在于，还包括激光冷却器和电源系统，用来给各激光发生器供电及提供冷却。

6.如权利要求1所述的新型激光辅助破岩TBM结构，其特征在于，每个光斑激光功率范围50-20000瓦。

7.如权利要求1所述的新型激光辅助破岩TBM结构，其特征在于，照射在岩石或其他物体上的光斑形状为圆形，方形，长方形或不规则形状。

8.如权利要求1所述的新型激光辅助破岩TBM结构，其特征在于，所述激光发生器为半导体激光器、光纤激光器或固体激光器。

9.如权利要求1所述的新型激光辅助破岩TBM结构，其特征在于，所述激光发生器为脉冲输出激光器或连续输出激光器。

10.如权利要求1所述的新型激光辅助破岩TBM结构，其特征在于，所述激光发生器为或波长为近红外的激光器。