CN211422649U - 一种搭载pdc钻头辅助破岩的tbm刀盘 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种搭载PDC钻头辅助破岩的TBM刀盘，包括刀盘主体、滚刀组、集渣斗、辅助钻头和供水装置，滚刀组包括固定设置在刀盘主体上的多个滚刀头，集渣斗设置在刀盘主体外围的滚刀头间隙，辅助钻头共有多个，均凹嵌设置刀盘主体表面，辅助钻头包括PDC钻头、连接基座、角度调节装置和电机，供水装置用于为刀盘主体切割岩石提供冷却水源，供水装置包括设置在外部水源内的供水泵，均匀设置在刀盘主体上空隙处的喷水嘴一，分别设置在PDC钻头表面的喷水嘴二。总之，本实用新型具有结构新颖、安全高效、维修成本低等优点。
Description
技术领域
本实用新型属于隧道工程技术领域，具体是涉及一种搭载PDC钻头辅助破岩的TBM刀盘。
背景技术
当今跨流域、跨区域的引、调水工程中，长隧洞(如我国南水北调西线工程中隧洞长度超过200km)常常是工程的首选引(输)水建筑物，在地形、地质条件限制的条件下，为提高隧洞施工速度，缩短工程工期，首选采用TBM施工。传统TBM仅采用主推力油缸提供的推力将滚刀贯入岩石，滚刀随着刀盘的运动而被动滚动并切割、挤压、破碎岩石，从而实现隧洞掘进开挖。根据现有工程资料统计，传统TBM施工平均月进尺为500mm。但是，当岩石单轴抗压强度超过 120MPa时，TBM的贯入度极低且刀具磨损严重，使得TBM高效性不能充分发挥，导致TBM施工效率严重下降。
PDC钻头破岩技术已较成熟，并广泛应用于石油行业快速钻井技术中，到本世纪初PDC钻头已70％～80％取代了牙轮钻头，成为我国石油钻井的主要钻头。通过吸收、借鉴石油等行业的PDC钻头破岩技术，将PDC钻头搭载到传统TBM 刀盘上，形成PDC钻头辅助破岩的TBM。
实用新型内容
针对上述存在的问题，本实用新型提供了一种搭载PDC钻头辅助破岩的 TBM刀盘。
本实用新型的技术方案是：一种搭载PDC钻头辅助破岩的TBM刀盘，主要包括刀盘主体、滚刀组、集渣斗、辅助钻头和供水装置，
所述滚刀组包括错落设置在刀盘主体上的多个滚刀头，刀盘主体在转动过程中带动滚刀头切割岩石，所述滚刀头的运行轨迹分别落在以刀盘主体的中心为圆心的各个同心圆上，且由内到外的各组滚刀头的连接轨迹线形成近似螺旋状，
所述集渣斗设置在刀盘主体外围的滚刀头间隙中，集渣斗的出渣口与出渣机连接，用于将滚刀组剥落的岩渣送出隧道，
所述辅助钻头共有多个，均凹嵌设置在刀盘主体表面，辅助钻头包括用于辅助切割岩石的PDC钻头，将PDC钻头与所述刀盘主体活动连接的连接基座，与连接基座固定连接用于调节PDC钻头角度的角度调节装置和为PDC钻头切割岩石提供动力的电机，
所述供水装置用于为刀盘主体切割岩石提供冷却水源，供水装置包括设置在外部水源内的供水泵，均匀设置在刀盘主体上空隙处的喷水嘴一，分别设置在 PDC钻头表面的喷水嘴二，所述喷水嘴一、喷水嘴二分别通过供水歧管与所述供水泵连接。
优选地，所述滚刀组同一运行轨迹线上的滚刀头为2-8个，避免同一轨迹线上出现滚刀头受损而造成刀盘整体需要停车维修的情况。
进一步地，所述辅助钻头的位置均位于所述滚刀头的运行轨迹上，且同轨迹线上的辅助钻头位于滚刀头运行方向前端，在运行过程中辅助钻头先行对掌子面岩石进行预切削，随后由滚刀头进行切削破碎，提高破岩效率，极大延长了TBM 刀盘的使用寿命。
优选地，所述PDC钻头采用复合片式切削齿。
进一步地，所述连接基座包括内部设有嵌槽用于与所述PDC钻头连接的连接柱，连接柱通过转轴与刀盘主体活动连接，连接柱外侧设有与所述角度调节装置通过齿轮咬合连接的旋座，所述旋座与转轴固定连接。
进一步地，所述角度调节装置调节PDC钻头的角度调节范围为与刀盘主体夹角1-90°，满足不同施工条件。
进一步地，所述供水歧管与供水泵通过法兰轴承连接，法兰轴承可以使供水歧管在刀盘主体转动时随着刀盘主体同步转动，避免供水歧管扭断。
本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的一种搭载PDC钻头辅助破岩的TBM刀盘，通过在传统刀盘上滚刀头同轨迹线上不影响滚刀头运行处设置 PDC钻头，在刀盘上滚刀头进行岩体切削之前先用通过PDC钻头高速自转进行初步切削破碎成槽，然后再使滚刀头沿PDC钻头切割成槽或微裂缝的岩体中进行切割，达到快速进行隧洞掘进开挖，同时降低岩石对滚刀的磨损，提高了TBM 刀盘的掘进效率，延长盘形滚刀使用寿命，同时辅助钻头为角度可调节的PDC 钻头，可以满足不同施工条件下对PDC钻头角度变化的需求，而且在PDC钻头上单独设置喷水嘴二，避免PDC钻头先行切削掌子面岩石时，无法供给水源。总之，本实用新型具有结构新颖、安全高效、维修成本低等优点。
附图说明
图1是本实用新型的整体结构示意图；
图2是本实用新型的刀盘主体示意图。
其中，1-刀盘主体、2-滚刀组、21-滚刀头、3-集渣斗、4-辅助钻头、41-PDC 钻头、42-连接基座、421-嵌槽、422-连接柱、423-转轴、424-旋座、43-角度调节装置、44-电机、5-供水装置、51-供水泵、52-喷水嘴一、53-喷水嘴二。
具体实施方式
为便于对本实用新型技术方案的理解，下面结合附图1-2和具体实施例对本实用新型做进一步的解释说明，实施例并不构成对实用新型保护范围的限定。
实施例1：如图1-2所示，一种搭载PDC钻头辅助破岩的TBM刀盘，主要包括刀盘主体1、滚刀组2、集渣斗3、辅助钻头4和供水装置5，
滚刀组2包括错落设置在刀盘主体1上的多个滚刀头21，刀盘主体1在转动过程中带动滚刀头21切割岩石，滚刀头21的运行轨迹分别落在以刀盘主体1 的中心为圆心的各个同心圆上，且由内到外的各组滚刀头21的连接轨迹线形成近似螺旋状，滚刀组2同一运行轨迹线上的滚刀头21为2-8个，
集渣斗3设置在刀盘主体1外围的滚刀头21间隙中，集渣斗3的出渣口与出渣机连接，用于将滚刀组2剥落的岩渣送出隧道，
辅助钻头4共有多个，均凹嵌设置在刀盘主体1表面，辅助钻头4的位置均位于滚刀头21的运行轨迹上，且同轨迹线上的辅助钻头4位于滚刀头21运行方向前端，
辅助钻头4包括用于辅助切割岩石的PDC钻头41，PDC钻头41采用复合片式切削齿，
将PDC钻头41与刀盘主体1活动连接的连接基座42，连接基座42包括内部设有嵌槽421用于与PDC钻头41连接的连接柱422，连接柱422通过转轴423 与刀盘主体1活动连接，连接柱422外侧设有与角度调节装置43通过齿轮咬合连接的旋座424，旋座424与转轴423固定连接，角度调节装置43带动齿轮旋转，调节PDC钻头旋转角度，
与连接基座42固定连接用于调节PDC钻头41角度的角度调节装置43和为PDC钻头41切割岩石提供动力的电机44，角度调节装置43的角度调节范围为与刀盘主体1夹角1-90°，
供水装置5用于为刀盘主体1切割岩石提供冷却水源，供水装置5包括设置在外部水源内的供水泵51，均匀设置在刀盘主体1上空隙处的喷水嘴一52，分别设置在PDC钻头41表面的喷水嘴二53，喷水嘴一52、喷水嘴二53分别通过供水歧管与供水泵51连接，供水歧管与供水泵51通过法兰轴承连接，
上述角度调节装置43为BM-R摆线液压马达，电机44为TMPE系列高速电机，供水泵51为QDL立式加压水泵。
实施例2：
与实施例1基本相同，不同之处在于：辅助钻头4与刀盘主体1表面垂直固定，且PDC钻头41突出刀盘主体1并超出同轨迹滚刀头21高度8mm。
实施例3：
上述实施例1的TBM刀盘的施工方法为：
S1：对需要切割破碎的掌子面岩石取样，检测分析掌子面岩石的组成成分和硬度，根据检测参数调节辅助钻头4的旋转角度，确保辅助钻头4既可以最大深度对掌子面岩石进行预切削成槽，又不会因为角度过大在切削过程中承力过大而造成损坏；
S2：同步启动旋转刀盘主体1和电机44，刀盘主体1转动时，滚刀头21与 PDC钻头41同步旋转，PDC钻头41在电机44的带动下自转，先行实现对掌子面岩石的切削破碎成槽，PDC钻头41在初始切削时转速为150r/min，后以 100r/min的速率升速至3000r/min；
S3：随着刀盘主体1的转动与推进，滚刀头21压入已被PDC钻头41切割成槽或微裂缝的掌子面岩石中，并切割、挤压、破碎岩石，供水装置5持续为掌子面岩石切割面喷水；
S4：掌子面岩石在PDC钻头41和滚刀头21的共同切割挤压作用下剥落脱离岩体，岩渣进入集渣斗3后通过出渣机送出隧洞。
实验例：分别选取三个正在施工的隧道，将实施例1、实施例2提供的TBM 刀盘分别替换三个隧道的TBM刀盘，结果分别如下：
隧道一：隧道一的掌子面岩石硬度f＝5.3，
实施例1中TBM刀盘的辅助钻头与刀盘主体夹角为78°，实施例2中TBM 刀盘的辅助钻头与刀盘主体90°垂直，实施例1与实施例2提供的TBM刀盘均可以稳定进行施工，但实施例1提供的TBM刀盘施工推进速度高于实施例2提供的TBM刀盘；
隧道二：隧道二的掌子面岩石硬度f＝16.8，
实施例1提供的TBM刀盘将PDC钻头调节至与刀盘主体夹角为38°，施工过程稳定，辅助钻头无损坏现象，
实施例2提供的TBM刀盘因为无法调节辅助钻头角度，辅助钻头与刀盘主体90°垂直，导致施工推进过程缓慢，并且出现了辅助钻头损坏的情况；
隧道三：隧道三的掌子面岩石层硬度较为不稳定，硬度f在5.1～18.0之间波动，
实施例1提供的TBM刀盘可以在施工推进过程中调整辅助钻头的角度，从而适应不同硬度岩石的切削力度，
实施例2提供的TBM刀盘在硬度较低的岩层推进稳定，但当推进至硬度较高的岩层，发生推进速度变慢，辅助钻头出现损坏，需要进行停车检修、调整，大大影响了施工进度。
结论：实施例1提供的TBM刀盘，可以在刀盘运行过程中调整辅助钻头的角度，来满足不同施工条件下的施工推进，不需要停车检修、调整，加快了施工速度。
Claims (6)
1.一种搭载PDC钻头辅助破岩的TBM刀盘，其特征在于，主要包括刀盘主体(1)、滚刀组(2)、集渣斗(3)、辅助钻头(4)和供水装置(5)，
所述滚刀组(2)包括错落设置在刀盘主体(1)上的多个滚刀头(21)，刀盘主体(1)在转动过程中带动滚刀头(21)切割岩石，所述滚刀头(21)的运行轨迹分别落在以刀盘主体(1)的中心为圆心的各个同心圆上，且由内到外的各组滚刀头(21)的连接轨迹线形成近似螺旋状，
所述集渣斗(3)设置在刀盘主体(1)外围的滚刀头(21)间隙中，集渣斗(3)的出渣口与出渣机连接，用于将滚刀组(2)剥落的岩渣送出隧道，
所述辅助钻头(4)共有多个，均凹嵌设置在刀盘主体(1)表面，辅助钻头(4)包括用于辅助切割岩石的PDC钻头(41)，将PDC钻头(41)与所述刀盘主体(1)活动连接的连接基座(42)，与连接基座(42)固定连接用于调节PDC钻头(41)角度的角度调节装置(43)和为PDC钻头(41)切割岩石提供动力的电机(44)，
所述供水装置(5)用于为刀盘主体(1)切割岩石提供冷却水源，供水装置(5)包括设置在外部水源内的供水泵(51)，均匀设置在刀盘主体(1)上空隙处的喷水嘴一(52)，分别设置在PDC钻头(41)表面的喷水嘴二(53)，所述喷水嘴一(52)、喷水嘴二(53)分别通过供水歧管与所述供水泵(51)连接。
2.根据权利要求1所述的一种搭载PDC钻头辅助破岩的TBM刀盘，其特征在于，所述滚刀组(2)同一运行轨迹线上的滚刀头(21)为2-8个。
3.根据权利要求1所述的一种搭载PDC钻头辅助破岩的TBM刀盘，其特征在于，所述辅助钻头(4)的位置均位于所述滚刀头(21)的运行轨迹上，且同轨迹线上的辅助钻头(4)位于滚刀头(21)运行方向前端。
4.根据权利要求1所述的一种搭载PDC钻头辅助破岩的TBM刀盘，其特征在于，所述PDC钻头(41)采用复合片式切削齿。
5.根据权利要求1所述的一种搭载PDC钻头辅助破岩的TBM刀盘，其特征在于，所述连接基座(42)包括内部设有嵌槽(421)用于与所述PDC钻头(41)连接的连接柱(422)，连接柱(422)通过转轴(423)与刀盘主体(1)活动连接，连接柱(422)外侧设有与所述角度调节装置(43)通过齿轮咬合连接的旋座(424)，所述旋座(424)与转轴(423)固定连接。
6.根据权利要求1所述的一种搭载PDC钻头辅助破岩的TBM刀盘，其特征在于，所述角度调节装置(43)对PDC钻头(41)的角度调节范围为与刀盘主体(1)夹角1-90°。
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