CN211524816U

CN211524816U - 一种用于高磨蚀地层的tbm水力耦合破岩滚刀装置

Info

Publication number: CN211524816U
Application number: CN202020115892.0U
Authority: CN
Inventors: 蒋亚龙; 徐贞珍; 熊扶阳; 徐长节; 张鹏林
Original assignee: East China Jiaotong University
Current assignee: East China Jiaotong University
Priority date: 2020-01-16
Filing date: 2020-01-16
Publication date: 2020-09-18
Anticipated expiration: 2030-01-16

Abstract

本实用新型公开了一种用于高磨蚀地层的TBM水力耦合破岩滚刀装置，包括单刃盘形滚刀、高压水射流装置及喷嘴保护块；单刃盘形滚刀包括刀圈、带孔滚刀刀座、滚刀轴承；喷嘴保护块沿相邻滚刀中轴线处水刀切割裂纹环形迹线布置；高压水射流装置用于沿TBM单刃滚刀滚压迹线预切割岩体，高压水射流装置包括可更换式高压水射流喷嘴、输水管路、高压水泵、进水管路，进水管路用于向高压水泵供水，水被高压水泵加压后从输水管路通向可更换式高压水射流喷嘴。本实用新型能够实现TBM在高强度高磨蚀性地层中的高效破岩，降低刀具磨耗和机器能耗。

Description

一种用于高磨蚀地层的TBM水力耦合破岩滚刀装置

技术领域

本实用新型涉及隧道开挖掘进施工机械设备技术领域，特别是涉及一种用于高磨蚀地层的TBM水力耦合破岩滚刀装置。

背景技术

随着我国中西部地区交通基础设施、深部资源开采和水资源开发等需求的日益增长，大量深埋长大隧道应运而生。全断面隧道掘进机(Full Face Tunnel Boring Machine，TBM)具有施工速度快、效率高、隧洞成型好、对周边环境影响小以及作业安全等优点，已成为深长隧道掘进施工的首选和发展趋势。

然而，TBM掘进中一旦遭遇高强度高磨蚀地层，将不可避免地导致TBM掘进困难、刀具消耗严重等一系列问题，严重影响TBM施工进度及成本控制；特别地，深部高围压等复杂环境条件将使上述问题进一步恶化。

目前而言，当TBM掘进遭遇高强度高磨蚀性地层时，主要通过合理优化刀盘布局、刀具参数，并辅以调节控制机器掘进参数，从而实现较低的刀具磨耗和较高的掘进效率。然而，上述方法只能在一定程度上使问题小幅改善，且无法解决刀具磨耗和掘进效率之间的固有矛盾。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出一种用于高磨蚀地层的TBM水力耦合破岩滚刀装置，以实现TBM在高强度高磨蚀性地层中的高效破岩，降低刀具磨耗和机器能耗。

一种用于高磨蚀地层的TBM水力耦合破岩滚刀装置，包括单刃盘形滚刀、高压水射流装置及喷嘴保护块；

所述单刃盘形滚刀包括刀圈、带孔滚刀刀座、滚刀轴承，所述滚刀轴承安装在所述带孔滚刀刀座上，所述刀圈位于所述滚刀轴承的外侧；

所述喷嘴保护块沿相邻滚刀中轴线处水刀切割裂纹环形迹线布置；

所述高压水射流装置用于沿TBM单刃滚刀滚压迹线预切割岩体，所述高压水射流装置包括可更换式高压水射流喷嘴、输水管路、高压水泵、进水管路，所述输水管路和所述进水管路安装在所述高压水泵的两端，所述输水管路与所述可更换式高压水射流喷嘴连接，所述进水管路用于向所述高压水泵供水，水被所述高压水泵加压后从所述输水管路通向所述可更换式高压水射流喷嘴。

根据本实用新型提出的用于高磨蚀地层的TBM水力耦合破岩滚刀装置，利用高压水射流装置形成高压水刀，沿TBM单刃滚刀滚压迹线预切割岩体，在单刃盘形滚刀推力一定的条件下更易于滚刀贯入以及侧向裂纹向更深部孕育发展，避免滚刀发生严重磨损，可以利用水刀在两相邻滚压迹线间切割形成竖向裂纹，更利于滚刀贯入产生的侧向裂纹向该竖向裂纹发展贯通并形成大面积岩片，从而有效提高破岩效率，从而实现TBM在高强度高磨蚀性地层中的高效破岩，降低刀具磨耗和机器能耗。此外，根据目标岩样磨蚀性指标的不同，可以通过调节高压水泵以及更换喷嘴，灵活调控水刀压力和直径，该装置构造简单，所用零部件加工简便且辅助设施技术成熟，具备较高的可行性。

另外，根据本实用新型提供的用于高磨蚀地层的TBM水力耦合破岩滚刀装置，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，所述单刃盘形滚刀在TBM刀盘上沿滚刀滚压环形迹线对称式布置

进一步地，所述高压水射流装置还包括喷嘴固定夹具，所述喷嘴固定夹具用于固定所述可更换式高压水射流喷嘴。

进一步地，在同一滚刀滚压环形迹线上，所述高压水射流装置与所述单刃盘形滚刀间隔布置。

进一步地，所述喷嘴保护块通过螺栓进行紧固。

进一步地，所述喷嘴保护块的高度大于所述喷嘴的高度。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本实用新型一实施例的用于高磨蚀地层的TBM水力耦合破岩滚刀装置的布置示意图；

图2是本实用新型一实施例的用于高磨蚀地层的TBM水力耦合破岩滚刀装置的侧视图；

图3是本实用新型一实施例的用于高磨蚀地层的TBM水力耦合破岩滚刀装置的正视图；

图4是本实用新型一实施例的用于高磨蚀地层的TBM水力耦合破岩滚刀装置的破岩原理示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本实用新型的若干实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”以及类似的表述只是为了说明的目的，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1至图4，本实用新型的一实施例提出的用于高磨蚀地层的TBM水力耦合破岩滚刀装置。包括单刃盘形滚刀2、高压水射流装置6及喷嘴保护块9。

所述单刃盘形滚刀2包括刀圈3、带孔滚刀刀座4、滚刀轴承5，滚刀轴承5安装在所述带孔滚刀刀座4上，刀圈3位于滚刀轴承5的外侧。

单刃盘形滚刀2在TBM刀盘1上沿滚刀滚压环形迹线对称式布置，每把滚刀刀刃破岩轨迹不重合，滚刀的数量可以依据装备设计直径大小合理布置。

喷嘴保护块9沿相邻滚刀中轴线处水刀切割裂纹环形迹线17布置。

滚刀滚压环形迹线具体包括滚刀滚压环形迹线16-1和滚刀滚压环形迹线16-2，具体的，滚刀滚压环形迹线16-1和16-2相对应位置的两个单刃盘形滚刀2连线通过圆心，同时每两个喷嘴保护块9呈对称式分布在该连线两侧。

所述高压水射流装置6包括可更换式高压水射流喷嘴7、喷嘴固定夹具8、输水管路10、高压水泵11、进水管路12；输水管路10和进水管路12安装在所高压水泵11的两端，输水管路10与可更换式高压水射流喷嘴7连接，所述进水管路12用于向所述高压水泵11供水，水被所述高压水泵11加压后从所述输水管路10通向所述可更换式高压水射流喷嘴7。

在同一滚刀滚压环形迹线上，高压水射流装置6与单刃盘形滚刀2间隔布置。其中，进水管路12向高压水泵11供水，由高压水泵11加压后从输水管路10通向可更换式高压水射流喷嘴7，同时可更换式高压水射流喷嘴7通过喷嘴固定夹具8进行连接，便于喷嘴7的更换。

该装置破岩工作原理如下：

在同一滚刀滚压环形迹线上，高压水射流装置6与单刃盘形滚刀2间隔布置。对于高压水射流装置6，通过TBM后配套中加设的进水管路12向高压水泵11供水，由高压水泵11加压后从输水管路10通向可更换式高压水射流喷嘴7，形成高压水刀预切割掌子面13岩体，并产生竖向预切割裂纹14-1和14-2；可更换式高压水射流喷嘴7通过喷嘴固定夹具8进行连接，便于喷嘴的更换；喷嘴保护块9利用螺栓进行紧固，同时保证喷嘴保护块9的高度大于可更换式高压水射流喷嘴7的高度，从而保护可更换式高压水射流喷嘴7避免磨损或磕碰；根据掌子面13岩体的磨蚀性和脆性指标确定高压水刀压力值和直径，通过调节高压水泵11和选取满足内径要求的可更换式高压水射流喷嘴7，从而更利于滚刀刀刃贯入掌子面13岩体；掘进过程中，相邻滚刀刀座处的可更换式高压水射流喷嘴7产生高压水刀，预切割掌子面13岩体，产生具有一定深度和宽度的竖向预切割裂纹14-1和14-2，单刃盘形滚刀2在刀盘1推力和扭矩作用下沿滚刀滚压环形迹线16-1和16-2滚压切削掌子面13岩体，产生侧向裂纹并与相邻滚刀中轴线处的水刀预切割裂纹15贯通，从而形成大面积的岩块片起，完成高效破岩掘进。

根据本实施例提出的用于高磨蚀地层的TBM水力耦合破岩滚刀装置，利用高压水射流装置6形成高压水刀，沿TBM单刃滚刀滚压迹线预切割岩体，在单刃盘形滚刀2推力一定的条件下更易于滚刀贯入以及侧向裂纹向更深部孕育发展，避免滚刀发生严重磨损，可以利用水刀在两相邻滚压迹线间切割形成竖向裂纹，更利于滚刀贯入产生的侧向裂纹向该竖向裂纹发展贯通并形成大面积岩片，从而有效提高破岩效率，从而实现TBM在高强度高磨蚀性地层中的高效破岩，降低刀具磨耗和机器能耗。此外，根据目标岩样磨蚀性指标的不同，可以通过调节高压水泵以及更换喷嘴，灵活调控水刀压力和直径，该装置构造简单，所用零部件加工简便且辅助设施技术成熟，具备较高的可行性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种用于高磨蚀地层的TBM水力耦合破岩滚刀装置，其特征在于，包括单刃盘形滚刀、高压水射流装置及喷嘴保护块；

2.根据权利要求1所述的用于高磨蚀地层的TBM水力耦合破岩滚刀装置，其特征在于，所述单刃盘形滚刀在TBM刀盘上沿滚刀滚压环形迹线对称式布置。

3.根据权利要求1所述的用于高磨蚀地层的TBM水力耦合破岩滚刀装置，其特征在于，所述高压水射流装置还包括喷嘴固定夹具，所述喷嘴固定夹具用于固定所述可更换式高压水射流喷嘴。

4.根据权利要求1所述的用于高磨蚀地层的TBM水力耦合破岩滚刀装置，其特征在于，在同一滚刀滚压环形迹线上，所述高压水射流装置与所述单刃盘形滚刀间隔布置。

5.根据权利要求1所述的用于高磨蚀地层的TBM水力耦合破岩滚刀装置，其特征在于，所述喷嘴保护块通过螺栓进行紧固。

6.根据权利要求5所述的用于高磨蚀地层的TBM水力耦合破岩滚刀装置，其特征在于，所述喷嘴保护块的高度大于所述喷嘴的高度。