搭载于TBM上的射流辅助滚刀破岩装置及应用制造方法及图纸

本公开提供了一种搭载于TBM上的射流辅助滚刀破岩装置及应用，包括设置在TBM刀盘上的滚刀件，所述滚刀件旁设置有至少一射流喷嘴，所述射流喷嘴能够和加压供水装置连通，以喷射高压水射流，产生冲蚀、致裂以及与滚刀件的耦合破岩作用，辅助滚刀件进行破岩工作。克服了传统隧道掘进机在施工时，尤其在硬岩段掘进时由于滚刀磨损严重，更换频率增加造成的掘进速度慢、效率低、施工成本高、工期滞后等缺点。

Rock Breaking Device with Jet-assisted Hob on TBM and Its Application

The present disclosure provides a jet-assisted hob rock-breaking device mounted on TBM and its application, including a hob part mounted on the TBM cutter disc, with at least one jet nozzle beside the hob part. The jet nozzle can be connected with a pressurized water supply device to spray high-pressure water jet, generate erosion, fracturing and rock-breaking interaction with the hob part, and assist the hob part in rock-breaking. Work. It overcomes the shortcomings of traditional tunnel boring machine in construction, especially in hard rock section, such as slow speed, low efficiency, high construction cost and lagging time due to the serious wear of hob and the increase of replacement frequency.

【技术实现步骤摘要】
搭载于TBM上的射流辅助滚刀破岩装置及应用
本公开涉及一种搭载于TBM上的射流辅助滚刀破岩装置及应用。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。随着人类社会的进步发展，基础设施建设的需求日益增加，由于传统的施工方法已无法应对隧道开挖过程中复杂多变的地质条件，全断面隧道掘进机(TBM)应运而生。TBM通过推进刀盘旋转进行开挖掘进，同时破碎洞内围岩，实现隧道掘进一次成型、初期支护、出碴运输，集机、电、液、气为一体的一种高效的大型隧道施工机械。该机械主要由主机、连接桥、后配套组成。目前，我国多采用滚压式全断面掘进机，适用于中硬岩至硬岩，通过推进油缸的推进压力作用，使电动机驱动刀盘旋转，切压破碎岩石，且破碎岩石由勺斗卸至运输皮带上。掘进破岩过程中，滚刀与岩石间相互作用产生摩擦力，长时间持续不间断的掘进施工，且施工现场通风较差，滚刀与岩石摩擦积聚的热量无法有效耗散，致使滚刀温度过高，加快了滚刀的磨损速度，使用寿命缩短，滚刀更换频率增加，使刀具成本占总成本的比例提高，且工人更换滚刀过程复杂、耗费时间长，极易造成工期滞后等不利影响。同时，虽然目前存在将水加以高压，再经由具有细小孔径的喷射装置喷出，形成一束高速的水流束，通过高压水射流的冲蚀、致裂作用，使岩石裂隙张拉开裂，形成新的岩石碎块，以辅助破岩的研究理论，但是由于对高压水射流破岩机理的研究相对匮乏，破岩过程的复杂多变性，制约着高压水射流破岩技术的进一步发展，且由于多方面的限制因素，高压水射流破岩技术在实际应用过程中无法达到理想效果。
技术实现思路
本公开为了解决上述问题，提出了一种搭载于TBM上的射流辅助滚刀破岩装置及应用，本公开将滚刀挤压破碎岩石的作用与高压水射流破岩技术相结合，使得在破岩过程中能同时发挥两者的优势，极大程度的提高施工效率。根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：一种搭载于TBM上的射流辅助滚刀破岩装置，包括设置在TBM刀盘上的滚刀件，所述滚刀件旁设置有至少一射流喷嘴，所述射流喷嘴能够和加压供水装置连通，以喷射高压水射流，产生冲蚀、致裂以及与滚刀件的耦合破岩作用，辅助滚刀件进行破岩工作。当然，在本公开中，高压水射流是指经过一定增压后的流体，由喷嘴流出后，在足够大的空间内，不再受固体边界限制而继续扩散的流动方式，或形成的流体束。经过上述技术方案，能够保证滚刀件挤压破碎岩石的作用与高压水射流破岩技术相结合，使得在破岩过程中能同时发挥两者的优势，极大程度的提高施工效率。作为进一步的限定，所述射流喷嘴与TBM刀盘之间为可拆卸连接。经过上述技术方案，能够保证滚刀件挤压破碎岩石的作用与高压水射流破岩作用能够灵活结合，根据TBM掘进前方具体岩石的情况来自由选择是否需要将上述两种作用进行结合。作为一种可实施方案，所述射流喷嘴布置在滚刀件前沿并紧靠滚刀切割着力点。将射流喷嘴设置于滚刀件前方，能够使得射流在岩面上先形成冲蚀槽或损伤区，极大程度提高了滚刀贯入度，同时在射流与滚刀共同作用下，在岩体上形成极高应力区，利于岩石破碎成块，提高破岩效率。作为进一步的限定，所述射流喷嘴与滚刀的刀圈之间的最小间距大于0.5倍的刀圈厚度，且与掌子面的最小间距应控制在设定范围内。上述方案主要是要保证射流破岩的喷射靶距，且不破坏滚刀自身的作用和滚刀的结构。作为另一种可实施方案，所述射流喷嘴布置在滚刀件正后方，喷射出的高压水射流冲击方向和水平方向间呈一夹角。将射流喷嘴设置于滚刀件正后方，能够使射流通过滚刀与岩石间的缝隙进入岩石的裂隙中，不仅在裂隙内产生张力使岩石破碎形成碎块，且在扩张裂隙过程中，始终直接冲击裂隙的前沿，减少射流与岩石撞击时的能量损失，充分利用射流能量。该夹角能够使得射流冲击作用点靠近滚刀着力点，充分发挥射流冲击力与滚刀挤压力的耦合破岩作用；同时，水射流冲击由滚刀作用产生的岩石裂隙，充分发挥水射流的水压致裂作用。作为优选的实施例，所述射流喷嘴的喷射方向与滚刀刀圈的水平夹角α为30°～60°，与刀盘面的垂直夹角β为15°～45°。控制射流角度在上述范围之内，既能确保当射流达到滚刀贯入岩体位置周围一平方厘米范围内的位置，其靶距保持在设定距离以内，也可控制射流扩散角在合理的范围之内，避免了因靶距过大，射流束扩散过大，有效压力骤减致使破岩效率急剧降低的现象。作为进一步的限定，所述滚刀件包括刀座和滚刀，所述刀座固定于TBM刀盘上，所述滚刀通过轴或轴承设置于刀座内，所述滚刀能够沿轴或轴承转动。这种设置方式主要是保证滚刀的转动自由度。作为更进一步的限定，所述滚刀件还包括保护机构，具体包括支架和贴壁滑扣，所述刀座的内壁设置有滑槽，所述支架通过贴壁滑扣与刀座滑动连接，所述贴壁滑扣与滑槽相适配，所述支架上设置有翼状结构，使得支架能够沿滑槽上下移动，遮挡滚刀和射流喷嘴，起到一定的保护作用。保护机构能够保证掘进过程中，喷射的流体、岩石碎屑等不会破坏滚刀件/喷嘴的结构，同时减少喷嘴的堵塞、磨损。作为进一步的限定，所述保护机构的表面尺寸应覆盖整个射流喷嘴，其翼状结构边缘应超出喷头尖端一端距离，其覆盖面积应在不影响换刀的前提下尽可能大，以防止岩片剥落、泥沙淤积干扰射流装置的正常工作。为了防止刀圈损坏影响射流装置的正常工作，应在其边缘与刀圈之间留出适当的安全距离。作为进一步的限定，所述保护机构的翼状结构上设置有固定件，以固定射流喷嘴。当然，本领域技术人员应该知晓，在其他实施例中，可以有多种方式将喷嘴固定，如使用固定夹等，且固定件的位置需根据喷嘴的位置要求焊接在翼状结构的临空翼面。固定件的安装位置，根据射流喷嘴与滚刀的相对位置确定，且距离喷嘴尖端一段距离；优选的，所述直角梯形板表面应覆盖整个射流喷嘴和部分滚刀，其上底边和直角腰边的边缘应超出射流喷嘴的尖端一定距离，以便覆盖整个射流喷嘴且留有一定的安全距离。作为一种可选择的方案，所述保护机构的翼状结构包括直角梯形板、三角形板和矩形板，直角梯形板的下底长边与矩形板长边焊接，三角形板的长边与直角梯形板的长腰边焊接，三角形板的短边与所述滚刀的轴线平行，所述直角梯形板与矩形板的夹角为一个钝角，且形成的角度能够使直角梯形板不干涉滚刀的正常工作。一种TBM刀盘，设置有上述射流辅助滚刀破岩装置。一种全断面隧道掘进机，包括上述刀盘和加压供水装置，所述射流喷嘴和加压供水装置通过输水硬管连通。采用输水硬管，是因为硬管具有一定的刚性，且其弯曲和伸缩变形忽略不计。有助于保证射流的稳定性和准确性。与现有技术相比，本公开的有益效果为：本公开将滚刀与高压水射流破岩技术相结合，通过在破岩过程中发挥两者的优势，克服传统隧道掘进机在施工时，尤其在硬岩段掘进时由于滚刀磨损严重，更换频率增加造成的掘进速度慢、效率低、施工成本高、工期滞后等缺点。本公开摒弃了滚刀单一破岩的模式，利用高压水射流辅助滚刀进行破岩，通过高压水射流的冲蚀、致裂以及与滚刀耦合破岩作用，极大程度上降低了破岩工作的难度，提高了掘进速度，同时降低刀盘震动及滚刀磨损程度，延长主轴承和滚刀的寿命；本公开通过设置保护机构，保证其覆盖面积应在不影响换刀的前提下尽可能大，以防止岩片剥落、泥沙淤积干扰射流装置的正常工作。本公开通过控制喷嘴的设置位置以及射流角度，既能确保当射流达到滚刀贯入岩体位置本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种搭载于TBM上的射流辅助滚刀破岩装置，其特征是：包括设置在TBM刀盘上的滚刀件，所述滚刀件旁设置有至少一射流喷嘴，所述射流喷嘴能够和加压供水装置连通，以喷射高压水射流，产生冲蚀、致裂以及与滚刀件的耦合破岩作用，辅助滚刀件进行破岩工作。

【技术特征摘要】
1.一种搭载于TBM上的射流辅助滚刀破岩装置，其特征是：包括设置在TBM刀盘上的滚刀件，所述滚刀件旁设置有至少一射流喷嘴，所述射流喷嘴能够和加压供水装置连通，以喷射高压水射流，产生冲蚀、致裂以及与滚刀件的耦合破岩作用，辅助滚刀件进行破岩工作。2.如权利要求1所述的一种搭载于TBM上的射流辅助滚刀破岩装置，其特征是：所述射流喷嘴与TBM刀盘之间为可拆卸连接。3.如权利要求1所述的一种搭载于TBM上的射流辅助滚刀破岩装置，其特征是：所述射流喷嘴布置在滚刀件前沿并紧靠滚刀切割着力点。4.如权利要求1所述的一种搭载于TBM上的射流辅助滚刀破岩装置，其特征是：所述射流喷嘴与滚刀的刀圈之间的最小间距大于0.5倍的刀圈厚度，且与掌子面的最小间距控制在设定范围内。5.如权利要求1所述的一种搭载于TBM上的射流辅助滚刀破岩装置，其特征是：所述射流喷嘴布置在滚刀件正后方，喷射出的高压水射流冲击方向和水平方向间呈一夹角。6.如权利要求1所述的一种搭载于TBM上的射流辅助滚刀破岩装置，其特征是：所述滚刀件包括刀座和滚刀，所述刀座固定于TBM刀盘上，所述滚刀通过轴或轴承设置于刀座内，所述滚刀能够沿轴或轴承转动；优选的，所述滚刀件还包括保护机构，具体包括支架和贴壁滑扣，所述刀座的内壁设置有...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘征宇，胡蒙蒙，张超，张波，刘斌，曹文正，李彪，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37