联合破岩的水力切割滚刀及其破岩方法技术

本发明专利技术公开了一种联合破岩的水力切割滚刀。它呈轮辐式结构；包括刀具中轴，高压水注水孔、高压水射流通道和喷嘴支撑环形带状框架；所述高压水注水孔位于所述刀具中轴内；所述高压水射流通道与所述刀具中轴呈垂直设置；所述高压水射流通道一端与所述高压水注水孔连通，另一端沿所述喷嘴支撑环形带状框架径向分布、且位于所述喷嘴支撑环形带状框架上。本发明专利技术具有提高破岩效率的优点。本发明专利技术还公开了所述的联合破岩的水力切割滚刀的破岩方法。

Hydraulic cutting hob and rock breaking method of combined rock breaking

【技术实现步骤摘要】
联合破岩的水力切割滚刀及其破岩方法
本专利技术涉及隧道及地下工程
，特别涉及复杂地质条件TBM隧道施工领域，更具体地说它是联合破岩的水力切割滚刀。本专利技术还涉及所述的联合破岩的水力切割滚刀的破岩方法。
技术介绍
传统TBM采用机械滚刀破岩，TBM滚刀在破岩时往往具有三种状态，即贯入度过小、贯入度合适和贯入度过大。在一定的滚刀间距条件下，贯入度过小时，刀盘下方产生的裂纹会向破岩自由面(掌子面)上拓展并形成三角形的岩石渣片，亦或者两相邻滚刀所产生的水平向裂纹无法交汇，滚刀之间的岩脊无法被切削破坏，需要多次重复破岩才能达到良好的破岩效果，但此方法会造成破岩能耗增加，影响破岩效率；在一定的滚刀间距条件下，贯入度过大时，相邻滚刀间的岩石被切削成细小的岩石渣片、颗粒甚至粉末，岩石被过度破碎，造成了能耗的增加和刀具磨碎；合适的贯入度应该在一定滚刀间距条件下，以最小的能耗和机构磨损，形成最大的破岩范围。传统机械常截面盘形滚刀破岩贯入度由TBM参数确定，针对不同的掌子面岩性种类会做出调整，但是每次只能针对一种掌子面的岩石进行调整，由于底层地质复杂，各种岩性的岩石交错布置，使用传统机械进行破岩，效率低、破岩能耗大、易磨损滚刀；且由于施工过程中很难找到合适的TBM贯入度，所以容易造成TBM切削能量的损耗和刀盘的磨损。现有TBM破岩方法中采用的常规滚刀结构，第一种破岩方式为：采用普通滚轮式滚刀破岩；第二种破岩方式为：在TBM刀盘空白位置上随机打孔案装水射流结构，使水射流结构与普通滚轮式滚刀间隔布置，采用水力和机械联合破岩；但是采用上述第一种破岩方式进行破岩，破坏岩石所需最大力较大，且易磨损滚刀，破岩效率较低；采用上述第二种破岩方式进行破岩，如申请号为：201310188881.X，专利名称为《高压水射流在掘进机刀盘中的布置方法与结构》；其在传统TBM刀盘主体结构形式基础上，在TBM刀盘的空白位置随机布置若干高压水喷嘴，具有提高TBM的破岩效率，降低刀盘温度，对环境防尘降温；但是，由于其需在TBM刀盘上专门开设安装高压水刀的开孔，结构复杂，随机对机械滚刀进行降温，并不具有针对性，由于其处于常开状态，易造成水资源浪费，破岩能耗较高，且达不到预计效果。如申请号为CN105736006A，专利名称为《高压水射流全断面岩石掘进机刀盘设计方法》，专利技术人霍军周、朱冬等改变了传统圆形刀盘的形状，采用两个十字形辐条布局，通过四辐条上水射流的冲击以及刀具的旋转挤压来进行岩石破碎，降低了破岩能耗；但是其对传统TBM刀盘的改动较大，成本较高，不利于实现及应用。且TBM隧道掘进机掘进破岩过程中，由于受到地应力和岩石强度特性的影响，可能会发生TBM刀盘卡机现象，严重影响TBM的掘进效率，造成重大的设备损坏和财产损失。随着全断面岩石掘进机在水利工程、地铁工程、交通工程等隧道建设工程方面的广泛应用，对TBM掘进性能提出了更高的要求。当前我国大型工程建设突飞猛进，特别是在引水隧洞、交通隧道、防护工程洞室等领域，TBM的掘进作用日益突出，提高TBM的掘进效率迫在眉睫。目前以机械-水力联合破岩TBM的形式最为可行，然而受目前水力切割岩石速率的限制，无法匹配机械破岩速率，致使整体破岩效率无法大幅提升。因此，现亟需开发一种破岩效率较高的破岩切割滚刀及其破岩方法。
技术实现思路
本专利技术的第一目的是为了提供一种联合破岩的水力切割滚刀；采用轮辐式结构，在联合破岩中提供高压水射流切割岩石；采用轮辐式设计，轻量化处理降低了滚刀的重量。本专利技术的第二目的是为了提供联合破岩的水力切割滚刀的破岩方法，工作效率较高。为了实现上述本专利技术的第一目的，本专利技术的技术方案为：联合破岩的水力切割滚刀，其特征在于：呈轮辐式结构；包括刀具中轴，高压水注水孔、高压水射流通道和喷嘴支撑环形带状框架；所述高压水注水孔位于所述刀具中轴内；所述高压水射流通道与所述刀具中轴呈垂直设置；所述高压水射流通道一端与所述高压水注水孔连通，另一端沿所述喷嘴支撑环形带状框架径向分布、且位于所述喷嘴支撑环形带状框架上。在上述技术方案中，所述喷嘴支撑环形带状框架为环形带状结构。在上述技术方案中，还包括保护刚性套筒结构和高压水射流喷嘴；所述保护刚性套筒结构套在所述高压水射流通道外周；所述保护刚性套筒结构与所述刀具中轴呈垂直设置；所述高压水射流喷嘴与所述高压水射流通道连通、且位于所述喷嘴支撑环形带状框架上。在上述技术方案中，有高压水射流分流结构位于所述高压水注水孔与所述高压水射流通道的交汇处、且位于所述喷嘴支撑环形带状框架的中心；有加强结构位于所述高压水射流分流结构上。在上述技术方案中，有高压水射流喷嘴保护结构设于所述高压水射流喷嘴上、且位于所述喷嘴支撑环形带状框架上。在上述技术方案中，有高压水转向计时控制阀设于所述高压水射流通道上、且位于所述保护刚性套筒结构上；所述高压水转向计时控制阀位于所述喷嘴支撑环形带状框架内；在上述技术方案中，所述高压水射流通道有多条。在上述技术方案中，所述高压水射流通道有六条。在上述技术方案中，所述高压水射流喷嘴为可变孔径调角喷嘴；所述高压水射流喷嘴包括喷嘴主体、调角旋钮和调角控制器；所述喷嘴主体与所述高压水射流通道连通、且位于所述喷嘴支撑环形带状框架上；所述调角控制器设于所述喷嘴主体上端、且位于所述喷嘴主体与所述高压水射流通道的连接处；所述调角旋钮设于所述调角控制器上。为了实现上述本专利技术的第二目的，本专利技术的技术方案为：所述的联合破岩的水力切割滚刀的破岩方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：外界高压水接入高压水注水孔后，通过高压水注水孔进入高压水射流分流结构；步骤二：进入压水射流分流结构的高压水进一步进入各个高压水射流通道；步骤三：高压水转向计时控制阀控制高压水的水射流破岩；当高压水转向计时控制阀计算到对应高压水射流通道应当喷射高压水的对应时间，则高压水转向计时控制阀开启，对应高压水射流通道喷射高压水破岩；当高压水转向计时控制阀计算到对应高压水射流通道达到喷射高压水的持续喷射时间，则高压水转向计时控制阀关闭，对应高压水射流通道停止喷射高压水。本专利技术具有如下优点：(1)本专利技术水力切割滚刀仅作为高压水射流喷射及控制装置，降低了功能复杂性；(2)本专利技术水力切割滚刀采用轮辐式设计，轻量化处理降低了滚刀的重量；(3)本专利技术高压水射流喷嘴设置了保护机构，可以起到降低喷嘴磨损的作用；(4)本专利技术高压水射流喷嘴可以更换，延长了刀具的使用寿命；(5)本专利技术高压水转向计时控制阀可以精准控制高压水射流通道喷射高压水的时间，精准喷射高压水破岩，节省能耗；(6)本专利技术喷嘴支撑环形带状框架所受力较小，目的是为了保证水力切割刀具模块始终紧贴岩石掌子面进行水刀切割，提高破岩效率；喷嘴支撑环形带状框架起滚动行走作用，不承受压力；(7)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.联合破岩的水力切割滚刀，其特征在于：呈轮辐式结构；包括刀具中轴(1)，高压水注水孔(2)、高压水射流通道(3)和喷嘴支撑环形带状框架(6)；/n所述高压水注水孔(2)位于所述刀具中轴(1)内；/n所述高压水射流通道(3)与所述刀具中轴(1)呈垂直设置；/n所述高压水射流通道(3)一端与所述高压水注水孔(2)连通，另一端沿所述喷嘴支撑环形带状框架(6)径向分布、且位于所述喷嘴支撑环形带状框架(6)上。/n

【技术特征摘要】
1.联合破岩的水力切割滚刀，其特征在于：呈轮辐式结构；包括刀具中轴(1)，高压水注水孔(2)、高压水射流通道(3)和喷嘴支撑环形带状框架(6)；
所述高压水注水孔(2)位于所述刀具中轴(1)内；
所述高压水射流通道(3)与所述刀具中轴(1)呈垂直设置；
所述高压水射流通道(3)一端与所述高压水注水孔(2)连通，另一端沿所述喷嘴支撑环形带状框架(6)径向分布、且位于所述喷嘴支撑环形带状框架(6)上。


2.根据权利要求1所述的联合破岩的水力切割滚刀，其特征在于：所述喷嘴支撑环形带状框架(6)为环形带状结构。


3.根据权利要求1所述的联合破岩的水力切割滚刀，其特征在于：还包括保护刚性套筒结构(4)和高压水射流喷嘴(5)；
所述保护刚性套筒结构(4)套在所述高压水射流通道(3)外周；
所述保护刚性套筒结构(4)与所述刀具中轴(1)呈垂直设置；
所述高压水射流喷嘴(5)与所述高压水射流通道(3)连通、且位于所述喷嘴支撑环形带状框架(6)上。


4.根据权利要求1所述的联合破岩的水力切割滚刀，其特征在于：有高压水射流分流结构(7)位于所述高压水注水孔(2)与所述高压水射流通道(3)的交汇处、且位于所述喷嘴支撑环形带状框架(6)的中心；
有加强结构(8)位于所述高压水射流分流结构(7)上。


5.根据权利要求3所述的联合破岩的水力切割滚刀，其特征在于：有高压水射流喷嘴保护结构(10)设于所述高压水射流喷嘴(5)上、且位于所述喷嘴支撑环形带状框架(6)上。


6.根据权利要求1所述的联合破岩的水力切割滚刀，其特征在于：有高压水转向计时控制阀(9)设于所述高压水射流通道(3)上、且位于所述保护刚性套...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢景景，徐福通，周辉，张传庆，邱浩权，杨凡杰，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：湖北;42