一种利用微波和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬岩掘进机制造技术

本发明专利技术公开了一种利用微波和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬岩掘进机，解决了现有掘进机在掘进过程中需要对刀盘进行换刀等维护而导致的成本高、工期长的技术问题。本发明专利技术包括连接有无滚刀刀盘的中心主驱动机组，无滚刀刀盘上设置有微波发射器和大出渣口，微波发射器连接有微波辐射臂，无滚刀刀盘上设置有超临界二氧化碳喷嘴，超临界二氧化碳喷嘴通过超临界二氧化碳高压输送管连接有超临界二氧化碳高压泵站。本发明专利技术采用微波与超临界二氧化碳射流耦合破岩系统，彻底摈弃了常规的刀具破岩技术，解决了掘进机金属刀具切岩时极易发生异常损坏的难题，提升了开挖效率，降低了开挖成本。

【技术实现步骤摘要】
一种利用微波和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬岩掘进机
本专利技术涉及第五代隧道掘进机
，特别是指一种利用微波和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬岩掘进机。
技术介绍
目前隧道掘进针对岩层来讲，主要是依靠盘型滚刀挤压岩石达到破碎岩体的目的，其主要克服的是岩石的抗压强度，针对一般强度的岩层（100MPa以内）其破岩效率尚可，但在较硬的岩石地层中，滚刀破岩法经济性很差。因此，需要颠覆性的专利技术一种新型掘进机和破岩工法。经检索，现有申请日为2018.12.25、申请号为201822184738.4的中国技术专利公开了一种用于硬岩的微波辅助破岩TBM刀盘，包括TBM刀盘主体，TBM刀盘主体主要由单刃破岩滚刀，双刃破岩滚刀，喷水除尘口及微波辅助破岩发射器组成；刀盘通过双刃和单刃滚刀的组合布置覆盖不同轨迹破岩路径；刀盘面板设置多个喷水除尘口；刀盘面板布置多个微波破岩发射器，微波破岩发射器由微波发射盘、波导结构、微波发射模块组成，当遇到硬质岩层时启动微波发射装置，通过微波快速加热岩石，降低岩石点荷载强度、单轴抗压强度和抗拉强度等力学特性，增加岩石节理裂隙辅助TBM滚刀破岩。所述一种用于硬岩的微波辅助破岩TBM刀盘与传统刀盘相比增添了微波发射装置来辅助滚刀破岩，能够相对传统刀盘提高掘进性能，进而减少滚刀在硬岩中的磨损及换刀次数。但是，如其公布文本所记载，随着掘进破岩的进行，滚刀仍然存在相当的磨损量，仍然需要进行换刀等维护，因而不能极大地缩短工期和降低工程投资。
技术实现思路
针对上述
技术介绍
中的不足，本专利技术提出一种利用微波和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬岩掘进机，解决了现有掘进机在掘进过程中需要对刀盘进行换刀等维护而导致的成本高、工期长的技术问题。本专利技术的技术方案是这样实现的：一种利用微波和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬岩掘进机，包括连接有无滚刀刀盘的中心主驱动机组，因为无滚刀刀盘质量轻，而且不同于传统刀盘利用刀盘上刀具挤压岩石来破岩，因此无需使用传统的驱动机构，可以摒弃周边多组电机或液压马达减速机的传统驱动方式，只采用中心主驱动机组带动无滚刀刀盘旋转即可。由于无滚刀刀盘采用中心主驱动机组来驱动，则无滚刀刀盘的背部可以有足够的装配空间，在无滚刀刀盘的背部设置微波发射器。微波发射器连接有通向无滚刀刀盘前侧的微波辐射臂，通过微波辐射臂可以将微波发射器产生的微波传达至岩石表面，利用岩石内不同矿物成分对微波能具有不同的吸收特性，将岩石温度加热到50°C以上。此时各矿物不同的热膨胀产生的内应力使岩石内发生沿晶断裂和穿晶断裂，使岩石产生损伤和微裂纹，进而使岩石的强度降低。无滚刀刀盘上设置有超临界二氧化碳喷嘴，超临界二氧化碳喷嘴通过超临界二氧化碳高压输送管连接有超临界二氧化碳高压泵站。超临界二氧化碳的破岩门槛压力远低于水射流，并且超临界二氧化碳射流冲蚀后的岩石呈网络化破碎，整体呈大体积层状破碎。在微波辐射臂和超临界二氧化碳喷嘴的双重所用下，岩石会受到热应力、高压流体冲蚀、超临界物质超强渗透的多重作用，达到岩石大块剥落的效果。进一步地，所述无滚刀刀盘上的出渣口大于500mm且开口率大于25％，无滚刀刀盘上设置这样的大出渣口，大块剥落的岩石可通过大出渣口排出。进一步地，超临界二氧化碳高压输送管外部包裹有玻璃纤维层，玻璃纤维层能够有效保持超临界二氧化碳高压输送管内超临界二氧化碳的温度，可以有效保障超临界二氧化碳的超临界状态。进一步地，所述微波辐射臂为可伸缩式，可伸缩的微波辐射臂根据无滚刀刀盘与岩石之间的距离适应调节，使微波辐射臂可始终紧密贴合岩石断面，避免微波过多散射或者反射出去而降低散热效率。进一步地，所述微波辐射臂包括与无滚刀刀盘插接配合的微波发射端头，微波发射端头连接有第一伸缩缸，第一伸缩缸一端与微波发射端头相连、另一端与无滚刀刀盘相连，通过第一伸缩缸的伸缩，可带动微波发射端头相对无滚刀刀盘轴向伸缩，使微波发射端头靠近前端的岩石。进一步地，所述微波发射端头为铜质或铝质，能够有效防止微波散射，以达到集中能量破岩的效果。进一步地，所述第一伸缩缸为气动伸缩缸或液压伸缩缸，第一伸缩缸的形式可以有多种，只要能够带动微波发射端头实现伸缩即可。进一步地，所述气动伸缩缸或液压伸缩缸内设置有与控制器相连的压力传感器，控制器连接有控制气动伸缩缸进气口或液压伸缩缸进液口通断的电磁阀。压力传感器能够实时监测压力，控制器可以根据监测到的压力实时控制电磁阀的通断，进而控制气动伸缩缸或液压伸缩缸的伸缩状态。进一步地，所述控制器内设定有控制第一伸缩缸内压力恒定的阈值。压力传感器实时监测到的压力值与阈值比较，当实时监测到的压力值达到阈值时，控制器控制电磁阀断开，则气动伸缩缸的进气口或液压伸缩缸的进液口关闭，气动伸缩缸或液压伸缩缸的伸长量实现保持；当实时监测到的压力值小于阈值时，控制器控制电磁阀连通，则气动伸缩缸的进气口或液压伸缩缸的进液口连通，气动伸缩缸或液压伸缩缸伸长，直至压力达到所述阈值。进一步地，所述无滚刀刀盘的前端面设置有对微波辐射臂进行防护的防护机构，防护机构包括径向设置在无滚刀刀盘内的第二伸缩缸，第二伸缩缸的伸缩端连接有挡止在微波辐射臂前侧的防护板。第二伸缩缸伸长可带动防护板径向移动，进而能够对微波辐射臂进行遮挡防护，需要使用微波辐射臂进行工作时，第二伸缩缸缩回可带动防护板撤去对微波辐射臂的遮挡。进一步地，所述第二伸缩缸为电动伸缩缸或气动伸缩缸或液压伸缩缸。第二伸缩缸的形式可以有多种，只要能够带动防护板实现伸缩即可。进一步地，所述第二伸缩缸连接有控制器，控制器通过定时器和启动器与第二伸缩缸相连。控制器能够根据微波加热的时长对定时器设定时间，微波加热几秒后，第二伸缩缸带动防护板自动的、瞬时的将微波辐射臂覆盖保护起来，避免破碎的岩石碎块反弹到微波辐射臂上造成伤害。进一步地，所述超临界二氧化碳喷嘴围绕微波发射器设置，能够使微波辐射臂与超临界二氧化碳喷嘴更加有效地相互配合，达到最佳的破岩效果。本专利技术采用微波与超临界二氧化碳射流耦合破岩系统，彻底摈弃了常规的刀具破岩技术，解决了掘进机金属刀具切岩时极易发生异常损坏的难题，提升了开挖效率，降低了开挖成本。本专利技术结构特点不同于常规盾构机，由于不依靠滚刀挤压破岩，本掘进机前面板重量轻，采用中心主驱动机组带动无滚刀刀盘旋转即可。另外，推进系统不需要强大的推力来挤压岩石，推进系统可由常规盾构的几十根推进油缸减少到四根油缸，即可满足推动前盾体前行。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，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的附图。图1为本专利技术的剖视结构示意图；图2为图1中的A向视图；图3为图1中防护机构的结构示意图；图4为图3的侧视图；图5为微波辐射臂伸缩的结构示意图；图6为图1中B处的放大图；图中，1、无滚刀刀盘，2、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用微波和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬岩掘进机，其特征在于：包括连接有无滚刀刀盘（1）的中心主驱动机组（2），无滚刀刀盘（1）上设置有微波发射器（3）和出渣口，微波发射器（3）连接有微波辐射臂（4），无滚刀刀盘（1）上设置有超临界二氧化碳喷嘴（5），超临界二氧化碳喷嘴（5）通过超临界二氧化碳高压输送管（6）连接有超临界二氧化碳高压泵站（7）。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用微波和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬岩掘进机，其特征在于：包括连接有无滚刀刀盘（1）的中心主驱动机组（2），无滚刀刀盘（1）上设置有微波发射器（3）和出渣口，微波发射器（3）连接有微波辐射臂（4），无滚刀刀盘（1）上设置有超临界二氧化碳喷嘴（5），超临界二氧化碳喷嘴（5）通过超临界二氧化碳高压输送管（6）连接有超临界二氧化碳高压泵站（7）。


2.根据权利要求1所述的利用微波和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬岩掘进机，其特征在于：所述无滚刀刀盘（1）上的出渣口大于500mm且开口率大于25％。


3.根据权利要求2所述的利用微波和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬岩掘进机，其特征在于：所述超临界二氧化碳高压输送管（6）外部包裹有玻璃纤维层（61）。


4.根据权利要求3所述的利用微波和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬岩掘进机，其特征在于：所述微波辐射臂（4）为可伸缩式。


5.根据权利要求4所述的利用微波和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬岩掘进机，其特征在于：所述微波辐射臂（4）包括与无滚刀刀盘（1）插接配合的微波发射端头（42），微波发射端头（42）连接有第一伸缩缸（41），第一伸缩缸（41）一端与微波发射端头（42）相连、另一端与无滚刀刀盘（1）相连。


6.根据权利要求5所述的利用微波和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬岩掘进机，其特征在于：所述微波发射端头（42）为铜质或铝质。


7.根据权利要求1-6任一项所述的利用微波和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬...

【专利技术属性】
技术研发人员：李光，朱英，冯亚丽，彭飞虎，于刘帅，朱雷，
申请(专利权)人：中铁工程装备集团有限公司，
类型：发明
国别省市：河南;41