一种TBM后混式磨料射流辅助破岩系统及破岩方法技术方案

本发明专利技术提供了一种TBM后混式磨料射流辅助破岩系统及破岩方法，破岩系统包括：后混式磨料射流喷射装置，和与其连接的高压水射流装置、磨料供给装置、磨料射流辅助滚刀破岩装置。高压水射流装置提供高压水，自吸式磨料供给装置设于TBM刀盘内，高压水和磨料通过后混式磨料射流喷射装置充分混合，形成的磨料射流通过磨料射流辅助滚刀破岩装置，辅助TBM滚刀破岩。本发明专利技术可实现磨料射流与TBM滚刀联合破岩，能解决超硬岩条件下TBM“掘不动、掘进慢”的问题，是隧道施工领域的一大创新；不同岩石强度下系统采用不同的工作方法，系统能量利用率高，综合效益显著；采用的磨料供给方式避免了磨料的长距离密封传输困难问题，且磨料不需经过管接头，便于工业化应用。便于工业化应用。便于工业化应用。

【技术实现步骤摘要】
一种TBM后混式磨料射流辅助破岩系统及破岩方法


[0001]本专利技术涉及涉及隧道施工
，特别涉及一种TBM后混式磨料射流辅助破岩系统及破岩方法。

技术介绍

[0002]国家大型跨流域调水、跨江越海、西部交通建设、战略储能等工程规划，为我国深埋超长隧道工程技术发展带来了前所未有的契机。未来十年，我国预计共需建设各类隧道约2万公里，全断面岩石隧道掘进机(TBM)应用空间广阔。超长距离、大埋深、复杂工程地质也给TBM设备及与之适应的隧道工程设计、施工带来了更多的科学难题和技术挑战。
[0003]TBM应对超硬岩的破岩效率一直是困扰TBM应用的共性难题，随着TBM的应用越来越广泛，该问题也越来越凸显。为克服现有设备存在的短板和痛点，解决超硬岩条件下“掘不动、掘进慢”等问题，亟需从破岩原理上实现TBM技术突破。目前新型的辅助破岩方法主要有水射流、激光、微波、电子束和热辐射等，其中水射流破岩技术是一种利用高压水冲击岩石并诱导岩石发生损伤的一种破岩方法。由于其具有高效、无尘、低热和低振动等优势，高压水射流辅助破岩技术在石油钻探、矿山开采和隧道开挖等领域被广泛应用。目前高压水射流辅助TBM破岩工业应用的最大工作压力在270MPa左右，而当岩石强度超过250MPa时，高压水射流的辅助破岩作用大大减弱，甚至起不到辅助破岩的作用。因此，优化改进TBM高压水射流辅助破岩技术迫在眉睫。
[0004]高压水射流中加入一定数量的磨料微粒，可大大提高高压水射流的冲击能力。磨料射流技术已较为成熟，但如何将磨料射流系统耦合于TBM系统，实现协同控制和稳定运行，是一个关键问题。在本专利技术之前，中国专利“一种切割井下套管的磨料射流系统及其使用方法”(ZL 201910463449.4)公开了一种切割井下套管的磨料射流系统，包括依次连接的水箱、磨料射流发生装置、油管、井下扶正器和喷枪，该系统主要用于井下套管切割，无法辅助TBM破岩。中国专利“一种磨料射流辅助采煤机破硬岩的装置及破岩方法”(ZL201810966834.6)、“磨料射流辅助采煤机破硬岩的装置”(ZL 201821372572.2)公开了一种磨料射流辅助采煤机破硬岩的装置及破岩方法，装置包括磨料供给系统和控制系统，磨料供给系统包括磨料储存装置和驱动摇臂上的磨料混合输注装置，该装置可辅助采煤机截割坚硬煤岩，但不适用于TBM系统。中国专利“一种磨料射流辅助机械破岩系统及破岩方法”(ZL 202011069014.0)、“一种掘进机及其磨料射流辅助破岩装置”(ZL 202011070045.8)公开了一种磨料射流辅助TBM破岩的装置及系统，该系统将磨料罐放置于TBM滑车上，磨料需通过长距离的传输管路和旋转接头，才能到达刀盘中的射流喷嘴，长距离密封传输干燥的磨料是不易的，且能够同时旋转传送磨料和高压水的双通道旋转接头未见工业应用。因此，如何将磨料射流系统有效耦合于TBM系统，并实现工业化应用，是目前本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0005]针对上述
技术介绍
中的不足，本专利技术提出了一种TBM后混式磨料射流辅助破岩系统及破岩方法。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术公开了一种TBM后混式磨料射流辅助破岩系统，包括：
[0007]高压水射流装置、磨料供给装置、后混式磨料射流喷射装置和磨料射流辅助滚刀破岩装置，所述高压水射流装置、磨料供给装置分别与所述后混式磨料射流喷射装置的进口端连接，所述后混式磨料射流喷射装置的出口端与所述磨料射流辅助滚刀破岩装置连接。
[0008]优选的，所述高压水射流装置包括：水箱、输水管路、水处理模块、高压泵组、高压管路、管接头、分流器和刀盘内高压管路，所述水箱通过输水管路与水处理模块的进口端连接，所述水处理模块的出口端通过输水管路与所述高压泵组进口端连接，所述高压泵组的出口端通过高压管路与管接头连接，所述分流器与所述管接头连接，所述刀盘内高压管路两端分别与所述分流器和所述后混式磨料射流喷射装置连接。
[0009]优选的，所述刀盘内高压管路设置在TBM刀盘内，所述水箱、水处理模块、高压泵组均设置在TBM滑车上，所述水处理模块包括：相互连接的过滤单元和软化水单元；
[0010]所述输水管路为低压软管；
[0011]所述高压管路包括依次连接的三段，中间为高压硬管，两端为高压软管，一端的高压软管连接高压泵组，另一端的高压软管连接管接头；
[0012]所述刀盘内高压管路为高压硬管。
[0013]优选的，所述后混式磨料射流喷射装置设置于TBM刀盘上，所述后混式磨料射流喷射装置包括：高压水射流喷嘴、进沙口、磨料射流混合腔，所述磨料射流混合腔内设置进沙口、高压水射流喷嘴，所述高压水射流喷嘴与刀盘内高压管路连接。
[0014]优选的，所述磨料供给装置设置在TBM刀盘内，所述磨料供给装置包括：磨料斗、输沙管路和磨料阀，所述磨料斗采用双仓斗，主仓斗储存磨料，接料仓斗上开有进气口，所述接料仓斗设置在所述主仓斗下方，所述输沙管路两端分别与所述接料仓斗以及所述进沙口连接，所述磨料阀设置在所述输沙管路上；
[0015]所述磨料射流辅助滚刀破岩装置包括：磨料射流喷嘴和TBM滚刀，所述磨料射流喷嘴与所述磨料射流混合腔连接，所述磨料射流喷嘴和TBM滚刀均设置在TBM刀盘上。
[0016]优选的，所述系统还包括：待破岩石评估装置，用于评估待破岩石的岩石强度并根据评估结果确定破岩方式，其步骤包括：
[0017]拍摄待破岩石中心预设面积大小的目标图像；
[0018]根据所述目标图像构建目标直角坐标系；
[0019]将所述目标直角坐标系中的每个坐标点设置为激发点；
[0020]向所述目标图像对应的待破岩石区域发射波信号；
[0021]采集每个激发点的当前波信号传输频率，根据所述当前波信号传输频率构建每个激发点的波信号传输波形图；
[0022]从预设三维断裂解释模型中获得岩石破碎面的三维形态特征；
[0023]从所述三维形态特征中提取形态特征参数，根据所述形态特征参数和初始波信号
频率计算出岩石破碎面的目标波信号传输频率；
[0024]将所述目标波信号传输频率输入到每个激发点的波信号传输波形图中，确定所述目标波信号传输频率与每个激发点的当前波信号传输频率的相似度，将相似度大于等于预设阈值的目标激发点进行统计，统计出目标激发点的数量；
[0025]确认所述目标激发点的数量占所有激发点数量的当前比例，将所述当前比例和预设比例进行比较，当所述当前比例大于所述预设比例时，确认所述待破岩石的岩石强度大于200MPa，当所述当前比例小于预设比例并且二者的差值在预设范围之内时，确认所述待破岩石的岩石强度介于100～200MPa之间，当所述当前比例小于预设比例并且二者的差值在预设范围之外时，确认所述待破岩石的岩石强度小于100MPa；
[0026]当所述岩石强度小于100MPa时，选择滚刀破岩的方式，当所述岩石强度介于100～200MPa之间时，选择滚本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种TBM后混式磨料射流辅助破岩系统，其特征在于，包括：高压水射流装置、磨料供给装置、后混式磨料射流喷射装置(12)和磨料射流辅助滚刀破岩装置，所述高压水射流装置、磨料供给装置分别与所述后混式磨料射流喷射装置(12)的进口端连接，所述后混式磨料射流喷射装置(12)的出口端与所述磨料射流辅助滚刀破岩装置连接。2.根据权利要求1所述的一种TBM后混式磨料射流辅助破岩系统，其特征在于，所述高压水射流装置包括：水箱(1)、输水管路(2)、水处理模块(3)、高压泵组(4)、高压管路(6)、管接头(7)、分流器(8)和刀盘内高压管路(9)，所述水箱(1)通过输水管路(2)与水处理模块(3)的进口端连接，所述水处理模块(3)的出口端通过输水管路(2)与所述高压泵组(4)进口端连接，所述高压泵组(4)的出口端通过高压管路(6)与管接头(7)连接，所述分流器(8)与所述管接头(7)连接，所述刀盘内高压管路(9)两端分别与所述分流器(8)和所述后混式磨料射流喷射装置(12)连接。3.根据权利要求2所述的一种TBM后混式磨料射流辅助破岩系统，所述刀盘内高压管路(9)设置在TBM刀盘(13)内，所述水箱(1)、水处理模块(3)、高压泵组(4)均设置在TBM滑车(5)上，所述水处理模块(3)包括：相互连接的过滤单元和软化水单元；所述输水管路(2)为低压软管；所述高压管路(6)包括依次连接的三段，中间为高压硬管，两端为高压软管，一端的高压软管连接高压泵组(4)，另一端的高压软管连接管接头(7)；所述刀盘内高压管路(9)为高压硬管。4.根据权利要求2所述的一种TBM后混式磨料射流辅助破岩系统，所述后混式磨料射流喷射装置(12)设置于TBM刀盘(13)上，所述后混式磨料射流喷射装置(12)包括：高压水射流喷嘴(19)、进沙口(18)、磨料射流混合腔(20)，所述磨料射流混合腔(20)内设置进沙口(18)、高压水射流喷嘴(19)，所述高压水射流喷嘴(19)与刀盘内高压管路(9)连接。5.根据权利要求4所述的一种TBM后混式磨料射流辅助破岩系统，所述磨料供给装置设置在TBM刀盘(13)内，所述磨料供给装置包括：磨料斗(10)、输沙管路(11)和磨料阀(17)，所述磨料斗(10)采用双仓斗，主仓斗(14)储存磨料，接料仓斗(15)上开有进气口(16)，所述接料仓斗(15)设置在所述主仓斗(14)下方，所述输沙管路(11)两端分别与所述接料仓斗(15)以及所述进沙口(18)连接，所述磨料阀(17)设置在所述输沙管路(11)上；所述磨料射流辅助滚刀破岩装置包括：磨料射流喷嘴(21)和TBM滚刀(22)，所述磨料射流喷嘴(21)与所述磨料射流混合腔(20)连接，所述磨料射流喷嘴(21)和TBM滚刀(22)均设置在TBM刀盘(13)上。6.根据权利要求1所述的一种TBM后混式磨料射流辅助破岩系统，所述系统还包括：待破岩石评估装置，用于评估待破岩石的岩石强度并根据评估结果确定破岩方式，其步骤包括：拍摄待破岩石中心预设面积大小的目标图像；根据所述目标图像构建目标直角坐标系；将所述目标直角坐标系中的每个坐标点设置为激发点；向所述目标图像对应的待破岩石区域发射波信号；
采集每个激发点的当前波信号传输频率，根据所述当前波信号传输频率构建每个激发点的波信号传输波形图；从预设三维断裂解释模型中获得岩石破碎面的三维形态特征；从所述三维形态特征中提取形态特征参数，根据所述形态特征参数和初始波信号频率计算出岩石破碎面的目标波信号传输频率；将所述目标波信号传输频率输入到每个激发点的波信号传输波形图中，确定所述目标波信号传输频率与每个激发点的当前波信号传输频率的相似度，将相似度大于等于预设阈值的目标激发点进行统计，统计出目标激发点的数量；确认所述目标激发点的数量占所有激发点数量的当前比例，将所述当前比例和预设比例进行比较，当所述当前比例大于所述预设比例时，确认所述待破岩石的岩石强度大于200MPa，当所述当前比例小于预设比例并且二者的差值在预设范围之内时，确认所述待破岩石的岩石强度介于100～200MPa之间，当所述当前比例小于预设比例并且二者的差值在预设范围之外时，确认所述待破岩石的岩石强度小于100MPa；当所述岩石强度小于100MPa时，选择滚刀破岩的方式，当所述岩石强度介于100～200MPa之间时，选择滚刀破岩加高压水流辅助的破岩方式，当所述岩石强度大于200MPa时，选择滚刀破岩加高压磨料射流辅助的破岩方式。7.根据权利要求1所述的一种TBM后混式磨料射流辅助破岩系统，所述系统还包括：破岩力度计算装置，用于根据待破岩石的岩石强度计算出目标破岩力度，其步骤包括：向待破岩石发射入射波信号；接收所述待破岩石反馈的反射波信号的频率；检测所述待破岩石表面的目标硬度；根据所述反射波信号的频率和待破岩石的目标硬度和岩石强度计算出所述待破岩石的内部紧凑度指数：其中，a表示为待破岩石的内部紧凑度指数，p表示为反射波信号的频率，p1表示为反射波信号的频率中的噪声频率，p2表示为入射波信号的频率，δ表示为待破岩石的信号反射系数，取值为[0.5,0.8],Q表示为反射波信号的信号强度，Q1表示为入射波信号的信号强度，θ表示为信号强度衰减系数，取值为[0.1,0.2],L表示为待破岩石的检测深度，M1表示为待破岩石的岩石强度，M2表示为预设评估岩石强度，e表示为自然常数，取值为2.72，B表示为待破岩石的目标硬度，B1表示为对比硬度，s表示为待破岩石的面积，L1表示为单次使用TBM滚刀(22)时待破岩石的缝隙长度；根据所述待破岩石的内部紧凑度指数计算出目标破岩力度：
其中，d表示为目标破岩力度，d1表示为TBM滚刀(22)的最大破岩力度，m表示为TBM滚刀(22)的质量，g表示为重力常数，取值为9.8N/kg，f表示为TBM滚刀(22)下落过程中的空气阻力；将所述目标破岩力度与TBM滚刀(22)的最大破岩力度进行比较，当所述目标破岩力度大于TBM滚刀(22)的最大破岩力度时，发出需要辅助破岩的提醒，当所述目标破岩力度小于等于...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金良，杨风威，曹智国，李冰洋，苏伟林，
申请(专利权)人：黄河勘测规划设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：