本发明专利技术涉及土层或岩层全断面掘进设备，特别是涉及到了一种破岩方法、破岩装置及掘进装置。破岩方法包括以下步骤：1)使用自带滚刀驱动装置的滚刀的切刃斜切入至岩石中，移动滚刀直至在开挖面上开挖出能够供滚刀整体进入的切槽；2)调整滚刀的姿态，或者调换滚刀，使滚刀的切刃平切所述切槽的槽壁，平移滚刀直至完成开挖面的开挖。在步骤1)及步骤2)中，滚刀的切刃方向与驱动载荷基本位于同一方向。因此可避免刀刃承受弯矩，减少崩刃，由此也延长了刀具的正常工作周期，减少停机次数。综上所述，本发明专利技术的破岩方法可充分利用岩石抗拉剪强度低于抗压强度的特性，实现硬岩的拉剪破坏，提高破岩效率，同时降低破岩装置的损耗。同时降低破岩装置的损耗。同时降低破岩装置的损耗。
【技术实现步骤摘要】
破岩方法、破岩装置及掘进装置
[0001]本专利技术涉及土层或岩层全断面掘进设备，特别是涉及到了一种破岩方法、破岩装置及掘进装置。
技术介绍
[0002]如今，在隧道及平峒开挖施工时，全断面掘进设备的应用已经非常普及。传统的典型全断面掘进设备包括掘进机主机以及后配套设备。掘进机主机包括盾体、刀盘以及主驱动，其中刀盘包括刀盘面板以及设于刀盘面板上的刀具，岩层中掘进时，破岩刀具主要采用的是滚刀，滚刀的滚轴延伸方向与掌子面(开挖面)平行，滚刀的刀刃垂直于掌子面。掘进过程中，掘进机主机通过主驱动带动刀盘旋转，通过撑靴等机构提供向前的推力，刀盘上的滚刀垂直挤压掌子面完成岩土体的开挖掘进。采用上述结构的掘进设备的破岩原理是滚刀借助刀盘强大的推力挤压破坏岩石的抗压强度而贯入岩石，迫使岩石浅层形成裂纹，相邻裂纹贯通后形成破碎块而脱落。基于上述破岩原理，传统的掘进装置需要很大的功耗，尤其是在岩石抗压强度较大时，破岩难度也将随之增大，当岩石抗压强度达到100MPa时，除了功耗极大以外，刀具的磨损也会加剧，频繁出现崩刃现象。当岩石抗压强度达到150MPa时，甚至会出现无法掘进的情况。
[0003]而研究表明，岩石的抗拉和抗剪强度仅为抗压强度的1/10
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1/20，如果能对岩石的这一特性加以利用，将可以有效解决上述问题。基于上述思路，申请公布号为CN108571326A、公布日为2018年9月25日的专利申请提供了一种复合切削式硬岩掘进机刀盘及其掘进机，公告号为CN21400715U、公告日为2021年8月20日的专利提供了一种导洞扩孔旋切TBM刀盘，申请公布号为CN108868811A、公布日为2018年11月23日的专利申请提供了一种搭载悬切刀破岩的多臂式悬臂掘进机及其施工方法，公告号为CN208619111U、公告日为2019年3月19日的专利提供了一种掘进机硬岩截割装置及掘进机。
[0004]公布号为CN108571326A的专利申请公开的复合切削式硬岩掘进机刀盘中，刀盘面板的中心区域为平面结构，外侧区域为圆锥面结构，平面结构安装若干把盘形滚刀，圆锥面结构安装若干把悬切滚刀。通过盘形滚刀和悬切滚刀的组合布置，利用外侧区域刀具进行悬切破岩，以实现通过破坏岩石的抗拉强度来破碎岩石。
[0005]公告号为CN21400715U的专利公开的导洞扩孔旋切TBM刀盘中，刀盘面板包括中心盘座，中心盘座的中心设有中空通道，外壁上均布有辐条结构，中心盘座与辐条结构组成锥形镂空体，辐条结构上设有悬切滚刀结构。该刀盘同样尝试改变传统TBM滚刀滚压破岩的原理，利用岩石剪切强度远小于单轴抗压强度和临空面破岩的特点进行岩石破碎。
[0006]公布号为CN108868811A的专利申请公开的掘进机硬岩截割装置包括刀盘，刀盘通过悬臂与主体部分连接，并且在刀盘与悬臂之间设置有驱动装置，通过驱动装置驱使刀盘摆动，从而调节刀盘上刀具的切入角度。通过控制刀具切割岩石的角度，破坏岩石的抗拉强度来实现破岩的目的。
[0007]公告号为CN208619111U的专利公开的搭载悬切刀破岩的多臂式悬臂掘进机包括
主体，主体上设有回转台，回转台上设置有悬臂，悬臂通过转轴连接有刀盘，刀盘上的刀具为旋切刀，掘进过程中，通过悬臂与回转台之间的俯仰油缸驱动悬臂摆动，以斜切的方式破岩，通过设置多个所述悬臂，以期达到提高开挖效率的目的。
[0008]通过以上分析可知，公布号为CN108571326A的专利申请公开的复合切削式硬岩掘进机刀盘以及公告号为CN21400715U的专利公开的导洞扩孔旋切TBM刀盘中，刀具的驱动荷载，即刀盘提供的顶推力与刀具破岩部位(刀刃)的方向不一致，通常夹角还很大，不能实现刀具破岩效率的最大化，并且刀刃与岩石接触后，在刀盘推力的作用下，刀刃处产生弯矩，极易产生崩刃现象。
[0009]公布号为CN108868811A的专利申请公开的掘进机硬岩截割装置以及公告号为CN208619111U的专利公开的搭载悬切刀破岩的多臂式悬臂掘进机通过悬臂的摆动来驱使刀具切入岩石，理论上可使驱动载荷与刀刃作用方向一致，但是刀刃与岩石之间的相对角度固定，无法实现有效创造临空面，保证持续高效开挖。另外，悬臂结构庞大且笨重，可布置的刀头的数量有限，在不改进单个刀头切割效率的情况下仍然难以有效提高施工效率。
技术实现思路
[0010]本专利技术的目的在于提供一种破岩方法，以充分利用岩石抗拉剪强度低于抗压强度的特性，实现硬岩的拉剪破坏，提高破岩效率，同时降低破岩装置的损耗。。
[0011]同时，本专利技术的目的还在于提供可用于实施本专利技术的破岩方法的破岩装置及掘进装置。
[0012]为了解决上述问题，本专利技术的破岩方法采用以下技术方案：
[0013]破岩方法，该方法包括以下步骤：1)使用自带滚刀驱动装置的滚刀的切刃斜切入至岩石中，移动滚刀直至在开挖面上开挖出能够供滚刀整体进入的切槽；
[0014]2)调整滚刀的姿态，或者调换滚刀，使滚刀的切刃平切所述切槽的槽壁，平移滚刀直至完成开挖面的开挖。
[0015]有益效果：使用本专利技术的破岩方法，先通过步骤1)使滚刀在掘进初期以斜切的姿态贯入开挖面，此时可利用岩石抗剪强度较弱的特点，以较小的力量实现对岩石的切入，当以此种方式在开挖面上开挖出能够供滚刀整体进入的切槽后，在步骤2)中，滚刀将对切槽的槽壁进行平切破岩，此时由于开挖面的后侧形成了临空面，平切过程中，使得滚刀的切刃作用力直接用于岩石裂纹，产生拉剪破坏，利用岩石抗拉和抗剪强度较弱的特点，同样通过较小的力量即可实现。在步骤1)及步骤2)中，滚刀的切刃方向与驱动载荷基本位于同一方向。因此可避免刀刃承受弯矩，减少崩刃，由此也延长了刀具的正常工作周期，减少停机次数。综上所述，本专利技术的破岩方法可充分利用岩石抗拉剪强度低于抗压强度的特性，实现硬岩的拉剪破坏，提高破岩效率，同时降低破岩装置的损耗。
[0016]更进一步地，所述滚刀的切刃平切所述切槽的槽壁时，切刃与开挖面互相平行。当滚刀的切刃与开挖面互相平行时，其驱动载荷方向将与切刃方向完全一致，实现驱动载荷的最大化利用，同时进一步避免切刃承受弯矩而损坏。
[0017]更进一步地，所述滚刀的几何中心偏离其滚动中心。滚刀的几何中心偏离其滚动中心时，在滚刀转动过程中，可以实现高频低辐振动冲击破岩，加剧了岩层的疲劳破坏，可提高破岩效率。
[0018]更进一步地，在步骤1)/步骤2)中，分别同时采用两个以上滚刀对开挖面进行斜切/平切。同时采用两个以上滚刀对开挖面进行斜切/平切，可进一步提高掘进效率。
[0019]更进一步地，在步骤2)中，所述滚刀的平移轨迹中的至少一段为螺旋形轨迹。滚刀在沿螺旋形轨迹移动时，能够实现连续开挖，进一步开挖效率。
[0020]更进一步地，在步骤2)中，所述滚刀通过分别沿两个以上不同心的螺旋形轨迹平移，完成开挖面的开挖。两个以上不同心的螺旋形轨迹平移可互相配合实现对开挖全的无死角开挖，同时降低对滚刀的布置的要求。
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.破岩方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)使用自带滚刀驱动装置的滚刀(101)的切刃斜切入至开挖面(102)中，移动滚刀(101)直至在开挖面(102)上开挖出能够供滚刀(101)整体进入的切槽(21)；2)调整滚刀(101)的姿态，或者调换滚刀(101)，使滚刀(101)的切刃平切所述切槽(21)的槽壁，平移滚刀(101)直至完成开挖面(102)的开挖。2.根据权利要求1所述的破岩方法，其特征在于，在步骤2)中，所述滚刀(101)的切刃平切所述切槽(21)的槽壁时，切刃与开挖面(102)互相平行。3.根据权利要求1所述的破岩方法，其特征在于，所述滚刀(101)的几何中心偏离其滚动中心。4.根据权利要求1所述的破岩方法，其特征在于，在步骤1)/步骤2)中，分别同时采用两个以上滚刀(101)对开挖面(102)进行斜切/平切。5.根据权利要求1
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4任一项所述的破岩方法，其特征在于，在步骤2)中，所述滚刀(101)的平移轨迹为弧形轨迹或者圆形轨迹；或者所述滚刀(101)通过分别沿两个以上不同心的螺旋形轨迹平移，完成开挖面(102)的开挖。6.破岩装置，包括中心主轴(105)，其特征在于，所述中心主轴(105)的前部设有至少一个横向延伸的横臂，所述横臂上设置有滚刀(101)，所述滚刀(101)配置有滚刀驱动装置，并且通过相应的摆臂(103)可摆动的安装于对应的横臂，所述摆臂(103)...
【专利技术属性】
技术研发人员：白中坤，毕程程，张丽婷，任韶鹏，朱毅，王亚威，赵修旺，陈一飞，李应飞，
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：
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