本发明专利技术公开了一种基于超级气体热动力弹丸超高声速撞击硬岩的隧道掘进装置与方法，创造性地提出了配有通过超高温高压气体热动力发生装置推送弹丸撞击岩体，在传统掘进机的基础上进行改造，在其刀盘上预留一个圆形孔供给弹丸射出，发射弹丸撞击前方高硬岩体，从而实现超前预裂，解决了当前隧道掘进过程中遇到高硬岩石时掘进速率慢、刀盘磨损严重导致成本较高的问题。本发明专利技术应用在全断面掘进机上，在掘进机向前推进前发射弹丸撞击前部岩体，降低高硬岩石完整性从而实现超前预裂，大大降低硬岩掘进难度，减少掘进机刀盘磨损，提高掘进效率，为高硬岩区隧道施工提供了一种安全高效、低成本的辅助掘进方法，为掘进机的发展提供了新的可能。可能。可能。
【技术实现步骤摘要】
一种基于超级气体热动力弹丸超高声速撞击硬岩的隧道掘进装置与方法
[0001]本专利技术属于地下隧道开挖机械领域，具体涉及一种基于超级气体热动力弹丸超高声速撞击硬岩的隧道掘进装置与方法。
技术介绍
[0002]随着施工技术的进步和环境要求的提高，当前对于地下长隧道的开挖方式主要根据其岩性特征和地质条件等采用盾构法或全断面掘进法（TBM），无论那种技术手段，在遇到坚硬岩石时，施工效率都会大打折扣，特别是盾构机，倘若遇到坚硬岩石还可能面临无法施工的风险，而TBM虽然针对硬岩而生，但在应对高硬岩时掘进效率依然很低。盾构机和全断面掘进机的施工手段都是采用刀盘切割对土体或岩体进行破碎，在应对软弱岩石或土体时，刀盘尚可达到施工要求，而遇到坚硬岩石刀盘负荷大大增加，尤其是高硬岩隧道，对刀盘的磨损极大，因此需要频繁换刀，增加了经济成本、时间成本以及危险性。
[0003]因此，为了提高盾构机和TBM的掘进效率，就需要改进刀盘或增加辅助手段，对于刀盘的改进目前已经提出过很多方案，但是改进效果都不明显而成本大大增加，当前也已经提出了多种辅助手段帮助盾构机、TBM破岩，但是这些技术还不成熟，仍无法大量应用于正常施工之中，同时难以实现超前预裂。因此目前隧道掘进施工市场亟需一种可以安全高效地应对高硬岩问题的隧道掘进技术与施工机械。
技术实现思路
[0004]本专利技术所要解决的技术问题是，公开了一种基于超级气体热动力弹丸超高声速撞击硬岩的隧道掘进装置与方法，创造性地提出了配有通过超高温高压气体热动力发生装置推送弹丸撞击岩体，在传统掘进机的基础上进行改造，在其刀盘上预留一个圆形孔供给弹丸射出，发射弹丸撞击前方高硬岩体，从而实现超前预裂，解决了当前隧道掘进过程中遇到高硬岩石时掘进速率慢、刀盘磨损严重导致成本较高的问题。本专利技术应用在全断面掘进机上，在掘进机向前推进前发射弹丸撞击前部岩体，降低高硬岩石完整性从而实现超前预裂，大大降低硬岩掘进难度，减少掘进机刀盘磨损，提高掘进效率，为高硬岩区隧道施工提供了一种安全高效、低成本的辅助掘进方法，为掘进机的发展提供了新的可能。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种基于超级气体热动力弹丸超高声速撞击硬岩的隧道掘进装置，包括传统掘进机， 所述传统掘进机的刀盘上设有圆形孔，所述刀盘上与所述圆形孔相连的位置固定设有弹丸发射弹道，所述弹丸发射弹道与所述传统掘进机的刀盘相垂直，所述弹丸发射弹道的内径和所述圆形孔的孔径大小一致，所述弹丸发射弹道的末端同时与弹丸运送装置和超高温高压气体热动力发生装置相连通，所述弹丸运送装置设置在所述弹丸发射弹道的上方，所述弹丸运送装置内设有若干弹丸，所述弹丸运送装置靠近所述弹丸发射弹道的一端设有遥控卡位片，所述超高温高压气体热动力发生装置靠近所述弹丸发射弹道的一端设有前部
单向阀门，所述超高温高压气体热动力发生装置的顶部设有上部单向阀门，所述超高温高压气体热动力发生装置通过输送管道与增压泵系统相连，所述输送管道上设有阀门，所述增压泵系统内装有流体，所述增压泵系统与电源相连。
[0006]进一步的，所述弹丸运送装置为内径等于所述弹丸直径的特种钢制管道，管道下部向所述弹丸的发射方向相倾斜，倾斜角度为45度，所述弹丸发射弹道上固定设有弹簧卡位片，所述弹簧卡位片位于所述弹丸运送装置底部倾斜管道的延长线上，所述弹簧卡位片包括压板，所述压板的一端与所述弹丸发射弹道相铰接，所述压板的另外一端底部固定设有弹簧，所述弹簧的另外一端与所述弹丸发射弹道固定连接，并且在弹簧的自然伸长状态下，所述压板与所述弹丸发射弹道呈45度夹角，所述超高温高压气体热动力发生装置的发射端口直径小于所述弹丸的直径。
[0007]优选的，所述超高温高压气体热动力发生装置的发射端口处设有密封圈，使得落在所述弹簧卡位片上的弹丸和所述密封圈相接触，接触面不留缝隙。
[0008]进一步的，聚能剂管体投放与输送装置将聚能剂管体输送到所述超高温高压气体热动力发生装置中，所述超高温高压气体热动力发生装置内设有电磁感应点火装置。
[0009]进一步的，所述聚能剂管体为装有聚能剂的PVC圆柱形管体，所述聚能剂管体投放与输送装置包括横向放置的圆环柱体，所述圆环柱体的柱体高度等于所述聚能剂管体的长度，所述圆环柱体的内外径差值等于所述聚能剂管体的直径，所述圆环柱体的最高处的内环部和所述圆环柱体右上角的外环部分别开口，所述圆环柱体右上角外环部的开口与聚能剂投放管相连通，所述圆环柱体的最高处的内环部的开口与聚能剂输送管相连通，所述聚能剂输送管向下伸入到所述超高温高压气体热动力发生装置中，所述聚能剂输送管与所述超高温高压气体热动力发生装置顶部相连通，所述上部单向阀门设置在连通处。
[0010]优选的，所述超高温高压气体热动力发生装置为特种钢制柱状管体，外侧包裹隔热层，沿发射端口方向逐渐变窄。
[0011]优选的，所述刀盘与所述弹丸发射弹道相焊接，并且所述弹丸发射弹道外侧设有若干支撑架与传统掘进机固定连接。
[0012]进一步的，所述超高温高压气体热动力发生装置的超高温范围在800
‑
1500℃，高压范围在50
‑
150MPa。
[0013]本专利技术还提供一种基于超级气体热动力弹丸超高声速撞击硬岩的隧道掘进方法，包括如下步骤：步骤一：装置运行至隧道掘进位置后，检查装置是否运行正常，确保掘进机刀盘处于停止状态；步骤二：向聚能剂管体投放与输送装置内依次填充聚能剂管体直至占满聚能剂管体投放与输送装置的整个管路；步骤三：开启超高温高压气体热动力发生装置顶部的上部单向阀门，聚能剂管体落入超高温高压气体热动力发生装置内，关闭上部单向阀门；步骤四：开启输送管道上的阀门，启动增压泵系统，向超高温高压气体热动力发生装置内注入流体；步骤五：向弹丸运送装置内投放弹丸，开启遥控卡位片，一颗弹丸落入弹丸发射弹道内，遥控卡位片关闭；
步骤六：电磁感应点火装置开始工作，通过电磁感应激发聚能剂管体内的聚能剂，聚能剂加热后燃烧释放热量，流体吸热相变，体积急剧增加，超高温高压气体热动力发生装置内压力急剧升高；步骤七：在超高温高压气体热动力发生装置内压力到达压力上限时，前部单向阀门瞬间开启，高压流体极速冲击弹丸，使弹丸获得动能沿着弹道向前运动冲出掘进机，最终击打在前部岩体上；步骤八：一次弹丸冲击结束后，传统掘进机刀盘开始工作，传统掘进机向前运行；步骤九：在步骤八进行的同时，重复步骤二至步骤五，运行过程中及时补充聚能剂管体、弹丸及增压泵系统内的流体；步骤十：步骤九结束后，等待步骤八中掘进机向前推进至弹丸撞击的破损岩石末端岩石完整处，掘进机停止运行，重复步骤六至步骤十。
[0014]优选的，所述流体包括二氧化碳、压缩空气或/和水。
[0015]本专利技术与现有技术相比，具有如下有益效果：本专利技术所要解决的技术问题是，公开了一种基于超级气体热动力弹丸超高声速撞击硬岩的隧道掘进装置与方法，创造性地提出了配有通过超高温高压气体热动力发生装置推送弹丸撞击岩体，在传统掘进机的基础上进行本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于超级气体热动力弹丸超高声速撞击硬岩的隧道掘进装置，包括传统掘进机，其特征在于：所述传统掘进机的刀盘（9）上设有圆形孔（8），所述刀盘（9）上与所述圆形孔（8）相连的位置固定设有弹丸发射弹道（3），所述弹丸发射弹道（3）与所述传统掘进机的刀盘（9）相垂直，所述弹丸发射弹道（3）的内径和所述圆形孔（8）的孔径大小一致，所述弹丸发射弹道（3）的末端同时与弹丸运送装置（1）和超高温高压气体热动力发生装置（6）相连通，所述弹丸运送装置（1）设置在所述弹丸发射弹道（3）的上方，所述弹丸运送装置（1）内设有若干弹丸（11），所述弹丸运送装置（1）靠近所述弹丸发射弹道（3）的一端设有遥控卡位片（10），所述超高温高压气体热动力发生装置（6）靠近所述弹丸发射弹道（3）的一端设有前部单向阀门（15），所述超高温高压气体热动力发生装置（6）的顶部设有上部单向阀门（13），所述超高温高压气体热动力发生装置（6）通过输送管道（4）与增压泵系统（14）相连，所述输送管道（4）上设有阀门（12），所述增压泵系统（14）内装有流体，所述增压泵系统（14）与电源相连。2.根据权利要求1所述的一种基于超级气体热动力弹丸超高声速撞击硬岩的隧道掘进装置，其特征在于：所述弹丸运送装置（1）为内径等于所述弹丸（11）直径的特种钢制管道，管道下部向所述弹丸（11）的发射方向相倾斜，倾斜角度为45度，所述弹丸发射弹道（3）上固定设有弹簧卡位片（2），所述弹簧卡位片（2）位于所述弹丸运送装置（1）底部倾斜管道的延长线上，所述弹簧卡位片（2）包括压板，所述压板的一端与所述弹丸发射弹道（3）相铰接，所述压板的另外一端底部固定设有弹簧，所述弹簧的另外一端与所述弹丸发射弹道（3）固定连接，并且在弹簧的自然伸长状态下，所述压板与所述弹丸发射弹道（3）呈45度夹角，所述超高温高压气体热动力发生装置（6）的发射端口直径小于所述弹丸（11）的直径。3.根据权利要求2所述的一种基于超级气体热动力弹丸超高声速撞击硬岩的隧道掘进装置，其特征在于：所述超高温高压气体热动力发生装置（6）的发射端口处设有密封圈，使得落在所述弹簧卡位片（2）上的弹丸（11）和所述密封圈相接触，接触面不留缝隙。4.根据权利要求1所述的一种基于超级气体热动力弹丸超高声速撞击硬岩的隧道掘进装置，其特征在于：聚能剂管体投放与输送装置（5）将聚能剂管体（16）输送到所述超高温高压气体热动力发生装置（6）中，所述超高温高压气体热动力发生装置（6）内设有电磁感应点火装置（7）。5.根据权利要求4所述的一种基于超级气体热动力弹丸超高声速撞击硬岩的隧道掘进装置，其特征在于：所述聚能剂管体（16）为装有聚能剂的PVC圆柱形管体，所述聚能剂管体投放与输送装置（5）包括横向放置的圆环柱体，所述圆环柱体的柱体高度等于所述聚能剂管体（16）的长度，所述圆环柱体的内外径差值等于所述聚能剂管体（16）的直径，所述圆环柱体的最高处的内环部和所述圆环柱体右上角的外环部分别开口，所述圆环柱体右上角外环部的开口与聚能剂投放管（17）相连通，所...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡少斌，庞烁钢，张强，黄沐，杨雨霈，谷承臻，
申请(专利权)人：江苏中控能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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