射流束辅助机械连续破岩刀具、方法、TBM和盾构机技术

本发明专利技术提供了一种射流束辅助机械连续破岩刀具、方法、TBM和盾构机，包括刀座、滚刀倾角调节机构、滚刀刀具模块、射流束联合刀具模块，刀座包括固定支座以及滑动构件，滚刀刀具模块通过锁紧板固定在刀座上，射流束联合刀具模块螺栓连接于滑动构件，刀座通过螺钉连接改变滚刀倾角调节机构关节位置，改变滚刀刀具模块的倾斜角度。本发明专利技术具有滚刀刀具模块与射流束联合刀具模块组合性强，多种刀型组合方式灵活，实现刀具与开挖环境的协调性，射流束刀具模块可以有效保护水射流喷嘴，实现水射流连续辅助破岩的功能，满足多种试验应用场景需求，有效应对极硬岩、软硬岩复合地层、钢筋混凝土结构物，从而提高掘进效率。从而提高掘进效率。从而提高掘进效率。

【技术实现步骤摘要】
射流束辅助机械连续破岩刀具、方法、TBM和盾构机


[0001]本专利技术属于全断面掘进机
，涉及一种射流束辅助机械连续破岩刀具、方法、TBM和盾构机，尤其适用于极硬岩、软硬岩复合地层、钢筋混凝土结构物中进行掘进的TBM/盾构所使用的射流束辅助机械切割刀具和方法。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]全断面掘进机作为一种高度集成的隧道施工机械，具有掘进速度快、环境扰动小、安全可靠等优点，被广泛隧道施工中。然而，在遭遇坚硬岩、孤石、软硬岩复合地层、钢筋混凝土结构物等复杂条件时，刀具破岩能力表现严重不足，严重制约了掘进机掘进效率。为了提高当前掘进机的破岩能力，基于水射流辅助破岩技术概念被提出，并迅速成为了国内外地下工程领域研究的热点。
[0004]现阶段水射流装置搭载于掘进机进行辅助破岩方式在理论与技术方面皆取得一定进展，但仍需进展大量室内联合破岩试验，进一步进行深入研究。传统的试验方式中，单独水射流喷嘴与机械刀具进行简单配合，以研究水射流的辅助破岩效果及机理。在实施过程中遭遇以下问题：1.水射流喷嘴保护结构可靠性不足，不能满足连续辅助破岩需求：当前水射流喷嘴主要采用壳体保护罩遮挡，保护结构强度低，在遇到岩脊/岩块时极易损坏，并致使水刀损毁失效，水射流连续辅助破岩终止；2.水射流喷嘴保护结构与掌子面距离远，射流破岩效果差。为了降低壳体保护罩与掌子面岩脊接触，往往需要增大保护罩与掌子面之间的距离，大大增加了水射流的破岩靶距，导致水射流切割效果急剧降低。3.水射流喷嘴与机械刀具(刮刀、贝壳刀、滚刀)配合方式单一。刀具更换时间占比高，刀具切割角度不易调节，缺乏方便快捷的多自由度调整、配合与模式切换，难以高效满足对软岩、硬岩及软硬岩复合地层、钢筋混凝土结构物的针对性研究。

技术实现思路

[0005]本专利技术为了解决上述问题，提出了一种射流束辅助机械连续破岩刀具、方法、TBM和盾构机，本专利技术可以实现刀具与开挖环境的适配性，切割刀具模块的刀刃可以有效保护射流喷嘴，射流束在切割刀具的保护下可以抵近岩石降低靶距，实现连续辅助高效破岩，并可以模拟多种试验场景，实现多种刀具组合模式的测试研究。
[0006]根据一些实施例，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种射流束辅助机械连续破岩刀具，包括刀座、滚刀刀具模块、射流束联合刀具模块和滚刀倾角调节机构，其中：
[0008]所述刀座包括固定支座和滑动构件，所述固定支座上设置有滚刀刀具模块；
[0009]所述滚刀倾角调节机构用于调整所述滚刀刀具模块与刀座的角度；
[0010]所述射流束联合刀具模块包括切割刀具模块和射流束刀具模块，并设置于所述刀
座的滑动构件；
[0011]所述滑动构件能够沿着所述固定支座移动，改变相对位置；
[0012]通过刀座上的竖向滑轨可以改变滑动构件和固定支座的相对位置，实现射流束联合刀具靶距可调。
[0013]通过调节调节滚刀倾角调节机构倾角实现滚刀的正切或斜切，为边刀切割效能研究提供可能。
[0014]作为可选择的实施方式，所述固定支座的至少一侧上设置沿掘进方向的竖向滑轨，滑动构件在对应竖向滑轨处设置有用于固定两者相对位置的紧固件。
[0015]作为可选择的实施方式，所述滚刀刀具模块包括滚刀、固定支座和锁紧板，滚刀通过锁紧板固定在刀座上。
[0016]作为可选择的实施方式，所述滚刀倾角调节机构包括限位件、第一关节、第二关节及锁紧板，所述固定支座上设置有一限位孔，所述限位件设置于所述限位孔内，且能够沿着所述限位孔的延伸方向滑动并锁死；所述第一关节和所述限位件连接，所述第二关节和第一关节可转动连接，且第二关节的另一端设置于滚刀的一侧，滚刀另一侧由锁紧板固定。
[0017]作为进一步的，所述第一关节和第二关节处于第一状态时，滚刀垂直于掌子面，对岩石正切；所述第一关节和第二关节处于第二状态时，滚刀与掌子面呈一定夹角，对岩石斜切。
[0018]作为可选择的实施方式，所述射流束刀具模块包括射流喷嘴、射流支架和高压软管，射流支架的一端与射流喷嘴相连，另一端与刀座滑动构件相连，高压软管穿过射流支架为射流束提供喷射动力。
[0019]作为进一步的，所述射流支架通过刀座的滑动构件表面设置的滑动部与刀座滑动连接，所述滑动部移动轨迹与滚刀切割轨迹相垂直。
[0020]作为进一步的，所述射流喷嘴连接有能量源，为连续水射流喷嘴、脉冲水射流喷嘴、磨料水射流喷嘴、临界二氧化碳、液氮水射流喷嘴或激光发射器中的一种。
[0021]作为可选择的实施方式，所述切割刀具模块设置在滑动构件的滑动部上，包括刀刃、刀齿和切割刀刀体，所述切割刀刀体和滑动部相连接，所述刀刃为切割刀具模块与岩石接触部位，设置若干预留卡槽，且设置有一凹槽，与切割刀刀体内部通孔相对应，所述凹槽的位置和射流喷嘴位置相匹配；
[0022]所述预留卡槽处设置有刀齿，以拼插方式与刀刃相连接。
[0023]作为进一步的，所述刀齿为合金材料。
[0024]通过切割刀具模块外凸于射流喷嘴，能够保证对喷嘴的保护作用。射流束先对岩石进行冲击切割，切割刀具部分再进行岩脊、岩渣的挤压、刮削和清除，并配合滚刀刀具完成联合切割。因为射流束装置受到切割刀具的保护作用，且切割刀具能将滚刀未破除的岩体破除掉，故以此往复能够实现射流束连续辅助掘进。另外，刀齿和刀刃间隔布设，合理利用材料的硬度，提高刀具的可靠性。
[0025]作为可选择的实施方式，所述滚刀刀具模块、切割刀具模块和射流束刀具模块均与刀座可拆卸连接。
[0026]一种上述射流束辅助机械切割刀具的测试方法，包括：
[0027]关闭射流束刀具模块，仅利用滚刀刀具模块进行机械破岩的测试；
[0028]或，将滚刀刀具模块的滚刀摘除，利用射流束联合刀具模块进行冲切破岩，实现射流破岩方式的测试；
[0029]或，同时利用滚刀刀具模块和射流束联合刀具模块，进行组合破岩的测试。
[0030]作为可选择的实施方式，所述组合破岩时，分别进行以下破岩测试：
[0031]射流束与机械刀具同轨迹：射流束联合刀具通过滑动部调整相对位置，与滚刀切割轨迹共线时射流束与机械刀具同轨迹切割；
[0032]射流束与机械刀具异轨迹：射流束联合刀具通过滑动部调整相对位置，与滚刀切割轨迹不共线时射流束与机械刀具异轨迹切割。
[0033]通过刀座的滑动构件在固定支座的相对位置可调，实现调节射流束联合刀具与滚刀的高度关系，改变靶距；通过刀齿更换，研究多种切割刀具和射流联合刀具的研究；通过射流刀具在刀座的滑动构件的相对位置可调，实现调节射流刀具与机械刀具的切割轨迹方向上的位置关系，实现多种工况条件的破岩测试，寻找破岩方式的最优组合。
[0034]一种TBM或盾构机，包括上述射流束辅助机械连续破岩刀具。
[0035]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种射流束辅助机械连续破岩刀具，其特征是，包括刀座、滚刀刀具模块、射流束联合刀具模块和滚刀倾角调节机构，其中：所述刀座包括固定支座和滑动构件，所述固定支座亦为滚刀刀具模块一部分；所述滚刀倾角调节机构用于调整所述滚刀刀具模块与刀座的角度，设置于固定支座上；所述射流束联合刀具模块设置于所述刀座的滑动构件，包括切割刀具模块和射流束刀具模块；所述滑动构件能够沿着所述固定支座移动，改变相对位置；通过改变滑动构件和固定支座的相对位置，实现射流束联合刀具模块靶距调节。2.如权利要求1所述的一种射流束辅助机械连续破岩刀具，其特征是，所述固定支座的至少一侧，设置有沿掘进方向设置的轨道/滑轨，且所述滑动构件设置有相配合的滑动部，且两者连接处设置有用于固定两者相对位置的紧固件。3.如权利要求1所述的一种射流束辅助机械连续破岩刀具，其特征是，所述滚刀刀具模块包括滚刀、固定支座和锁紧板，滚刀设置于固定支座上，通过锁紧板固定滚刀和刀座的相对位置。4.如权利要求1所述的一种射流束辅助机械连续破岩刀具，其特征是，所述滚刀倾角调节机构包括限位件、第一关节、第二关节、锁紧板和限位孔；所述固定支座上设置有一限位孔，所述限位件设置于所述限位孔内，且能够沿着所述限位孔的延伸方向滑动并相对定位；所述第一关节和所述限位件连接，所述第二关节和第一关节可转动连接，且第二关节的另一端设置于所述滚刀刀具模块的滚刀的一侧，滚刀另一侧为锁紧板，配合滚刀角度变化锁紧板位置发生变动。5.如权利要求4所述的一种射流束辅助机械连续破岩刀具，其特征是，所述第一关节和第二关节处于第一状态时，滚刀垂直于掌子面，对岩石正切；所述第一关节和第二关节处于第二状态时，滚刀与刀盘呈一定夹角，对岩石斜切。6.如权利要求1所述的一种射流束辅助机械连续破岩刀具，其特征是，所述射流束刀具模块设置于切割刀具的通孔处，包括射流喷嘴、射流支架和高压软管，射流支架的一端与射流喷嘴相连，射流支架另一端与刀座滑动构件相连，高压软管穿过射流支架为射流束提供喷射动力。7.如权利要求6所述的一种射流束辅助机械连续破岩刀具，其特征是，所述射流支架通过刀座的滑动构件表面设置的滑动部与刀座滑动连接，所述滑动部的移动轨迹与滚刀切割轨迹方向相垂直。8.如权利要求6或7所述的一种射流束辅助机械连续破岩刀具，其特征是，所述射流喷嘴连接有能量源，为连续水射流喷嘴、脉冲水射流喷嘴、磨料水射流喷嘴、临...

【专利技术属性】
技术研发人员：李彪，刘斌，谷刘琪，胡蒙蒙，张波，于虎，黄闯，刘桐源，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：