【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及隧道掘进，特别是涉及一种盾构机刀盘振动破岩装置和方法及岩石特性原位测试方法。
技术介绍
1、盾构法施工技术凭借其掘进效率高、劳动强度低以及对周边环境影响较小的显著优势，在隧道建设领域得到了广泛应用。然而，盾构机的设计选型及其掘进参数设置必须与实际地质条件精准匹配。近年来，由于复杂多变的地质状况和施工过程中地质信息掌握不充分，导致了一系列严重的工程事故，如盾构机被困、地层塌陷等，这些都凸显了地质信息获取在盾构施工安全及效能提升中的核心地位。
2、当前，在盾构施工中，主要依靠前期地质勘探工作来收集地质信息，具体包括实施地质钻探、土样采集及室内试验等手段，以绘制详尽的隧道沿线地质剖面图。尽管如此，地质钻探仅能按照预设的勘查路线进行有限间距的钻孔调查，难以全面覆盖掘进路径上的所有地层细节；而土体取样的室内实验虽有助于分析土质特性，但样本在采集和处理过程中难免遭受扰动，导致测试得出的物理力学性能指标可能无法准确反映原始地层的实际情况。
3、在盾构施工的实际操作中，滚刀受到刀盘施加的强大推力和扭矩作用，在掌子面上切削出一圈圈同心圆状沟槽。当滚刀对岩面的压力超过岩石的抗压强度时，岩石破碎形成压碎区及裂纹扩展区，并随着应力积累导致裂纹相互连接、岩石碎片脱落。面对硬岩地质条件时，滚刀单纯依靠碾压方式往往难以高效破碎岩石，进而影响盾构机的整体施工效率。针对这一挑战，一种名为“盾构机用自冲击滚刀及其冲击破碎岩面的方法”的专利申请提出了解决方案，即将滚刀刀轴设计为曲轴结构，使得滚刀在转动过程中能够联动冲击机构直接撞
技术实现思路
1、本专利技术旨在提出一种辅助破岩的盾构机刀盘振动破岩装置和辅助破岩的方法，以及一种基于该盾构机刀盘振动破岩装置实时岩石特性原位测试方法。
2、第一方面，本申请提供的一种盾构机刀盘振动破岩装置采用如下的技术方案：
3、一种盾构机刀盘振动破岩装置，包括滚刀、设置在所述滚刀外的刀盘面板，以及设置在刀盘面板上的若干振动破岩组件，所述振动破岩组件设置在所述刀盘面板朝向破岩方向的盘面上；所述振动破岩组件包括伸缩部和高频振动液压装置，所述伸缩部的一端固定在刀盘面板的盘面上；
4、所述高频振动液压装置包括缸体，所述伸缩部另一端与所述缸体的长度方向的一端固定连接；所述缸体内部构设有用以安装振动头的振头容腔、用以安装活塞体的活塞容腔、用以缓存储能的储能腔、用以安装换向阀的阀体容腔，所述振头容腔、所述活塞容腔、所述储能腔沿所述缸体的长度方向从远离所述伸缩部到靠近所述伸缩部依次构设；所述阀体容腔与所述活塞容腔平行布置；
5、所述缸体还设置有进油口，以及，用以连通所述进油口与所述活塞容腔、所述进油口与所述阀体容腔、所述活塞容腔与所述阀体容腔的多个油路通道，所述阀体容腔上设置有出油口；所述活塞体能够做往复运动、并间断的冲击所述振动头。
6、通过采用上述技术方案，具有的有益效果和好处有：强破岩效率，该装置通过在传统滚刀的基础上增设高频振动破岩组件，能够利用活塞体往复运动产生的高频冲击力，有效辅助滚刀对硬岩或其他难以切割的地层进行破碎，大大提高了隧道掘进过程中的破岩效率。适应复杂地质条件，在面对复杂多变的岩石强度和结构时，尤其是硬质岩层，常规的静态压力破岩方法可能效率低下，而振动破岩方式可以更有效地克服这些问题，使盾构机能灵活应对各种地层挑战。通过缸体上的进油口、出油口及多个油路通道设计，配合换向阀等元件，可实现实时精确控制活塞体的振动频率与振幅，确保振动头始终处于最佳破岩状态。储能腔的存在意味着装置能够存储一部分能量，在需要的时候迅速释放，进一步增强了活塞体冲击振动头的力量，有利于在瞬间突破硬岩或形成更大范围的裂纹网络，加速岩石破碎进程。
7、可选的，所述振头容腔与所述活塞容腔贯通，所述活塞容腔与所述储能腔之间具有储能壁体，所述储能壁体构设有储能通孔；
8、所述振动头的一端约束的设置在所述振头容腔内，所述振动头的另一端延伸至所述缸体外部；所述活塞体包括塞轴体，所述塞轴体的一端为冲击段、另一端为与所述冲击段连接为整体的储能段，在所述活塞体的所述塞轴体上从远离所述储能腔到靠近所述储能腔依次间隔设置有第一环状体、第二环状体；所述活塞体往复运动时，所述第一环状体和所述第二环状体的径向外侧壁分别在其运动范围内与所述活塞容腔的内侧壁紧密接触；
9、所述活塞体和所述振动头位于同一轴线；
10、所述冲击段与所述振动头间断的碰撞，所述储能段经由所述储能通孔伸入所述储能壁体内。
11、通过采用本段技术方案，该盾构机刀盘振动破岩装置进一步优化了振动头和活塞体的设计与工作方式，通过振头容腔与活塞容腔的贯通设计使得活塞体在往复运动过程中能更直接地将动能传递给振动头，而储能壁体及储能通孔结构则有利于实现能量的储存与释放。通过第一环状体和第二环状体的设置能够确保活塞体在活塞容腔内做往复运动时保持稳定接触，进而实现对活塞体运动状态的精确控制，保证振动头受到的冲击力均匀、有力。轴向一致性和稳定性，活塞体和振动头位于同一轴线上，这意味着它们之间的能量传递路径最短、最直接，降低了能量损耗，同时也保证了整个振动破岩过程的稳定性和一致性，减少了不必要的机械振动和噪音。
12、可选的，所述换向阀包括第一阀段、第二阀段，所述第二阀段的径向尺寸大于所述第一阀段；
13、所述换向阀能够在所述阀体容腔内往复运动，往复运动时，所述第一阀段和第二阀段的径向外侧壁与所述阀体容腔的内侧壁紧密接触；
14、所述换向阀的所述第一阀段远离所述第二阀段的一侧形成阀第一压力面，所述第二阀段靠近所述第一阀段的一侧形成阀第二压力面，所述第二阀段远离所述第一阀段的一侧形成阀第三压力面；所述阀第二压力面与所述阀体容腔围设形成阀转换腔，所述阀第三压力面与所述阀体容腔围设形成阀后腔，所述第一压力面的面积小于所述第三压力面，所述第一压力面和所述第二压力面的面积之和大于所述第三压力面的面积；
15、在所述换向阀内设置有贯通所述第一阀段和第二阀段的轴向阀孔，且在所述第一阀段设置有与所述轴向阀孔连通的径向阀孔；
16、所述进油口经由阀体油路与靠近所述第一压力面侧的所述阀体容腔连通，油可经由轴向阀孔进入所述阀后腔。
17、通过采用上述技术方案，公开了换向阀相关的结构，换向阀由第一阀段和径向尺寸更大的第二阀段构成，使得阀体在往复运动时能够精确地改变液压油的压力分布。第一压力面、第二压力面和第三压力面的不同面积设计，确保了液压油的有效分配和转换，实现对活塞体往复运动方向的精准控制。阀转换腔和阀后腔的设置允许液压油在不同工作阶段进入或排出，从而驱动活塞体进行有效的冲击振动动作。轴向阀孔和径向阀孔的组合结构使液压油能够在换向阀内快速且准确地切换流向，从而有效驱动高频振动液压装置的工作循环。当进油口供应的高压油本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种盾构机刀盘振动破岩装置，其特征在于：包括滚刀(2)、设置在所述滚刀(2)外的刀盘面板(1)，以及设置在刀盘面板(1)上的若干振动破岩组件(3)，所述振动破岩组件(3)设置在所述刀盘面板(1)朝向破岩方向的盘面上；
2.根据权利要求1所述的盾构机刀盘振动破岩装置，其特征在于：
3.根据权利要求2所述的盾构机刀盘振动破岩装置，其特征在于：
4.根据权利要求3所述的盾构机刀盘振动破岩装置，其特征在于：
5.根据权利要求4所述的盾构机刀盘振动破岩装置，其特征在于：
6.根据权利要求5所述的盾构机刀盘振动破岩装置，其特征在于：
7.根据权利要求1所述的盾构机刀盘振动破岩装置，其特征在于：
8.根据权利要求7所述的盾构机刀盘振动破岩装置，其特征在于，使用该装置辅助破岩方法，包括以下步骤：
9.基于盾构机刀盘振动破岩装置辅助破岩过程的岩石特性原位测试方法，在盾构机刀盘振动破岩装置辅助破岩的过程中，将活塞体的运动情况划分为活塞体回程加速阶段、活塞体回程减速阶段和活塞体冲程阶段，其特征在于，该岩
10.根据权利要求9所述的岩石特性原位测试方法，其特征在于，
...【技术特征摘要】
1.一种盾构机刀盘振动破岩装置，其特征在于：包括滚刀(2)、设置在所述滚刀(2)外的刀盘面板(1)，以及设置在刀盘面板(1)上的若干振动破岩组件(3)，所述振动破岩组件(3)设置在所述刀盘面板(1)朝向破岩方向的盘面上；
2.根据权利要求1所述的盾构机刀盘振动破岩装置，其特征在于：
3.根据权利要求2所述的盾构机刀盘振动破岩装置，其特征在于：
4.根据权利要求3所述的盾构机刀盘振动破岩装置，其特征在于：
5.根据权利要求4所述的盾构机刀盘振动破岩装置，其特征在于：
6.根据权利要求5所...
【专利技术属性】
技术研发人员：李杰，高竹郁，黄元俊，卜鹤，郭京波，杨龙，苏康，梁晓，陈伟，孙岩坤，
申请(专利权)人：石家庄铁道大学，
类型：发明
国别省市：
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