基于倾斜高压水射流及刮刀布置的无岩脊破岩方法

摘要

本发明公开了一种基于倾斜高压水射流及刮刀布置的无岩脊破岩方法。它包括如下步骤，步骤一：高压水射流结构喷射的高压水射流垂直射入岩石，在岩体材料上形成高压水切槽；由机械滚刀结构的机械滚刀滚压由两相邻高压水切槽分割的局部岩石块体，形成两道主裂纹，机械滚刀下方出现梯形状的岩脊；步骤二：岩脊由高压水射流结构喷射的高压水射流进行再次分割，用机械刮刀去除步骤一中的残余岩体和分割后的岩脊；或采用模块化刮刀直接去除岩脊。本发明克服了机械滚刀贯入岩石的深度无法达到高压水切槽的深度，因此保留的岩脊需要通过其他方式去除，耗时耗力的缺点；具有可直接除残余岩脊的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及隧道及地下工程领域，特别涉及高压水射流破岩技术在TBM隧道施工领域的应用，更具体地说它是一种基于倾斜高压水射流及刮刀布置的无岩脊破岩方法。

背景技术

传统意义上，原有TBM机械刀具破岩，通过机械滚刀滚压和刮刀切割的方式去除岩脊。然而，在利用高压水射流切槽联合破岩之后，滚刀下方岩脊的高度有所增加，原有的机械刮刀难以达到水力切槽的底部位置，因此保留的岩脊需要通过其他方式去除。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种基于倾斜高压水射流及刮刀布置的无岩脊破岩方法，为一种高压水射流+机械滚刀联合破岩模式下，机械滚刀压力作用下方的岩脊去除方法，可直接用于平机械滚刀作用后剩余的残余岩体，整平隧道掘进前方的掌子面，提高下一阶段联合破岩的效率；克服了机械滚刀贯入岩石的深度无法达到高压水切槽的深度，因此保留的岩脊需要通过其他方式去除，耗时耗力的缺点。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：基于倾斜高压水射流及刮刀布置的无岩脊破岩方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：TBM刀盘对准岩石；首先由高压水射流结构喷射的高压水射流垂直射入岩石，在岩体材料上形成高压水切槽；

接着，由机械滚刀结构的机械滚刀滚压由两相邻高压水切槽分割的局部岩石块体，在机械滚刀滚压过后，矩形局部岩石块体在机械滚刀下方形成两道主裂纹，主裂纹从机械滚刀下方贯通局部岩石块体至高压水切槽的底部位置；至此，机械滚刀下方出现梯形状的岩脊；

步骤二：岩脊由高压水射流结构喷射的高压水射流进行再次分割，用机械刮刀去除步骤一中的残余岩体和分割后的岩脊；

或采用模块化刮刀直接去除岩脊。

在上述技术方案中，在步骤二中，当岩脊由高压水射流结构喷射的高压水射流进行再次分割时，岩脊分割方式为：高压水射流倾斜射入岩脊，入射角度为度、且射入点为岩脊斜边的中点。

在上述技术方案中，通过高压水射流结构控制高压水射流的喷射压力和切割速度，直到高压水射流的切槽深度达到岩脊的底边位置。

在上述技术方案中，在步骤二中，当采用模块化刮刀直接去除岩脊时，所述模块化刮刀贯入高压水切槽、切割机械滚刀滚压后残余的岩脊，将岩脊推平至高压水切槽最底部位置。

在上述技术方案中，模块化刮刀包括刮刀刀具、机械刮刀框架、机械刮刀推力油缸和机械刮刀导向连接油缸；

刮刀刀具通过机械刮刀刀具中轴安装在机械刮刀框架上；

机械刮刀推力油缸与机械刮刀框架连接；

机械刮刀导向连接油缸与机械刮刀框架连接、且位于机械刮刀推力油缸两侧；

机械刮刀推力油缸和机械刮刀导向连接油缸分别与TBM刀盘连接。

在上述技术方案中，在TBM刀盘工作时，机械刮刀推力油缸施加推力，机械刮刀导向连接油缸伴随机械刮刀框架同步运动，机械刮刀推力油缸的施加力作用到机械刮刀框架上，进而推动刮刀刀具。

在上述技术方案中，机械滚刀结构包括机械滚刀、机械滚刀框架和机械滚刀推力油缸；

机械滚刀通过机械滚刀刀具中轴安装在机械刮刀框架上；

机械滚刀推力油缸与机械滚刀框架连接；

机械滚刀推力油缸与TBM刀盘连接。

在上述技术方案中，所述模块化刮刀包括两种状态，分别为刮刀切割岩脊工作状态和刮刀收缩状态；

当机械刮刀模块为刮刀收缩状态时，且刮刀刀具伸出TBM刀盘平面的长度与机械滚刀伸出TBM刀盘平面的长度相等，刮刀刀具和机械滚刀同时滚压岩石材料，

当机械刮刀模块为刮刀切割岩脊工作状态时，刮刀刀具贯入高压水切槽、切割机械滚刀滚压后残余的岩脊，将岩脊推平至高压水切槽最底部位置。

在上述技术方案中，TBM刀盘上设有高压水射流结构、机械滚刀结构和模块化刮刀；

高压水射流结构、模块化刮刀和机械滚刀结构在TBM刀盘上分别安装布置组成一个工作组，其中，高压水射流结构、模块化刮刀和机械滚刀结构在TBM刀盘上按照水射流切槽、模块化刮刀扩宽加深、机械滚刀滚压切削的破岩顺序模式安装布置。

在上述技术方案中，在TBM刀盘的行进方形上，高压水射流结构位于机械滚刀结构前方，机械滚刀结构位于模块化刮刀前方；

TBM刀盘上布置多个所述工作组。

本发明具有如下优点：

(1)本发明为一种高压水射流+机械滚刀联合破岩模式下，机械滚刀压力作用下方的岩脊去除方法，可直接用于平机械滚刀作用后剩余的残余岩体，整平隧道掘进前方的掌子面，提高下一阶段联合破岩的效率；克服了机械滚刀贯入岩石的深度无法达到高压水切槽的深度，因此保留的岩脊需要通过其他方式去除，耗时耗力的缺点；

(2)本发明采用新型的刮刀，加深刮刀的切割深度，促进滚刀下方岩脊块体的直接切除，提高工作效率；适用于在工程环境更为复杂的岩石开挖工程中，水射流技术可能难以适应的工况；

(3)本发明采用高压水射流进行再次分割残余岩脊块体，再通过机械刮刀去除残余岩脊，块体，最终实现切槽深度与机械破岩深度相匹配的有机结合，促进滚刀下方岩脊块体的直接切除，提高工作效率。

附图说明

图1为传统机械滚刀滚压与刮刀去除参与岩脊破岩示意图。

图2为本发明中的高压水射流结构、机械滚刀结构、模块化刮刀或机械刮刀顺序作用破岩示意图。

图3为本发明中的水射流切槽配合机械滚刀破岩示意图。

图4为图3破岩后残余岩脊结构示意图。

图5为本发明采用高压水射流结构对残余岩体进行水力切槽破碎后、采用刮刀清除残余岩体的示意图。

图6为本发明中的TBM刀盘上的模块化刮刀、机械滚刀结构压缩状态的工作状态图。

图7为本发明中的TBM刀盘上的模块化刮刀、机械滚刀结构收缩后的状态图。

图8为本发明中的TBM刀盘结构示意图。

图1中，FN表示推动力；FR表示滚力；A表示切削前岩石表面；B表示滚刀下方残余岩脊；C表示切削后岩石表面；Q1表示机械滚刀转动方向。

图2中，FN表示推动力；FR表示滚力；A表示切削前岩石表面；C表示切削后岩石表面；Q1表示机械滚刀转动方向；L表示高压水射流结构喷射的高压水射流。

图3中，M表示密实核；W表示次级裂纹；C表示经高压水射流结构、机械滚刀结构先后破岩后的残余岩脊。

图4中，C表示经高压水射流结构、机械滚刀结构先后破岩后的残余岩脊；E表示水力切槽底部基准线。

图5中，K1为第一块体；K2为第二块体；K3为第三块体；L为高压水射流结构对残余岩脊进行倾斜切割后形成的倾斜水力切槽；E表示水力切槽底部基准线。

图6、图7中，M表示TBM刀盘平面。

图8中，Q2表示TBM旋转方向。

图中1-模块化刮刀,1.1-刮刀刀具,1.2-机械刮刀框架,1.3-机械刮刀推力油缸,1.4-机械刮刀导向连接油缸,1.5-机械刮刀刀具中轴，2-机械滚刀结构,2.1-机械滚刀,2.2-机械滚刀框架,2.3-机械滚刀推力油缸,2.4-机械滚刀刀具中轴，3-高压水射流结构,4-TBM刀盘，5-高压水切槽,6-主裂纹，7-岩脊，8-机械刮刀。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。

参阅附图可知：基于倾斜高压水射流及刮刀布置的无岩脊破岩方法，包括如下步骤，

步骤一：TBM刀盘4对准岩石；首先由高压水射流结构3喷射的高压水射流垂直射入岩石，在岩体材料上形成具有一定宽度和深度的高压水切槽5；

接着，由机械滚刀结构2的机械滚刀滚压由两相邻高压水切槽5分割的局部岩石块体，在机械滚刀滚压过后，矩形局部岩石块体在机械滚刀下方形成两道主裂纹6，主裂纹6从机械滚刀下方贯通局部岩石块体直至高压水切槽5的底部位置；至此，机械滚刀下方出现类似梯形状的具有一定参与强度的岩脊7(如图2、图3、图4所示)；

步骤二：岩脊7由高压水射流结构3喷射的高压水射流进行再次分割，用机械刮刀去除步骤一中经过过道滚压后剩余的残余岩体以及步骤二中由高压水射流切槽分割成的三块较小区域的正梯形凸台岩体，刮刀的切割深度为类梯形残余岩脊块体岩石凸台块体的底边线，最终实现切槽深度与机械破岩深度相匹配的有机结合(如图2、图5、图8所示)；

或采用模块化刮刀1直接去除岩脊；只有当滚刀的贯入深度达到一定值，破岩力足够大时，才会去除岩脊；本发明中的倾斜高压水射流切槽达到一定深度，在切槽底部形成应力集中区，配合机械滚刀滚压破碎岩石，能够将主裂纹拉伸到槽的底部，后续经过刮刀切除，实现无岩脊破岩。

进一步地，在步骤二中，当岩脊7由高压水射流结构3喷射的高压水射流进行再次分割时，岩脊7分割方式为：高压水射流倾斜射入岩脊7，入射角度为45度、且射入点为类似梯形状的岩脊7斜边的中点(如图5所示)，提高岩脊破碎效果，降低岩脊强度，降低刮刀去除岩脊的能耗。

进一步地，通过高压水射流结构3控制高压水射流的喷射压力和切割速度，直到高压水射流的切槽深度达到岩脊7(即正梯形凸台)的底边位置；此时，经机械滚刀滚压破岩后剩余类梯形残余岩脊7块体被高压水射流分割成三块较小的岩石区域，分别为第一块体K1、第二块体K2和第三块体K3(如图5所示)。其中的高压水射流结构3和高压水射流结构3均为现有技术。

进一步地，在步骤二中，当采用模块化刮刀1直接去除岩脊7时，所述模块化刮刀1贯入高压水切槽5、切割机械滚刀滚压后残余的岩脊，将岩脊推平至高压水切槽5最底部位置，实现联合破岩的切多深、破多深。

进一步地，模块化刮刀1包括刮刀刀具1.1、机械刮刀框架1.2、机械刮刀推力油缸1.3和机械刮刀导向连接油缸1.4；

刮刀刀具1.1通过机械刮刀刀具中轴1.5安装在机械刮刀框架1.2上；

机械刮刀推力油缸1.3与机械刮刀框架1.2连接；

机械刮刀导向连接油缸1.4与机械刮刀框架1.2连接、机械刮刀导向连接油缸1.4有二个，二个机械刮刀导向连接油缸1.4分别且位于机械刮刀推力油缸1.3两侧；

机械刮刀推力油缸1.3和机械刮刀导向连接油缸1.4分别与TBM刀盘4连接；

所述机械刮刀框架起到支撑作用，用以安装所述水利截割滚刀刀具(如图6、图7所示)。所述机械刮刀推力油缸为整个机构的推动装置，可以施加推力使机械刮刀刀具受力；所述机械刮刀导向连接油缸起导向连接作用，不受力。实际工作时，机械刮刀推力油缸施加推力，机械刮刀导向连接油缸伴随同步运动，施加力通过作用到机械刮刀框架上，进而推动刀具。所述机械刮刀模块有两种状态，分别为刮刀切割岩脊工作状态和滚刀收缩状态。收缩状态时刮刀不贯入岩石材料(如图7所示)；切割状态时刮刀切割机械滚刀滚压后残余的岩脊，将岩脊推平至高压水射流切槽最底部位置，实现联合破岩的切多深、破多深(如图6所示)。

进一步地，在TBM刀盘4工作时，机械刮刀推力油缸1.3施加推力，机械刮刀导向连接油缸1.4伴随机械刮刀框架1.2同步运动，机械刮刀推力油缸1.3的施加力作用到机械刮刀框架1.2上，进而推动刮刀刀具1.1去除岩脊。

进一步地，机械滚刀结构2包括机械滚刀2.1、机械滚刀框架2.2和机械滚刀推力油缸2.3；

机械滚刀2.1通过机械滚刀刀具中轴2.4安装在机械刮刀框架1.2上；

机械滚刀推力油缸2.3与机械滚刀框架2.2连接；

机械滚刀推力油缸2.3与TBM刀盘4连接(如图6、图7、图8所示)。

进一步地，所述模块化刮刀1包括两种状态，分别为刮刀切割岩脊工作状态和刮刀收缩状态；

当机械刮刀模块为刮刀收缩状态时，且刮刀刀具1.1伸出TBM刀盘4平面的长度与机械滚刀伸出TBM刀盘4平面的长度相等，刮刀刀具1.1和机械滚刀同时滚压岩石材料(如图7所示)，

当机械刮刀模块为刮刀切割岩脊工作状态时，刮刀刀具1.1贯入高压水切槽5、切割机械滚刀滚压后残余的岩脊7，将岩脊7推平至高压水切槽5最底部位置(如图6所示)。

进一步地，TBM刀盘4上设有高压水射流结构3、机械滚刀结构2和模块化刮刀1；

高压水射流结构3、模块化刮刀1和机械滚刀结构2在TBM刀盘4上分别安装布置在不同的相位组成一个工作组；其中，高压水射流结构3、模块化刮刀1和机械滚刀结构2在TBM刀盘4上按照高压水射流结构3切槽、模块化刮刀1扩宽加深、机械滚刀滚压切削的破岩顺序模式安装布置(如图8所示)、组成一个工作组。

进一步地，在TBM刀盘4的行进方形上，高压水射流结构3位于机械滚刀结构2前方，机械滚刀结构2位于模块化刮刀1前方；

联合破岩的TBM刀盘4沿周向布置多个所述工作组(如图8所示)。

所述倾斜高压水射流的倾角根据岩石强度和刀调整，力求实现最优的水射流切割效果。

为了能够更加清楚的说明本发明所述的基于倾斜高压水射流及刮刀布置的无岩脊破岩方法与现有技术相比所具有的优点，工作人员将这两种技术方案进行了对比，其对比结果如下表：

由上表可知，发明所述的基于倾斜高压水射流及刮刀布置的无岩脊破岩方法与现有技术相比，岩脊去除方法简便、工作效率高、施工成本低。

其它未说明的部分均属于现有技术。