一种用于极硬岩地层下的TBM刀盘

摘要

本发明公开了一种用于极硬岩地层下的TBM刀盘。所述的用于极硬岩地层下的TBM刀盘由刀盘、外侧滚刀、开口、中间滚刀、液压顶杆、内侧滚刀、滚轮、中间岩石和驱动装置9组成。所述的刀盘带动所述的外侧滚刀、中间滚刀和内侧滚刀切割产生环形隧道，随后所述的中间岩石被所述的液压顶杆顶断，并被所述的滚轮运出所述刀盘，实现大块岩渣剥离，以降低极硬岩地层下TBM破岩能耗。

说明书

技术领域

本发明涉及TBM刀盘技术领域，具体涉及一种用于极硬岩地层下的TBM刀盘。

背景技术

岩石隧道掘进机(TBM)是一种用于隧道掘进开挖的专用装备。TBM主要依靠刀盘及安装在刀盘前端的滚刀滚压切割岩石，其破岩性能直接决定TBM整体掘进性能和掘进效率。

随着我国地下空间高速发展，特别是近期地球深部空间发展，受地应力等地质因素，TBM掘进过程所遇岩石强度逐渐增加，岩石抗压强度普遍超过150MPa，使得传统TBM刀盘及其滚刀承受巨大破岩载荷，在破碎相同体积下的岩石需要额外更高的破岩能量，造成了TBM掘进巨大能源浪费。因此针对极硬地层这种极端工况，设计出一种低能耗破岩TBM刀盘具有重要意义。

TBM刀盘破岩过程可以概括为滚刀滚压，将岩渣从掌子面上一片一片进行剥落，其中滚刀破岩能耗耗散的主要途径是产生破碎岩渣的新鲜岩面(破碎表面)所消耗的能量，因此减少岩渣的新鲜岩面是降低TBM刀盘破岩能耗的重要途径。一般而言，岩石在破碎过程中所产生的新鲜岩面与对应产生的岩渣数量和大小呈一定的对应关系，岩渣数量越多，岩渣平均尺寸越小，所产生岩渣新鲜岩面也越多，即破岩过程所消耗的能量也越多，越不环保节能。为此，减少岩渣的数量，增加岩渣的尺寸可以极大减少TBM掘进破岩能耗。

针对于该原理，本发明设计了一种用于极硬岩地层下的TBM刀盘，使得该种TBM刀盘破岩时，产生大块岩渣，减少岩渣数量，以降低破岩能耗，达到节能环保的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于极硬岩地层下的TBM刀盘，该TBM刀盘为中空式刀盘，刀盘通过滚刀切割可以形成环形隧道，由于极硬岩完整性好，环形隧道中间区域的岩石可以类似于悬臂梁一样悬挂在掌子面上而不脱落，此时，将中间区域岩石采用整体式剥离的方法形成大块柱状岩碴，以减少TBM破岩能耗，提升TBM破岩效率和破岩能力。

本发明主要通过以下方案实现，本发明主要包括刀盘、外侧滚刀、开口、中间滚刀、液压顶杆、内侧滚刀、滚轮、中间岩石和驱动装置。

所述刀盘为圆环柱状，中间呈圆柱形镂空，所述刀盘上装有所述外侧滚刀、所述中间滚刀和所述内侧滚刀；所述外侧滚刀安装在所述刀盘的最外侧，与所述刀盘掘进方向存在一定倾角，且沿所述刀盘的圆周方向上均匀布置，用于扩大所述刀盘开挖的隧道直径，防止所述刀盘外侧与外侧岩石发生摩擦；所述中间滚刀安装在所述刀盘中间区域，沿所述刀盘的圆周方向均匀布置；所述内侧滚刀安装在所述刀盘的最内侧，与所述刀盘掘进方向存在一定倾角，且所述内侧滚刀也是沿着所述刀盘的圆周方向上均匀布置，所述内侧滚刀用于扩大内侧开挖范围，防止所述刀盘内侧与所述中间岩石接触而发生摩擦；所述刀盘可以带动所述外侧滚刀、所述中间滚刀和所述内侧滚刀切割岩石产生环形隧道；所述刀盘上中间区域设有所述开口，用于排掉所述刀盘切割产生的岩渣。

所述刀盘后端连有所述驱动装置，所述驱动装置可以给所述刀盘提供所需推力和转矩，实现所述刀盘的轴线前移推进和旋转；所述刀盘内圆柱面上沿刀盘轴线方向布有所述液压顶杆，用于顶断由所述刀盘向前掘进产生的所述中间岩石；所述液压顶杆可以缩回到所述刀盘里面，避免所述刀盘在掘进过程中所述液压顶杆与所述中间岩石发生接触。

所述刀盘内圆柱面沿轴线方向布有所述滚轮，所述滚轮沿所述刀盘内圆柱面圆周方向布有三组所述滚轮，且每组所述滚轮沿所述刀盘的轴线方向均匀分布，便于很好地支撑住顶断所产生的所述中间岩石；中间组的所述滚轮正对所述液压顶杆；所述滚轮可以沿所述刀盘径向方向伸缩，避免所述刀盘在掘进过程中所述滚轮与所述中间岩石发生接触；所述滚轮由电机驱动可以实现自转，用于将顶断的所述中间岩石运出所述刀盘。

掘进过程中，所述刀盘在所述驱动装置的驱动下，首先开挖极硬岩地层，所述刀盘掘进到一定深度后，会产生环形柱状隧道，随后所述刀盘停止推进前移；将所述刀盘旋转调整好位置，使得所述液压顶杆在所述刀盘的最上方，所述滚轮在所述刀盘的正下方；随后控制所述液压顶杆，将其从所述刀盘内伸出，并顶在所述中间岩石上，缓慢加载，将所述中间岩石顶断；随后所述滚轮在控制机构作用下伸出所述刀盘，将顶断的所述中间岩石撑起，并通过电机控制所述滚轮自转将所述中间岩石运出刀盘，后续由相应运渣车送出隧道。

与现有技术相比，本发明改变传统的TBM刀盘破岩模式，采用“边缘切割中间整取”的方式，减少岩渣数量，促进大块岩渣产生，特别是中间岩石整取的方式，可以极大幅度的增加岩渣尺寸，减少新岩渣的新鲜岩面，降低TBM破岩所述能耗，可以为极硬岩地层下的TBM高效、节能及环保掘进提供依据。

附图说明

附图1为本发明的正面结构示意图；

附图2为本发明的侧面结构示意图；

附图3为本发明的中间岩石被顶断后的示意图；

附图4为本发明的中间岩石被运输出去以后的示意图；

附图中：1-刀盘，2-外侧滚刀，3-开口，4-中间滚刀，5-液压顶杆，6-内侧滚刀，7-滚轮，8-中间岩石，9-驱动装置。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如附图1和附图2所示，一种用于极硬岩地层下的TBM刀盘由刀盘1，外侧滚刀2，开口3，中间滚刀4，液压顶杆5，内侧滚刀6，滚轮7，中间岩石8和驱动装置9构成。

刀盘1为圆环柱状，中间呈圆柱形镂空，刀盘1上装有外侧滚刀2、中间滚刀4和内侧滚刀6；外侧滚刀2安装在刀盘1的最外侧，与刀盘1的掘进方向存在一定倾角，用于扩大所述刀盘开挖的隧道直径，防止所述刀盘外侧与外侧岩石发生摩擦，外侧滚刀2和掘进方向的倾角由隧道直径扩大的程度确定，一般优选在30°到60°之间；同时，外侧滚刀2沿刀盘1的圆周方向上均匀布置，优选为单刃滚刀，外侧滚刀2可以根据实际需要对滚刀数量进行调整；中间滚刀4安装在刀盘1的中间区域，沿刀盘1的圆周方向均匀布置，中间滚刀4优选为双刃滚刀，可以减少刀座所占据的刀盘1中间区域宽度同时增加单位时间内破岩量；中间滚刀4在刀盘1中间区域可以有多环(图1中只给出了一环双刃滚刀)，可根据刀盘1的实际尺寸决定，同一环上的滚刀数量可以根据需求配置；内侧滚刀6安装在刀盘1的最内侧，也与刀盘1的掘进方向存在一定倾角，一般优选在30°到60°之间；内侧滚刀6用于扩大内侧开挖范围，防止刀盘1内侧与掘进所产生的中间岩石8接触而发生摩擦；内侧滚刀6也是沿着刀盘1的圆周方向上均匀布置，内侧滚刀6也可以根据实际需要对滚刀数量进行调整；刀盘1可以带动外侧滚刀2、中间滚刀4和内侧滚刀6旋转切割岩石，以产生环形隧道；刀盘1上中间区域设有开口3，用于排掉刀盘1切割产生的岩渣，开口3的尺寸要大于滚刀切割破岩产生的岩渣尺寸，便于排掉滚刀切割产生的岩渣。

刀盘1后端连有驱动装置9，驱动装置9可以实现刀盘1的轴向推进和绕其轴线的旋转，驱动装置9可以根据推力和转矩的需求进行力源配置，且驱动装置的推力和转矩可以无级调节；刀盘1内圆柱面沿刀盘1轴线方向布有液压顶杆5，用于顶断由刀盘1向前掘进产生的中间岩石8，液压顶杆5的数量优选2个，一个分布在中间岩石8的左端，一个分布在中间岩石8的右端，可以确保中间岩石8被液压顶杆5所顶断而脱离掌子面；液压顶杆5可以缩回到刀盘1里面，避免刀盘1在掘进过程中液压顶杆5与中间岩石8发生接触。

刀盘1内圆柱面沿轴线方向布有滚轮7，滚轮7沿刀盘1内圆柱面圆周方向布有三组滚轮7，且每组滚轮7沿刀盘1的轴线方向均匀分布，便于很好地支撑住被液压顶杆5顶断所产生的中间岩石8；中间组的滚轮7正对液压顶杆5，每组滚轮7沿刀盘1的轴线方向均匀布置，对应的数量和尺寸根据所顶断的中间岩石8的尺寸确定；作为优选，滚轮7表面采用耐磨橡胶包覆，以便提高耐磨性并可以给所掉下来的中间岩石8缓冲；滚轮7可以沿刀盘1的径向方向伸缩，刀盘1在破岩过程中，滚轮7缩在刀盘内部，可以避免刀盘1在掘进过程中滚轮7与中间岩石8发生接触摩擦；待中间岩石8被顶断后，滚轮7伸出刀盘1，顶住中间岩石8，滚轮7可以由电机驱动实现自转，可以将支撑住的中间岩石8运出刀盘1。

如附图2所示，掘进过程中，刀盘1在驱动装置9的驱动下，首先开挖极硬岩地层，待刀盘1掘进到一定深度后，会产生环形柱状隧道，随后刀盘1停止推进前移；通过控制驱动装置9，使得刀盘1旋转到指定位置，在该位置处，液压顶杆5处于刀盘1的最上方，而滚轮7刚好处于刀盘1的最下方；随后控制液压顶杆5，将其在刀盘1内缓慢伸出并顶在中间岩石8上，随着液压顶杆5缓慢加载，中间岩石8最终从掌子面处被折断，如附图3所示；随后滚轮7在控制机构的作用下伸出刀盘1，将顶断的中间岩石8撑起，并通过电机控制滚轮7自转将中间岩石8运出刀盘1，后续被顶断的中间岩石8由相应运渣车送出隧道，如附图4所示。

如附图4所示，在将中间岩石8输送出刀盘1之后，液压顶杆5和滚轮7缩回到刀盘1的里面，刀盘1继续向前掘进，重复上述破岩过程。

上面结合附图对本发明的实施方式进行了详细说明，但本发明并不限于上述实施方式。对于熟悉本领域的人员而言，可容易实现本发明专利其他结构设计的修改。因此，在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出的图例。