[发明专利]一种空化射流辅助破岩的TBM刀盘及破岩方法

说明书

本发明公开了一种空化射流辅助破岩的TBM刀盘及破岩方法，以提高TBM刀盘破岩效率。本发明包括刀盘本体，刀盘本体上设有中心滚刀和正滚刀，还包括空化射流机构，空化射流机构的空化射流喷头设置在刀盘本体上且与中心滚刀和正滚刀相对应。所述空化射流机构包括空化射流喷头和空化装置，空化射流喷头垂直设置在刀盘本体的前面板上，且空化射流喷头通过高压水管道与空化装置相连接。本发明在常规刀盘上增加了用于辅助切削硬岩的空化射流破岩装置；通过对空化射流喷头与滚刀的配合，利用空化射流对极硬岩有较强的破坏性，能削弱岩石的各项性能，对岩石进行双重破碎，提高刀盘的破岩效率。

技术领域

本发明涉及极硬岩钻掘施工技术领域，特别是指一种空化射流辅助破岩的TBM刀盘及破岩方法。

背景技术

近年来，随着高速铁路、城市地铁、矿山开采等大型工程的快速发展，越来越多的隧道正在被规划和建设，在硬岩隧道掘进中众多安全可靠的TBM得到了广泛的应用。相对于传统的人工钻爆发而言，这种掘进方法在安全性以及掘进速度上有了很大的提升。但是在掘进过程中，如果遇到极硬岩地段，刀具就会受到剧烈的磨损损坏，掘进速度也因此受到影响而大幅度降低。在这种情况下，众多的刀具在掘进较短的距离时就受到了损坏而不得不进行换刀作业，过于频繁的TBM换刀操作不仅会使隧道掘进成本极大的增加，而且隧道施工工期也不能得到很好的保证。

从19世纪后半叶在螺旋桨叶片上发现空化现象以来，空化理论及应用已经有了很大发展，并且所涉及的领域也越来越多。其中空化射流是一种比较典型的利用空化效应的高效射流，空化是一种复杂的可压缩流体动力学现象，一般认为水在高速运动过程中，当某处的局部压力低于该处饱和蒸汽压时，溶于水中的空气会逸出，水自身也会气化，形成许多空泡，这些空泡到达高压区时发生崩溃，同时产生高温高压以及微射、流压缩波等，对附近固体表面的破坏性极大。

但是空化辅助破岩属于新型的破岩技术，如何通过空化射流提高刀盘破岩效率，是众多设计工作者的研究重点。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种空化射流辅助破岩的TBM刀盘及破岩方法，以提高TBM刀盘破岩效率。

本发明的技术方案是这样实现的：一种空化射流辅助破岩的TBM刀盘，包括刀盘本体，刀盘本体上设有中心滚刀和正滚刀，还包括空化射流机构，空化射流机构的空化射流喷头设置在刀盘本体上且与中心滚刀和正滚刀相对应。

所述空化射流机构包括空化射流喷头和空化装置，空化射流喷头垂直设置在刀盘本体的前面板上，且空化射流喷头通过高压水管道与空化装置相连接。

所述空化射流喷头内径分为上游段、突变段和下游段，上游段的内径为d1，突变段的内径为d2，下游段的内径为d3，d1≥（1.1~1.5）×d3；d3≥（3~8）×d2。

所述与中心滚刀对应的空化射流喷头沿中心滚刀反向转动的方向设置在设置在中心滚刀后方；与正滚刀对应的空化射流喷头沿正滚刀反向转动的方向设置在设置在正滚刀后方，且位于径向相邻两个正滚刀刀刃运动轨迹之间。

所述刀盘本体的前面板上设有螺纹孔，空化射流喷头为阶梯形喷嘴，阶梯形喷嘴的中间阶梯台设有外螺纹，空化射流喷头上的外螺纹与螺纹孔螺纹配合。

所述空化射流喷头伸出刀盘本体前面板且低于相对应的中心滚刀或正滚刀刀刃最高点。所述所述空化射流喷头伸出刀盘本体前面板的距离为50mm~140mm。

一种空化射流辅助破岩的TBM刀盘的破岩方法，具体如下：

S1：在TBM刀盘旋转作业时，中心滚刀和正滚刀转动形成多个同心圆切削轨迹，水射流通过回转接头输送到刀盘区域，经高压水管道流入空化射流喷头；

S2：同一同心圆切削轨迹上的位于运动方向前侧的空化射流喷头喷出空化射流，对硬岩表面进行冲蚀，降低岩石的各项性能；