[发明专利]一种利用微波和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬岩掘进机

说明书

本发明公开了一种利用微波和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬岩掘进机，解决了现有掘进机在掘进过程中需要对刀盘进行换刀等维护而导致的成本高、工期长的技术问题。本发明包括连接有无滚刀刀盘的中心主驱动机组，无滚刀刀盘上设置有微波发射器和大出渣口，微波发射器连接有微波辐射臂，无滚刀刀盘上设置有超临界二氧化碳喷嘴，超临界二氧化碳喷嘴通过超临界二氧化碳高压输送管连接有超临界二氧化碳高压泵站。本发明采用微波与超临界二氧化碳射流耦合破岩系统，彻底摈弃了常规的刀具破岩技术，解决了掘进机金属刀具切岩时极易发生异常损坏的难题，提升了开挖效率，降低了开挖成本。

技术领域

本发明涉及第五代隧道掘进机技术领域，特别是指一种利用微波和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬岩掘进机。

背景技术

目前隧道掘进针对岩层来讲，主要是依靠盘型滚刀挤压岩石达到破碎岩体的目的，其主要克服的是岩石的抗压强度，针对一般强度的岩层（100MPa以内）其破岩效率尚可，但在较硬的岩石地层中，滚刀破岩法经济性很差。因此，需要颠覆性的发明一种新型掘进机和破岩工法。

经检索，现有申请日为2018.12.25、申请号为201822184738.4的中国实用新型专利公开了一种用于硬岩的微波辅助破岩TBM刀盘，包括TBM刀盘主体，TBM刀盘主体主要由单刃破岩滚刀，双刃破岩滚刀，喷水除尘口及微波辅助破岩发射器组成；刀盘通过双刃和单刃滚刀的组合布置覆盖不同轨迹破岩路径；刀盘面板设置多个喷水除尘口；刀盘面板布置多个微波破岩发射器，微波破岩发射器由微波发射盘、波导结构、微波发射模块组成，当遇到硬质岩层时启动微波发射装置，通过微波快速加热岩石，降低岩石点荷载强度、单轴抗压强度和抗拉强度等力学特性，增加岩石节理裂隙辅助TBM滚刀破岩。

所述一种用于硬岩的微波辅助破岩TBM刀盘与传统刀盘相比增添了微波发射装置来辅助滚刀破岩，能够相对传统刀盘提高掘进性能，进而减少滚刀在硬岩中的磨损及换刀次数。但是，如其公布文本所记载，随着掘进破岩的进行，滚刀仍然存在相当的磨损量，仍然需要进行换刀等维护，因而不能极大地缩短工期和降低工程投资。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种利用微波和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬岩掘进机，解决了现有掘进机在掘进过程中需要对刀盘进行换刀等维护而导致的成本高、工期长的技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种利用微波和超临界二氧化碳破岩的无滚刀硬岩掘进机，包括连接有无滚刀刀盘的中心主驱动机组，因为无滚刀刀盘质量轻，而且不同于传统刀盘利用刀盘上刀具挤压岩石来破岩，因此无需使用传统的驱动机构，可以摒弃周边多组电机或液压马达减速机的传统驱动方式，只采用中心主驱动机组带动无滚刀刀盘旋转即可。由于无滚刀刀盘采用中心主驱动机组来驱动，则无滚刀刀盘的背部可以有足够的装配空间，在无滚刀刀盘的背部设置微波发射器。微波发射器连接有通向无滚刀刀盘前侧的微波辐射臂，通过微波辐射臂可以将微波发射器产生的微波传达至岩石表面，利用岩石内不同矿物成分对微波能具有不同的吸收特性，将岩石温度加热到50°C以上。此时各矿物不同的热膨胀产生的内应力使岩石内发生沿晶断裂和穿晶断裂，使岩石产生损伤和微裂纹，进而使岩石的强度降低。无滚刀刀盘上设置有超临界二氧化碳喷嘴，超临界二氧化碳喷嘴通过超临界二氧化碳高压输送管连接有超临界二氧化碳高压泵站。超临界二氧化碳的破岩门槛压力远低于水射流，并且超临界二氧化碳射流冲蚀后的岩石呈网络化破碎，整体呈大体积层状破碎。在微波辐射臂和超临界二氧化碳喷嘴的双重所用下，岩石会受到热应力、高压流体冲蚀、超临界物质超强渗透的多重作用，达到岩石大块剥落的效果。

进一步地，所述无滚刀刀盘上的出渣口大于500mm且开口率大于25％，无滚刀刀盘上设置这样的大出渣口，大块剥落的岩石可通过大出渣口排出。

进一步地，超临界二氧化碳高压输送管外部包裹有玻璃纤维层，玻璃纤维层能够有效保持超临界二氧化碳高压输送管内超临界二氧化碳的温度，可以有效保障超临界二氧化碳的超临界状态。