[发明专利]一种基于锥形刀具拓宽水切槽上宽下窄结构破岩方法

说明书

本发明公开了一种基于锥形刀具拓宽水切槽上宽下窄结构破岩方法。它包括如下步骤，步骤一：将TBM刀盘对准岩石切槽位置；步骤二：启动TBM刀盘，使TBM刀盘向前行进一个行程；具体过程为：TBM刀盘在行进方向破岩时，首先，高压水射流结构随TBM刀盘转动方向转动时，高压水射流至相邻二个机械滚刀结构之间的岩石，在岩石上形成水力切槽；紧接着，锥形刀具结构伸入水力切槽、对水力切槽进行加深拓宽；最后，机械滚刀结构在水力切槽两侧的岩石上方进行滚压切削、形成槽体；步骤三：重复步骤二，TBM刀盘开始下一个行程作业，直至岩石切槽完成。本发明解决了杜绝切槽分隔岩体过早闭合影响破岩效率的技术问题；具有更加高效利用切削岩石的滚刀滚压机械能，实现高效率、低能耗破岩的优点。

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锥形刀具拓宽水切槽上宽下窄结构破岩方法。

背景技术

根据CEM(CavityExpansionModel)理论(空腔膨胀模型)，岩石材料在上部刚性刀具的作用下，刚性刀具压缩造成的岩石材料和损伤区域的非弹性体积变化，都可以完全被周围完好材料的径向弹性膨胀所容纳。该模型假定压头下方存在球形或圆柱形对称空间，所有的场量都不会沿着圆周方向变化。如图3-图7中CEM模型概念图所示，刚性压头下方岩石试样的空间根据其应力及变形特征可以被划分为核心区、塑性区和弹性区。

对于切槽后的CEM模型，岩石在刚性刀具(滚刀)的作用下，随着刀具法向作用力的不断增大以及压入深度的逐渐增加，岩石材料内部核心区、塑性区和弹性区的范围不断扩张，压头下方的岩石塑性区边界范围发育延伸到切槽位置时，就会将切割出的槽体挤压变形，使槽体的形状呈现上边变形大—槽体变窄，下边变形小——槽体宽度几乎不变的状态。在刀具继续作用下，等宽度槽体的上部切槽会完全闭合，使切槽分割的岩体与原有岩体形成整体，抑制了塑性区的进一步发展，不利于岩石的破碎。

对比机械滚刀结合高压水射流的联合破岩方式，该类型破岩方式首先通过高压水射流在岩石上形成一定深度d1的槽体，再有机械滚刀滚压两相邻槽体隔绝形成的局部块体。该类联合破岩的局限性在于，对于实际工程，往往需要高压水射流装置以较快的行进速度对岩石进行切削，然而，在较高行进速度下，即使高压水射流的射流压力很大，依然难以形成较深的切削深度，如图3-图7中单独水射流切槽配合机械滚刀破岩所示：较高行进速度下，水射流切槽深度较浅，机械滚刀在岩石块体上形成的裂纹延伸长度越过了切槽的最深处，切槽行为不能够完全利用机械滚刀所形成的裂纹，造成机械能的浪费，进行不能致裂该部位的局部岩石块体。

因此，现亟需开发一种实现高效率、低能耗破岩的破岩方法。

发明内容

本发明的目的是为了一种基于锥形刀具拓宽水切槽上宽下窄结构破岩方法，经过机械刮刀在水射流切槽之后的拓宽加深，即通过水射流+锥形刀具切槽配合机械滚刀破岩，增加后的切槽深度为d2，上部切槽宽度为b2，该深度可以完全利用机械滚刀在岩石块体中形成的裂纹，能够较好的对该部位岩石块体进行致裂破碎，从而实现切多深、破多深，同时能够很好的杜绝切槽分隔岩体过早闭合影响破岩效率的问题，更加高效利用切削岩石的滚刀滚压机械能，实现高效率、低能耗破岩。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种基于锥形刀具拓宽水切槽上宽下窄结构破岩方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：将TBM刀盘对准岩石切槽位置；

步骤二：启动TBM刀盘，使TBM刀盘向前行进一个行程；

具体过程为：TBM刀盘上安装的高压水射流结构和TBM刀盘由旋转带动旋转；

TBM刀盘在行进方向破岩时，首先，高压水射流结构随TBM刀盘转动方向转动时，高压水射流至相邻二个机械滚刀结构之间的岩石，在岩石上形成水力切槽；

紧接着，锥形刀具结构伸入水力切槽、对水力切槽进行加深拓宽；