[发明专利]一种高压水冲孔冻结膨胀破岩TBM刀盘及其使用方法

说明书

本发明公开了一种高压水冲孔冻结膨胀破岩TBM刀盘，包括刀盘、边缘滚刀、高压水射流喷嘴、液氮喷嘴，所述压缩空气喷嘴安装在所述刀盘设置的开孔中，并与所述刀盘内部的驱动装置传动连接；所述高压水射流喷嘴以刀盘中心轴为轴线圆周阵列设有若干圈，并由内向外呈放射状分布在所述刀盘掘进方向的端面，所述高压水射流喷嘴与所述刀盘内部的驱动装置传动连接；所述液氮喷嘴安装在所述刀盘设置的开孔中，并与所述刀盘内部的驱动装置传动连接。本发明通过液体结冰体积膨胀的方式，对硬岩内部结构预先形成有效的破坏，再进行破岩处理，能够有效降低滚刀破岩时破岩力，提高破岩效率，降低破岩能耗。

技术领域

本发明涉及TBM刀盘技术领域，尤其涉及一种高压水冲孔冻结膨胀破岩TBM刀盘及其使用方法。

背景技术

岩石隧道掘进机(TBM)是一种用于岩石地层隧道掘进开挖的专用装备，主要是利用旋转刀盘上的滚刀挤压剪切破岩。随着轨道交通的发展，隧道及地下工程对TBM的使用需求越来越高，TBM在工作过程中经常会遇到抗压强度超过200MPa的硬岩。极硬岩多属于火成岩，是由岩浆在地下深处冷凝而形成，在形成时受地壳内部的高压作用，使其内部结构紧密，力学性能好。在面对硬岩工况时传统TBM刀盘破岩能力严重不足，会出现贯入度变低、刀具磨损加快、刀具寿命缩短等一系列工程问题。据统计，硬岩环境下刀具磨耗成本及维修更换时间在项目成本和工期的占比均高达30-40％以上，这将严重影响了工程进度，也会使项目成本激增，超过工程预算，经济效益低下。

CN105736006A公开了高压水射流全断面岩石掘进机刀盘设计方法，其整体布局采用结构完全相同的两个同步旋转的十字形辐条布局形式的刀盘，通过辐条上水射流的冲击以及刀具的旋转挤压来进行岩石破碎，减小了刀具破碎岩石的阻力，延长了刀具的寿命。但因为现有的水射流辅助破岩设计对岩石的破坏往往集中在一个点或一条线，对其内部结构的破坏十分有限，对掘进效率的提高也有限。

发明内容

本发明旨在一定程度上解决上述存在的技术问题，提供一种高压水冲孔冻结膨胀破岩TBM刀盘，通过液体结冰体积膨胀的方式，对硬岩内部结构预先形成有效的破坏，再进行破岩处理，能够有效降低滚刀破岩时破岩力，提高破岩效率，降低破岩能耗。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种高压水冲孔冻结膨胀破岩TBM刀盘，包括刀盘、边缘滚刀、高压水射流喷嘴、液氮喷嘴，所述刀盘内部设有驱动装置，所述刀盘朝向其掘进方向的端面分别设有先行滚刀、中心滚刀及普通滚刀；所述边缘滚刀以刀盘中心轴为轴线圆周阵列分布在所述刀盘最外侧，并与所述刀盘掘进方向呈倾斜夹角；所述高压水射流喷嘴以刀盘中心轴为轴线圆周阵列设有若干圈，并由内向外呈放射状分布在所述刀盘掘进方向的端面，所述高压水射流喷嘴与所述刀盘内部的驱动装置传动连接；所述液氮喷嘴安装在所述刀盘设置的开孔中，并与所述刀盘内部的驱动装置传动连接。

在某些优选实施例中，所述液氮喷嘴设置在相邻两先行滚刀或普通滚刀之间。

在某些优选实施例中，所述液氮喷嘴的数量为高压水射流喷嘴数量的1/3～1/2。

在某些优选实施例中，所述刀盘掘进方向的端面上下相邻两圈设置的高压水射流喷嘴分布在先行滚刀或普通滚刀的两侧。

一种高压水冲孔冻结膨胀破岩TBM刀盘的使用方法，包括所述的高压水冲孔冻结膨胀破岩TBM刀盘，TBM停止向前掘进换步时对掌子面进行预破坏，具体使用方法包括如下步骤，

S1.高压水射流喷嘴从刀盘伸出，并向掌子面喷射高压水射流，在掌子面形成孔洞后高压水射流喷嘴先收回刀盘内部，同时刀盘旋转角度后高压水射流喷嘴从刀盘伸出，继续对掌子面进行高压水射冲孔，重复多次直至掌子面密布有水射流冲击产生的孔洞后高压水射流喷嘴收回刀盘内部；

S2.液氮喷嘴从开孔伸出并向掌子面喷射液氮，使液氮喷入到掌子面通过高压水射形成的孔洞内，而高压水射流喷嘴喷射时喷射在孔洞内的水遇到液氮结冰，体积膨胀，从而使孔洞周围岩体产生微小裂纹完成对掌子面的预破坏；