[发明专利]一种水射流辅助成型异形断面刀盘、隧道掘进机及方法

说明书

本发明提供了一种水射流辅助成型异形断面刀盘、隧道掘进机及方法，本发明包括圆形刀盘和若干异形刀盘，各异形刀盘的设置位置与圆形刀盘的设置位置，沿刀盘轴线方向具有一定距离，异形刀盘的破岩作用面位于所述圆形刀盘的破岩作用面后侧，且所述异形刀盘设置于所述圆形刀盘圆周方向上；圆形刀盘正面设置有多个机械破岩机构，圆形刀盘的盾体周边布设有若干水射流机构；异形刀盘正面设置有若干机械破岩机构，异形刀盘的至少一部分边缘设置有若干水射流机构；本发明能够实现异形断面的整体成型、一次性成型，对坚硬岩石的有效切割，且能够保证岩渣顺利排出。

技术领域

本发明属于隧道掘进技术领域，具体涉及一种水射流辅助成型异形断面刀盘、隧道掘进机及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

近些年来，交通隧道得到广泛建设和大力发展，(全断面)隧道掘进机(TunnelBoring Machine，TBM)作为一种高度自动化掘进机械，具有施工速度快、成洞质量好、安全性高等优点，被广泛应用于公路、铁路等交通隧道建设中。为了实现功能需求，目前交通隧道断面形状主要以马蹄形、矩形等异形断面为主。但是现有的TBM刀盘形状为圆形，掘进的隧洞断面为圆形，还需进一步的后续施工才能完成异形断面，主要方法为局部洞壁切削，并将剥离的岩石渣片对隧洞底部进行回填。这既延长了施工工期、大幅增加了成本，又降低了隧洞的使用高度，严重影响了工程效益。

目前，想要使用TBM一次成型马蹄形等异形隧道断面还存在一些困难：

（1）TBM刀盘不能像软土盾构机那样，通过设计异形机械刀盘来实现硬岩条件下隧道断面的一次成型，因为软土盾构的异形刀盘结构非常复杂，强度和刚度不足，可靠性较差，难以用来破碎坚硬岩石；

（2）尽管目前提出了利用多个机械刀盘先后掘进形成异形断面的方案，但该方法实际上是分步施工的，并不能同步施工使隧道断面一次成型，影响了总体施工进度。

综上，因此，要想能够高效一次成型马蹄形等异形隧道断面，需要解决：刀盘机械强度要足够支撑TBM在硬岩条件下的可靠掘进；TBM在掘进过程中不停机，一次性施工成型异形隧道断面，确保施工高效。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种水射流辅助成型异形断面刀盘、隧道掘进机及方法，本发明利用高压水射流的易搭载、高效的特点，通过水射流机构和机械破岩机构的巧妙结合与布局，能够实现异形断面的整体成型、一次性成型，对坚硬岩石的有效切割，且能够保证岩渣顺利排出。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

一种水射流辅助成型异形断面刀盘，包括圆形刀盘和若干异形刀盘，其中：

各异形刀盘与圆形刀盘呈阶梯式布置，各异形刀盘的破岩作用面位于所述圆形刀盘的破岩作用面后侧，且所述异形刀盘设置于所述圆形刀盘圆周方向上；

所述圆形刀盘正面设置有多个机械破岩机构，圆形刀盘的盾体周边布设有若干水射流机构；

所述异形刀盘正面设置有若干机械破岩机构，异形刀盘的至少一部分边缘设置有若干水射流机构。

这样的设置方式，使得各异形刀盘的破岩作用面后置于所述圆形刀盘的破岩作用面，在刀盘行进过程中，圆形刀盘先工作，形成圆形断面，并根据盾体周边布设的水射流机构作用下，在圆形断面周围形成裂缝网络以弱化岩体，便于异形刀盘的机械破岩机构动作，且在异形刀盘边缘处设置的水射流机构，能够沿所布设的形状，剥落剩余的岩体，切割出要求形成的异形断面。

作为可选择的实施方式，所述异形刀盘至少一边呈弧形，与所述圆形刀盘的外沿相吻合。

作为可选择的实施方式，所述异形刀盘与所述圆形刀盘不吻合的其他侧边，设置有若干水射流机构，且所述水射流机构沿其所在边的延伸方向排列。