[发明专利]水力-机械联合破岩TBM装置及其破岩方法

说明书

本发明公开了一种水力‑机械联合破岩TBM装置。它包括旋转驱动，推进油缸，外机架，油压缸，外机架上撑靴和TBM刀盘结构；所述TBM刀盘结构安装在所述旋转驱动前端、且位于所述外机架前侧；所述外机架位于所述旋转驱动外侧；所述外机架上撑靴位于所述外机架后方、且与所述外机架通过所述推进油缸连接；其特征在于：有机械滚刀结构和水力切割刀具模块均呈周向布置在所述TBM刀盘结构上；所述机械滚刀结构和所述水力切割刀具模块均呈间隔设置；所述水力切割刀具模块安装在径向上间隔设置的二个所述机械滚刀结构之间。本发明具有降低喷嘴的磨损，缩短刀具与岩壁之间的距离，提高破岩效率的优点。本发明还公开了水力‑机械联合破岩TBM装置的破岩方法。

技术领域

本发明涉及隧道及地下工程技术领域，特别涉及复杂地质条件TBM隧道施工领域，更具体地说它是水力-机械联合破岩TBM装置。本发明还涉及水力-机械联合破岩TBM装置的破岩方法。

背景技术

传统TBM采用机械滚刀破岩，TBM滚刀在破岩时往往具有三种状态，即贯入度过小、贯入度合适和贯入度过大。在一定的滚刀间距条件下，贯入度过小时，刀盘下方产生的裂纹会向破岩自由面(掌子面)上拓展并形成三角形的岩石渣片，亦或者两相邻滚刀所产生的水平向裂纹无法交汇，滚刀之间的岩脊无法被切削破坏，需要多次重复破岩才能达到良好的破岩效果，但此方法会造成破岩能耗增加，影响破岩效率；在一定的滚刀间距条件下，贯入度过大时，相邻滚刀间的岩石被切削成细小的岩石渣片、颗粒甚至粉末，岩石被过度破碎，造成了能耗的增加和刀具磨碎；合适的贯入度应该在一定滚刀间距条件下，以最小的能耗和机构磨损，形成最大的破岩范围。

传统机械常截面盘形滚刀破岩贯入度由TBM参数确定，针对不同的掌子面岩性种类会做出调整，但是每次只能针对一种掌子面的岩石进行调整，由于底层地质复杂，各种岩性的岩石交错布置，使用传统机械进行破岩，效率低、破岩能耗大、易磨损滚刀；且由于施工过程中很难找到合适的TBM贯入度，所以容易造成TBM切削能量的损耗和刀盘的磨损。

现有TBM破岩方法中采用的常规滚刀结构，第一种破岩方式为：采用普通滚轮式滚刀破岩；第二种破岩方式为：在TBM刀盘空白位置上随机打孔案装水射流结构，使水射流结构与普通滚轮式滚刀间隔布置，采用水力和机械联合破岩；

但是采用上述第一种破岩方式进行破岩，破坏岩石所需最大力较大，且易磨损滚刀，破岩效率较低；

采用上述第二种破岩方式进行破岩，如申请号为：201310188881.X，专利名称为《高压水射流在掘进机刀盘中的布置方法与结构》；其在传统TBM刀盘主体结构形式基础上，在TBM刀盘的空白位置随机布置若干高压水喷嘴，具有提高TBM的破岩效率，降低刀盘温度，对环境防尘降温；但是，由于其需在TBM刀盘上专门开设安装高压水刀的开孔，结构复杂，随机对机械滚刀进行降温，并不具有针对性，由于其处于常开状态，易造成水资源浪费，破岩能耗较高，且达不到预计效果。

如申请号为CN105736006A，专利名称为《高压水射流全断面岩石掘进机刀盘设计方法》，发明人霍军周、朱冬等改变了传统圆形刀盘的形状，采用两个十字形辐条布局，通过四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，降低了破岩能耗；但是其对传统TBM刀盘的改动较大，成本较高，不利于实现及应用。

随着社会的日益发展，隧道及地下工程对TBM的使用需求越来越高；因此，现亟需开发一种破岩效率较高、破岩能耗较少、机械磨损较低的水力切割刀具及模块及联合破岩TBM装置及破岩方法。

发明内容

本发明的第一目的是为了提供一种水力-机械联合破岩TBM装置；降低喷嘴的磨损，缩短刀具与岩壁之间的距离，提高破岩效率；保证水力切割刀具模块始终紧贴岩石掌子面进行水刀切割，保证喷嘴与掌子面的距离为喷嘴喷射作用力最大的范围，提高破岩效率，减少破岩能耗，降低机械磨损。

本发明的第二目的是为了提供所述水力-机械联合破岩TBM装置的破岩方法；提高破岩效率，减少破岩能耗，降低机械磨损，提高工程进度和降低工程成本。