CN110924969B - 水力-机械联合破岩tbm刀盘 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水力切割刀具模块。它包括水力切割刀具模块框架、推力弹簧结构、水力切割刀具模块推力油缸和水力切割刀具；所述推力弹簧结构位于所述水力切割刀具模块框架内；所述水力切割刀具模块推力油缸的位于所述推力弹簧结构上端；所述水力切割刀具固定于所述水力切割刀具模块框架下端。本发明具有破岩效率高的优点。本发明还公开了水力‑机械联合破岩TBM刀盘。

Description

水力-机械联合破岩TBM刀盘

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切割刀具模块。本发明还涉及水力-机械联合破岩TBM刀盘。

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TBM掘进装备。

发明内容

本发明的第一目的是为了提供水力切割刀具模块，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，破岩效率高。

本发明的第二目的是提供水力-机械联合破岩TBM刀盘，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。

为了实现上述本发明的第一目的，本发明的技术方案为：水力切割刀具模块，其特征在于：包括水力切割刀具模块框架、推力弹簧结构、水力切割刀具模块推力油缸和水力切割刀具；

所述推力弹簧结构位于所述水力切割刀具模块框架内；

所述水力切割刀具模块推力油缸的位于所述推力弹簧结构上端；

所述水力切割刀具固定于所述水力切割刀具模块框架下端。

在上述技术方案中，还包括水力切割刀具模块导向连接油缸、固定座；

所述水力切割刀具模块推力油缸和所述水力切割刀具模块导向连接油缸的固定端均固定于所述固定座上；

所述水力切割刀具模块推力油缸的伸缩端与所述推力弹簧结构的上板连接；

所述推力弹簧结构的下板固定在所述水力切割刀具模块框架的侧壁中部；

所述水力切割刀具模块导向连接油缸的伸缩端固定于所述水力切割刀具模块框架侧壁上端。

在上述技术方案中，所述水力切割刀具模块导向连接油缸有多个；所述水力切割刀具模块推力油缸设于间隔设置的二个所述水力切割刀具模块导向连接油缸之间。

所述水力切割刀具包括高压水管道、高压水切割刀具伴随滚动轮和刀具中轴；

所述刀具中轴两端分别固定于所述水力切割刀具模块框架侧壁下端；

所述高压水切割刀具伴随滚动轮套在所述刀具中轴上；

所述高压水管道垂直向下穿过所述刀具中轴、且固定在所述刀具中轴上。

在上述技术方案中，所述高压水切割刀具伴随滚动轮中部设有滚动轴承；

所述滚动轴承套在所述刀具中轴上、且与所述刀具中轴活动连接；

所述高压水切割刀具伴随滚动轮有多个。

在上述技术方案中，所述高压水管道位于间隔设置的所述高压水切割刀具伴随滚动轮之间；

所述刀具中轴上设有固定通孔；

所述高压水管道外周设有高压水管道保护套筒；

所述高压水管道保护套筒自上而下伸出所述固定通孔、且固定在所述固定通孔上；

所述高压水管道保护套筒下端伸出所述固定通孔的长度小于所述高压水切割刀具伴随滚动轮下端到所述刀具中轴的距离。

在上述技术方案中，所述高压水管道下端设有喷嘴；所述喷嘴位于所述高压水管道保护套筒内；

有高压水管道外接口设于所述水力切割刀具模块框架外侧壁上；

所述高压水管道上端穿过所述水力切割刀具模块框架侧壁、与所述高压水管道外接口连通；

所述高压水管道保护套筒紧贴推力弹簧结构的下板。

为了实现上述本发明的第一目的，本发明的技术方案为：水力-机械联合破岩TBM刀盘，包括机械滚刀结构和TBM刀盘结构，其特征在于：还包括所述的水力切割刀具模块；

所述机械滚刀结构和所述水力切割刀具模块均呈周向安装在所述TBM刀盘结构上、且均呈间隔布置；

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。

在上述技术方案中，所述水力切割刀具模块安装在间隔设置的二个所述机械滚刀结构之间的中心位置。

在上述技术方案中，当TBM刀盘处于初始状态时，所述高压水切割刀具伴随滚动轮伸出所述TBM刀盘结构的长度大于所述机械滚刀结构伸出所述TBM刀盘结构的长度；

当TBM刀盘处于工作状态时，所述高压水切割刀具伴随滚动轮伸出所述TBM刀盘结构的长度与所述机械滚刀结构伸出所述TBM刀盘结构的长度相等。

本发明具有如下优点：

(1)本发明创新出一种新的水力-机械联合破岩TBM刀盘的布置方式，利用刀盘上机械滚刀间距中心位置加装水力切割刀具模块替换现有TBM刀盘高压水射流喷嘴与机械滚刀在刀盘上的简单叠加组合方式，在不改变现有TBM支护推进方式的前提下，调整水力管道的适应性，提高高压水射流的破岩能力，对水力-机械联合破岩TBM的掘进工作方法重新定义；

(2)本发明水力切割刀具模块为模块化滚刀；本发明水力切割刀具模块导向连接油缸起导向连接作用，不受力；实际工作时，本发明水力切割刀具模块推力油缸施加推力，水力切割刀具模块导向连接油缸伴随同步运动，施加力通过推力弹簧作用到水力切割刀具模块框架上，进而推动本发明水力切割刀具模块；本发明水力切割刀具模块有两种状态，分别为初始状态和滚压状态；当本发明水力切割刀具模块为初始状态时，推力弹簧为不受力状态，仅起连接作用；当本发明水力切割刀具模块为滚压状态时，推力弹簧压缩受力，起到连接和传递力的作用；

(3)本发明水力切割刀具模块与机械滚刀结构在TBM刀盘上为未工作状态时，水力切割刀具模块处于初始不受力状态，高压水切割刀具伴随滚动轮及高压水管道喷嘴超前TBM刀盘平面和机械滚刀模块一定距离；在TBM刀盘上为工作状态时，水力切割刀具模块首先接触到岩石掌子面，受到掌子面的反力作用，推力弹簧收缩直至水力切割刀具模块与机械滚刀处于同一平面，即TBM刀盘平面，工作状态下始终保持高压水切割刀具伴随滚动轮处于受压滚动状态；本发明高压水切割刀具伴随滚动轮所受力较小，目的是为了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；本发明水力切割刀具模块缩短了刀具与岩壁之间的距离，提高了破岩效率；高压水切割刀具伴随滚动轮不起机械滚压作用，起滚动作用及保护和带动喷嘴的作用，仅承担部分自重力和水利喷射时贴紧岩石表面承担的反力；

(4)本发明水力切割刀具模块仅作为高压水射流喷射装置，降低了功能复杂性；

(5)本发明高压水射流喷嘴及管道设置了保护机构，可以起到降低喷嘴磨损的作用；

(6)本发明高压水射流喷嘴可以更换，延长了刀具的使用寿命；

(7)本发明能够提高破岩效率，减少破岩能耗，降低机械磨损，对提高工程进度和降低工程成本具有较大的意义；

(8)本发明在现有的TBM刀盘上基础上不做大幅变动就能实现，工业上的可实现程度更高。

本发明具水力切割刀具模块为更独立的模块(水力切割刀具的高压水切割刀具伴随滚动轮不承担压裂岩石的作用、只起滚动作用)，其高压水管道布置方式更简洁、且能更好地保护喷射喷嘴；本发明能够保证下方的伴随切割滚轮及高压水管道喷嘴，能够更加贴近岩石，实现更好的喷射效果，更好的实现其水切割的功能。

附图说明

图1为本发明水力切割刀具模块初始状态主视结构示意图。

图2为本发明水力切割刀具模块工作状态主视结构示意图。

图3为本发明水力切割刀具主视局部透视结构示意图。

图4为本图3的A处放大图。

图5为图4的俯视结构示意图。

图6为本发明水力切割刀具俯视结构示意图。

图7为本发明水力切割刀具左视局部透视结构示意图。

图8为本发明水力-机械联合破岩TBM刀盘上、水力-机械联合破岩TBM刀盘与机械滚刀结构初始状态结构示意图。

图9为本发明为本发明水力-机械联合破岩TBM刀盘上、水力-机械联合破岩TBM刀盘与机械滚刀结构工作状态结构示意图。

图10为本发明水力-机械联合破岩TBM刀盘俯视结构示意图。

图11为本发明破岩示意图。

图12为采用本发明所述的水力-机械联合破岩TBM刀盘的TBM装置的工作结构示意图。

图13为传统机械滚刀的切割效果示意。

图14为本发明水力切割刀具模块破岩示意图。

图15为本发明水力切割刀具模块在掌子面上破岩示意图。

图16为本发明喷嘴喷射效率对比图。

图8中，A表示TBM刀盘结构的平面；图9中，A表示TBM刀盘结构的平面。

图11中，M表示本发明所述的水力-机械联合破岩TBM刀盘的运动方向；S表示机械滚刀轨迹。

图13中，A表示切削前岩石表面；B表示切削后岩石表面；M表示滚刀转动方向。

图14中，A表示切削前岩石表面；B表示切削后岩石表面；M表示滚刀转动方向；FN表示推动预紧力；T表示水射流冲击力；H表示切槽深度；G表示切槽深度线。

图13是传统机械滚刀的切割效果示意图；图13表明传统机械滚刀破岩时既起到切割岩石的作用、又起到压裂岩石的作用；

图14是伴随滚轮携带高压水喷射管道喷射出一定深度水槽的效果示意图；图14表明高压水切割刀具伴随滚动轮不承担压裂岩石的作用，其起到保护高压水管道行走，以及切出水刀切槽的作用。

图15中，M表示TBM转动方向；T1表示第一号水力切割刀具模块后方的水刀切槽痕迹及方向(即：由第一号水力切割刀具模块采用高压水射流切割岩石形成的水刀切槽痕迹及方向)；S1表示第一号水力切割刀具模块；T2表示第二号水力切割刀具模块后方的水刀切槽痕迹及方向；S2表示第二号水力切割刀具模块；T3表示第三号水力切割刀具模块后方的水刀切槽痕迹及方向；S3表示第三号水力切割刀具模块；T4表示第四号水力切割刀具模块后方的水刀切槽痕迹及方向；S4表示第四号水力切割刀具模块；T5表示第五号水力切割刀具模块后方的水刀切槽痕迹及方向；S5表示第五号水力切割刀具模块；T6表示第六号水力切割刀具模块后方的水刀切槽痕迹及方向；S6表示第六号水力切割刀具模块。

图16表示本发明喷嘴喷出的高压水利用效率对比图；其中，L表示射流核心段；M表示过渡段；A表示初始段；B表示基本段；本发明水力切割刀具模块7在TBM刀盘上为工作状态时，水力切割刀具模块首先接触到岩石掌子面，受到掌子面的反力作用，推力弹簧收缩直至水力切割刀具模块与机械滚刀结构处于同一平面，即TBM刀盘平面，工作状态下水力切割刀具模块始终保持高压水切割刀具伴随滚动轮处于受压滚动状态；高压水切割刀具伴随滚动轮所受力较小，目的是为了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；因此，本发明在破岩工作时喷射的高压水射流有90％处于射流核心段，本发明的高压水喷射利用效率较高；

现有技术的TBM刀盘高压水射流喷嘴与机械滚刀在刀盘上的简单叠加组合方式，高压水射流喷嘴安装在TBM刀盘平面上，由于和岩石掌子面之间存在半个机械滚刀刀身的距离，致使高压水射流在到达岩石掌子面之前的距离较大，水射流降压明显，高压水射流在初始段，即有效射流段的距离较小，造成了能量消耗；

本发明采用的水力切割刀具模块可以通过高压水切割刀具伴随滚动轮像机械滚刀一样在掌子面上滚动，且高压水射流通道的喷嘴在刀具滚动过程中可以紧贴掌子面，能够更有效的切割岩石掌子面，到达提高破岩效率，降低破岩能耗的目的。

图中1-水力切割刀具模块框架,2-推力弹簧结构,3-水力切割刀具模块推力油缸,4-水力切割刀具模块导向连接油缸，5-固定座,6-水力切割刀具，6.1-高压水管道,6.2-高压水切割刀具伴随滚动轮,6.21-滚动轴承,6.3-刀具中轴,6.31-固定通孔,6.4-高压水管道保护套筒,6.5-喷嘴,6.6-高压水管道外接口,7-水力切割刀具模块,8-水力-机械联合破岩TBM刀盘，9-机械滚刀结构，10-TBM刀盘结构，11-水刀旋转调节部，12-旋转驱动，13-推进油缸，14-后支撑，15-可伸缩水管，16-水仓，17-外机架，18-护盾，19-油压缸，20-外机架上撑靴，21-铲斗，22-皮带输送机，23-水力-机械联合破岩TBM装置，24-水刀切槽，25-掌子面。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。

参阅附图可知：水力切割刀具模块，包括水力切割刀具模块框架1、推力弹簧结构2、水力切割刀具模块推力油缸3、水力切割刀具模块导向连接油缸4、固定座5和水力切割刀具6；

所述水力切割刀具模块推力油缸3和所述水力切割刀具模块导向连接油缸4的固定端均固定于所述固定座5上；

所述推力弹簧结构2位于所述水力切割刀具模块框架1内；

所述水力切割刀具模块推力油缸3的位于所述推力弹簧结构2上端(如图1、图2所示)；

所述水力切割刀具6固定于所述水力切割刀具模块框架1下端(如图8、图9所示)；水力切割刀具模块在TBM刀盘上为未工作状态时，水力切割刀具模块处于初始不受力状态，高压水切割刀具伴随滚动轮及高压水管道喷嘴超前TBM刀盘平面和机械滚刀模块一定距离；水力切割刀具模块在TBM刀盘上为工作状态时，水力切割刀具模块首先接触到岩石掌子面，受到掌子面的反力作用，推力弹簧收缩直至水力切割刀具模块与机械滚刀结构处于同一平面，即TBM刀盘平面，工作状态下水力切割刀具模块始终保持高压水切割刀具伴随滚动轮处于受压滚动状态；高压水切割刀具伴随滚动轮所受力较小，目的是为了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，高压水切割刀具伴随滚动轮用于带动水力切割刀具6运动、不起机械滚压作用。

进一步地，所述水力切割刀具模块导向连接油缸4有二个；二个所述水力切割刀具模块导向连接油缸4呈间隔布置；水力切割刀具模块导向连接油缸起导向连接作用，不受力；在实际工作时，水力切割刀具模块推力油缸施加推力，水力切割刀具模块导向连接油缸伴随同步运动，施加力通过推力弹簧作用到水力切割刀具模块框架上，进而推动水力切割刀具模块；

所述水力切割刀具模块推力油缸3位于二个所述水力切割刀具模块导向连接油缸4之间；

所述水力切割刀具模块推力油缸3的伸缩端与所述推力弹簧结构2的上板连接；水力切割刀具模块推力油缸为整个机构的推动装置，可以施加推力使高压水切割刀具伴随滚动轮受力；推力弹簧为所述水力切割刀具模块推力油缸和水力切割刀具模块框架的连接机构，所述水力切割刀具模块推力油缸施加推力通过推力弹簧变形传递；

所述推力弹簧结构2的下板固定在所述水力切割刀具模块框架1的两侧壁中部；水力切割刀具模块有两种状态，分别为初始状态和滚压状态；在水力切割刀具模块为初始状态时，推力弹簧为不受力状态，仅起连接作用；在水力切割刀具模块为滚压状态是，推力弹簧压缩受力，起到连接和传递力的作用，水力切割刀具模块推力油缸的施加推力通过推力弹簧作用到水力切割刀具模块框架上，进而推动水力切割刀具模块；

所述水力切割刀具模块导向连接油缸4的伸缩端固定于所述水力切割刀具模块框架1两侧壁上端(如图1、图2所示)；水力切割刀具模块导向连接油缸4起导向连接作用，不受力。

进一步地，所述水力切割刀具6包括高压水管道6.1、高压水切割刀具伴随滚动轮6.2和刀具中轴6.3；

所述刀具中轴6.3两端分别固定于所述水力切割刀具模块框架1两侧壁下端；

所述高压水切割刀具伴随滚动轮6.2套在所述刀具中轴6.3上、且与所述刀具中轴6.3活动连接；

所述高压水管道6.1垂直向下穿过所述刀具中轴6.3、且固定于所述刀具中轴6.3上；刀具中轴6.3对高压水管道6.1和高压水管道保护套筒6.4其支撑固定作用；高压水切割刀具伴随滚动轮6.2用于带动高压水管道6.1和喷嘴6.5运动。

进一步地，所述高压水切割刀具伴随滚动轮6.2中部设有滚动轴承6.21；

所述滚动轴承6.21套在所述刀具中轴6.3上；高压水切割刀具伴随滚动轮6.2以滚动轴承6.21为中心、沿着刀具中轴6.3转动，能为高压水管道6.1和喷嘴6.5提供运动动力；喷嘴6.5呈垂直向下设置；

所述高压水切割刀具伴随滚动轮6.2、滚动轴承6.21与所述刀具中轴6.3的中心线相同；保证本发明结构稳定性；

所述高压水切割刀具伴随滚动轮6.2有二个；二个所述高压水切割刀具伴随滚动轮6.2呈间隔设置；保证本发明结构稳定性。

进一步地，所述高压水管道6.1位于间隔设置的二个所述高压水切割刀具伴随滚动轮6.2之间；保证本发明结构稳定性；

所述刀具中轴6.3上设有固定通孔6.31；

所述高压水管道6.1外周设有高压水管道保护套筒6.4；

所述高压水管道保护套筒6.4至上而下伸出所述固定通孔6.31、且固定于所述固定通孔6.31上(如图3、图4、图5、图6、图7所示)；

所述高压水管道保护套筒6.4下端伸出所述固定通孔6.31的长度小于所述高压水切割刀具伴随滚动轮6.2下端到所述刀具中轴6.3的距离(如图1、图2所示)；保证破岩工作时，喷嘴6.5与掌子面的距离为喷嘴6.5的最大工作效率范围；高压水切割刀具伴随滚动轮6.2用于保护高压水管道保护套筒6.4、高压水管道6.1和喷嘴6.5。

进一步地，所述高压水管道6.1下端设有喷嘴6.5；所述喷嘴6.5位于所述高压水管道保护套筒6.4内；

有高压水管道外接口6.6设于所述水力切割刀具模块框架1外侧壁上；高压水管道外接口与外界高压水连接，为水力切割刀具模块注水；

所述高压水管道6.1上端穿过所述水力切割刀具模块框架1侧壁、与所述高压水管道外接口6.6连通；高压水管道外接口与外界高压水连接，通过高压水管道外接口6.6和高压水管道6.1为水力切割刀具模块注水；

所述高压水管道保护套筒6.4上端位于所述水力切割刀具模块框架1内侧壁上、且紧贴推力弹簧结构2的下板(如图1、图2、图3、图8、图9所示))；高压水管道保护套筒6.4用于保护高压水管道6.1，防止高压水管道6.1裸露导致易损坏的情况。

参阅附图可知：水力-机械联合破岩TBM刀盘，包括机械滚刀结构9和TBM刀盘结构10，还包括所述的水力切割刀具模块7；

所述机械滚刀结构9和所述水力切割刀具模块7均呈周向安装在所述TBM刀盘结构10上、且均呈间隔布置；

所述水力切割刀具模块7安装在径向上间隔设置的二个所述机械滚刀结构9之间、且位于间隔设置的二个所述机械滚刀结构9之间的中心位置(如图8、图9、图10所示)；保证水力切割刀具模块7的贯入效果为最佳；水力切割刀具模块及其内置高压水射流喷嘴工作时水射流可以依照程序设置，通过设置的高压水射流通道阀门控制预先或同步机械滚刀结构工作，起到联合破岩的目的。

进一步地，当水力-机械联合破岩TBM刀盘处于初始状态时，所述高压水切割刀具伴随滚动轮6.2伸出所述TBM刀盘结构10的长度大于所述机械滚刀结构9伸出所述TBM刀盘结构10的长度(如图8所示)；

当水力-机械联合破岩TBM刀盘处于工作状态时，所述高压水切割刀具伴随滚动轮6.2伸出所述TBM刀盘结构10的长度与所述机械滚刀结构9伸出所述TBM刀盘结构10的长度相等(如图9所示)；本发明水力切割刀具模块与机械滚刀结构在TBM刀盘上为未工作状态时，水力切割刀具模块处于初始不受力状态，高压水切割刀具伴随滚动轮及高压水管道喷嘴超前TBM刀盘平面和机械滚刀模块一定距离；在TBM刀盘上为工作状态时，水力切割刀具模块首先接触到岩石掌子面，受到掌子面的反力作用，推力弹簧收缩直至水力切割刀具模块与机械滚刀处于同一平面，即TBM刀盘平面，工作状态下始终保持高压水切割刀具伴随滚动轮处于受压滚动状态；本发明高压水切割刀具伴随滚动轮所受力较小，目的是为了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，高压水切割刀具伴随滚动轮不起机械滚压作用。

参阅附图可知：采用本发明所述的水力-机械联合破岩TBM刀盘的TBM装置的破岩方法，包括所述的水力-机械联合破岩TBM装置23；水力-机械联合破岩TBM装置23采用水力-机械联合破岩TBM刀盘8；

步骤一：将TBM刀盘结构10对准待开挖洞时位置(即：掌子面25)；

步骤二：固定外机架17，启动水力-机械联合破岩TBM装置25，使水力-机械联合破岩TBM装置23向前掘进一个行程；

外机架上撑靴20撑紧围岩洞壁，固定水力-机械联合破岩TBM装置25的机架；

TBM刀盘结构23由旋转驱动12驱动旋转，推进油缸13向TBM刀盘结构23施加推力，TBM被慢慢推出，向前掘进，后支撑14提供支撑；

水力切割刀具模块7和机械滚刀结构9自身旋转的同时随TBM刀盘结构23旋转，同步破碎岩体；

破碎岩体产生的岩渣由铲斗21铲入皮带输送机22，最后运至机后卸载；推进油缸13伸长一个行程，TBM刀盘结构10及与TBM刀盘结构10连接的构件相应向前移动一个行程；

步骤三：重复步骤一至步骤二，开始下一个行程作业，直至掘进到指定距离，即完成洞时开挖(如图12所示)；联合破岩TBM用以隧洞开挖，该TBM工作时，由工人将机械滚刀刀具和高压水力切割刀具模块安装到联合破岩TBM刀盘上，该TBM刀盘上配有的刀具有足够的强度和刚度，能够承受主机掘进时由于刀盘旋转推进所产生的巨大反作用力和剪切应力。旋转驱动控制联合破岩TBM刀盘旋转，推进油缸推进TBM刀盘向前掘进。掘进过程中，外机架上撑靴用于撑紧围岩洞壁，固定TBM机架，后支撑用于支撑联合破岩TBM，方便掘进。铲斗用于铲起经刀盘破碎的岩渣，由皮带运输机运输到洞外。

在上述掘进过程中，TBM刀盘后方的支护装置通过喷浆锚固等方式，将隧道管片与周围岩体紧密连接，形成完整的支护系统。

进一步地，在步骤二中，水力切割刀具模块7和机械滚刀结构9同步破岩，具体如下：

高压水管道6.1水力致裂岩石、产生水刀切槽24(如图12、图15所示)；机械滚刀结构9在水刀切槽24两侧的掌子面岩石上方滚压，使岩渣崩落。

进一步地，在步骤二中，水力切割刀具6破岩时，高压水切割刀具伴随滚动轮6.2在所述水力切割刀具模块推力油缸3、所述推力弹簧结构2和所述水力切割刀具模块框架1的作用下抵在掌子面25上、且在掌子面25上滚动，带动高压水管道6.1运动，高压水管道6.1喷射高压水射流至掌子面25上，形成所述水刀切槽24(如图11、图12、图14、图15所示)。

如图12所示，采用本发明所述的水力-机械联合破岩TBM刀盘的TBM装置，其包括水刀旋转调节部11，旋转驱动12，推进油缸13，后支撑14，可伸缩水管15和水仓16，外机架17，护盾18，油压缸19，外机架上撑靴20，铲斗21、皮带输送机22和TBM刀盘结构23；所述TBM刀盘结构23安装在所述旋转驱动12前端、且位于所述外机架17前侧；所述外机架17位于所述旋转驱动12外侧；所述护盾18位于所述外机架17侧方、且与所述外机架17通过所述油压缸19连接；所述外机架上撑靴20位于所述外机架17后方、且与所述外机架17通过所述推进油缸13连接；所述后支撑14位于所述外机架上撑靴20后方；所述皮带输送机22位于所述外机架17内侧，所述铲斗21位于所述皮带输送机22前端、且位于所述外机架17前端；所述水刀旋转调节部11位于所述旋转驱动12的前部、且与所述旋转驱动12共轴；水刀旋转调节部的高压水管道对接口为外部高压水和破岩高压水的连接结构；所述水仓16位于所述后支撑14后方；水仓位于TBM后端已铺设轨道上，可以保证水量供给；水仓内有加压装置及调节装置，可以为水力切割提供高压水，并能够通过调节高压水的水压控制高压水的流速；所述可伸缩水管15一端与所述水刀旋转调节部11连通、另一端与所述水仓16连通；所述TBM刀盘结构23采用本发明所述的水力-机械联合破岩TBM刀盘。其旋转驱动位于所述联合破岩TBM刀盘之后，所述推进油缸位于TBM机架外，位于外机架之后，用于推进TBM；所述旋转调节部位于所述旋转驱动前部，可以随所述旋转驱动装置同步旋转；所述联合破岩TBM工作系统包括传动箱体、液压进给系统；所述旋转驱动内装有电机、扭矩转速传感器、减速器，该扭矩转速传感器两端分别连接电机和减速器，用以控制联合破岩TBM刀盘的旋转，液压进给系统包括推进油缸，所述推进油缸与推力杆铰接，并连接压力传感器，实现进刀和退刀。

所述TBM刀盘结构和机械滚刀结构9均为现有技术。

为了能够更加清楚的说明本发明所述的水力切割刀具模块及水力-机械联合破岩TBM刀盘与现有的TBM掘进装备相比所具有的优点，工作人员将这两种技术方案进行了对比，其对比结果如下表：

由上表可知，本发明所述的水力切割刀具模块及水力-机械联合破岩TBM刀盘与现有的TBM掘进装备相比，能够提高破岩效率，减少破岩能耗，降低机械磨损，提高工程进度，降低工程成本。

其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (7)

1.水力-机械联合破岩TBM刀盘,包括水力切割刀具模块，机械滚刀结构(9)和TBM刀盘结构(10)，其特征在于：所述水力切割刀具模块包括水力切割刀具模块框架(1)、推力弹簧结构(2)、水力切割刀具模块推力油缸(3)和水力切割刀具(6)；

所述推力弹簧结构(2)位于所述水力切割刀具模块框架(1)内；

所述水力切割刀具模块推力油缸(3)的位于所述推力弹簧结构(2)上端；

所述水力切割刀具(6)固定于所述水力切割刀具模块框架(1)下端；

所述水力切割刀具(6)包括高压水管道(6.1)、高压水切割刀具伴随滚动轮(6.2)和刀具中轴(6.3)；

所述刀具中轴(6.3)两端分别固定于所述水力切割刀具模块框架(1)侧壁下端；

所述高压水切割刀具伴随滚动轮(6.2)套在所述刀具中轴(6.3)上；

所述高压水管道(6.1)垂直向下穿过所述刀具中轴(6.3)、且固定在所述刀具中轴(6.3)上；

所述机械滚刀结构(9)和所述水力切割刀具模块(7)均呈周向安装在TBM刀盘结构(10)上、且均呈间隔布置；

所述水力切割刀具模块(7)安装在径向上间隔设置的二个所述机械滚刀结构(9)之间；

当TBM刀盘处于初始状态时，所述高压水切割刀具伴随滚动轮(6.2)伸出所述TBM刀盘结构(10)的长度大于所述机械滚刀结构(9)伸出所述TBM刀盘结构(10)的长度；

当TBM刀盘处于工作状态时，所述高压水切割刀具伴随滚动轮(6.2)伸出所述TBM刀盘结构(10)的长度与所述机械滚刀结构(9)伸出所述TBM刀盘结构(10)的长度相等。

2.根据权利要求1所述的水力-机械联合破岩TBM刀盘，其特征在于：所述水力切割刀具模块还包括水力切割刀具模块导向连接油缸(4)、固定座(5)；

所述水力切割刀具模块推力油缸(3)和所述水力切割刀具模块导向连接油缸(4)的固定端均固定于所述固定座(5)上；

所述水力切割刀具模块推力油缸(3)的伸缩端与所述推力弹簧结构(2)的上板连接；

所述推力弹簧结构(2)的下板固定在所述水力切割刀具模块框架(1)的侧壁中部；

所述水力切割刀具模块导向连接油缸(4)的伸缩端固定于所述水力切割刀具模块框架(1)侧壁上端。

3.根据权利要求2所述的水力-机械联合破岩TBM刀盘，其特征在于：所述水力切割刀具模块导向连接油缸(4)有多个；所述水力切割刀具模块推力油缸(3)设于间隔设置的二个所述水力切割刀具模块导向连接油缸(4)之间。

4.根据权利要求1所述的水力-机械联合破岩TBM刀盘，其特征在于：所述高压水切割刀具伴随滚动轮(6.2)中部设有滚动轴承(6.21)；

所述滚动轴承(6.21)套在所述刀具中轴(6.3)上、且与所述刀具中轴(6.3)活动连接；

所述高压水切割刀具伴随滚动轮(6.2)有多个。

5.根据权利要求1所述的水力-机械联合破岩TBM刀盘，其特征在于：所述高压水管道(6.1)位于间隔设置的所述高压水切割刀具伴随滚动轮(6.2)之间；

所述刀具中轴(6.3)上设有固定通孔(6.31)；

所述高压水管道(6.1)外周设有高压水管道保护套筒(6.4)；

所述高压水管道保护套筒(6.4)自上而下伸出所述固定通孔(6.31)、且固定在所述固定通孔(6.31)上；

所述高压水管道保护套筒(6.4)下端伸出所述固定通孔(6.31)的长度小于所述高压水切割刀具伴随滚动轮(6.2)下端到所述刀具中轴(6.3)的距离。

6.根据权利要求5所述的水力-机械联合破岩TBM刀盘，其特征在于：所述高压水管道(6.1)下端设有喷嘴(6.5)；所述喷嘴(6.5)位于所述高压水管道保护套筒(6.4)内；

有高压水管道外接口(6.6)设于所述水力切割刀具模块框架(1)外侧壁上；

所述高压水管道(6.1)上端穿过所述水力切割刀具模块框架(1)侧壁、与所述高压水管道外接口(6.6)连通；

所述高压水管道保护套筒(6.4)紧贴推力弹簧结构(2)的下板。

7.根据权利要求1所述的水力-机械联合破岩TBM刀盘，其特征在于：所述水力切割刀具模块(7)安装在间隔设置的二个所述机械滚刀结构(9)之间的中心位置。