辅助破岩装置、TBM刀盘及破岩方法

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辅助破岩装置、tbm刀盘及破岩方法
技术领域
1.本发明涉及岩体隧道开挖工程技术领域，特别涉及一种tbm辅助破岩装置、tbm刀盘及辅助破岩方法。

背景技术：

2.tbm（一般指全断面隧道掘进机）作为一种提升岩体隧道开挖施工安全性和效率的机械化装备，自其发明以来经过不断地发展，现已被广泛应用于岩体隧道开挖。在面临高地应力、硬质岩体的时候，由于刀盘损耗增加，岩体阻力增加等多种因素的影响，大大地降低了tbm刀盘的掘进效率，也增加了刀盘的消耗并降低刀盘的使用寿命，从而提升了作业成本。因此，如何有效提升tbm在硬质岩和较高地应力情况下的施工效率，降低施工成本便成为了一个极具现实意义的课题。大量的相关研究表明，通过给岩体预先进行压裂或者预开孔等方式，在刀盘切割前预先破坏岩体的完整性，释放部分地应力，可以有效地提升tbm的作业效率。

技术实现要素：

3.本发明的主要目的是提出一种辅助破岩装置、tbm刀盘及破岩方法，旨在预先破坏围岩完整性，以提升刀盘后续的掘进效率以及使用寿命，并降低作业成本。
4.为实现上述目的，本发明提出一种辅助破岩装置，包括：扩孔件，所述扩孔件呈前小后大的台阶轴状，中心位置成型有贯穿其前后端面的弹道，弹道的后端用于对接弹丸发射装置的射出口，扩孔件的各级台阶端面上设有刃脚；以及直线往复驱动装置，所述直线往复驱动装置装于刀盘内侧，用于驱动扩孔件在向前伸出刀盘并挤入围岩以及与围岩分离并退回刀盘内侧的位置之间移动。
5.为实现上述目的，本发明还提出一种tbm刀盘，包括刀盘以及辅助破岩装置，所述辅助破岩装置为上述的辅助破岩装置，刀盘设有供扩孔件作所述移动的通孔。
6.为实现上述目的，本发明还提出一种tbm辅助破岩方法，包括如下步骤：s1、通过弹丸发射装置将弹丸射出，令弹丸高速穿过弹道后，侵入围岩中，以使围岩形成侵彻孔洞和孔周裂纹；s2、通过直线往复驱动装置驱使扩孔件向前移动并挤入围岩，以将侵彻孔洞扩大，并进一步破坏围岩的完整性和释放地应力。
7.本发明在台阶轴状扩孔件的中心位置成型有后端可对接弹丸发射装置射出口的轴向弹道，在扩孔件的各级台阶端面设置有刃脚，另有可驱动扩孔件在向前伸出刀盘并挤入围岩以及与围岩分离并退回刀盘内侧的位置之间移动的直线往复驱动装置。在tbm刀盘进行切割破岩作业之前，先通过弹丸发射装置将弹丸射出，令弹丸高速穿过弹道后侵入围岩中，并形成一个直径比弹丸直径稍大的侵彻孔洞，同时，由于侵彻过程中弹丸与围岩的复杂相互作用，使得侵彻孔洞周围的围岩内部和边缘出现大量的孔周裂纹，并随着侵彻孔洞
和孔周裂纹的形成，初步释放了围岩内部的地应力；接着，通过直线往复驱动装置驱动扩孔件向前移动并逐渐挤入围岩，其中，位于扩孔件最前台阶端面的刃脚先压入预先开裂的围岩中，并将侵彻孔洞进一步破坏，且随着直线往复驱动装置的推进，各级台阶以及相应刃脚依次压入围岩，实现分级扩孔，以进一步破坏围岩的完整性和释放地应力，且前后相邻两级台阶先后压迫岩体表面的时间差可以供岩体临空面释放能量、产生变形，从而加速围岩完整性的破坏，提升扩孔和后续tbm破岩效率，最终提高tbm刀盘的使用寿命，并降低作业成本。
附图说明
8.图1为本发明辅助破岩装置的立体示意图；图2为本发明辅助破岩装置在扩孔件未前移的纵剖示图；图3为本发明辅助破岩装置在扩孔件前移后纵剖示图；图4为本发明tbm刀盘的纵剖示意图。
具体实施方式
9.下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
10.需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后、顶、底、内、外、垂向、横向、纵向，逆时针、顺时针、周向、径向、轴向
……
），则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
11.另外，若本发明实施例中有涉及“第一”或者“第二”等的描述，则该“第一”或者“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
12.本发明提出一种辅助破岩装置。
13.在本发明实施例中，如图1至4所示，该辅助破岩装置01装于刀盘5内侧，包括刚性的扩孔件1和直线往复驱动装置2，所述扩孔件1呈前小后大的台阶轴状，中心位置成型有贯穿其前后端面的弹道10，弹道10的后端用于对接弹丸发射装置（未图示）的射出口（未图示），扩孔件1的各级台阶端面上设有刃脚3。所述直线往复驱动装置2装于刀盘5内侧，用于驱动扩孔件1在向前伸出刀盘5并挤入围岩以及与围岩分离并退回刀盘5内侧的位置之间移动。在tbm刀盘5进行切割破岩作业之前，先通过弹丸发射装置将弹丸（未图示）射出，令弹丸高速穿过弹道10后侵入围岩（未图示）中，并形成一个直径比弹丸直径稍大的侵彻孔洞（未图示），同时，由于侵彻过程中弹丸与围岩的复杂相互作用，使得侵彻孔洞周围的围岩内部和边缘出现大量的孔周裂纹，并随着侵彻孔洞和孔周裂纹的形成，初步释放了围岩内部的
地应力；接着，通过直线往复驱动装置2驱动扩孔件1向前移动并逐渐挤入围岩，其中，位于扩孔件1最前台阶端面的刃脚3先压入预先开裂的围岩中，并将侵彻孔洞进一步破坏，且随着直线往复驱动装置2的推进，各级台阶以及相应刃脚3依次压入围岩，实现分级扩孔，以进一步破坏围岩的完整性和释放地应力，且前后相邻两级台阶先后压迫岩体表面的时间差可以供岩体临空面释放能量、产生变形，从而加速围岩完整性的破坏，提升扩孔和后续tbm破岩效率，最终提高tbm刀盘5的使用寿命，并降低作业成本。
14.可以理解地，弹丸发射装置有多种实施方式，例如采用现有的轻气炮或者火炮等，弹丸在轻气炮中产生的高压气体或者火炮中产生的火药爆炸荷载的驱动下，瞬间加速并从射出出，高速穿过扩孔件1的弹道10后侵入围岩，并形成一个直径比弹丸直径稍大的侵彻孔洞，为扩孔件1后续的分级扩孔进行预开孔，从而为后续扩孔件1的扩孔效率的提升打下基础。至于弹丸发射装置的具体结构以及工作原理为现有技术，并为本领域的技术人员所熟知，这里不再进行赘述。
15.在本发明实施例中，所述扩孔件1为两级、三级或者更多级的台阶轴状结构，如图1所示为三级台阶轴结构，最后一级台阶12的直径为弹道10直径的5~10倍，优选8倍，最前一级台阶11的直径为弹道10直径的2~3倍，优选2.5倍，效果较佳。弹道10的直径可根据围岩强度、刀盘5直径等因素确定。
16.可选地，如图1所示，各级台阶端面的所述刃脚3的数量为4~10个，多个刃脚3优选绕扩孔件1的轴线均匀分布，且均位于接近各级台阶边缘的位置，扩孔件1以及刃脚3均由刚度较大的材料，例如钢或者合金等材料制成。
17.可选地，直线往复驱动装置2可以为千斤顶、油缸或者气缸等，优选千斤顶。直线往复驱动装置2装于刀盘5内侧，其伸缩杆21与直接或者通过中间件与扩孔件1固连。
18.在本发明实施例中，如图1所示，本发明还包括支架4，所述支架4固设于刀盘5内侧，直线往复驱动装置2固设于支架4，其伸缩杆21与扩孔件1相连。可选地，所述支架4有多种实施方式，在一较佳实施方式中，支架4包括固定于刀盘5内侧的基板41、位于基板41后方的安装板32以及连接基板41和安装板42的支柱43，多根支柱43位于扩孔件1的外围，基板41设有供扩孔件1穿过的引导孔410，所述引导孔410的直径与最后一级台阶12的直径相适，可对最后一级台阶12的前后移动起引导以及避让作用。所述安装板32对应弹道的位置镂空，以便于将弹道的后端与弹丸发射装置的射出口的对接。所述直线往复驱动装置2固定于安装板42上，其伸缩杆21穿过安装板42并与扩孔件1连接。具体地，固设于安装板42上的所述直线往复驱动装置2的数量有多个，例如可以为两个、三个、四个或者更多，如图1所示，为四个的情况，多个直线往复驱动装置2优选绕扩孔件1的轴线（延长线）均匀分布，以均匀地对扩孔件1施加作用力。
19.进一步地，最前台阶端面的刃脚3还设有应力应变传感器（未图示），用于在分级扩孔过程中，监测位于最前台阶端面的刃脚3的应力、应变变化情况，以供计算机处理分析并结合刻痕反推围岩的强度等信息，为后续的弹丸侵彻速度和直线往复驱动装置2的控制参数（如推进力、以及推进速度等控制参数）提供参考，从而降低预开孔以及分级扩孔过程的能耗，并能有效保护刃脚3。具体地，应力应变传感器所监测到的刃脚3应力、应变数据，可由数据获取装置（未图示）通过与应力应变传感器通讯连接的数据线或者无线通讯模块(如wifi通信模块、gprs通信模块或者蓝牙通信模块等)获取，具体如何连接、如何获取以及后
续如何计算分析，可以采用现有技术，这里不再进行赘述。另外，应当说明的是，利用刻痕推导围岩强度的方法为现有技术，属于岩石力学常规理论的一部分，这里不再对其具体推导过程以及原理进行赘述。
20.可以理解地，扩孔件1在直线往复驱动装置2作用下的行程，可在施工前，结合勘察到的围岩力学性质等参数，并通过别列赞公式等岩石侵彻深度预测公式估算好弹丸的侵彻深度后，根据预估的侵彻深度确定，至于如何勘察以及估算可采用现有技术，这里不再进行赘述。
21.本发明还提出一种tbm刀盘，如图1至4所示，tbm刀盘包括刀盘5以及辅助破岩装置01，该辅助破岩装置01的结构参照上述实施例，刀盘5还设有供扩孔件1作所述移动的通孔51，刀盘5的外侧设有切削刀具6。由于本tbm刀盘5采用了上述辅助破岩装置01所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
22.具体地，刀盘5上可设置一个或者间隔设置有多个所述辅助破岩装置01，设置多个时，多个辅助破岩装置01优选绕刀盘5的轴线间隔均匀分布，以较好地破坏围岩的完整性。
23.在介绍了本发明辅助破岩装置01及具有其的tbm刀盘的实施方式之后，接下来将对本发明tbm辅助破岩方法的实施方式进行介绍。辅助破岩装置01及具有其的tbm刀盘的具体结构见上述实施例，重复之处可不作赘述。
24.在本发明实施例中，该tbm辅助破岩方法，包括如下步骤：s1、通过弹丸发射装置将弹丸射出，令弹丸高速穿过弹道10后，侵入围岩中，以使围岩形成侵彻孔洞和孔周裂纹。
25.可以理解地，弹丸发射装置有多种实施方式，例如采用现有的轻气炮或者火炮等，弹丸在轻气炮中产生的高压气体或者火炮中产生的火药爆炸荷载的驱动下，瞬间加速并从射出出，高速穿过扩孔件1的弹道10后侵入围岩，并形成一个直径比弹丸直径稍大的侵彻孔洞，为扩孔件1后续的分级扩孔进行预开孔，同时，由于侵彻过程中弹丸与围岩的复杂相互作用，使得侵彻孔洞周围的围岩内部和边缘出现大量的孔周裂纹，并随着侵彻孔洞和孔周裂纹的形成，初步释放了围岩内部的地应力，从而为后续扩孔件1的扩孔效率的提升打下基础。至于弹丸发射装置的具体结构以及工作原理为现有技术，并为本领域的技术人员所熟知，这里不再进行赘述。
26.可选地，所述弹丸发射装置的射出孔与弹道10的后端之间可以为可随意分离的简单对接关系。当然也可以为可拆卸连接的对接关系，解除二者的连接关系后，即可将二者分离。以便于在每次射出弹丸后，将弹丸发射装置与扩孔件1分离，待下一次发射弹丸时，再将二者对接。可以理解地，每次完成扩孔后，如弹道10被岩土堵塞，可在将弹丸发射装置的射出口与弹道10的后进行对接之前，对弹道10内的岩土进行清除处理。
27.s2、通过直线往复驱动装置2驱使扩孔件1向前移动并挤入围岩，以将侵彻孔洞扩大，并进一步破坏围岩的完整性和释放地应力。
28.具体地，上述步骤s2中，位于扩孔件1最前台阶端面的刃脚3先压入预先开裂的围岩中，并将侵彻孔洞进一步破坏，且随着直线往复驱动装置2的推进，各级台阶以及相应刃脚3依次压入围岩，实现预开孔和分级扩孔，以进一步破坏围岩的完整性和释放地应力，且前后相邻两级台阶先后压迫岩体表面的时间差可以供岩体临空面释放能量、产生变形，从
而加速围岩完整性的破坏，提升扩孔和后续tbm破岩效率，最终提高tbm刀盘5的使用寿命，并降低作业成本。
29.在本发明实施例中，在步骤s2中，还包括通过应力应变传感器监测最前台阶端面的刃脚3的应力、应变变化情况，以供计算机处理分析并结合刻痕反推围岩的强度等信息的过程，为后续的弹丸侵彻速度和直线往复驱动装置2的控制参数（如推进力、以及推进速度等控制参数）提供参考，从而降低预开孔以及分级扩孔过程的能耗，并能有效保护刃脚3。具体地，应力应变传感器所监测到的刃脚3应力、应变数据，可由数据获取装置通过与应力应变传感器通讯连接的数据线或者无线通讯模块(如 wifi通信模块、gprs通信模块或者蓝牙通信模块等)获取，具体如何连接、如何获取以及后续如何计算分析，可以采用现有技术，这里不再进行赘述。另外，应当说明的是，利用刻痕推导围岩强度的方法为现有技术，为岩石力学常规理论的一部分，这里不再对其具体推导过程以及原理进行赘述。
30.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：

1.一种辅助破岩装置，其特征在于，包括：扩孔件，所述扩孔件呈前小后大的台阶轴状，中心位置成型有贯穿其前后端面的弹道，弹道的后端用于对接弹丸发射装置的射出口，扩孔件的各级台阶端面上设有刃脚；以及直线往复驱动装置，所述直线往复驱动装置装于刀盘内侧，用于驱动扩孔件在向前伸出刀盘并挤入围岩以及与围岩分离并退回刀盘内侧的位置之间移动。2.如权利要求1所述的辅助破岩装置，其特征在于：扩孔件的最后一级台阶的直径为弹道直径的5~10倍，最前一级台阶的直径为弹道直径的2~3倍。3.如权利要求1所述的辅助破岩装置，其特征在于：各级台阶端面的所述刃脚的数量为4~10个，多个刃脚优选绕扩孔件的轴线均匀分布，且均位于接近各级台阶边缘的位置。4.如权利要求1所述的辅助破岩装置，其特征在于：最前台阶端面的刃脚还设有应力应变传感器，用于在分级扩孔过程中，监测位于最前台阶端面的刃脚的应力、应变变化情况，以供计算机处理分析并结合刻痕反推围岩的强度信息。5.如权利要求1至4中任意一项所述的辅助破岩装置，其特征在于：还包括支架，所述支架固设于刀盘内侧，直线往复驱动装置固设于支架，其伸缩杆与扩孔件相连。6.如权利要求5所述的辅助破岩装置，其特征在于：支架包括固定于刀盘内侧的基板、位于基板后方的安装板以及连接基板和安装板的支柱，基板设有供扩孔件穿过的引导孔，直线往复驱动装置固定于安装板上，其伸缩杆穿过安装板并与扩孔件连接。7.如权利要求6所述的辅助破岩装置，其特征在于：引导孔的直径与最后一级台阶的直径相适，固设于安装板上的所述直线往复驱动装置的数量有多个，多个直线往复驱动装置绕扩孔件的轴线均匀分布。8.一种tbm刀盘，其特征在于：包括刀盘以及如权利要求1至7中任意一项所述的辅助破岩装置，刀盘设有供扩孔件作所述移动的通孔。9.采用如权利要求1至7中任意一项所述辅助破岩装置的破岩方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、通过弹丸发射装置将弹丸射出，令弹丸高速穿过弹道后，侵入围岩中，以使围岩形成侵彻孔洞和孔周裂纹；s2、通过直线往复驱动装置驱使扩孔件向前移动并挤入围岩，以将侵彻孔洞扩大，并进一步破坏围岩的完整性和释放地应力。10.如权利要求9所述的破岩方法，其特征在于：在步骤s2中，还包括通过应力应变传感器监测最前台阶端面的刃脚的应力、应变变化情况，以供计算机处理分析并结合刻痕反推围岩的强度信息的过程。

技术总结

本发明公开了一种辅助破岩装置、TBM刀盘及破岩方法，其在台阶轴状扩孔件成型有后端可对接弹丸发射装置射出口的轴向弹道，在扩孔件的各级台阶端面设置有刃脚，另有可驱动扩孔件在向前伸出刀盘并挤入围岩以及与围岩分离并退回刀盘内侧的位置之间移动的直线往复驱动装置。在TBM刀盘进行切割破岩作业之前，先通过弹丸发射装置将弹丸射出并侵入围岩中，形成侵彻孔洞，并使得侵彻孔洞周围的围岩内部和边缘出现大量的孔周裂纹，初步释放围岩内部的地应力；接着驱动扩孔件的各级台阶以及相应刃脚依次压入围岩，实现分级扩孔，以进一步破坏围岩的完整性和释放地应力，最终提高TBM刀盘后续的破岩效率和使用寿命，并降低作业成本。并降低作业成本。并降低作业成本。