阅读说明：本技术 高压水射流边刀及其联合破岩脱困tbm刀盘及方法 (High-pressure water jet edge cutter and combined rock breaking and trapped-freeing TBM cutter head and method thereof ) 是由 周辉 徐福通 卢景景 张传庆 邱浩权 高阳 于 2019-10-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高压水射流边刀。它包括边刀机械结构、边刀高压水射流管道和边刀高压水射流喷嘴；所述边刀高压水射流管道位于所述边刀机械结构内部；所述边刀高压水射流喷嘴嵌于所述边刀机械结构内部、且与所述边刀高压水射流管道连通。本发明具有喷射高压水致裂岩石,能解决TBM卡机问题的优点。本发明还公开了水力-机械联合破岩脱困TBM刀盘。本发明还公开了水力-机械联合破岩脱困方法。(The invention discloses a high-pressure water jet edge cutter. The device comprises an edge cutter mechanical structure, an edge cutter high-pressure water jet pipeline and an edge cutter high-pressure water jet nozzle; the side cutter high-pressure water jet pipeline is positioned inside the side cutter mechanical structure; the edge cutter high-pressure water jet nozzle is embedded in the edge cutter mechanical structure and is communicated with the edge cutter high-pressure water jet pipeline. The invention has the advantages of spraying high-pressure water to crack rocks and solving the problem of blocking of the TBM. The invention also discloses a hydraulic-mechanical combined rock breaking and trapped-escaping TBM cutter head. The invention also discloses a hydraulic-mechanical combined rock breaking and escaping method.)

高压水射流边刀及其联合破岩脱困TBM刀盘及方法

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，更具体地说它是高压水射流边刀。本发明还涉及 联合破岩脱困TBM刀盘，即水力-机械联合破岩脱困TBM刀盘。本发 明还涉及联合破岩脱困TBM刀盘脱困方法，即水力-机械联合破岩脱 困方法。

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。

且TBM隧道掘进机掘进破岩过程中，由于受到地应力和岩石强度 特性的影响，可能会发生TBM刀盘卡机现象，严重影响TBM的掘进效 率，造成重大的设备损坏和财产损失。

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 较低且能解决TBM卡机问题的破岩TBM掘进装备系统及其破岩方法。

发明内容

本发明的第一目的是为了提供一种高压水射流边刀，TBM高压水 射流边刀安装时与TBM刀盘平面有一定的倾角，产生的高压水射倾斜 喷射高压水致裂岩石、扩挖掌子面；解决TBM卡机问题。

本发明的第二目的是为了提供水力-机械联合破岩脱困TBM刀盘， 在TBM掘进工作时协助破碎TBM刀盘周向岩石；在TBM开机被困时， 高压水射流边刀可以协助TBM刀盘脱困。

本发明的第三目的是为了提供水力-机械联合破岩脱困方法，易 于脱困，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。

为了实现上述本发明的第一目的，本发明的技术方案为：高压水 射流边刀，其特征在于：包括边刀机械结构、边刀高压水射流管道和 边刀高压水射流喷嘴；

所述边刀高压水射流管道位于所述边刀机械结构内部；

所述边刀高压水射流喷嘴嵌于所述边刀机械结构内部、且与所述 边刀高压水射流管道连通。

在上述技术方案中，所述边刀机械结构为梯形齿刀或为扇形面刮 刀。

在上述技术方案中，所述边刀机械结构设有通孔结构；所述边刀 高压水射流管道和所述边刀高压水射流喷嘴均位于所述通孔结构内。

为了实现上述本发明的第二目的，本发明的技术方案为：水力- 机械联合破岩脱困TBM刀盘，包括TBM刀盘结构、机械滚刀结构，其 特征在于：还包括所述的高压水射流边刀；所述高压水射流边刀用于 致裂造成TBM刀盘结构卡机的岩石地层，使TBM刀盘结构脱困；

所述高压水射流边刀倾斜安装在所述TBM刀盘结构的圆周上；

所述机械滚刀结构呈周向安装在所述TBM刀盘结构上、且呈间隔 布置。

在上述技术方案中，还包括水力切割刀具；所述水力切割刀具呈 周向安装在所述TBM刀盘结构上、且呈间隔布置；

所述水力切割刀具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，所述高压水射流边刀安装在TBM刀盘结构的 外周上；

所述水力切割刀具包括高压水管道、滚动轮和刀具中轴；

所述高压水管道设于所述滚动轮上；

所述滚动轮安装在所述刀具中轴上；

所述刀具中轴安装在所述TBM刀盘结构上。

在上述技术方案中，所述滚动轮至少为滚轮、双滚轮中的一种。

为了实现上述本发明的第三目的，本发明的技术方案为：水力- 机械联合破岩脱困方法，其特征在于：包括TBM装置，TBM装置采用 所述的水力-机械联合破岩脱困TBM刀盘；

步骤一：将水力-机械联合破岩脱困TBM刀盘对准待开挖洞时位 置；

步骤二：固定外机架，启动水力-机械联合破岩脱困TBM刀盘， TBM装置向前掘进一个行程；

外机架上撑靴撑紧围岩洞壁，固定TBM装置的机架；

水力-机械联合破岩脱困TBM刀盘由旋转驱动驱动旋转，推进油 缸向水力-机械联合破岩脱困TBM刀盘施加推力，TBM被慢慢推出， 向前掘进，后支撑提供支撑；

机械滚刀结构和水力切割刀具自身旋转的同时随水力-机械联合 破岩脱困TBM刀盘旋转，同步破碎岩体；

破碎岩体产生的岩渣由铲斗铲入皮带输送机，最后运至机后卸载； 推进油缸伸长一个行程，TBM装置相应向前移动一个行程；

当水力-机械联合破岩脱困TBM刀盘卡机时，所述高压水射流边 刀内的高压水射流喷嘴增加水压，提供高压水射流，破碎致裂造成所 述水力-机械联合破岩脱困TBM刀盘卡机的岩石地层，所述水力-机械 联合破岩脱困TBM刀盘上的机械滚刀结构和水力切割刀具与高压水 射流边刀协同作业，促使TBM脱困；

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。

在上述技术方案中，在步骤二中，机械滚刀结构和水力切割刀具 同步破岩，具体如下：

所述水力切割刀具破岩时，滚动轮在掌子面上滚动，带动高压水 管道运动；有喷嘴设于所述高压水管道上，所述高压水管道通过喷嘴 喷射高压水射流至掌子面上，形成水刀切槽；

机械滚刀结构在水刀切槽两侧的掌子面岩石上方滚压，使岩渣崩 落。

所述机械滚刀结构、TBM刀盘均为现有技术。

本发明具有如下优点：

(1)本发明设置高压水射流管道和喷嘴，其作用包括：扩挖隧道， 降低掌子面的扩挖时的难度；在TBM卡机时辅助脱困；高压水在边刀 内部流动，以及喷嘴喷射时形成的水雾可以为边刀降温，减少边刀机 械刀具磨损；高压水射流边刀的喷射角度可以调整，以适应卡机时多 角度的喷射；

(2)本发明设置高压水射流边刀，当TBM刀盘卡机时，高压水射 流边刀内的高压水射流喷嘴增加水压，提供更高强度的水压力，破碎 致裂造成TBM刀盘卡机的岩石地层，结合TBM刀盘上其他刀具的协同 作业，促使TBM脱困；本发明高压水射流边刀安装在TBM刀盘最外侧 圆周上，起到扩挖破碎岩石的作用；本发明边刀高压水射流管道位于 边刀机械结构内部，边刀高压水射流喷嘴嵌于边刀机械结构内部，边 刀高压水射流管道和边刀高压水射流喷嘴受边刀机械结构保护，防止 损坏；

(3)本发明高压水射流边刀在安装时与TBM刀盘平面呈一定的倾 角，因此，边刀高压水射流喷嘴可以倾斜喷射高压水致裂岩石；TBM 刀盘上安装高压水射流边刀，高压水射流边刀具有两个作用，其一是 TBM掘进工作时协助破碎TBM刀盘周向岩石(根据实际需要，高压水 射流边刀内的高压水射流可以控制开闭)；其二是TBM开机时，高压 水射流边刀可以协助TBM刀盘脱困；避免因地应力和岩石强度特性的 影响，发生TBM刀盘卡机现象，严重影响TBM的掘进效率，造成重大 的设备损坏和财产损失的情况；

(4)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；本发明高压水射流喷嘴可以更换，延长了刀具的 使用寿命；

(5)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；

(6)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；

(7)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。

附图说明

图1为本发明高压水射流边刀俯视结构示意图。

图2为本发明高压水射流边刀侧视结构示意图。

图3为本发明水力-机械联合破岩脱困TBM刀盘俯视结构示意图。

图4为本发明水力-机械联合破岩脱困方法采用的TBM装置工作 示意图。

图5为本发明水力切割刀具破岩示意图。

图6为本发明水力切割刀具为滚轮的结构示意图。

图4中，E表示切削前岩石表面(即：掌子面；掌子面仅仅代表 一个面，是TBM前方暴露的岩石面(隧道没有打通前正对着的石壁)， E是TBM前进方向上的待开挖岩体)。

图5中，M表示TBM转动方向；T1表示第一号水力切割刀具后方 的水刀切槽痕迹及方向(即：由第一号水力切割刀具采用高压水射流 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； T2表示第二号水力切割刀具后方的水刀切槽痕迹及方向；S2表示第 二号水力切割刀具；T3表示第三号水力切割刀具后方的水刀切槽痕 迹及方向；S3表示第三号水力切割刀具；T4表示第四号水力切割刀 具后方的水刀切槽痕迹及方向；S4表示第四号水力切割刀具；T5表 示第五号水力切割刀具后方的水刀切槽痕迹及方向；S5表示第五号 水力切割刀具；T6表示第六号水力切割刀具后方的水刀切槽痕迹及 方向；S6表示第六号水力切割刀具。

图中1-边刀机械结构,1.1-通孔结构,2-边刀高压水射流管道,3- 边刀高压水射流喷嘴,4-高压水射流边刀,5-TBM刀盘结构,6-机械滚 刀结构,7-水力切割刀具,7.1-高压水管道,7.2-滚动轮,7.3-刀具中 轴,7.4-喷嘴,8-TBM刀盘,9-TBM装置,10-外机架,11-外机架上撑 靴,12-旋转驱动,13-推进油缸,14-后支撑,15-铲斗,16-皮带输送 机,17-掌子面,18-水刀切槽。

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：高压水射流边刀，包括边刀机械结构1、边刀高 压水射流管道2和边刀高压水射流喷嘴3；

所述边刀高压水射流管道2位于所述边刀机械结构1内部；

所述边刀高压水射流喷嘴3嵌于所述边刀机械结构1内部、且与 所述边刀高压水射流管道2连通；边刀高压水射流喷嘴3用于喷射高 压水致裂岩石(如图2所示)。

进一步地，所述边刀机械结构1为梯形齿刀或为扇形面刮刀；梯 形齿刀或为扇形面刮刀为常用刮刀和齿刀的结构形态，具有良好的力 学结构特性。

进一步地，所述边刀机械结构1设有通孔结构1.1；所述边刀高 压水射流管道2和所述边刀高压水射流喷嘴3均位于所述通孔结构 1.1内(如图1、图2所示)；边刀机械结构1用于保护边刀高压水射 流管道2和边刀高压水射流喷嘴3，降低边刀高压水射流管道2和边刀高压水射流喷嘴3的磨损。

参阅附图可知：水力-机械联合破岩脱困TBM刀盘，包括TBM刀 盘5、机械滚刀结构6，其特征在于：还包括所述的高压水射流边刀 4；高压水射流边刀4用于致裂造成TBM刀盘5卡机的岩石地层，使 TBM刀盘5刀盘脱困；

所述高压水射流边刀4倾斜安装在所述TBM刀盘5上、且位于所 述TBM刀盘5的圆周上；高压水射流边刀4在安装时与TBM刀盘平面 呈一定的倾角，因此，边刀高压水射流喷嘴可以倾斜喷射高压水致裂 岩石；TBM刀盘上安装高压水射流边刀，高压水射流边刀具有两个作 用，其一是TBM掘进工作时协助破碎TBM刀盘周向岩石(根据实际需 要，高压水射流边刀内的高压水射流可以控制开闭)；其二是TBM开 机时，高压水射流边刀可以协助TBM刀盘脱困；

所述机械滚刀结构6呈周向安装在所述TBM刀盘结构5上、且呈 间隔布置(如图3、图4所示)。

进一步地,还包括水力切割刀具7；所述水力切割刀具7呈周向 安装在所述TBM刀盘结构5上、且呈间隔布置；

所述水力切割刀具7安装在径向上间隔设置的二个所述机械滚 刀结构6之间；采用机械、水力联合破岩，提高破岩效率。

进一步地，所述水力切割刀具7安装在间隔设置的二个所述机械 滚刀结构6之间的中心位置；水力切割刀具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，提高破岩效 率。

进一步地，所述高压水射流边刀4安装在TBM刀盘结构5的外周 上，即安装在刀盘外圈上；所述刀盘外圈的内径与所述TBM刀盘5的 内径相等；高压水射流边刀4安装在TBM刀盘最外侧圆周上，起到扩 挖破碎岩石的作用。

进一步地，所述水力切割刀具7包括高压水管道7.1、滚动轮7.2 和刀具中轴7.3；

所述高压水管道7.1设于所述滚动轮7.2上或安装在所述刀具中 轴7.3上；

所述滚动轮7.2安装在所述刀具中轴7.3上；

所述刀具中轴7.3安装在所述TBM刀盘结构5上(如图3、图6 所示)。

进一步地，所述滚动轮7.2至少为滚轮、双滚轮中的一种。

当滚动轮7.2为滚轮时，所述水力切割刀具7与申请人申报的申 请号为：201921011944.3，专利名称为机械-水力联合破岩的TBM掘 进装备的专利中记载的水力截割滚刀刀具结构相同(如图6所示)；

当滚动轮7.2为双滚轮时，与申请人申报的申请号为： 201921012070.3，专利名称为：水力-机械TBM刀盘联合破岩的双滚 刀掘进装备的专利中记载的水力截割双滚刀刀具的结构相同。

滚动轮7.2还可以根据破岩需要设置呈其它结构。

参阅附图可知：水力-机械联合破岩脱困方法，包括TBM装置9， TBM装置采用所述的水力-机械联合破岩脱困TBM刀盘8；

步骤一：将水力-机械联合破岩脱困TBM刀盘8对准待开挖洞时 位置(即：掌子面17)；

步骤二：固定外机架10，启动水力-机械联合破岩脱困TBM刀盘 8，TBM装置9向前掘进一个行程；

外机架上撑靴11撑紧围岩洞壁，固定TBM装置9的机架；

水力-机械联合破岩脱困TBM刀盘8由旋转驱动12驱动旋转，推 进油缸13向水力-机械联合破岩脱困TBM刀盘8施加推力，TBM被慢 慢推出，向前掘进，后支撑14提供支撑；

机械滚刀结构6和水力切割刀具7自身旋转的同时随水力-机械 联合破岩脱困TBM刀盘8旋转，同步破碎岩体；

破碎岩体产生的岩渣由铲斗15铲入皮带输送机16，最后运至机 后卸载；推进油缸13伸长一个行程，TBM装置9相应向前移动一个 行程；

当水力-机械联合破岩脱困TBM刀盘8卡机时，所述高压水射流 边刀4内的高压水射流喷嘴增加水压，提供更高强度的水压力(根据 实际开挖的地质条件选择合适的超高压水发生器)，破碎致裂造成所 述水力-机械联合破岩脱困TBM刀盘8卡机的岩石地层，所述水力- 机械联合破岩脱困TBM刀盘8上的机械滚刀结构6和水力切割刀具7 与高压水射流边刀4协同作业，促使TBM脱困(如图3、图4所示)；

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4所示)；联合破岩TBM用以隧 洞开挖，该TBM工作时，由工人将机械滚刀结构和高压水力切割刀具 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。

更进一步地，在步骤二中，机械滚刀结构6和水力切割刀具7同 步破岩，具体如下：

所述水力切割刀具7破岩时，滚动轮7.2在掌子面17上滚动， 带动高压水管道7.1运动；有喷嘴7.4设于所述高压水管道7.1上， 所述高压水管道7.1通过喷嘴7.4喷射高压水射流至掌子面17上， 形成水刀切槽18(如图4、图5所示)；

机械滚刀结构6在水刀切槽18两侧的掌子面岩石上方滚压，使 岩渣崩落。

所述TBM装置9，其包括TBM刀盘，外机架10，外机架上撑靴 11，旋转驱动12，推进油缸13，后支撑14，铲斗15，皮带输送机 16，护盾、油压缸，可伸缩水管，水刀旋转调节部和水仓；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；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；所述水仓位于所述后支撑后方；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 缩水管一端与所述水刀旋转调节部连通、另一端与所述水仓连通、且 与所述边刀高压水射流管道连通；本发明所述的TBM装置9采用的 TBM刀盘为本发明所述的水力-机械联合破岩脱困TBM刀盘8；所述边 刀高压水射流管道2一端与边刀高压水射流喷嘴连通、另一端与高压 水管道7.1上邻近水刀旋转调节部的一端连通(如图4所示)。

所述TBM装置9的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。

为了能够更加清楚的说明本发明所述的高压水射流边刀及其联 合破岩脱困TBM刀盘及方法与现有的TBM掘进装备系统及其破岩方法 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，本发明所述的高压水射流边刀及其联合破岩脱困 TBM刀盘及方法与现有的TBM掘进装备系统及其破岩方法相比，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，当TBM刀盘卡机时，其高压水射流边刀能促使TBM脱困。

其它未说明的部分均属于现有技术。