CN109555531A - 一种利用激光破岩的掘进机及其掘进方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用激光破岩的掘进机及其掘进方法，解决的是随着岩石强度的增加，滚刀异常磨损和更换频率的增加，随之带来盾构掘进效率的降低，掘进成本增加等问题。本发明包括掘进机主机，掘进机主机上设有刀盘，所述的刀盘上设有激光发生装置。本发明采用激光及水冷的原理代替传统的金属刀具，不仅破岩效率大大提升，同时在掘进上软下硬等严重不均匀地质时，解决了传统的金属刀具极易发生异常损坏的难题，从而节约了刀具成本及减小换刀风险，而且采取悬切破岩或挤压破岩的方式，大大提升了开挖效率，降低了开挖成本。
Description
技术领域
本发明涉及隧道掘进机领域，具体涉及一种利用激光破岩的掘进机及其掘进方法。
背景技术
目前隧道掘进针对于岩层来讲，主要是依靠盘型滚刀挤压岩石达到破碎岩体的目的，其主要克服的是岩石的抗压强度，针对一般强度的岩层，其破岩效率尚可，但随着岩石强度的增加，滚刀挤压破岩的效率逐步下降，滚刀异常磨损和更换频率的增加，随之带来盾构掘进效率的降低，掘进成本增加。同时在掘进上软下硬等严重不均匀地质时，传统的金属刀具极易发生异常损坏。
激光技术的原理是通过产生高能激光束对岩体进行破坏。
发明内容
本发明为了解决背景技术中所存在的技术问题，提供一种利用激光破岩的掘进机及其掘进方法。
为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：一种利用激光破岩的掘进机，包括掘进机主机，掘进机主机上设有刀盘，所述的刀盘上设有激光发生装置。
所述的激光发生装置包括激光发射器和水冷器，激光发射器和水冷器均设置在刀盘上。
所述的刀盘为锥形刀盘，激光发射器的中轴线与掌子面之间不垂直设置。
所述的刀盘为平面刀盘，激光发射器的中轴线与掌子面垂直设置。
所述激光发射器的中轴线与水冷器的中轴线平行。
与所述的激光发射器连接设有高压电输出系统，所述的高压电输出系统包括配电柜、变压器和控制器，配电柜与变压器连接，变压器与控制器、激光发射器通过电缆线管路连接。
与所述的水冷器连接设有增压水输出系统，所述的增压水输出系统包括增压泵，增压泵通过增压水管路与水冷器连接。
还包括水电输配系统，水电输配系统包括输配管，所述的高压电输出系统的电缆线管路与增压水输出系统的增压水管路均设置在输配管内。
所述的激光发生装置还包括箱体，箱体固定在刀盘上，箱体一端与激光发射器、水冷器连接、另一端与输配管连接。
所述的箱体与激光发射器、水冷器可拆卸连接。
一种利用激光破岩的掘进机的掘进方法，包括以下步骤：①启动高压电输出系统：高压电输出系统启动后，配电柜输出的电流经变压器加压后输出高压电流，至高压电流的电压达到切割岩石的激光射线破岩所需电压；
②步骤①启动高压电输出系统的同时，启动增压水输出系统，增压水输出系统启动后，增压泵对水流压缩后输出增压水流束，至增压水流束的压力达到切割岩石所需的压力；
③启动掘进机主机：刀盘系统的刀盘受驱动系统驱动开始旋转，进而带动激光发生装置开始旋转，高压电输出系统输出的高压电流通过激光发射器射出，增压水输出系统输出的增压水流束通过水冷器射出，增压水流束形成增压水刀；
④开挖掌子面：步骤③激光发射器射出的激光射线加热岩石，水冷器喷出的水将岩石冷却进行破岩。
步骤④所述的激光发射器射出的激光射线为倾斜的激光射线或垂直的激光射线。
步骤④所述的激光射线加热掌子面岩石，刀盘为锥形刀盘时，掌子面为临空面，激光射线为倾斜于热掌子面岩石的激光射线，倾斜于热掌子面岩石的激光射线贯入掌子面岩石并形成临空面，激光射线加热岩石后，水冷器喷水将岩石冷却，当岩石受到激冷作用力超过岩石本身的抗拉强度后，掌子面岩石临空面一侧的岩石脱落。
步骤④所述的激光射线加热掌子面岩石，刀盘为平面刀盘时，激光射线为垂直于热掌子面岩石的激光射线，垂直于热掌子面岩石的激光射线加热岩石后，水冷器喷水将岩石冷却，当岩石受到激冷作用力超过岩石本身的抗压强度后，内部结构遭到破坏，掌子面岩石脱落。
本发明采用激光及水冷的原理代替传统的金属刀具，不仅破岩效率大大提升，同时在掘进上软下硬等严重不均匀地质时，解决了传统的金属刀具极易发生异常损坏的难题，从而节约了刀具成本及减小换刀风险，而且采取悬切破岩或挤压破岩的方式，大大提升了开挖效率，降低了开挖成本。
附图说明
图1是刀盘为锥形刀盘时的本发明结构示意图；
图2是本发明刀盘为锥形刀盘时的刀盘正面结构示意图；
图3是本发明激光发生装置的结构示意图；
图4是刀盘为平面刀盘时的本发明结构示意图；
图5是本发明刀盘为平面刀盘时的刀盘正面结构示意图；
图6是本发明高压电输出系统和增压水输出系统处的结构示意图；
图7是本发明电滑环与液压回转接头处放大结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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付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。
如图1和图7所示，一种利用激光破岩的掘进机，包括掘进机主机，掘进机主机上设有刀盘301，所述的刀盘301上设有激光发生装置2。
所述的激光发生装置2包括激光发射器201和水冷器202，激光发射器201和水冷器202均设置在刀盘301上。本发明所述的水冷器202为水发射喷嘴。
如图1至图3所示，所述的刀盘301为锥形刀盘，激光发射器201的中轴线与掌子面之间不垂直设置。锥形刀盘的设置，保证激光发射器201内发射出的激光与掌子面不垂直，本发明激光发射器201沿刀盘301圆心向外侧径向倾斜的角度为15度~25度之间，使得本发明采用悬切破岩方式进行破岩，悬切破岩方式的主要特点在于破岩力与掌子面之间存在一定的角度，不再是垂直关系，因此会在掌子面一侧形成临空面，当破岩力作用于岩体后，由于一侧是掌子面凌空的，此时破岩克服的主要是岩石的抗拉强度。而岩石的抗拉强度远远低于岩石的抗压强度，因此悬切破岩的效率要远高于挤压破岩。
如图4至图6所示，所述的刀盘301为平面刀盘，激光发射器201的中轴线与掌子面垂直设置。本实施例中激光发射器201随刀盘301转动一圈形成轨迹线204；同一轨迹线204至少由一个激光发射器201切割产生。平面刀盘是指刀盘301与掌子面的接触面为平面的圆形刀盘，平面刀盘的设置，保证激光发射器201内发射出的激光与掌子面成垂直设置，使得本发明采用挤压破岩方式进行破岩，高压电流通过激光发射器201射出垂直的激光射线，激光射线加热岩石后，水冷器202喷水将岩石冷却，岩石短时间受到加热与激冷的双重作用，内部结构遭到破坏进而破碎从掌子面剥落。
所述激光发射器201的中轴线与水冷器202的中轴线平行。保证水冷器202的轨迹线与激光发射器201的轨迹线204重合，水冷器202对激光射线加热后的岩石起急冷作用。
与所述的激光发射器201连接设有高压电输出系统80，所述的高压电输出系统80包括配电柜801、变压器803和控制器，配电柜801与变压器803连接，变压器803与控制器、激光发射器201通过电缆线管路连接。水电输出系统80的输电端口与变压器803之间的电路上设有高压电压表。
与所述的水冷器202连接设有增压水输出系统81，所述的增压水输出系统81包括增压泵805，增压泵805通过增压水管路与水冷器202连接。
还包括水电输配系统4，水电输配系统4包括输配管403，所述的高压电输出系统80的电缆线管路与增压水输出系统81的增压水管路均设置在输配管403内。输配管403为集成了增压水管和电缆管的多孔管道。本发明刀盘301内部设有与水冷器202和激光发生装置箱体203相配合的多孔通路，刀盘301的多孔通路总入口处设有电滑环402和液压回转接头401，电缆线管路的转子电缆和定子电缆通过电滑环402连接，增压水管路的转子管路与定子管路通过液压回转接头401连接。
所述的激光发生装置2还包括箱体203，箱体203固定在刀盘301上，箱体203一端与激光发射器201、水冷器202连接、另一端与输配管403连接。本发明箱体203对激光发射器201和水冷器202起固定和支撑作用，箱体203的布置方式是呈螺旋形均匀分布在刀盘上，形成螺旋形轨迹，达到激光发生装置2对开挖断面的全覆盖，随着刀盘的旋转，激光发生装置可以实现全断面开挖；箱体的布置方式也可以采用其它的布置方式，如均匀布置、环形布置等。因为激光发射器和水冷器长期处在刀盘外侧，脱落的岩屑易损坏激光发射器201和水冷器，箱体203与激光发射器201和水冷器设置为可拆卸连接，方便激光发射器201的随时更换。
所述的箱体203与激光发射器201、水冷器202可拆卸连接。
本发明还包括刀盘系统3、出渣系统6和步进系统7，刀盘301设置在刀盘301上，与刀盘系统3相配合设有刀盘的驱动系统5，掘进机主机内部设有与刀盘系统3配合的出渣系统6，掘进机主机上设有步进系统7。
一种利用激光破岩的掘进机的掘进方法，包括以下步骤：①启动高压电输出系统80：高压电输出系统80启动后，配电柜801输出的电流经变压器803加压后输出高压电流，至高压电流的电压达到切割岩石的激光射线破岩所需电压；本发明高压电流经过高压电压表802被测出实时输出电压值，根据测出的实时输出电压值调整变压器803的功率；本发明所需电压需达到3000伏以上。
②步骤①启动高压电输出系统80的同时，启动增压水输出系统81，增压水输出系统81启动后，增压泵805对水流压缩后输出增压水流束，至增压水流束的压力达到切割岩石所需的压力；本发明增压水流束的压力需保证水冷器202出水速度达到100m/s。
③启动掘进机主机：刀盘系统3的刀盘301受驱动系统5驱动开始旋转，进而带动激光发生装置2开始旋转，高压电输出系统80输出的高压电流通过激光发射器201射出，增压水输出系统81输出的增压水流束通过水冷器202射出，增压水流束形成增压水刀；
④开挖掌子面：步骤③激光发射器201射出的激光射线加热岩石，水冷器202喷出的水将岩石冷却进行破岩。本发明破岩后的岩渣与水经出渣系统6排出，同时步进系统7驱动掘进机主机继续移动，直至破岩工程结束。
步骤④所述的激光发射器201射出的激光射线为倾斜的激光射线或垂直的激光射线。
步骤④所述的激光射线加热掌子面岩石1，刀盘为锥形刀盘时，掌子面为临空面，激光射线为倾斜于热掌子面岩石1的激光射线，倾斜于热掌子面岩石1的激光射线贯入掌子面岩石1并形成临空面，激光射线加热岩石后，水冷器202喷水将岩石冷却，当岩石受到激冷作用力超过岩石本身的抗拉强度后，掌子面岩石1临空面一侧的岩石脱落。
步骤④所述的激光射线加热掌子面岩石1，刀盘为平面刀盘时，激光射线为垂直于热掌子面岩石1的激光射线，垂直于热掌子面岩石1的激光射线加热岩石后，水冷器202喷水将岩石冷却，当岩石受到激冷作用力超过岩石本身的抗压强度后，内部结构遭到破坏，掌子面岩石1脱落。
Claims (14)
1.一种利用激光破岩的掘进机，包括掘进机主机，掘进机主机上设有刀盘（301），其特征在于：所述的刀盘（301）上设有激光发生装置（2）。
2.根据权利要求1所述的利用激光破岩的掘进机，其特征在于：所述的激光发生装置（2）包括激光发射器（201）和水冷器（202），激光发射器（201）和水冷器（202）均设置在刀盘（301）上。
3.根据权利要求2所述的利用激光破岩的掘进机，其特征在于：所述的刀盘（301）为锥形刀盘，激光发射器（201）的中轴线与掌子面之间不垂直设置。
4.根据权利要求2所述的利用激光破岩的掘进机，其特征在于：所述的刀盘（301）为平面刀盘，激光发射器（201）的中轴线与掌子面垂直设置。
5.根据权利要求3或4所述的利用激光破岩的掘进机，其特征在于：所述激光发射器（201）的中轴线与水冷器（202）的中轴线平行。
6.根据权利要求3或4所述的利用激光破岩的掘进机，其特征在于：与所述的激光发射器（201）连接设有高压电输出系统（80），所述的高压电输出系统（80）包括配电柜（801）、变压器（803）和控制器，配电柜（801）与变压器（803）连接，变压器（803）与控制器、激光发射器（201）通过电缆线管路连接。
7.根据权利要求6所述的利用激光破岩的掘进机，其特征在于：与所述的水冷器（202）连接设有增压水输出系统（81），所述的增压水输出系统（81）包括增压泵（805），增压泵（805）通过增压水管路与水冷器（202）连接。
8.根据权利要求7所述的利用激光破岩的掘进机，其特征在于：还包括水电输配系统（4），水电输配系统（4）包括输配管（403），所述的高压电输出系统（80）的电缆线管路与增压水输出系统（81）的增压水管路均设置在输配管（403）内。
9.根据权利要求8所述的利用激光破岩的掘进机，其特征在于：所述的激光发生装置（2）还包括箱体（203），箱体（203）固定在刀盘（301）上，箱体（203）一端与激光发射器（201）、水冷器（202）连接、另一端与输配管（403）连接。
10.根据权利要求9所述的利用激光破岩的掘进机，其特征在于：所述的箱体（203）与激光发射器（201）、水冷器（202）可拆卸连接。
11.一种利用激光破岩的掘进机的掘进方法，其特征在于：包括以下步骤：①启动高压电输出系统（80）：高压电输出系统（80）启动后，配电柜（801）输出的电流经变压器（803）加压后输出高压电流，至高压电流的电压达到切割岩石的激光射线破岩所需电压；
②步骤①启动高压电输出系统（80）的同时，启动增压水输出系统（81），增压水输出系统（81）启动后，增压泵（805）对水流压缩后输出增压水流束，至增压水流束的压力达到切割岩石所需的压力；
③启动掘进机主机：刀盘系统（3）的刀盘（301）受驱动系统（5）驱动开始旋转，进而带动激光发生装置（2）开始旋转，高压电输出系统（80）输出的高压电流通过激光发射器（201）射出，增压水输出系统（81）输出的增压水流束通过水冷器（202）射出，增压水流束形成增压水刀；
④开挖掌子面：步骤③激光发射器（201）射出的激光射线加热岩石，水冷器（202）喷出的水将岩石冷却进行破岩。
12.根据权利要求11所述的利用激光破岩的掘进机的掘进方法，其特征在于：步骤④所述的激光发射器（201）射出的激光射线为倾斜的激光射线或垂直的激光射线。
13.根据权利要求12所述的利用激光破岩的掘进机的掘进方法，其特征在于：步骤④所述的激光射线加热掌子面岩石（1），刀盘为锥形刀盘时，掌子面为临空面，激光射线为倾斜于热掌子面岩石（1）的激光射线，倾斜于热掌子面岩石（1）的激光射线贯入掌子面岩石（1）并形成临空面，激光射线加热岩石后，水冷器（202）喷水将岩石冷却，当岩石受到激冷作用力超过岩石本身的抗拉强度后，掌子面岩石（1）临空面一侧的岩石脱落。
14.根据权利要求13所述的利用激光破岩的掘进机的掘进方法，其特征在于：步骤④所述的激光射线加热掌子面岩石（1），刀盘为平面刀盘时，激光射线为垂直于热掌子面岩石（1）的激光射线，垂直于热掌子面岩石（1）的激光射线加热岩石后，水冷器（202）喷水将岩石冷却，当岩石受到激冷作用力超过岩石本身的抗压强度后，内部结构遭到破坏，掌子面岩石（1）脱落。
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