CN112360492B - 一种复合破岩方法、刀盘和掘进机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合破岩方法，采用高速水射流使岩体产生裂缝，采用超临界二氧化碳射入所述裂缝中，采用刀具系统对射入超临界二氧化碳的岩体进行破除。本发明还公开了一种复合破岩刀盘，包括刀盘面板，刀盘面板上设置有刀具系统和高速水射流系统，所述刀盘面板上设置有超临界二氧化碳射流系统。本发明还公开了一种复合破岩掘进机，包括与所述复合破岩刀盘相同的刀盘。本发明解决了现有复合破岩方法对超硬岩隧道进行掘进时破岩效率低且成本高的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及硬岩隧道掘进破岩技术领域，特别是指一种复合破岩方法、刀盘和掘进机。
背景技术
在隧道掘进的现场试验研究过程中，对于隧道工程中超硬岩（一般饱和单轴抗压强度≥200MPa）来说，现有滚刀在破岩过程中不易使岩体产生贯通裂纹，如图3所示，导致破岩效率不高，滚刀磨损严重，大大降低了施工效率，增加了施工成本。
为提高施工效率、降低施工成本，出现了新型的复合破岩刀盘，例如申请公布号为CN110985032A、申请公布日为2020.04.10的发明专利申请，公开了一种水力-机械联合破岩TBM装置，它包括呈周向布置在所述TBM刀盘结构上的机械滚刀结构和水力切割刀具模块，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。
上述高速水射流辅助破岩刀具的发明专利中，水射流要求的水压高，切割岩石仅形成一道0.5mm-0.8mm的裂缝，与滚刀压痕形成的裂纹不易联通，不易形成裂纹桥，导致破岩效果不佳。同时水压要求高，对喷嘴的质量要求高，施工成本较高。
发明内容
针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种复合破岩方法、刀盘和掘进机，解决了采用现有复合破岩方法对超硬岩隧道进行掘进时破岩效率低且成本高的技术问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种复合破岩方法，采用高速水射流使岩体产生裂缝，采用超临界二氧化碳射入所述裂缝中，采用刀具系统对射入超临界二氧化碳的岩体进行破除。本发明可以在高速水射流压力不高的条件下，采用超临界二氧化碳相变产生的膨胀气体致裂岩体，由于超临界二氧化碳的膨胀系数高，产生的爆生气体能迅速在水刀的预制裂缝周围产生更多的裂隙，从而易于与刀具系统压痕形成的裂纹贯通，形成裂纹桥，使岩片剥落，达到快速破岩效果。
进一步地，所述高速水射流、超临界二氧化碳射入裂缝及刀具系统破岩依次进行且循环操作。
进一步地，所述高速水射流、超临界二氧化碳射入裂缝及刀具系统破岩同步进行。
一种使用上述复合破岩方法的复合破岩刀盘，包括刀盘面板，刀盘面板上设置有刀具系统和高速水射流系统，所述刀盘面板上设置有超临界二氧化碳射流系统。
进一步地，所述高速水射流系统、超临界二氧化碳射流系统与刀具系统均包括若干个独立单元，高速水射流系统的独立单元、超临界二氧化碳射流系统的独立单元与刀具系统的独立单元组成若干个破岩单元。
进一步地，所述破岩单元包括刀具系统的两个相邻的独立单元，刀具系统的两个独立单元之间设置有高速水射流系统的两个独立单元，高速水射流系统的两个独立单元之间设置有一个超临界二氧化碳射流系统的独立单元。
进一步地，所述刀具系统的独立单元为刮削刀具和/或滚动刀具。
进一步地，所述高速水射流系统的独立单元包括相连的高速水射流管路和高速水射流喷嘴，同一个破岩单元中的两个高速水射流喷嘴射出的水流在掌子面相交，形成交叉的裂缝。
进一步地，所述超临界二氧化碳射流系统的独立单元包括相连的超临界二氧化碳管路和超临界二氧化碳喷嘴，超临界二氧化碳喷嘴射出的流体指向所述水流在掌子面的相交点。
一种复合破岩掘进机，包括刀盘，所述刀盘与所述复合破岩刀盘相同。
本发明通过采用高速水射流产生的预制裂隙，然后采用超临界二氧化碳相变产生的膨胀气体产生更多的裂纹辅助刀具破岩。本发明可以在高速水射流压力不高的条件下，采用超临界二氧化碳相变产生的膨胀气体致裂岩体，由于超临界二氧化碳的膨胀系数高，产生的爆生气体能迅速在水刀的预制裂缝周围产生更多的裂隙，从而易于与滚刀压痕形成的裂纹贯通，形成裂纹桥，使岩片剥落，达到快速破岩效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中复合破岩刀盘的正视图；
图2为图1中破岩单元的放大图；
图3为采用滚刀对超硬岩进行破岩的原理示意图；
图4为采用滚刀和高速水射流系统对超硬岩进行破岩的原理示意图；
图5为采用滚刀、高速水射流系统和超临界二氧化碳射流系统对超硬岩进行破岩的原理示意图；
图中：1.滚刀，2.高速水射流管路，3.超临界二氧化碳管路，4.刀盘面板，21.高速水射流喷嘴，31.超临界二氧化碳喷嘴。
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。
实施例1，一种复合破岩方法，采用高速水射流使岩体产生裂缝，采用超临界二氧化碳射入所述裂缝中，采用刀具系统对射入超临界二氧化碳的岩体进行破除。本发明可以在高速水射流压力不高的条件下，采用超临界二氧化碳相变产生的膨胀气体致裂岩体，由于超临界二氧化碳的膨胀系数高，产生的爆生气体能迅速在水刀的预制裂缝周围产生更多的裂隙，从而易于与刀具系统压痕形成的裂纹贯通，形成裂纹桥，使岩片剥落，达到快速破岩效果。
实施例2，一种复合破岩方法，所述高速水射流、超临界二氧化碳射入裂缝及刀具系统破岩依次进行且循环操作，使得超临界二氧化碳能够在高速水射流制造的裂缝中的膨胀达到最大后，刀具系统能够更容易地进行高效破岩。
本实施例的其他方法与实施例1相同。
实施例3，一种复合破岩方法，所述高速水射流、超临界二氧化碳射入裂缝及刀具系统破岩同步进行，能够是高速水射流破岩产生的裂缝与超临界二氧化碳爆生气体及刀具系统破岩同时叠加、层层叠加，达到高效破岩的效果。
本实施例的其他方法与实施例1相同。
实施例4，一种复合破岩刀盘，如图1和图2所示，包括刀盘面板4，刀盘面板4上设置有刀具系统和高速水射流系统和超临界二氧化碳射流系统。
具体地，所述高速水射流系统、超临界二氧化碳射流系统与刀具系统均包括若干个独立单元，高速水射流系统的独立单元、超临界二氧化碳射流系统的独立单元与刀具系统的独立单元组成若干个破岩单元。每个破岩单元包括刀具系统的两个相邻的刮削刀具或滚刀1，刀具系统的两个滚刀1之间设置有高速水射流系统的两个独立单元，高速水射流系统的两个独立单元之间设置有一个超临界二氧化碳射流系统的独立单元。
所述高速水射流系统的独立单元包括相连的高速水射流管路2和高速水射流喷嘴21，同一个破岩单元中的两个高速水射流喷嘴21射出的水流在掌子面相交，形成交叉的裂缝。所述超临界二氧化碳射流系统的独立单元包括相连的超临界二氧化碳管路3和超临界二氧化碳喷嘴31，超临界二氧化碳喷嘴31射出的流体指向所述水流在掌子面的相交点。
本实施例的复合破岩方法与实施例1-3任一项相同，具体如图4和图5所示。本发明可以在高速水射流压力不高的条件下，首先采用高速水射流系统使岩体产生交叉的裂缝，然后超临界二氧化碳射流系统将超临界二氧化碳射入所述裂缝中，超临界二氧化碳相变产生的膨胀气体致裂岩体，由于超临界二氧化碳的膨胀系数高，产生的爆生气体能迅速在水刀的预制裂缝周围产生更多的裂隙，从而易于与刀具系统压痕形成的裂纹贯通，形成裂纹桥，使岩片剥落，达到快速破岩效果。
实施例5，一种复合破岩掘进机，包括如实施例4所述的复合破岩刀盘。
本发明未详尽之处均为本领域技术人员所公知的常规技术手段。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种复合破岩方法，其特征在于：先采用高速水射流使岩体产生裂缝，然后使用超临界二氧化碳射入所述裂缝中，进入所述裂缝的超临界二氧化碳产生的爆生气体在所述裂缝周围产生更多的裂隙，高速水射流使岩体产生的裂缝、超临界二氧化碳使岩体产生的裂缝与刀具系统使岩体产生的裂缝形贯通，采用刀具系统对射入超临界二氧化碳的岩体进行破除；所述高速水射流、超临界二氧化碳射入裂缝及刀具系统破岩依次进行且循环操作。
2.一种使用权利要求1所述的复合破岩方法的复合破岩刀盘：包括刀盘面板（4），刀盘面板（4）上设置有刀具系统和高速水射流系统，其特征在于：所述刀盘面板（4）上设置有超临界二氧化碳射流系统。
3.根据权利要求2所述的复合破岩刀盘，其特征在于：所述高速水射流系统、超临界二氧化碳射流系统与刀具系统均包括若干个独立单元，高速水射流系统的独立单元、超临界二氧化碳射流系统的独立单元与刀具系统的独立单元组成若干个破岩单元。
4.根据权利要求3所述的复合破岩刀盘，其特征在于：所述破岩单元包括刀具系统的两个相邻的独立单元，刀具系统的两个独立单元之间设置有高速水射流系统的两个独立单元，高速水射流系统的两个独立单元之间设置有一个超临界二氧化碳射流系统的独立单元。
5.根据权利要求2-4任一项所述的复合破岩刀盘，其特征在于：所述刀具系统的独立单元为刮削刀具和/或滚动刀具。
6.根据权利要求5所述的复合破岩刀盘，其特征在于：所述高速水射流系统的独立单元包括相连的高速水射流管路（2）和高速水射流喷嘴（21），同一个破岩单元中的两个高速水射流喷嘴（21）射出的水流在掌子面相交。
7.根据权利要求6所述的复合破岩刀盘，其特征在于：所述超临界二氧化碳射流系统的独立单元包括相连的超临界二氧化碳管路（3）和超临界二氧化碳喷嘴（31），超临界二氧化碳喷嘴（31）射出的流体指向所述水流在掌子面的相交点。
8.一种复合破岩掘进机，包括刀盘，其特征在于：所述刀盘与权利要求2-7任一项中所述的复合破岩刀盘相同。
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