CN210685991U - 机械-水力联合破岩的tbm掘进装备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种机械‑水力联合破岩的TBM掘进装备。它包括刀盘，旋转驱动，推进油缸，水刀旋转调节部和水力截割滚刀刀具；所述水力截割滚刀刀具沿周向布置于所述刀盘上；所述水刀旋转调节部位于所述旋转驱动前部；所述外机架位于所述旋转驱动外侧；有外机架上撑靴位于所述外机架后方；有后支撑和水仓位于所述外机架上撑靴后方，所述后支撑位于所述外机架上撑靴与所述水仓之间；有水刀外接水管道设于所述水仓上，水仓和水力截割滚刀刀具通过水刀外接水管道和水刀旋转调节部连通。本实用新型具有贯入度合适，破岩效率较高，破岩能耗较少的优点。

Description

机械-水力联合破岩的TBM掘进装备

技术领域

本实用新型涉及隧道及地下工程领域，特别涉及复杂地质条件TBM隧道施工领域。更具体地说它是机械-水力联合破岩的TBM掘进装备。

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》，实用新型人霍军周、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、机械磨损较低的破岩TBM掘进装备。

发明内容

本实用新型目的是为了提供一种机械-水力联合破岩的TBM掘进装备，结构简单，破岩效率较高，破岩能耗较少；机械磨损较低，有利于提高工程进度和降低工程成本。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案为：机械-水力联合破岩的TBM掘进装备，其特征在于：包括刀盘，旋转驱动，推进油缸，水刀旋转调节部和水力截割滚刀刀具；

所述水力截割滚刀刀具沿周向布置于所述刀盘上；

所述旋转驱动位于所述刀盘后端；

所述推进油缸位于外机架外侧、且位于所述外机架后端；

所述水刀旋转调节部位于所述旋转驱动前部；

所述外机架位于所述旋转驱动外侧；

有外机架上撑靴位于所述外机架后方，所述推进油缸分别固定于所述外机架和所述外机架上撑靴上；

有后支撑和水仓位于所述外机架上撑靴后方，所述后支撑位于所述外机架上撑靴与所述水仓之间；

有水刀外接水管道设于所述水仓上，所述水仓和水力截割滚刀刀具通过所述水刀外接水管道和所述水刀旋转调节部连通。

在上述技术方案中，所述旋转驱动内装有电机、扭矩转速传感器和减速器，所述扭矩转速传感器两端分别连接电机和减速器；

有传动输送机位于所述外机架内侧；有铲斗位于所述传动输送机前端；

有护盾和油压缸设于所述外机架外侧，所述油压缸两端分别连接所述外机架外壁和所述护盾内壁。

在上述技术方案中，所述水刀旋转调节部包括高压水管道对接口和水刀旋转调节部圆盘；

所述高压水管道对接口位于所述水刀旋转调节部圆盘上；所述水刀旋转调节部圆盘外周固定于所述旋转驱动内壁；

所述水刀外接水管道与所述高压水管道对接口对接连接。

在上述技术方案中，所述高压水管道对接口包括高压水管道对接口前端和高压水管道对接口后端；

所述高压水管道对接口后端与所述水刀外接水管道连通；

所述高压水管道对接口前端与所述水力截割滚刀刀具连通。

在上述技术方案中，所述水刀外接水管道为可伸缩水管；

所述水力截割滚刀刀具有多个；多个所述水力截割滚刀刀具呈间隔设置。

在上述技术方案中，所述水力截割滚刀刀具包括刀具主体，刀具中轴，刀具加强部位，高压水注水孔，中部连接装置和高压水射流通道；

所述刀具中轴横向贯穿所述刀具主体侧面、且位于所述刀具主体的中心线上；

所述刀具加强部位分别位于所述刀具主体两侧面上；

所述高压水注水孔位于所述刀具中轴内、且横向贯穿所述刀具主体；

所述中部连接装置位于所述高压水注水孔中部、且位于所述刀具主体中心；

所述高压水射流通道布置于所述刀具主体内、且与所述中部连接装置相连通。

在上述技术方案中，所述高压水射流通道有多个；所述高压水射流通道以所述中部连接装置为中心呈辐射状布置；

所述高压水射流通道上设有喷嘴；所述喷嘴与所述高压水射流通道连通、且设于所述刀具主体外周上。

在上述技术方案中，所述高压水射流通道上设有水流控制阀；所述水流控制阀位于所述中部连接装置与所述喷嘴之间；

有刀具转向传感器设于所述刀具主体侧面上；

有传感线路通道位于所述刀具主体和所述刀具加强部位内、且位于所述水流控制阀与所述刀具转向传感器之间；

所述传感线路通道呈中空结构；

有传感线路设于所述传感线路通道内；

所述水流控制阀与所述刀具转向传感器通过所述传感线路连接；

所述刀具主体呈滚轮形。

在上述技术方案中，所述高压水射流通道布置于所述刀具主体纵向中心面上；所述高压水射流通道有六条。

本实用新型具有如下优点：

(1)与现有技术机械滚刀在同等贯入度条件下相比，本实用新型能提高破岩效率，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；在机械磨损上，与传统机械滚刀相比，本实用新型破岩过程始终有水流降温，且经过水力切割之后的岩石已经获得初步破损，岩石最终磨损所需要的机械力同等降低，所以对减小机械刀具磨损有益；与简单叠加方式相比，本实用新型水力截割滚刀的水雾覆盖机械刀具部分更加均匀，且有水流在刀具内部流动，降温效果更好；

(2)本实用新型在破岩顺序上是先切槽后切削，在时间上，两者却是同时工作的，水射流能够降低机械刀盘部分的温度，对减少机械磨损同样具有积极意义；

(3)本实用新型加装水力截割滚刀，由滚刀的水力切割部分(高压水射流)在刀盘滚动方向的前方预切槽，水力切割会形成一定宽度和深度的槽(即水力切槽)，水力切割过程会对掌子面的岩石形成初步破碎，在此基础上，TBM的水力截割滚刀跟进，滚压切削水力切槽；水力截割滚刀的跟进使水力切槽形成的岩石裂隙延伸拓展，相邻水力截割滚刀之间的裂隙交汇；在相邻水力截割滚刀之间的岩块被切削成三角形岩石渣片和椭圆形或板形岩石渣片；本实用新型破岩时安装有水力截割滚刀的机械刀盘达到同等破岩效果时贯入度相对较小；

(4)本实用新型将高压水射流结构与机械滚刀结构集成布置，优化了刀盘布置方式；本实用新型可操作性强，只需在现有的TBM刀盘上进行简单的调整就可以达到提高破岩效率，减少破岩能耗，降低机械磨损的效果；与简单叠加方式相比，本发明使水雾覆盖机械刀具部分更加均匀，且有水流在刀具内部流动，降温效果更好；

(5)在实现同等破岩效果的基础上，本实用新型采用水力截割滚刀，能够减少TBM刀盘上的开孔数量(现有技术采用简单叠加需要专门为高压水射流喷嘴开孔)，对于TBM的刀盘稳定性和强度要求有益，降低了TBM刀盘制造和材料工艺难度；

(6)本实用新型水力截割滚刀仅需更换刀具，无需重新布置刀盘，降低了经济成本；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为本实用新型工作结构示意图。

图2为图1的A处放大图。

图3为本实用新型安装有水力截割滚刀刀具的刀盘结构示意图。

图4为本实用新型水刀旋转调节部结构示意图。

图5为本实用新型高压水管道对接口结构示意图。

图6为本实用新型水力截割滚刀刀具主视结构示意图。

图7为图6的A处放大图。

图8为本实用新型水力截割滚刀刀具左视局部透视图。

图9为图8的A处放大图。

图10为本实用新型水力截割滚刀刀具破岩示意图。

图11为本实用新型水刀外接水管道结构示意图。

图12为现有技术机械破岩时岩石欠破碎状态结构示意图。

图13为现有技术机械破岩时岩石最佳破碎状态结构示意图。

图14为现有技术机械破岩时岩石过破碎状态结构示意图。

图15为本实用新型机械滚刀压入前水力切割产生水力切槽的工作状态图。

图16为本实用新型联合破岩TBM刀盘机械滚刀压入后的工作状态图。

图10中，A向为本实用新型TBM运动方向；T1表示第一个水力截割滚刀刀具，S1表示第一个水力截割滚刀刀具滚刀(即刀具主体)前方切槽痕迹(即第二个水力截割滚刀刀具的喷嘴破岩产生的水力切槽)及S1的运动方向；(水力截割滚刀刀具的水射流喷嘴和机械滚刀(即刀具主体)设在刀具主体的周向最外侧，滚刀接触岩石的部位是一个有一定宽度的环形的平面，而高压水射流的喷嘴就位于这个环形平面的中心线上，也即机械滚刀(即刀具主体)滚压中心和高压水射流喷嘴喷射中心连接所形成的圆是共线的，即机械滚刀(即刀具主体)滚动痕迹和高压水切槽中心共线，所以机械滚刀(即刀具主体)的宽度大于水射流喷嘴切割的槽宽度，且机械滚刀(即刀具主体)压过高压水射流形成切槽的中部上方。)

T2表示第二个水力截割滚刀刀具，S2表示第二个水力截割滚刀刀具滚刀(即刀具主体)前方切槽痕迹(即第三个水力截割滚刀刀具的喷嘴破岩产生的水力切槽)及S2的运动方向；

T3表示第三个水力截割滚刀刀具，S3表示第三个水力截割滚刀刀具滚刀(即刀具主体)前方切槽痕迹(即第四个水力截割滚刀刀具的喷嘴破岩产生的水力切槽)及T3的运动方向；

T4表示第四个水力截割滚刀刀具，S4表示第四个水力截割滚刀刀具滚刀(即刀具主体)前方切槽痕迹(即第五个水力截割滚刀刀具的喷嘴破岩产生的水力切槽)及T4的运动方向；

T5表示第五个水力截割滚刀刀具，S5表示第五个水力截割滚刀刀具滚刀(即刀具主体)前方切槽痕迹(即第六个水力截割滚刀刀具的喷嘴破岩产生的水力切槽)及T5的运动方向；

T6表示第六个水力截割滚刀刀具，S6表示第六个水力截割滚刀刀具滚刀(即刀具主体)前方切槽痕迹(即第一个水力截割滚刀刀具的喷嘴破岩产生的水力切槽)及T6的运动方向；

图12为岩石贯入度过小状态图；图12中，B表示未交汇的水平裂纹；C表示三角形岩石渣片；D表示密实核；M表示现有技术TBM刀盘上的机械滚刀；

图13为岩石贯入度合适状态图；图13中，D表示密实核；E表示椭圆形或板形岩石渣片；M表示现有技术TBM刀盘上的机械滚刀；

图14为岩石贯入度过大状态图；图14中，D表示密实核；F表示层叠板形岩石渣片；G表示横向棒片形岩石渣片；M表示现有技术TBM刀盘上的机械滚刀；

图15中，H表示本实用新型破岩时水射流致裂裂纹；

图16中，表示本实用新型刀具主体压入破岩的工作状态图，其中，D表示密实核，P表示三角形岩石渣片；H表示水射流致裂裂纹；J表示椭圆形或板形岩石渣片；图16中，联合破岩岩石破碎状态为椭圆形或板形岩石渣片，贯入度相对较小。

参与附图11-图15可知：在采用两种相同贯入度的情况下，传统机械破岩方式仅仅能够切削出三角形岩石渣片；

而采用本实用新型水力截割滚刀的联合破岩方式能够较好的完成更大程度的破岩。

本实用新型利用加装水力截割滚刀刀具的机械-水力联合破岩TBM，由水力截割滚刀刀具的水力切割部分(即高压水射流)在刀盘滚动方向的前方预切槽，水力切割会形成一定宽度和深度的槽(即水力切槽)，水力切割过程会对掌子面的岩石形成初步破碎，在此基础上，水力截割滚刀刀具的机械截割滚刀(即刀具主体)跟进，滚压切削水力切槽；机械截割滚刀(即刀具主体)的跟进使水力切槽形成的岩石裂隙延伸拓展，相连滚刀之间的裂隙交汇；在相邻水力截割滚刀刀具之间的岩块被切削成三角形岩石渣片和椭圆形或板形岩石渣片。

相比之下，本实用新型采用机械-水力联合破岩的方式能够提高破岩效率，减少破岩能耗；同时，水力截割滚刀刀具在破岩顺序上是先切槽后切削，在时间上，两者却是同时工作的，高压水射流能够降低机械截割滚刀(即刀具主体)和刀盘部分的温度，对减少机械磨损同样具有积极意义。

图中1-刀盘,2-旋转驱动,3-推进油缸,4-水刀旋转调节部，4.1-高压水管道对接口,4.11-高压水管道对接口前端,4.12-高压水管道对接口后端,4.2-水刀旋转调节部圆盘,5-水力截割滚刀刀具,5.1-刀具主体,5.2-刀具中轴,5.3-刀具加强部位,5.4-高压水注水孔,5.5-中部连接装置,5.6-高压水射流通道,5.61-喷嘴,5.7-水流控制阀,5.8-刀具转向传感器,5.9-传感线路通道,5.10-传感线路,6-外机架,7-外机架上撑靴,8-后支撑,9-水仓,10-水刀外接水管道,11-传动输送机,12-铲斗,13-护盾,14-油压缸,15-掌子面,16-水力切槽,17-机械滚刀轨迹。

具体实施方式

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

参阅附图可知：机械-水力联合破岩的TBM掘进装备，包括刀盘1，旋转驱动2，推进油缸3，水刀旋转调节部4和水力截割滚刀刀具5；

所述水力截割滚刀刀具5沿周向布置于所述刀盘1上；

所述旋转驱动2位于所述刀盘1后端；旋转驱动控制联合破岩TBM的刀盘旋转，推进油缸推进TBM刀盘向前掘进；

所述推进油缸3位于外机架6外侧、且位于所述外机架6后端；用于推进TBM，实现进刀和退刀；

所述水刀旋转调节部4位于所述旋转驱动2前部；可以随所述旋转驱动装置同步旋转；

所述外机架6位于所述旋转驱动2外侧；起支撑保护作用；

有外机架上撑靴7位于所述外机架6后方，所述推进油缸3分别固定于所述外机架6和所述外机架上撑靴7上；掘进过程中，外机架上撑靴用于撑紧围岩洞壁，固定TBM机架；

有后支撑8和水仓9位于所述外机架上撑靴7后方，所述后支撑8位于所述外机架上撑靴7与所述水仓9之间；后支撑用于支撑联合破岩TBM，方便掘进；

有水刀外接水管道10设于所述水仓9上，所述水仓9和水力截割滚刀刀具5通过所述水刀外接水管道10和所述水刀旋转调节部4连通；水仓位于TBM后端已铺设轨道上，可以保证水量供给。

所述旋转驱动2内装有电机、扭矩转速传感器和减速器，所述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。

有传动输送机11位于所述外机架6内侧；有铲斗12位于所述传动输送机11前端；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；

有护盾13和油压缸14设于所述外机架6外侧，所述油压缸14两端分别连接所述外机架6外壁和所述护盾13内壁(如图1、图2、图3所示)，保障述外机架6的稳定性。

所述水刀旋转调节部4包括高压水管道对接口4.1和水刀旋转调节部圆盘4.2；

所述水刀旋转调节部位于所述旋转驱动2的前部，且与所述旋转驱动共轴；水刀旋转调节部的所述高压水管道对接口与所述水刀外接水管道连接、且与所述刀盘上的水刀位置相对应；

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；所述高压水管道对接口与联合破岩TBM刀盘上的水刀位置一一对应；在TBM工作时，水刀外接水管道可以通过高压水管道对接口的对接，与TBM刀盘实现同步旋转；

所述高压水管道对接口4.1位于所述水刀旋转调节部圆盘4.2上；所述水刀旋转调节部圆盘4.2外周固定于所述旋转驱动2内壁；水刀旋转调节部圆盘可以与TBM滚刀同步旋转；

所述水刀外接水管道10与所述高压水管道对接口4.1对接连接；实现水刀外接水管道10与TBM刀盘同步旋转。

所述高压水管道对接口4.1包括高压水管道对接口前端4.11和高压水管道对接口后端4.12；

所述高压水管道对接口后端4.12与所述水刀外接水管道10连通；高压水管道对接口后端；

所述高压水管道对接口后端4.12与所述水刀外接水管道10连通；防止水刀外接水管道10缠绕，影响工作效率；水仓9通过水刀外接水管道10和水刀旋转调节部4为水力截割双滚刀刀具5的高压水注水孔5.4提供高压水流；

所述高压水管道对接口前端4.11与所述水力截割滚刀刀具5连通(如图4、图5所示)；所述高压水管道对接口前端与所述水刀旋转调节部同步旋转，进一步，所述高压水管道对接口前端与TBM刀盘同步旋转；工作时，外部高压水管道与高压水管道对接口后端对接，水刀水流通道(即高压水注水孔5.4)与高压水管道对接口前端对接，可以保证高压水旋转和进水的同步实现。

所述水刀外接水管道10为可伸缩水管(如图11所示)；可伸缩水管自TBM后部水仓供水，所述可伸缩水管可以随着TBM的掘进，自由调节水管长度；

所述水仓9内设有加压装置和调节装置；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。

所述水力截割滚刀刀具5有多个；多个所述水力截割滚刀刀具5呈间隔设置(如图3所示)；水力截割滚刀刀具5通过水刀旋转调节部4调节高压水流节射流方向，位于同一个刀盘1上的水力截割滚刀刀具5的射流方向或相同或不同，针对性地喷射高压水流，提高破岩效率，减少能耗，节省成本。

所述水力截割滚刀刀具5包括刀具主体5.1，刀具中轴5.2，刀具加强部位5.3，高压水注水孔5.4，中部连接装置5.5和高压水射流通道5.6；

所述刀具中轴5.2横向贯穿所述刀具主体5.1侧面、且位于所述刀具主体5.1的中心线上；为刀具主体5.1的轴承部分；所述刀具主体5.1可以以刀具中轴5.2为旋转中心滚动；

所述刀具加强部位5.3分别位于所述刀具主体5.1两侧面上；刀具加强部位位于刀具两侧面成对称分布，起到加强刀具强度的作用；

所述高压水注水孔5.4位于所述刀具中轴5.2内、且横向贯穿所述刀具主体5.1；高压水注水孔5.4将高压水流注入多个高压水射流通道5.6破岩；

所述中部连接装置5.5位于所述高压水注水孔5.4中部、且位于所述刀具主体5.1中心；中部连接装置位于所述高压水注水孔的交汇处，所述中部连接装置位于刀具的中心，所述中部连接装置具有分流作用；

所述高压水射流通道5.6布置于所述刀具主体5.1内、且与所述中部连接装置5.5相连通(如图6、图7、图8、图9所示)；高压水注水孔位于所述刀具主体中轴中心处，与所述刀具中轴同心；高压水注水孔通过中部连接装置将高压水注入高压水射流通道中，经由喷嘴喷射破岩。

所述高压水射流通道5.6有多个；所述高压水射流通道5.6以所述中部连接装置5.5为中心呈辐射状布置；高压水射流通道5.6与中部连接装置5.5，将中部连接装置5.5中的高压水流从多个方向喷出，形成多个方向的水刀破岩，且达到对机械刀具的降温防磨损的效果；

所述高压水射流通道5.6上设有喷嘴5.61；所述喷嘴5.61与所述高压水射流通道5.6连通、且设于所述刀具主体5.1外周上；高压水流通过喷嘴5.61喷射。

所述高压水射流通道5.6上设有水流控制阀5.7；所述水流控制阀5.7位于所述中部连接装置5.5与所述喷嘴5.61之间；水流控制阀用以控制高压水射流通道的开闭，所述水流控制阀数目与高压水射流通道一致；所述刀具转向控制器位于刀具表面，所述刀具转向控制器具有检测判别刀具转动角度的作用。

有刀具转向传感器5.8设于所述刀具主体5.1侧面上；

有传感线路通道5.9位于所述刀具主体5.1和所述刀具加强部位5.3内、且位于所述水流控制阀5.7与所述刀具转向传感器5.8之间；所述传感线路通道5.9呈中空结构；传感线路通道用以支持传感线路的通过；

有传感线路5.10设于所述传感线路通道5.9内；

所述水流控制阀5.7与所述刀具转向传感器5.8通过所述传感线路5.10连接；传感线路用以联系所述水流控制阀和所述刀具转向传感器，刀具转向控制器通过传感线路传递信号，用以控制所述水流控制阀的开闭；克服了现有技术喷嘴常开造成的水资源浪费的情况。

所述刀具主体5.1呈滚轮形(如图6、图7、图8、图9所示)。

所述高压水射流通道5.6布置于所述刀具主体5.1纵向中心面上；所述高压水射流通道5.6有六条(如图8所示)；水力截割滚刀中水流通道的数量需要根据刀盘的直径、水射流的压力、破岩的能耗等进行配置。

本实用新型所述的机械-水力联合破岩的TBM掘进装备的工作过程，包括如下步骤(如图1、图6、图10所示)：

通过人工将水力截割滚刀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；

通过人工将水力截割滚刀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；

步骤一：将联合破岩TBM的刀盘1对准待开挖洞室位置(即对准掌子面15)；

步骤二：固定TBM的外机架6，启动联合破岩TBM，使TBM向前掘进一个行程；

推进油缸3伸长一个行程，刀盘1及与刀盘1连接的构件相应向前移动一个行程；

具体过程为：外机架上撑靴7撑紧围岩洞壁，固定整个TBM的机架；TBM上安装水力截割滚刀刀具5的刀盘1由旋转驱动2驱动旋转，推进油缸3向刀盘1施加推力，TBM被慢慢推出，向前掘进，后支撑8提供支撑，水力截割滚刀刀具5自身旋转的同时随刀盘1旋转，破碎岩体；

水力截割滚刀刀具5破岩时高压水射流在水力截割滚刀刀具5转动方向首先水力预裂，形成水力切槽16；

然后水力截割滚刀刀具5在水力切槽16上方滚压，形成机械滚刀轨迹17，使岩渣崩落，崩落的岩渣由铲斗12铲入传动输送机11(一般为带式输送机)，最后运至机后卸载；

TBM的水刀旋转调节部4包括高压水管道对接口4.1和水刀旋转调节部圆盘4.2；水刀旋转调节部4位于旋转驱动2的前部、且与旋转驱动共轴；水刀旋转调节部4的高压水管道对接口4.1为外部高压水和破岩高压水的连接结构；高压水管道对接口4.1与联合破岩TBM的刀盘1上的水刀位置(即与刀盘1上的高压水注水孔)一一对应；在TBM工作时，水刀外接水管道10可以通过高压水管道对接口4.1的对接，与TBM的刀盘1实现同步旋转；

当水刀外接水管道10为可伸缩水管时，可伸缩水管通过位于TBM后部的水仓9供水，可伸缩水管可以随着TBM的掘进，自由调节水管长度；水仓9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；

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；即完成洞室开挖。

在上述掘进过程中，将岩体内部的锚杆和完整的开挖面表面支护通过连接装置紧密的连接在一起，利用表面支护的抗冲击能力来避免岩体的破坏，利用锚杆的承载力来承担冲击表面***的载荷，保障支护的***性。

现以尺寸150mm×150mm×100mm的白砂岩试样为例，对白砂岩试样进行贯入试验(TBM滚刀破岩的主要法向力)；

直接采用机械滚刀对白砂岩试样进行贯入试验，破坏白砂岩试样所需最大力达到140KN；

采用本实用新型对白砂岩试样进行贯入实验，本实用新型对白砂岩试样进行水刀预切槽处理后，再进行滚刀贯入试验，破坏白砂岩试样所需最大力仅为40KN，破岩力降低了70％以上，且切槽预处理之后的白砂岩试样达到破碎的时间更短，因此破岩效率更高，破岩速度更快；同样地，由于刀具施加的最大力减小，刀具所承受的反力相应减少，对刀具的磨损相应减少；

本实用新型通过水刀切割造成白砂岩试样初步破坏之后已经有裂隙产生，再经过滚刀切割，施加的力减小，破岩时间缩短，破岩难度相对较低。

为了能够更加清楚的说明本实用新型所述的机械-水力联合破岩的TBM掘进装备与现有技术(机械破岩装置和现有的TBM刀盘上高压水射流喷嘴与机械滚刀在刀盘上采用简单叠加组合方式破岩装置)结构相比所具有的优点，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，本实用新型所述的机械-水力联合破岩的TBM掘进装备与现有技术(机械破岩装置和现有的TBM刀盘上高压水射流喷嘴与机械滚刀在刀盘上采用简单叠加组合方式破岩装置)结构相比，破岩效率较高，破岩能耗较小，刀盘损耗率较小。

其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (9)

1.机械-水力联合破岩的TBM掘进装备，其特征在于：包括刀盘(1)，旋转驱动(2)，推进油缸(3)，水刀旋转调节部(4)和水力截割滚刀刀具(5)；

所述水力截割滚刀刀具(5)沿周向布置于所述刀盘(1)上；

所述旋转驱动(2)位于所述刀盘(1)后端；

所述推进油缸(3)位于外机架(6)外侧、且位于所述外机架(6)后端；

所述水刀旋转调节部(4)位于所述旋转驱动(2)前部；

所述外机架(6)位于所述旋转驱动(2)外侧；

有外机架上撑靴(7)位于所述外机架(6)后方，所述推进油缸(3)分别固定于所述外机架(6)和所述外机架上撑靴(7)上；

有后支撑(8)和水仓(9)位于所述外机架上撑靴(7)后方，所述后支撑(8)位于所述外机架上撑靴(7)与所述水仓(9)之间；

有水刀外接水管道(10)设于所述水仓(9)上，所述水仓(9)和水力截割滚刀刀具(5)通过所述水刀外接水管道(10)和所述水刀旋转调节部(4)连通。

2.根据权利要求1所述的机械-水力联合破岩的TBM掘进装备，其特征在于：所述旋转驱动(2)内装有电机、扭矩转速传感器和减速器，所述扭矩转速传感器两端分别连接电机和减速器；

有传动输送机(11)位于所述外机架(6)内侧；有铲斗(12)位于所述传动输送机(11)前端；

有护盾(13)和油压缸(14)设于所述外机架(6)外侧，所述油压缸(14)两端分别连接所述外机架(6)外壁和所述护盾(13)内壁。

3.根据权利要求1或2所述的机械-水力联合破岩的TBM掘进装备，其特征在于：所述水刀旋转调节部(4)包括高压水管道对接口(4.1)和水刀旋转调节部圆盘(4.2)；

所述高压水管道对接口(4.1)位于所述水刀旋转调节部圆盘(4.2)上；所述水刀旋转调节部圆盘(4.2)外周固定于所述旋转驱动(2)内壁；

所述水刀外接水管道(10)与所述高压水管道对接口(4.1)对接连接。

4.根据权利要求3所述的机械-水力联合破岩的TBM掘进装备，其特征在于：所述高压水管道对接口(4.1)包括高压水管道对接口前端(4.11)和高压水管道对接口后端(4.12)；

所述高压水管道对接口后端(4.12)与所述水刀外接水管道(10)连通；

所述高压水管道对接口前端(4.11)与所述水力截割滚刀刀具(5)连通。

5.根据权利要求4所述的机械-水力联合破岩的TBM掘进装备，其特征在于：所述水刀外接水管道(10)为可伸缩水管；

所述水力截割滚刀刀具(5)有多个；多个所述水力截割滚刀刀具(5)呈间隔设置。

6.根据权利要求5所述的机械-水力联合破岩的TBM掘进装备，其特征在于：所述水力截割滚刀刀具(5)包括刀具主体(5.1)，刀具中轴(5.2)，刀具加强部位(5.3)，高压水注水孔(5.4)，中部连接装置(5.5)和高压水射流通道(5.6)；

所述刀具中轴(5.2)横向贯穿所述刀具主体(5.1)侧面、且位于所述刀具主体(5.1)的中心线上；

所述刀具加强部位(5.3)分别位于所述刀具主体(5.1)两侧面上；

所述高压水注水孔(5.4)位于所述刀具中轴(5.2)内、且横向贯穿所述刀具主体(5.1)；

所述中部连接装置(5.5)位于所述高压水注水孔(5.4)中部、且位于所述刀具主体(5.1)中心；

所述高压水射流通道(5.6)布置于所述刀具主体(5.1)内、且与所述中部连接装置(5.5)相连通。

7.根据权利要求6所述的机械-水力联合破岩的TBM掘进装备，其特征在于：所述高压水射流通道(5.6)有多个；所述高压水射流通道(5.6)以所述中部连接装置(5.5)为中心呈辐射状布置；

所述高压水射流通道(5.6)上设有喷嘴(5.61)；所述喷嘴(5.61)与所述高压水射流通道(5.6)连通、且设于所述刀具主体(5.1)外周上。

8.根据权利要求7所述的机械-水力联合破岩的TBM掘进装备，其特征在于：所述高压水射流通道(5.6)上设有水流控制阀(5.7)；所述水流控制阀(5.7)位于所述中部连接装置(5.5)与所述喷嘴(5.61)之间；

有刀具转向传感器(5.8)设于所述刀具主体(5.1)侧面上；

有传感线路通道(5.9)位于所述刀具主体(5.1)和所述刀具加强部位(5.3)内、且位于所述水流控制阀(5.7)与所述刀具转向传感器(5.8)之间；

所述传感线路通道(5.9)呈中空结构；

有传感线路(5.10)设于所述传感线路通道(5.9)内；

所述水流控制阀(5.7)与所述刀具转向传感器(5.8)通过所述传感线路(5.10)连接；

所述刀具主体(5.1)呈滚轮形。

9.根据权利要求8所述的机械-水力联合破岩的TBM掘进装备，其特征在于：所述高压水射流通道(5.6)布置于所述刀具主体(5.1)纵向中心面上；所述高压水射流通道(5.6)有六条。

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