刀盘总成、隧道掘进设备及隧道掘进施工方法与流程

1.本发明涉及隧道掘进配套设备技术领域，特别涉及一种刀盘总成。本发明还涉及一种应用了该刀盘总成的隧道掘进设备以及采用了该隧道掘进设备的隧道掘进施工方法。


背景技术：

2.在隧道施工领域，盾构机(也即盾构式隧道掘进机)进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理。但是针对硬岩和超硬岩的开挖施工，tbm(tunnel boring machine的首字母缩写，即，隧道掘进机)掘进速度依然十分缓慢，特别是一些质地坚硬的岩石破碎难度极大，刀具损坏严重，导致施工成本和能源消耗巨大。
3.盾构机或tbm通过常规的滚刀掘进破岩时，通过克服岩石的抗压强度极限来实现破岩，这不仅加重了刀具磨损，降低了刀具使用寿命，同时，掘进效率也变得缓慢。在实际掘进过程中，由于现有tbm属于滚压破碎岩石，岩石属于一面临空，三面受压的状态，需要刀具对三向受压状态的岩石进行强行破碎，因此，在不良地质施工中，尤其是复杂硬岩、超硬岩地层隧道开挖中，刀盘刀具磨损加剧，严重时需要一天一换，成本及能耗消耗巨大，且现有技术中，刀具磨损后需要人工进入掌子面进行吊装更换，严重影响隧道施工效率和增大作业人员的工作强度，不利于隧道施工的安全性。更严重的是在超硬岩情况下，常规的滚刀压裂破岩的作业效率极低，导致常规tbm遇到极硬岩后施工进展缓慢。
4.因此，如何提高隧道掘进设备的掘进效率和施工效果，尤其是提高其刀盘总成对硬度较高的岩体的掘进作业效率是本领域技术人员目前需要解决的重要技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种刀盘总成，该刀盘总成对硬度较高的岩体的掘进作业效率较高，能够使掘进设备的整体掘进效率和施工效果得以相应提高。本发明的另一目的是提供一种应用了该刀盘总成的隧道掘进设备以及采用了该隧道掘进设备的隧道掘进施工方法。
6.为解决上述技术问题，本发明提供一种刀盘总成，包括可定轴转动的刀盘，所述刀盘的前端面上沿其径向往复移动地设置有与掌子面配合的若干高压射流喷头组件以及若干冲击装置，各所述高压射流喷头组件沿所述刀盘的周向及径向顺序排布，各所述冲击装置沿所述刀盘的周向及径向顺序排布，且所述高压射流喷头组件及所述冲击装置均与所述刀盘联动。
7.优选地，所述刀盘上设置有若干滚刀，各所述滚刀沿所述刀盘的径向和周向均匀布置并与所述刀盘联动。
8.优选地，各所述高压射流喷头组件与各所述冲击装置沿所述刀盘的前端面的径向交替间隔设置。
9.优选地，所述刀盘的前端面上设置有若干沿其径向延伸的辐条，各所述辐条沿所述刀盘的前端面的周向均匀布置，所述辐条上移动设置有定位组件，任一所述定位组件上设置有至少一个所述高压射流喷头组件和/或至少一个所述冲击装置。
10.优选地，所述刀盘上设置有能够控制所述高压射流喷头组件和所述冲击装置沿所述刀盘的轴向的作业长度的伸缩装置。
11.优选地，所述刀盘上设置有能够控制所述高压射流喷头组件的作业角度的转向装置。
12.优选地，所述高压射流喷头组件为纯水喷头组件、后混式磨料喷头组件或前混式磨料喷头组件中的任一种。
13.优选地，所述冲击装置为潜孔锤或凿岩机中的任一种。
14.本发明还提供一种隧道掘进设备，包括机架和位于机架前端的掘进头，所述掘进头的前端部设置有刀盘总成，该刀盘总成为如上文任一项所述的刀盘总成。
15.本发明还提供一种隧道掘进施工方法，采用了如上文所述的隧道掘进设备，包括步骤：
16.初始定位，将掘进头布置于目标工位，使刀盘总成处于待作业掌子面对应位置处，之后调整高压射流喷头组件和冲击装置沿刀盘总成的前端面的径向的位置，直至各高压射流喷头组件和冲击装置的位置调整到位；
17.射流作业，启动刀盘及高压射流喷头组件，使高压射流喷头组件在随刀盘同步转动的同时持续输出高压射流，以对目标掌子面实施射流冲击，直至在掌子面对应位置处形成同心布置的环形沟槽；
18.冲击作业，启动冲击装置并保持刀盘的定轴转动，使冲击装置在随刀盘同步转动的同时持续对位于相邻两环形沟槽间的作业面实施冲击破碎，以使位于相邻两环形沟槽间的掌子面岩体形成大块状岩样崩裂；
19.位置调整，对完成单次射流作业的高压射流喷头组件及完成单次冲击作业的冲击装置沿刀盘的前端面的径向位置进行重新调整，直至各高压射流喷头组件和冲击装置的位置与掌子面上的下一作业位置相对应；
20.重复冲击，依次循环重复射流作业步骤、冲击作业步骤和位置调整步骤，并保证每次新形成的环形沟槽及两环形沟槽间的作业面与上一次形成的环形沟槽及两环形沟槽间的作业面位置不同，直至当前作业位置的掌子面处的岩体被冲击破碎完毕，并崩裂掏除后形成新的掘进空间；
21.整体掘进，刀盘随掘进头一同掘进，以占据前述步骤实施后形成的新的掘进空间；
22.循环作业，依次重复初始定位、射流作业、冲击作业、位置调整、重复冲击及整体掘进各步骤，直至隧道整体掘进作业完工。
23.相对上述背景技术，本发明所提供的刀盘总成，其工作运行过程中，使刀盘总成随掘进设备整体移动至待作业的掌子面对应位置处后，沿刀盘总成的前端面的径向调整高压射流喷头组件和冲击装置的工作位置，直至各高压射流喷头组件和冲击装置的位置与掌子面的待作业目标位置对应，之后启动刀盘转动，以带动高压射流喷头组件及冲击装置同步联动，同时使高压射流喷头组件在随刀盘同步转动的同时持续输出高压射流，以对目标掌子面实施射流冲击，直至在掌子面对应位置处形成环形沟槽，然后启动冲击装置，使冲击装
置在随刀盘同步转动的同时持续对位于相邻两环形沟槽间的作业面实施冲击破碎，以使位于相邻两环形沟槽间的掌子面岩体形成大块状岩样崩裂，之后对高压射流喷头组件和冲击装置进行位置调整和重新定位，以使其与掌子面上的下一作业位置相对应，之后重复上述高压射流喷头组件和冲击装置的交替作业，直至当前工位对应掌子面上的岩体均被破碎并崩裂掏除，以形成新的掘进空间，然后可通过掘进设备带动掘进头整体掘进，以占据该新形成的掘进空间以到达下一掘进作业面处，之后可重复上述作业过程，直至当前隧道整体掘进工程作业完工。所述刀盘总成作业过程中先通过高压射流喷头组件使掌子面上形成同心布置的环形沟槽，之后通过冲击装置将位于相邻两环形沟槽间的岩体冲击破碎以使岩体形成大块状岩样崩裂，由此将硬度较高的岩体高效破碎，以大幅提高掘进设备的整体掘进效率和施工效果。
24.在本发明所提供的隧道掘进施工方法中，通过依次进行的初始定位、射流作业、冲击作业、位置调整、重复冲击、整体掘进以及循环作业等操作步骤，先通过高压射流喷头组件使掌子面上形成同心布置的环形沟槽，之后通过冲击装置将位于相邻两环形沟槽间的岩体冲击破碎以使岩体形成大块状岩样崩裂，由此将硬度较高的岩体高效破碎，以大幅提高掘进设备的整体掘进效率和施工效果。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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。
26.图1为本发明一种具体实施方式所提供的刀盘总成的结构侧视图；
27.图2为图1中刀盘总成正视状态下定位组件与辐条配合结构示意图；
28.图3为图1中高压射流喷头组件及冲击装置与掌子面配合示意图；
29.图4为图1中高压射流喷头组件及冲击装置在掌子面上的作业痕迹原理示意图；
30.图5为图1中高压射流喷头组件与转向装置的配合示意图；
31.图6为本发明一种具体实施方式所提供的隧道掘进施工方法的流程图。
32.其中，
33.11
‑
刀盘；
34.111
‑
高压射流喷头组件；
35.112
‑
冲击装置；
36.12
‑
辐条；
37.121
‑
定位组件；
38.13
‑
转向装置；
39.21
‑
掌子面；
40.211
‑
环形沟槽。
具体实施方式
41.本发明的核心是提供一种刀盘总成，该刀盘总成对硬度较高的岩体的掘进作业效
率较高，能够使掘进设备的整体掘进效率和施工效果得以相应提高；同时，提供一种应用了该刀盘总成的隧道掘进设备以及采用了该隧道掘进设备的隧道掘进施工方法。
42.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
43.请参考图1至图4，图1为本发明一种具体实施方式所提供的刀盘总成的结构侧视图；图2为图1中刀盘总成正视状态下定位组件与辐条配合结构示意图；图3为图1中高压射流喷头组件及冲击装置与掌子面配合示意图；图4为图1中高压射流喷头组件及冲击装置在掌子面上的作业痕迹原理示意图。
44.在具体实施方式中，本发明所提供的刀盘总成，包括可定轴转动的刀盘11，刀盘11的前端面上沿其径向往复移动地设置有与掌子面21配合的若干高压射流喷头组件111以及若干冲击装置112，各高压射流喷头组件111沿刀盘11的周向及径向顺序排布，各冲击装置112沿刀盘11的周向及径向顺序排布，且高压射流喷头组件111及冲击装置112均与刀盘11联动。
45.工作运行过程中，使刀盘总成随掘进设备整体移动至待作业的掌子面21对应位置处后，沿刀盘总成的前端面的径向调整高压射流喷头组件111和冲击装置112的工作位置，直至各高压射流喷头组件111和冲击装置112的位置与掌子面21的待作业目标位置对应，之后启动刀盘11转动，以带动高压射流喷头组件111及冲击装置112同步联动，同时使高压射流喷头组件111在随刀盘11同步转动的同时持续输出高压射流，以对目标掌子面21实施射流冲击，直至在掌子面21对应位置处形成环形沟槽211，然后启动冲击装置112，使冲击装置112在随刀盘11同步转动的同时持续对位于相邻两环形沟槽211间的作业面实施冲击破碎，以使位于相邻两环形沟槽211间的掌子面21岩体形成大块状岩样崩裂，之后对高压射流喷头组件111和冲击装置112进行位置调整和重新定位，以使其与掌子面21上的下一作业位置相对应，之后重复上述高压射流喷头组件111和冲击装置112的交替作业，直至当前工位对应掌子面21上的岩体均被破碎并崩裂掏除，以形成新的掘进空间，然后可通过掘进设备带动掘进头整体掘进，以占据该新形成的掘进空间以到达下一掘进作业面处，之后可重复上述作业过程，直至当前隧道整体掘进工程作业完工。所述刀盘总成作业过程中先通过高压射流喷头组件111使掌子面21上形成同心布置的环形沟槽211，之后通过冲击装置112将位于相邻两环形沟槽211间的岩体冲击破碎以使岩体形成大块状岩样崩裂，由此将硬度较高的岩体高效破碎，以大幅提高掘进设备的整体掘进效率和施工效果。
46.应当说明的是，通常情况下，各高压射流喷头组件111随刀盘11同步转动过程中不会进行径向位置调整，故此单次高压射流冲击作业后形成的环形沟槽211一般为圆心位于刀盘11的前端面的轴线延长线上的规则圆形，多次高压射流冲击作业后形成的位于相邻两个环形沟槽211间的可供冲击机构冲击作业的区域也是宽度均匀的环状作业面，由此能够适度保证由冲击机构冲击作业后崩裂的岩体规格处于合理可控的范围内，以便集中清除和排出。
47.对于上文所述各高压射流喷头组件111和冲击装置112在目标掌子面21上的实际作业痕迹，可直接参考图4所示，其中，冲击装置112的作业痕迹如图4中b所示，可以直观看出，b所标示的位置处于相邻两环形沟槽211之间，也即，冲击装置112的冲击作业位置处于任意相邻的两个环形沟槽211之间的区域。实际操作中，相邻两环形沟槽211的间距以及相
邻两冲击作业痕迹b的间距并不局限于图中所示，工作人员可以依据具体工况需要灵活调整，原则上，只要是能够保证对掌子面21岩体的高效破除并满足隧道掘进设备的实际运行需要均可。
48.一般情况下，仅靠如上所述的高压射流喷头组件111与冲击装置112交替协同作业，已能够胜任大部分工况下的岩体破碎掘进需求，但对于一些作业规格需求较为特殊的情况下，可以在到盘上设置若干常规的滚刀，为了进一步保证作业面规整和整体掘进效果，可以将各滚刀沿刀盘11的前端面的径向和周向均匀布置，由此，可以在高压射流喷头组件111与冲击装置112交替作业以形成岩体大块岩样崩裂后，利用刀盘11带动滚刀对掌子面21进行常规掘进，以此进一步优化最终的作业面掘进效果，保证设备整体掘进效率。
49.进一步地，各高压射流喷头组件111与各冲击装置112沿刀盘11的前端面的径向交替间隔设置。该交替间隔设置的配合结构，能够保证各冲击装置112恰好位于由相邻的两高压射流喷头组件111对应冲击形成的两个环形沟槽211之间的区域处，以便冲击装置112能够无需大幅位置调整即可对掌子面21实施冲击破碎作业，有效降低设备实际操作量，提高操作效率和设备整体掘进效率。
50.更具体地，刀盘11的前端面上设置有若干沿其径向延伸的辐条12，各辐条12沿刀盘11的前端面的周向均匀布置，辐条12上移动设置有定位组件121，任一定位组件121上设置有至少一个高压射流喷头组件111和/或至少一个冲击装置112。通过定位组件121沿辐条12适度移动，能够高效完成对高压射流喷头组件111及冲击装置112沿刀盘11前端面的径向上的位置调整，并避免因将高压射流喷头组件111和冲击装置112直接装配于辐条12上而对高压射流喷头组件111和冲击装置112的常规结构及功能造成的干涉和不利影响。
51.更具体地，考虑到实际应用中的单一组件位置调节精度和灵活性，优选地在单个定位组件121上设置一个高压射流喷头组件111或一个冲击装置112，以此实现对单一高压射流喷头组件111和单一冲击装置112的位置精确调整；而若侧重于设备的实际组装和运行成本，则可以根据实际工况需要，将任意数量的高压射流喷头组件111或任意数量的冲击装置112布置于同一定位组件121上，甚至将任意数量的高压射流喷头组件111和任意数量的冲击装置112一同布置于单个定位组件121上，以此达到对多个高压射流喷头组件111和冲击装置112的同步调整和定位，当然，若采用此类多组件集成于单个定位组件121的结构，则仍应保证各高压射流喷头组件111及冲击装置112的结构独立性和工作性能，避免相互干涉和影响。
52.相应地，单个定位组件121上可供布置高压射流喷头组件111和/或冲击装置112的位置可参考如图2中所示a标示的位置处，当然，该a处仅为标示大体装配位置之用，具体安装应用时工作人员可以根据定位组件121上的实际装配空间灵活调整。原则上，只要是能够满足所述隧道掘进设备的实际应用需要均可。
53.另一方面，刀盘11上设置有能够控制高压射流喷头组件111和冲击装置112沿刀盘11的轴向的作业长度的伸缩装置。非工作状态下，伸缩装置能够带动各高压射流喷头组件111及冲击装置112回缩至刀盘11内部，以免高压射流喷头组件111和冲击装置112外凸于刀盘11的前端面而对掘进头的整体移动和位置调整产生阻滞或对各高压射流喷头组件111和冲击装置112产生非工作性损伤；当需要实施冲击作业时，伸缩装置带动各高压射流喷头组件111及冲击装置112伸出，以使高压射流喷头组件111和冲击装置112的作业端外凸于刀盘
11的前端面，以使各高压射流喷头组件111和冲击装置112的作业端更接近掌子面21的作业位置，以便实施相关冲击破碎作业，待作业完毕后，可由伸缩装置带动各高压射流喷头组件111和冲击装置112重新回缩至刀盘11的内部，以便实施后续的位置调整等动作。
54.此外，可着重参考图5，图5为图1中高压射流喷头组件111与转向装置13的配合示意图。刀盘11上设置有能够控制高压射流喷头组件111的作业角度的转向装置13。该转向装置13能够灵活调整高压射流喷头组件111的作业端射流方向与刀盘11的轴向间的夹角，以此实现对当前掌子面21扩挖量和当前刀盘11作业扩挖直径的精准控制，并有助于进一步提高掘进施工后的隧洞内壁平整度，以便后续施工的顺利实施，降低后续相关作业的施工难度，提高施工效率。
55.需要说明的是，如图5中所示的α角仅为标示高压射流喷头组件111的角度调整幅度之用，其并无具体的参数限制，工作人员可以依据实际工况需要灵活选择此α角的具体数值，原则上，只要是能够满足所述刀盘总成的实际工作需要均可。
56.另外，具体到实际应用中，高压射流喷头组件111可以为纯水喷头组件、后混式磨料喷头组件或前混式磨料喷头组件中的任一种或多种组合配套使用。事实上，高压射流喷头组件111的具体类型可以由工作人员根据实际工况条件并结合施工成本综合考虑后灵活选择，原则上，只要是能够满足所述刀盘总成及隧道掘进设备的整体工作运行需求均可。
57.与此相类似地，冲击装置112也可以为潜孔锤或凿岩机中的任一种，且在实际应用中，工作人员也可以根据实际工况条件并结合施工成本及岩体质地等因素综合考虑后灵活选择冲击装置112的具体类型，原则上，只要是能够满足所述刀盘总成及隧道掘进设备的整体工作运行需求均可。
58.在具体实施方式中，本发明一种具体实施方式中所提供的一种隧道掘进设备，包括机架和位于机架前端的掘进头，掘进头的前端部设置有刀盘总成，该刀盘总成为如上文所述的刀盘总成。该隧道掘进设备的整体掘进作业效率较高，且其施工效果较好。
59.请参考图6，图6为本发明一种具体实施方式所提供的隧道掘进施工方法的流程图。
60.在具体实施方式中，本发明一种具体实施方式中所提供的隧道掘进施工方法，采用了如上文所述的隧道掘进设备，包括：
61.步骤101，初始定位：
62.将掘进头布置于目标工位，使刀盘总成处于待作业掌子面21对应位置处，之后调整高压射流喷头组件111和冲击装置112沿刀盘总成的前端面的径向的位置，直至各高压射流喷头组件111和冲击装置112的位置调整到位。
63.步骤102，射流作业：
64.启动刀盘11及高压射流喷头组件111，使高压射流喷头组件111在随刀盘11同步转动的同时持续输出高压射流，以对目标掌子面21实施射流冲击，直至在掌子面21对应位置处形成同心布置的环形沟槽211。
65.步骤103，冲击作业：
66.启动冲击装置112并保持刀盘11的定轴转动，使冲击装置112在随刀盘11同步转动的同时持续对位于相邻两环形沟槽211间的作业面实施冲击破碎，以使位于相邻两环形沟槽211间的掌子面21岩体形成大块状岩样崩裂。
67.步骤104，位置调整：
68.对完成单次射流作业的高压射流喷头组件111及完成单次冲击作业的冲击装置112沿刀盘11的前端面的径向位置进行重新调整，直至各高压射流喷头组件111和冲击装置112的位置与掌子面21上的下一作业位置相对应。
69.步骤105，重复冲击：
70.依次循环重复射流作业步骤、冲击作业步骤和位置调整步骤，并保证每次新形成的环形沟槽211及两环形沟槽211间的作业面与上一次形成的环形沟槽211及两环形沟槽211间的作业面位置不同，直至当前作业位置的掌子面21处的岩体被冲击破碎完毕，并崩裂掏除后形成新的掘进空间。
71.步骤106，整体掘进：
72.刀盘11随掘进头一同掘进，以占据前述步骤实施后形成的新的掘进空间。
73.步骤107，循环作业：
74.依次重复步骤101初始定位、步骤102射流作业、步骤103冲击作业、步骤104位置调整、步骤105重复冲击及步骤106整体掘进，直至隧道整体掘进作业完工。
75.综上可知，本发明中提供的刀盘总成，其工作运行过程中，使刀盘总成随掘进设备整体移动至待作业的掌子面对应位置处后，沿刀盘总成的前端面的径向调整高压射流喷头组件和冲击装置的工作位置，直至各高压射流喷头组件和冲击装置的位置与掌子面的待作业目标位置对应，之后启动刀盘转动，以带动高压射流喷头组件及冲击装置同步联动，同时使高压射流喷头组件在随刀盘同步转动的同时持续输出高压射流，以对目标掌子面实施射流冲击，直至在掌子面对应位置处形成环形沟槽，然后启动冲击装置，使冲击装置在随刀盘同步转动的同时持续对位于相邻两环形沟槽间的作业面实施冲击破碎，以使位于相邻两环形沟槽间的掌子面岩体形成大块状岩样崩裂，之后对高压射流喷头组件和冲击装置进行位置调整和重新定位，以使其与掌子面上的下一作业位置相对应，之后重复上述高压射流喷头组件和冲击装置的交替作业，直至当前工位对应掌子面上的岩体均被破碎并崩裂掏除，以形成新的掘进空间，然后可通过掘进设备带动掘进头整体掘进，以占据该新形成的掘进空间以到达下一掘进作业面处，之后可重复上述作业过程，直至当前隧道整体掘进工程作业完工。所述刀盘总成作业过程中先通过高压射流喷头组件使掌子面上形成同心布置的环形沟槽，之后通过冲击装置将位于相邻两环形沟槽间的岩体冲击破碎以使岩体形成大块状岩样崩裂，由此将硬度较高的岩体高效破碎，以大幅提高掘进设备的整体掘进效率和施工效果。
76.此外，本发明提供的应用了该刀盘总成的隧道掘进设备，其对应岩体的整体破碎效果较好，掘进效率较高。
77.另外，本发明提供的采用了该隧道掘进设备的隧道掘进施工方法，其施工效率和施工效果均较好。
78.以上对本发明所提供的刀盘总成、应用了该刀盘总成的隧道掘进设备以及采用了该隧道掘进设备的隧道掘进施工方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。