[发明专利]一种采用激光切割破岩的隧道掘进装置及方法

说明书

本发明属于隧道工程技术领域，并具体公开了一种采用激光切割破岩的隧道掘进装置及方法，该装置包括自行机构、连接机构和切割机构，自行机构用于实现整个隧道掘进装置的移动；连接机构包括依次相连的主驱动轴、摆臂和副驱动轴；切割机构包括安装在副驱动轴上的激光刀盘以及多个安装在激光刀盘上并沿水平方向与竖直方向交叉布置的激光切割头，激光刀盘上还安装有距离传感器，用于检测激光刀盘与待切割岩石层之间的距离，所述方法采用上述装置进行破岩以实现隧道掘进。本发明不会造成刀具的损耗，无需进行刀具的更换，切割效率高。

技术领域

本发明属于隧道工程技术领域，更具体地，涉及一种采用激光切割破岩的隧道掘进装置及方法。

背景技术

轨道交通是现代城市交通的主流和方向，其运量大，速度快，干扰小，能耗低，是解决大城市交通紧张状况的最有效方式。目前随着城市化进程的不断加快，城市交通矛盾日益突出，各大城市都在积极规划建设城市轨道交通项目，在城市轨道交通建设过程中离不开隧道掘进机。

目前主流的全断面隧道掘进机其工作原理是通过刀盘在旋转过程中带动滚刀对岩石界面进行开挖，滚刀在破碎岩石的过程中承受很大荷载，并伴随剧烈冲击，导致刀具消耗极大，据统计刀具的费用约占掘进施工总费用的1/3，并且更换刀具也会耗费大量的人力物力，造成工期延长，此外，全断面隧道掘进机在掘进过程中，由于对围岩的扰动，增加了发生卡机甚至岩爆灾害的潜在风险。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种采用激光切割破岩的隧道掘进装置及方法，其采用激光对岩石进行不接触式切割，切割效率高，切削岩石可自行脱落，可有效避免切削过程中产生冲击振动。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种采用激光切割破岩的隧道掘进装置，其包括自行机构、连接机构和切割机构，其中：

所述自行机构用于实现整个隧道掘进装置的移动；

所述连接机构包括主驱动轴、摆臂和副驱动轴，所述主驱动轴安装在自行机构上，所述摆臂安装在主驱动轴上，所述副驱动轴安装在摆臂上，其可沿摆臂上下移动，以实现与主驱动轴的偏心或同心布置；

所述切割机构包括安装在副驱动轴上的激光刀盘以及多个安装在激光刀盘上并沿水平方向与竖直方向交叉布置的激光切割头，该激光刀盘上还安装有距离传感器，该距离传感器用于检测激光刀盘与待切割岩石层之间的距离。

作为进一步优选的，沿竖直方向布置的多个激光切割头中的首末两个激光切割头与激光刀盘垂直，且这两个激光切割头的间距为D，其余激光切割头互成α角布置，以发射互成α角的高能激光束；沿水平方向布置的多个激光切割头互成α角布置，以发射互成α角的高能激光束。

作为进一步优选的，60°＜α＜120°，0.8m＜D＜2m。

按照本发明的另一方面，提供了一种采用激光切割破岩的隧道掘进方法，其包括以下步骤：

S1距离传感器检测激光刀盘与岩石层之间的距离，自行机构根据距离传感器(8)检测的距离前进或后退，使得激光刀盘与岩石层之间的距离达到预设值；

S2激光切割头产生高能激光束，同时副驱动轴驱动激光刀盘旋转进而带动高能激光束旋转，高能激光束在旋转的过程中在岩石层上切割出切削岩石，当激光刀盘旋转一周后进入步骤S3；

S3主驱动轴驱动摆臂顺时针旋转一定角度，然后重新执行步骤S2，当主驱动轴驱动摆臂旋转一周后进入步骤S4；

S4副驱动轴沿摆臂移动一定距离，然后重新执行步骤S2-S3，直至副驱动轴移动至与主驱动轴同心时，完成一个切割周期。

作为进一步优选的，步骤S2中所述的切削岩石为横截面为三角形的圆环体，在激光刀盘旋转一周后自行脱落，且其横截面的顶角为α。