[发明专利]搭载于TBM上的水射流辅助破岩系统及方法

说明书

本公开提供了一种搭载于TBM上的水射流辅助破岩系统及方法，包括供水机构、动力机构、传输喷射机构和移动机构，供水机构提供流体来源，动力机构能够对流体施加压力，具有一定压力的流体能够进入传输喷射机构，并于其末端释放至TBM刀盘处，形成高压射流，辅助TBM滚刀破岩。所述供水机构和动力机构均设置于移动机构上，所述移动机构设置在TBM整机一号滑车连接桥前端，跟随TBM主梁的移动而运动，使得动力机构与固定在TBM主梁内的高压硬管主管的距离基本保持恒定，保证高压水传输的安全、可靠。

技术领域

本公开涉及一种搭载于TBM上的水射流辅助破岩系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

目前，深埋长大隧道工程项目中岩石隧道开挖工程占比极高，通常情况下多采用TBM施工方案。传统的TBM采用机械破岩方式，其原理为滚刀在法向力、滚动力、侧向力共同作用下，对岩石实施压、滚、磨等作用，使岩石产生高应力区和放射裂纹，随着裂纹扩展形成岩石碎片，达到破岩的目的。

隧道岩石掘进机(TBM)在遭遇高围压硬岩时，其机械破岩能力严重不足，出现贯入度低、刀具磨损严重、换刀时间占比高等一系列问题。据统计，硬岩环境下刀具磨耗成本及维修更换时间在项目成本和工期的占比均高达30-40％，甚至更多，严重影响了施工速度，经济效益低下。因此，如何高效破岩是当前TBM掘进硬岩面临的关键性理论和技术难题。

在众多新型辅助破岩方式中，水射流破岩具有清洁环保、低能高效、易于实现的特点，并且在石油、采矿领域拥有丰富的实践基础，与目前TBM融合的研究及应用潜力巨大。目前，关于TBM刀盘处产生高压水射流，辅助TBM滚刀破岩的概念已经被提出，并见于公开的专利中，然而高压水射流的产生需要一整套高压水生成、传输、控制系统及若干安全保障措施，同时还要充分考虑高压水射流系统与现有TBM结构及施工兼容的问题，真正实施起来，尚有许多技术难题需要解决。

目前的高压水射流系统设计及组装主要包括增压泵、电动机、储能器、传输管路等，在实验室环境下，约束条件很少，实现起来比较容易。但是在工作环境狭小、搭载机具众多的隧道岩石掘进机上设计可搭载的水射流系统，情况就复杂的多。首先，必须考虑其与目前TBM结构的合理兼容，这种兼容性主要表现在水射流系统各组件在TBM上的合理安置，比如难以安装在刀盘内的体积庞大的高压泵组，在TBM上搭载时，不仅要考虑其检查、维修等日常工作的方便性，还要考虑其与刀盘的距离，距离越近，则高压水传输管路相对越短，高压水传输过程能量损失相对越小，传输风险也相对降低；同时，高压泵组应具备快捷扩充功率的功能，以应对产生不同流量高压水射流的要求，这就需要考虑高压泵组如何组成的问题。其次，必须考虑水射流系统与目前TBM施工过程的兼容，TBM采用分步掘进方案，掘进中TBM主机与滑车运动不同步，若将高压泵组安置在滑车上时，不可忽视TBM主机与滑车的相对位移对高压水传输管路带来的安全性、可靠性方面的风险。再次，在射流喷射压力与破岩能力呈正相关情况下，必须考虑高压水传输过程中，由于管路变向、变径以及自身变形引发的压力损失问题，否则难以保证水射流对滚刀的辅助效果。此外，与实验室内组装水射流系统不同，TBM作为水射流辅助系统的动态搭载平台，施工中会遇到各种难以估计的因素影响，高压水射流辅助破岩系统的安全性、可靠性问题非常严峻。

总之，若想实现高压水射流辅助TBM滚刀破岩，必须基于高压水射流系统和TBM结构及施工特点，有针对性地提出一系列技术创新，形成一套搭载于TBM上的水射流辅助破岩系统及方法，保障高压水生成、传输及释放的安全性、可靠性，保障水射流辅助TBM滚刀破岩施工的有效性、可行性。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种搭载于TBM上的水射流辅助破岩系统及方法，本公开能够解决现有的隧道岩石掘进机可利用空间狭小而水射流发生设备体积庞大的矛盾；能够保证高压水生成、传输及释放的安全性、可靠性，能够最大限度的降低高压水传输的压力损失，能够与TBM施工过程兼容，保障水射流辅助TBM滚刀破岩施工的有效性、可行性。