[发明专利]一种适用于极硬岩地层下的掘进机刀盘

说明书

本发明公开了一种适用于极硬岩地层下的掘进机刀盘。所述的适用于极硬岩地层下的掘进机刀盘由外圈刀盘、边缘刮刀、锯齿刀、外开口、内圈刀盘、冲击齿、尖齿、内开口、推进油缸、旋转电机和冲击油缸组成。所述的外圈刀盘先带动所述的锯齿刀和所述的边缘刮刀开挖出环形隧道，随后所述的内圈刀盘带动所述的冲击齿和所述的尖齿利用临空面冲击中间区域岩石，实现掘进机高效破岩。

技术领域

本发明涉及隧道掘进机刀盘技术领域，具体涉及一种适用于极硬岩地层下的掘进机刀盘。

背景技术

隧道掘进机是一种集掘进和支护为一体的巨型高端装备，被广泛应用于各种复杂岩石地层施工掘进。隧道掘进机主要依靠刀盘及安装在刀盘上的滚刀破岩，其破岩性能直接决定隧道掘进机整体工作性能。

我国幅员辽阔，地质条件复杂，特别是近期朝向深部地层掘进发展，掘进机遭遇岩石地层愈加复杂，所遇地层呈现高强度、高地应力以及高石英含量等特点。掘进机遭遇该种极硬岩地层时，破岩效率极低，且极易引发掘不快甚至掘不动等问题，极大增加了施工周期和施工成本，使得传统的隧道掘进机刀盘结构难以完成极硬岩地层下的施工要求，因此针对极硬岩地层设计一种新型的刀盘结构显得极为重要。

通过文献调研可以发现，目前已经有多个单位针对极硬岩地层设计了相关掘进机刀盘。中南大学申请的专利(申请号：202011003153.3)，名称为：微波与空化射流组合的破岩刀盘及破岩方法，设计了一种微波与空化射流组合式刀盘结构，可以极大改善刀盘上的滚刀破岩效率；中铁工程装备集团有限公司申请的专利(申请号：201820727493.2)，名称为：用于高硬度、高耐磨岩石条件下的TBM刀盘，设计了一种激光和液氮耦合滚刀破岩结构，以提升滚刀破岩效率；中铁隧道局集团有限公司和盾构及掘进技术国家重点实验室申请的专利(申请号：201811590452.4)，名称为：一种用于硬岩的微波辅助破岩TBM刀盘，提出了一种采用微波辅助掘进机刀盘破岩装置，在滚刀切割前先采用微波照射以削弱岩石强度，进而提升刀盘以及滚刀破岩能力。概括上述刀盘结构可知，都是在传统刀盘结构的基础上，巧妙地增加激光、水射流以及热辐射等辅助性手段以改善刀盘破岩性能，可以在一定程度上提升极硬岩地层下隧道掘进机破岩效率和破岩性能。不难发现，采用激光、水射流以及热辐射等手段时，必须依赖强电力能源，这些辅助手段破岩过程中不可避免要耗费巨大能源，因此虽然提升了掘进机破岩效率但不利于节能环保，存在一定的局限性。

西安交通大学申请的专利(申请号：201210579999.0)，名称为：一种用于全断面岩石掘进机的两级阶梯式刀盘系统，设计了一种阶梯式刀盘结构并提出了三种掘进开挖方式，可有效降低单级刀盘破岩载荷，进而提升刀盘掘进效率。该种结构具有节能且能提升破岩效率的巨大优点。但其刀盘依然是采用传统滚刀滚压破岩，滚刀滚压切割极硬岩地层时破岩载荷过大，在提升刀盘破岩效率方面非常有限。

已有研究表明，掘进机刀具依靠冲击方式或采用临空面协助方式破岩，可以在不增加破岩能耗的基础上提升破岩效率。同时也有研究表明，钻削切割模式下的刀具破岩载荷和破岩效率均优于滚压切割模式，即在极硬岩地层下，钻削式刀具相比于滚压式刀具(主要指滚刀)更具优势。为此，本发明针对现有发明中掘进机刀盘设计的不足，充分考虑冲击破岩方式和临空面协助破岩方式，并结合钻削式刀具，设计了一种新型的以适用于极硬岩地层下的掘进机刀盘，以满足极硬岩地层破岩需求，实现高效、长寿命及低能耗掘进破岩。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于极硬岩地层下的掘进机刀盘，该掘进机刀盘分为外圈刀盘和内圈刀盘，外圈刀盘依靠旋转钻削式刀具切割破岩，首先构成外圈岩石镂空，即产生临空面。在此基础上，内圈刀盘充分利用临空面，采用钻削式刀具以振动冲击方式撞击破岩，因此该掘进机刀盘结合了临空面协助和冲击破岩两大优势，在不提升破岩能耗的基础上极大提升刀盘破岩能力和破岩寿命。

本发明主要通过以下方案实现，本发明主要包括外圈刀盘、边缘刮刀、锯齿刀、外开口、内圈刀盘、冲击齿、尖齿、内开口、推进油缸、旋转电机以及冲击油缸。