[发明专利]一种TBM后混式磨料射流辅助破岩系统及破岩方法

说明书

本发明提供了一种TBM后混式磨料射流辅助破岩系统及破岩方法，破岩系统包括：后混式磨料射流喷射装置，和与其连接的高压水射流装置、磨料供给装置、磨料射流辅助滚刀破岩装置。高压水射流装置提供高压水，自吸式磨料供给装置设于TBM刀盘内，高压水和磨料通过后混式磨料射流喷射装置充分混合，形成的磨料射流通过磨料射流辅助滚刀破岩装置，辅助TBM滚刀破岩。本发明可实现磨料射流与TBM滚刀联合破岩，能解决超硬岩条件下TBM“掘不动、掘进慢”的问题，是隧道施工领域的一大创新；不同岩石强度下系统采用不同的工作方法，系统能量利用率高，综合效益显著；采用的磨料供给方式避免了磨料的长距离密封传输困难问题，且磨料不需经过管接头，便于工业化应用。

技术领域

本发明涉及涉及隧道施工技术领域，特别涉及一种TBM后混式磨料射流辅助破岩系统及破岩方法。

背景技术

国家大型跨流域调水、跨江越海、西部交通建设、战略储能等工程规划，为我国深埋超长隧道工程技术发展带来了前所未有的契机。未来十年，我国预计共需建设各类隧道约2万公里，全断面岩石隧道掘进机(TBM)应用空间广阔。超长距离、大埋深、复杂工程地质也给TBM设备及与之适应的隧道工程设计、施工带来了更多的科学难题和技术挑战。

TBM应对超硬岩的破岩效率一直是困扰TBM应用的共性难题，随着TBM的应用越来越广泛，该问题也越来越凸显。为克服现有设备存在的短板和痛点，解决超硬岩条件下“掘不动、掘进慢”等问题，亟需从破岩原理上实现TBM技术突破。目前新型的辅助破岩方法主要有水射流、激光、微波、电子束和热辐射等，其中水射流破岩技术是一种利用高压水冲击岩石并诱导岩石发生损伤的一种破岩方法。由于其具有高效、无尘、低热和低振动等优势，高压水射流辅助破岩技术在石油钻探、矿山开采和隧道开挖等领域被广泛应用。目前高压水射流辅助TBM破岩工业应用的最大工作压力在270MPa左右，而当岩石强度超过250MPa时，高压水射流的辅助破岩作用大大减弱，甚至起不到辅助破岩的作用。因此，优化改进TBM高压水射流辅助破岩技术迫在眉睫。

高压水射流中加入一定数量的磨料微粒，可大大提高高压水射流的冲击能力。磨料射流技术已较为成熟，但如何将磨料射流系统耦合于TBM系统，实现协同控制和稳定运行，是一个关键问题。在本发明之前，中国专利“一种切割井下套管的磨料射流系统及其使用方法”(ZL 201910463449.4)公开了一种切割井下套管的磨料射流系统，包括依次连接的水箱、磨料射流发生装置、油管、井下扶正器和喷枪，该系统主要用于井下套管切割，无法辅助TBM破岩。中国专利“一种磨料射流辅助采煤机破硬岩的装置及破岩方法”(ZL201810966834.6)、“磨料射流辅助采煤机破硬岩的装置”(ZL 201821372572.2)公开了一种磨料射流辅助采煤机破硬岩的装置及破岩方法，装置包括磨料供给系统和控制系统，磨料供给系统包括磨料储存装置和驱动摇臂上的磨料混合输注装置，该装置可辅助采煤机截割坚硬煤岩，但不适用于TBM系统。中国专利“一种磨料射流辅助机械破岩系统及破岩方法”(ZL 202011069014.0)、“一种掘进机及其磨料射流辅助破岩装置”(ZL 202011070045.8)公开了一种磨料射流辅助TBM破岩的装置及系统，该系统将磨料罐放置于TBM滑车上，磨料需通过长距离的传输管路和旋转接头，才能到达刀盘中的射流喷嘴，长距离密封传输干燥的磨料是不易的，且能够同时旋转传送磨料和高压水的双通道旋转接头未见工业应用。因此，如何将磨料射流系统有效耦合于TBM系统，并实现工业化应用，是目前本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出了一种TBM后混式磨料射流辅助破岩系统及破岩方法。

为解决上述技术问题，本发明公开了一种TBM后混式磨料射流辅助破岩系统，包括：

高压水射流装置、磨料供给装置、后混式磨料射流喷射装置和磨料射流辅助滚刀破岩装置，所述高压水射流装置、磨料供给装置分别与所述后混式磨料射流喷射装置的进口端连接，所述后混式磨料射流喷射装置的出口端与所述磨料射流辅助滚刀破岩装置连接。