[发明专利]一种基于超级气体热动力弹丸超高声速撞击硬岩的隧道掘进装置与方法

说明书

本发明公开了一种基于超级气体热动力弹丸超高声速撞击硬岩的隧道掘进装置与方法，创造性地提出了配有通过超高温高压气体热动力发生装置推送弹丸撞击岩体，在传统掘进机的基础上进行改造，在其刀盘上预留一个圆形孔供给弹丸射出，发射弹丸撞击前方高硬岩体，从而实现超前预裂，解决了当前隧道掘进过程中遇到高硬岩石时掘进速率慢、刀盘磨损严重导致成本较高的问题。本发明应用在全断面掘进机上，在掘进机向前推进前发射弹丸撞击前部岩体，降低高硬岩石完整性从而实现超前预裂，大大降低硬岩掘进难度，减少掘进机刀盘磨损，提高掘进效率，为高硬岩区隧道施工提供了一种安全高效、低成本的辅助掘进方法，为掘进机的发展提供了新的可能。

技术领域

本发明属于地下隧道开挖机械领域，具体涉及一种基于超级气体热动力弹丸超高声速撞击硬岩的隧道掘进装置与方法。

背景技术

随着施工技术的进步和环境要求的提高，当前对于地下长隧道的开挖方式主要根据其岩性特征和地质条件等采用盾构法或全断面掘进法（TBM），无论那种技术手段，在遇到坚硬岩石时，施工效率都会大打折扣，特别是盾构机，倘若遇到坚硬岩石还可能面临无法施工的风险，而TBM虽然针对硬岩而生，但在应对高硬岩时掘进效率依然很低。盾构机和全断面掘进机的施工手段都是采用刀盘切割对土体或岩体进行破碎，在应对软弱岩石或土体时，刀盘尚可达到施工要求，而遇到坚硬岩石刀盘负荷大大增加，尤其是高硬岩隧道，对刀盘的磨损极大，因此需要频繁换刀，增加了经济成本、时间成本以及危险性。

因此，为了提高盾构机和TBM的掘进效率，就需要改进刀盘或增加辅助手段，对于刀盘的改进目前已经提出过很多方案，但是改进效果都不明显而成本大大增加，当前也已经提出了多种辅助手段帮助盾构机、TBM破岩，但是这些技术还不成熟，仍无法大量应用于正常施工之中，同时难以实现超前预裂。因此目前隧道掘进施工市场亟需一种可以安全高效地应对高硬岩问题的隧道掘进技术与施工机械。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，公开了一种基于超级气体热动力弹丸超高声速撞击硬岩的隧道掘进装置与方法，创造性地提出了配有通过超高温高压气体热动力发生装置推送弹丸撞击岩体，在传统掘进机的基础上进行改造，在其刀盘上预留一个圆形孔供给弹丸射出，发射弹丸撞击前方高硬岩体，从而实现超前预裂，解决了当前隧道掘进过程中遇到高硬岩石时掘进速率慢、刀盘磨损严重导致成本较高的问题。本发明应用在全断面掘进机上，在掘进机向前推进前发射弹丸撞击前部岩体，降低高硬岩石完整性从而实现超前预裂，大大降低硬岩掘进难度，减少掘进机刀盘磨损，提高掘进效率，为高硬岩区隧道施工提供了一种安全高效、低成本的辅助掘进方法，为掘进机的发展提供了新的可能。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于超级气体热动力弹丸超高声速撞击硬岩的隧道掘进装置，包括传统掘进机， 所述传统掘进机的刀盘上设有圆形孔，所述刀盘上与所述圆形孔相连的位置固定设有弹丸发射弹道，所述弹丸发射弹道与所述传统掘进机的刀盘相垂直，所述弹丸发射弹道的内径和所述圆形孔的孔径大小一致，所述弹丸发射弹道的末端同时与弹丸运送装置和超高温高压气体热动力发生装置相连通，所述弹丸运送装置设置在所述弹丸发射弹道的上方，所述弹丸运送装置内设有若干弹丸，所述弹丸运送装置靠近所述弹丸发射弹道的一端设有遥控卡位片，所述超高温高压气体热动力发生装置靠近所述弹丸发射弹道的一端设有前部单向阀门，所述超高温高压气体热动力发生装置的顶部设有上部单向阀门，所述超高温高压气体热动力发生装置通过输送管道与增压泵系统相连，所述输送管道上设有阀门，所述增压泵系统内装有流体，所述增压泵系统与电源相连。

进一步的，所述弹丸运送装置为内径等于所述弹丸直径的特种钢制管道，管道下部向所述弹丸的发射方向相倾斜，倾斜角度为45度，所述弹丸发射弹道上固定设有弹簧卡位片，所述弹簧卡位片位于所述弹丸运送装置底部倾斜管道的延长线上，所述弹簧卡位片包括压板，所述压板的一端与所述弹丸发射弹道相铰接，所述压板的另外一端底部固定设有弹簧，所述弹簧的另外一端与所述弹丸发射弹道固定连接，并且在弹簧的自然伸长状态下，所述压板与所述弹丸发射弹道呈45度夹角，所述超高温高压气体热动力发生装置的发射端口直径小于所述弹丸的直径。