一种主动供砂式磨料水射流顶管机装置及其方法

本发明属于掘进装置领域，尤其涉及一种主动供砂式磨料水射流顶管机装置及其方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、在顶管机施工过程中，会遭遇复杂地层及坚固障碍物，如孤石、上软下硬地层、钢筋混凝土桩及管片构筑物等，常出现刀具异常损毁、钢筋缠绕刀盘卡死等问题，导致顶管施工效率下降、造价增高。特别的当顶管机在开挖钢筋混凝土/玻璃纤维筋管片结构时，由于平面刀盘与弧形管片贴合度差还易导致隧洞管片及刀盘失稳亟待突破上述难题，助力顶管机设备在这些复杂地质条件中顺利完成城市地下管廊的建设工作。

3、高压磨料水射流利用超高速水流对磨料粒子加速，借助磨料粒子的冲击作用切割、破碎岩石，具有成本低、环境适用性好、高效无尘等优点。高压磨料水射流也在辅助钻头、截齿钻井采煤破岩领域进行了应用。随着技术的进步和成熟，高压水射流技术在顶管机上的搭载提升掘进机的掘进能力逐渐变为现实，但仍面临以下问题：

4、(1)在磨料水射流顶管机系统搭载方面：尚无系统的搭载实施方案及关键技术。

5、(2)在磨料水射流多介中心回转方面：介质回转供给尚不成熟，尤其缺乏长距离定量主动供砂装置，而且顶管机刀盘的弧形结构使得磨料的供给管路相对较长，当前磨料水射流应用过程中多借助负压吸附磨料粒子，受顶管机空间限制，顶管机搭载的回转中心尺寸较小，使用过程中容易出现负压不够的问题，容易出现返水情况。

6、(3)在磨料水射流刀盘设计方面：顶管机进出洞切割弧形管片时，平面刀盘无法与管片正向贴合，易导致管片与刀盘失稳；水刀安装确定、喷嘴选型及水刀保护等方面仍不明确。

7、(4)在磨料水射流辅助切割施工工艺方面：缺乏针对不同目标体切割工艺和策略，如切割钢筋/玻璃纤维筋混凝土管片，材料切割难度大，而岩石相对容易，如果高效切割需要针对性的工艺技术及参数选择。

技术实现思路

1、为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种主动供砂式磨料水射流顶管机装置及其方法，其能够降低推力过大造成的破坏，提高开挖效率，极大地增加顶管机的适用性。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明的第一个方面提供一种主动供砂式磨料水射流顶管机装置。

4、一种主动供砂式磨料水射流顶管机装置，其包括：

5、回转中心、主动供砂系统、除气机构、刀盘和控制系统；

6、所述回转中心布设在刀盘后端，用于将传输到刀盘处的高压水、磨料和高压气体动静分离；刀盘上安装有中心刀具集；

7、所述气力输送装置布置在回转中心和刀盘之间，所述主动供砂系统与控制系统相连；所述主动供砂系统包括砂箱和磨料供给管，所述磨料供给管一端与砂箱相连，另一端穿过回转中心、经过除气机构且伸入联合刀具内并为联合刀具提供磨料；

8、所述除气机构布置在刀盘上；所述除气机构采用轴承形式，且其内部相对于刀盘自转；所述除气机构用于排出磨料供给管路中的气体。

9、作为一种实施方式，所述控制系统还与高压水输送机构相连，所述高压水输送机构包括高压泵组、水箱泵、高压水接头和高压水分流器；

10、所述高压泵组将高压水从水箱泵向回转中心后端的高压水接头，通过高压水接头通入回转中心，从回转中心的前端输出连接高压水分流器，且一对一通向联合刀具的水射流喷嘴。

11、作为一种实施方式，所述回转中心内部设置有若干个蓄砂环，一个蓄砂环向外对应输出一路磨料，以实现多路磨料向刀盘方向输送的目标。

12、作为一种实施方式，所述回转中心内部设置有若干个蓄气环，每个蓄气环用于通入一路高压气体，每路高压气出回转中心后连接一个气力输送装置，使气力输送装置形成高压区、低压区，进而实现磨料的单向运输。

13、作为一种实施方式，所述除气机构上部开排气孔，使得气体从上部排出。

14、作为一种实施方式，所述排气孔内侧贴附单向导气膜，以防止外部气体倒吸至管路。

15、作为一种实施方式，所述刀盘与中心刀具集的弧度均与管片内外侧弧度一致。

16、作为一种实施方式，磨料水射流切割钢筋混凝土深度根据水射流切深预测模型确定，所述水射流切深预测模型为切缝深度与喷嘴的横移速度、靶距、泵压和喷嘴直径之间的关系模型。

17、作为一种实施方式，所述水射流切深预测模型根据实验室切割钢筋混凝土结果拟合得到。

18、本发明的第二个方面提供了一种主动供砂式磨料水射流顶管机装置的工作方法。

19、一种主动供砂式磨料水射流顶管机装置的工作方法，包括：

20、高压气体、高压水及磨料分别通过对应管路送至回转中心后端，之后，从回转中心的不同位置挤出并传输至前端，实现由静止向旋转的变化；

21、从回转中心挤出的磨料进行除气处理后，在负压条件下进入联合刀具中的喷嘴内，并与高压水混合后形成高压水射流；

22、高压磨料水射流先对前方管片进行预切割，随后机械刀具贯入破碎靶体，掘进工作完成。

23、本发明的有益效果是：

24、(1)本发明的主动供砂式磨料水射流顶管机装置，利用磨料水射流-顶管机联合掘进，可充分利用磨料水射流预切缝能力以及机械刀具的切割能力，刀盘和中心刀具集结构的弧形设计可在开挖管片时减少扰动，降低推力过大造成的破坏，提高开挖效率，能够极大地增加顶管机的适用性。

25、(2)本发明借助回转中心实现磨料粒子、高压水、高压气体的动静分离，解决了前端刀盘运动状态与后端供给系统静止的矛盾问题。主动供砂装置解决了传统高压水射流装置仅依赖负压吸入磨料的弊端，可解决高压磨料水射流使用时，启闭高压设备、以及磨料-砂管尺寸搭配不理想等情况下，磨料管路易反水，导致磨料管路清洗难、操作复杂、时间成本大等问题。此外，由于喷嘴布置位置差异导致喷嘴线速度存在较大区别，预测公式可为实际工程中根据施工参数预测切缝深度提供依据，提升连续掘进效率。

26、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种主动供砂式磨料水射流顶管机装置，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的主动供砂式磨料水射流顶管机装置，其特征在于，所述控制系统还与高压水输送机构相连，所述高压水输送机构包括高压泵组、水箱泵、高压水接头和高压水分流器；

3.如权利要求1所述的主动供砂式磨料水射流顶管机装置，其特征在于，所述回转中心内部设置有若干个蓄砂环，一个蓄砂环向外对应输出一路磨料，以实现多路磨料向刀盘方向输送的目标。

4.如权利要求1所述的主动供砂式磨料水射流顶管机装置，其特征在于，所述回转中心内部设置有若干个蓄气环，每个蓄气环用于通入一路高压气体，每路高压气出回转中心后连接一个气力输送装置，使气力输送装置形成高压区、低压区，进而实现磨料的单向运输。

5.如权利要求1所述的主动供砂式磨料水射流顶管机装置，其特征在于，所述除气机构上部开排气孔，使得气体从上部排出。

6.如权利要求5所述的主动供砂式磨料水射流顶管机装置，其特征在于，所述排气孔内侧贴附单向导气膜，以防止外部气体倒吸至管路。

7.如权利要求1所述的主动供砂式磨料水射流顶管机装置，其特征在于，所述刀盘与中心刀具集的弧度均与管片内外侧弧度一致。

8.如权利要求1所述的主动供砂式磨料水射流顶管机装置，其特征在于，磨料水射流切割钢筋混凝土深度根据水射流切深预测模型确定，所述水射流切深预测模型为切缝深度与喷嘴的横移速度、靶距、泵压和喷嘴直径之间的关系模型。

9.如权利要求8所述的主动供砂式磨料水射流顶管机装置，其特征在于，所述水射流切深预测模型根据实验室切割钢筋混凝土结果拟合得到。

10.一种如权利要求1-9中任一项所述的主动供砂式磨料水射流顶管机装置的工作方法，其特征在于，包括：

技术总结本发明属于掘进装置领域，提供了一种主动供砂式磨料水射流顶管机装置及其方法。其中，主动供砂式磨料水射流顶管机装置包括回转中心、主动供砂系统、除气机构、刀盘和控制系统；回转中心布设在刀盘后端，用于将传输到刀盘处的高压水、磨料和高压气体动静分离；刀盘上安装有联合刀具；气力输送装置布置在回转中心和刀盘之间，所述主动供砂系统与控制系统相连；所述主动供砂系统包括砂箱和磨料供给管，磨料供给管一端与砂箱相连，另一端穿过回转中心、经过除气机构且伸入联合刀具内并为联合刀具提供磨料；除气机构布置在回转中心和联合刀具中间；除气机构采用轴承形式，且其内部相对于刀盘自转；除气机构用于排出磨料供给管路中的气体。技术研发人员：刘斌,李彪,张波,谷刘琪,徐彬,黄闯受保护的技术使用者：山东大学技术研发日：技术公布日：2024/7/4