一种高压水射流切缝辅助破岩的大断面TBM多级刀盘

本发明涉及隧道工程领域，尤其涉及一种高压水射流切缝辅助破岩的大断面tbm多级刀盘。

背景技术：

1、隧道掘进机（tunnel boring machine, tbm）在单轴抗压强度超过160-180 mpa的极硬岩中掘进时，滚刀贯入度通常不足2 mm，破岩效率急剧降低，换刀成本显著增加，严重制约了tbm快速掘进性能。通过改进刀圈强度、形状以及刀盘或滚刀布置方式提升破岩效率空间有限，亟需辅助tbm滚刀破岩新方法。

2、目前，工程上使用的最高水射流压力为300 mpa，tbm刀盘旋转速度通常为3-5 r/min。然而，当刀盘转速过快或者开挖半径过大，安装在刀盘上水射流喷嘴的线速度也将急剧增加，进而导致水力切缝深度快速降低，不能充分发挥水射流切割辅助破岩的作用，进而限制了高压水射流辅助快速破岩的功能。而且，极硬岩大断面tbm掘进需要刀盘的总推力和总扭矩也急剧上升。

技术实现思路

1、为了解决大断面极硬岩tbm掘进难和速度慢的问题，本发明提出一种高压水射流切缝辅助破岩的大断面tbm多级刀盘，采用小直径多级子刀盘单独配置高压水射流耦合系统，每个子刀盘绕各自回转中心旋转破岩，可在大断面极硬岩情况下依然提高刀盘转速且同时能获得较深的水射流切缝深度，实现水射流切缝高效辅助滚刀破岩。

2、本申请公开了一种高压水射流切缝辅助破岩的大断面tbm多级刀盘，包括刀盘系统、高压水射流耦合系统、刀盘回转系统、刀盘推进系统和刀盘支撑架；

3、所述刀盘系统包括中心刀盘、边缘刀盘和盲区刀盘，中心刀盘和边缘刀盘均为圆形。边缘刀盘设置在中心刀盘的四周，盲区刀盘设置在中心刀盘与边缘刀盘之间的盲区中，每个中心刀盘和边缘刀盘上均设置有多个高压水射流耦合系统。

4、优选的，所述中心刀盘和边缘刀盘均包括圆形的刀盘面板，刀盘面板的中心位置设置有中心滚刀，从中心滚刀最外侧开始依次向外按照同一径向线上最远距离错开至刀盘边缘设置有正滚刀。

5、优选的，所述中心滚刀为双刃滚刀，并列安装在每个刀盘面板的中心位置，用于破碎刀盘中心区域的岩石；正滚刀为单刃滚刀，滚刀布置形态可采用米字型、星型、双螺旋或者四螺旋。每把滚刀只切割开挖面上的一个滚压痕迹，用于破碎掘进断面内的大部分岩石。

6、优选的，最下方的边缘刀盘上设置有多个刮渣口，用于清理中心刀盘和所有边缘刀盘上滚刀破岩产生的靠自重下落的堆积碎屑。

7、优选的，所述盲区刀盘包括矩形面板、盲区正滚刀和盲区边滚刀，盲区正滚刀设置在矩形面板上靠近中心刀盘的位置，用于切削中心刀盘与边缘刀盘之间的未破碎区域，以及边缘刀盘与边缘刀盘之间远离开挖轮廓边界的区域。盲区边滚刀设置在矩形面板的两端，用于切削边缘刀盘与开挖轮廓之间的岩石区域，主要控制开挖轮廓边界的几何形状，盲区边滚刀从矩形面板端部向开挖轮廓边界逐渐减小角度倾斜设置。

8、优选的，所述高压水射流耦合系统包括多个设置在刀盘面板正面的水射流喷嘴，刀盘面板背部设置有与每个水射流喷嘴连接的单喷嘴高压金属管，多个单喷嘴高压金属管与一个单喷嘴流量控制阀门连接，单喷嘴流量控制阀门依次与集中进路金属管和回转接头连接。

9、优选的，所述刀盘回转系统包括中心刀盘回转系统、边缘刀盘回转系统和盲区刀盘回转系统；

10、所述中心刀盘回转系统包括中心刀盘法兰盘、中心刀盘主轴承、中心刀盘驱动电机和中心刀盘减速箱，中心刀盘法兰盘设置在中心刀盘背面并与中心刀盘主轴承连接，中心刀盘主轴承与中心刀盘驱动电机连接，中心刀盘驱动电机与中心刀盘减速箱连接；

11、所述边缘刀盘回转系统包括边缘刀盘法兰盘、边缘刀盘主轴承、边缘刀盘驱动电机和边缘刀盘减速箱，边缘刀盘法兰盘设置在边缘刀盘背面并与边缘刀盘主轴承连接，边缘刀盘主轴承与边缘刀盘驱动电机连接，边缘刀盘驱动电机与边缘刀盘减速箱连接；

12、所述盲区刀盘回转系统包括矩形面板支撑架和固定套筒，矩形面板支撑架设置在矩形面板背面并与固定套筒连接，固定套筒与中心刀盘主轴承连接。

13、优选的，所述刀盘推进系统包括与中心刀盘连接的中心刀盘推进油缸、与边缘刀盘连接的边缘刀盘推进油缸以及与刀盘支撑架连接的支撑架推进油缸。

14、优选的，所述中心刀盘主轴承、边缘刀盘主轴承、套筒、中心刀盘推进油缸和边缘刀盘推进油缸均与刀盘支撑架连接。

15、优选的，所述刀盘回转系统和刀盘推进系统外部设置有护盾，用于保护刀盘回转系统和刀盘推进系统。

16、本发明的有益效果：

17、（1）采用耦合高压水射流的中心刀盘和边缘刀盘绕各自回转中心旋转的多级刀盘，相比整体刀盘显著降低了远离回转中心处水射流喷嘴的线速度，避免了水射流线速度过高而造成的能量浪费，有效的增加了水射流的切割深度和切割范围。

18、（2）中心刀盘和边缘刀盘的独立掘进模式，水射流切缝切深的增加促进了滚刀破岩能力。而且，边缘刀盘先行掘进产生的孔洞可以成为相邻边缘刀盘和中心刀盘破岩时的自由面，也可进一步提升tbm滚刀破岩效率。而位于中心刀盘和边缘刀盘后方的盲区刀盘恰好可以破碎中心刀盘和边缘刀盘不能破碎的岩石区域，控制整个隧道的开挖轮廓与设计断面。

19、（3）隧道全断面水射流切割深度的提升和辅助滚刀破岩面积的增加，有效提高了极硬岩大断面滚刀破岩效率和tbm掘进地质适应能力，推动了耦合高压水射流tbm装备制造的技术进步。

技术特征：

1.一种高压水射流切缝辅助破岩的大断面tbm多级刀盘，其特征在于，包括刀盘系统、高压水射流耦合系统、刀盘回转系统、刀盘推进系统和刀盘支撑架（29）；

2.根据权利要求1所述的高压水射流切缝辅助破岩的大断面tbm多级刀盘，其特征在于，所述中心刀盘（1）和边缘刀盘（2）均包括圆形的刀盘面板（3），刀盘面板（3）的中心位置设置有中心滚刀（4），从中心滚刀（4）最外侧开始依次向外按照同一径向线上最远距离错开至刀盘边缘设置有正滚刀（5）。

3.根据权利要求2所述的高压水射流切缝辅助破岩的大断面tbm多级刀盘，其特征在于，所述中心滚刀（4）为双刃滚刀，正滚刀（5）为单刃滚刀。

4.根据权利要求3所述的高压水射流切缝辅助破岩的大断面tbm多级刀盘，其特征在于，最下方的边缘刀盘（2）上设置有多个刮渣口（6）。

5.根据权利要求4所述的高压水射流切缝辅助破岩的大断面tbm多级刀盘，其特征在于，所述盲区刀盘（7）包括矩形面板（8）、盲区正滚刀（9）和盲区边滚刀（13），盲区正滚刀（9）设置在矩形面板（8）上靠近中心刀盘（1）的位置，盲区边滚刀（13）设置在矩形面板（8）的两端，盲区边滚刀（13）从矩形面板（8）端部向开挖轮廓边界（11）逐渐减小角度倾斜设置。

6.根据权利要求5所述的高压水射流切缝辅助破岩的大断面tbm多级刀盘，其特征在于，所述高压水射流耦合系统包括多个设置在刀盘面板（3）正面的水射流喷嘴（14），刀盘面板（3）背部设置有与每个水射流喷嘴（14）连接的单喷嘴高压金属管（15），多个单喷嘴高压金属管（15）与一个单喷嘴流量控制阀门（16）连接，单喷嘴流量控制阀门（16）依次与集中进路金属管（17）和回转接头（18）连接。

7.根据权利要求6所述的高压水射流切缝辅助破岩的大断面tbm多级刀盘，其特征在于，所述刀盘回转系统包括中心刀盘回转系统、边缘刀盘回转系统和盲区刀盘回转系统；

8.根据权利要求7所述的高压水射流切缝辅助破岩的大断面tbm多级刀盘，其特征在于，所述刀盘推进系统包括与中心刀盘（1）连接的中心刀盘推进油缸（30）、与边缘刀盘（2）连接的边缘刀盘推进油缸（31）以及与刀盘支撑架（29）连接的支撑架推进油缸（32）。

9.根据权利要求8所述的高压水射流切缝辅助破岩的大断面tbm多级刀盘，其特征在于，所述中心刀盘主轴承（20）、边缘刀盘主轴承（24）、套筒（28）、中心刀盘推进油缸（30）和边缘刀盘推进油缸（31）均与刀盘支撑架（29）连接。

10.根据权利要求9所述的高压水射流切缝辅助破岩的大断面tbm多级刀盘，其特征在于，所述刀盘回转系统和刀盘推进系统外部设置有护盾（33）。

技术总结本发明公开了一种高压水射流切缝辅助破岩的大断面TBM多级刀盘，包括刀盘系统、高压水射流耦合系统、刀盘回转系统、刀盘推进系统和刀盘支撑架。所述刀盘系统包括中心刀盘、边缘刀盘和盲区刀盘，中心刀盘和边缘刀盘均为圆形。边缘刀盘设置在中心刀盘的四周，盲区刀盘设置在中心刀盘与边缘刀盘之间的盲区中，每个中心刀盘和边缘刀盘上均设置有多个高压水射流耦合系统。本发明有效的增加了水射流的切割深度和切割范围，促进了破岩能力，提升TBM滚刀破岩效率，推动了耦合高压水射流TBM装备制造的技术进步。技术研发人员：程建龙,刘佳诺,韩伟锋,孙浩凯,王原,王浩受保护的技术使用者：成都大学技术研发日：技术公布日：2024/12/12