搭载于TBM上的水射流辅助破岩系统及方法技术方案

本公开提供了一种搭载于TBM上的水射流辅助破岩系统及方法，包括供水机构、动力机构和传输喷射机构；所述供水机构和动力机构均设置于TBM整机一号滑车连接桥前端；供水机构提供流体来源并对流体进行过滤、软化，动力机构能够对流体施加压力，具有一定压力的流体能够进入传输喷射机构，并于其末端释放至TBM刀盘处，形成高压射流，辅助TBM滚刀破岩。该系统可以通过调整增压支路的集成数量，应对不同的水射流目标压力及目标流量；通过设置安全阀、气控卸荷阀调整流体压力，保证传输安全及流体压力；通过流体输送管路的软、硬管选择及铺设，最大限度降低流体输送过程中的能量消耗；整体设计安全可靠、切实可行。

Water jet assisted rock breaking system and method on TBM

【技术实现步骤摘要】
搭载于TBM上的水射流辅助破岩系统及方法
本公开涉及一种搭载于TBM上的水射流辅助破岩系统及方法。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。目前，深埋长大隧道工程项目中岩石隧道开挖工程占比极高，通常情况下多采用TBM施工方案。传统的TBM采用机械破岩方式，其原理为滚刀在法向力、滚动力、侧向力共同作用下，对岩石实施压、滚、磨等作用，使岩石产生高应力区和放射裂纹，随着裂纹扩展形成岩石碎片，达到破岩的目的。隧道岩石掘进机(TBM)在遭遇高围压硬岩时，其机械破岩能力严重不足，出现贯入度低、刀具磨损严重、换刀时间占比高等一系列问题。据统计，硬岩环境下刀具磨耗成本及维修更换时间在项目成本和工期的占比均高达30-40％，甚至更多，严重影响了施工速度，经济效益低下。因此，如何高效破岩是当前TBM掘进硬岩面临的关键性理论和技术难题。在众多新型辅助破岩方式中，水射流破岩具有清洁环保、低能高效、易于实现的特点，并且在石油、采矿领域拥有丰富的实践基础，与目前TBM融合的研究及应用潜力巨大。目前，关于TBM刀盘处产生高压水射流，辅助TBM滚刀破岩的概念已经被提出，并见于公开的专利中，然而高压水射流的产生需要一整套高压水生成、传输、控制系统及若干安全保障措施，同时还要充分考虑高压水射流系统与现有TBM结构及施工兼容的问题，真正实施起来，尚有许多技术难题需要解决。目前的高压水射流系统设计及组装主要包括高压泵、电动机、储能器、传输管路等，在实验室环境下，约束条件很少，实现起来比较容易。但是在工作环境狭小、搭载机具众多的隧道岩石掘进机上设计可搭载的水射流系统，情况就复杂的多。首先，必须考虑其与目前TBM结构的合理兼容，这种兼容性主要表现在水射流系统各组件在TBM上的合理安置，比如难以安装在刀盘内的体积庞大的高压泵组，在TBM上搭载时，不仅要考虑其检查、维修等日常工作的方便性，还要考虑其与刀盘的距离，距离越近，则高压水传输管路相对越短，高压水传输过程能量损失相对越小，传输风险也相对降低；同时，高压泵组应具备快捷扩充功率的功能，以应对产生不同流量高压水射流的要求，这就需要考虑高压泵组如何组成的问题。其次，必须考虑射流喷射压力的稳定与高压流体的安全传输，即水射流辅助系统应具备快速补压与安全卸压功能，确保射流辅助破岩效果同时，又能对非正常高压及时减压。再次，在射流喷射压力与破岩能力呈正相关情况下，必须考虑高压水传输过程中，由于管路变向、变径以及自身变形引发的压力损失问题，否则难以保证水射流对滚刀的辅助效果。此外，与实验室内组装水射流系统不同，TBM作为水射流辅助系统的动态搭载平台，施工中会遇到各种难以估计的因素影响，高压水射流辅助破岩系统的安全性、可靠性问题非常严峻。总之，若想实现高压水射流辅助TBM滚刀破岩，必须基于高压水射流系统和TBM结构及施工特点，有针对性地提出一系列技术创新，形成一套搭载于TBM上的水射流辅助破岩系统及方法，保障高压水生成、传输及释放的安全性、可靠性，保障水射流辅助TBM滚刀破岩施工的有效性、可行性。
技术实现思路
本公开为了解决上述问题，提出了一种搭载于TBM上的水射流辅助破岩系统及方法，本公开能够解决现有的隧道岩石掘进机可利用空间狭小而水射流发生设备体积庞大的矛盾；能够保证高压水生成、传输及释放的安全性、可靠性，能够最大限度的降低高压水传输的压力损失，能够与TBM施工过程兼容，保障水射流辅助TBM滚刀破岩施工的有效性、可行性。根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：一种搭载于TBM上的水射流辅助破岩系统，包括供水机构、动力机构和传输喷射机构，其中：所述供水机构和动力机构均设置于TBM整机一号滑车连接桥前端；供水机构提供流体来源，动力机构能够对流体施加压力，具有一定压力的流体能够进入传输喷射机构，并于其末端释放至TBM刀盘处，形成高压射流。作为一种可选的方案，所述动力机构安装在靠近TBM主梁一侧，供水机构安装在远离TBM主梁一侧。这样的设计能够保证流体经过动力机构的加压后进入TBM主梁，流体运行过程无阻碍，路径通畅。作为一种可选的方案，所述供水机构包括过滤器系统和储水器，过滤系统与储水器之间采用连接管路相连接；过滤系统通过连接管路与TBM施工用水管路相连接。进一步的可选择的，上述两处连接管路都选择低压软管。作为一种可选的方案，所述过滤系统由滤袋式粗过滤器、滤芯式精密过滤器和水软化装置组成；进一步的可选择的，所述滤袋式粗过滤器、滤芯式精密过滤器的过滤精度分别为8-15微米和1-5微米；这样的设计能够保证高压密封件的使用寿命，同时避免喷嘴堵塞造成的系统压力非正常上升。作为进一步的限定，提供给所述供水机构的TBM施工用水需要进行水质检测，包括PH值、浊度、总硬度、金属离子含量等，经过所述水软化装置进行软化后，使得各项指标在规定的范围内，可以有效避免高压水对动力机构、传输喷射机构的磨损、侵蚀，保障水射流辅助破岩系统的稳定与安全。作为一种可选的方案，所述动力机构包括若干并联的增压支路，所述增压支路通过汇流装置汇集在一起，每条增压支路均包括蓄能器、超高压柱塞泵和电动机，所述汇流装置与蓄能器、蓄能器与超高压柱塞泵之间均通过高压硬管连接，所述超高压柱塞泵与所述储水器通过低压软管连接。所述电动机为超高压柱塞泵提供动力来源。作为进一步的限定，超高压柱塞泵液力端安装有气控卸荷阀，通过气压的变化可以有效调整超高压柱塞泵输出压力，卸荷溢流水通过软管排除设备外。作为进一步的限定，增压支路上的电动机至少有一台具备变频功能，配合气控卸荷阀，实现超高压柱塞泵输出压力的连续快速调节。作为进一步的限定，汇流装置上设置安全阀。汇流装置内高压水在安全阀调节下，可以有效控制流入所述传输喷射机构中高压水的压力，确保所述传输喷射机构中各组件的使用安全。作为进一步的限定，所述增压支路的数量根据高压水的压力要求和流量要求确定。作为一种可选的方案，所述汇流装置内由增压支路产生的高压水经过安全阀调节分两路，一路流入所述传输喷射机构，最终形成高压射流，另一路经过高压硬管回流管流至储水器。作为一种可选的方案，所述传输喷射机构包括水射流喷嘴、刀盘内置的高压硬管、分流器、回转接头及传输管路。所述传输管路包括依次连接的三段，中间为固定在TBM主梁内的高压硬管主管，两端为高压软管，一端的高压软管连接所述动力机构中的汇流装置，另一端的高压软管连接所述回转接头。所述回转接头与分流器连接，分流器将具有压力的流体分为若干条支流，水射流喷嘴为若干个，每条支流经过所述刀盘内置的高压硬管，流至对应的水射流喷嘴。其中，高压软管具有一定柔性，能够产生一定弯曲和伸缩变形，而高压硬管可视为刚性管路，其弯曲和伸缩变形忽略不计。另外，上述高压和低压分别是指流体经过增压后的压力及普通流体压力。高压硬管/高压软管指能够承受经过增压后的流体的压力的硬管/软管；低压软管为输送未经增压流体的软管。基于上述系统的工作方法，包本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种搭载于TBM上的水射流辅助破岩系统，其特征是：包括供水机构、动力机构和传输喷射机构，其中：/n所述供水机构和动力机构均设置于TBM整机一号滑车连接桥前端；供水机构提供流体来源，动力机构能够对流体施加压力，具有一定压力的流体能够进入传输喷射机构，并于其末端释放至TBM刀盘处，形成高压射流。/n

【技术特征摘要】
20190221 CN 20191012976811.一种搭载于TBM上的水射流辅助破岩系统，其特征是：包括供水机构、动力机构和传输喷射机构，其中：
所述供水机构和动力机构均设置于TBM整机一号滑车连接桥前端；供水机构提供流体来源，动力机构能够对流体施加压力，具有一定压力的流体能够进入传输喷射机构，并于其末端释放至TBM刀盘处，形成高压射流。


2.如权利要求1所述的一种搭载于TBM上的水射流辅助破岩系统，其特征是：所述动力机构安装在靠近TBM主梁一侧，供水机构安装在远离TBM主梁一侧。


3.如权利要求1所述的一种搭载于TBM上的水射流辅助破岩系统，其特征是：所述供水机构包括过滤器系统和储水器，过滤系统与储水器之间采用连接管路相连接；过滤系统通过连接管路与TBM施工用水管路相连接。所述过滤系统由滤袋式粗过滤器、滤芯式精密过滤器和水软化装置组成；所述过滤精度一般可分别优选为8-15微米和1-5微米。


4.如权利要求1所述的一种搭载于TBM上的水射流辅助破岩系统，其特征是：所述动力机构包括若干并联的增压支路，所述增压支路通过汇流装置汇集在一起，每条增压支路均包括蓄能器、超高压柱塞泵和电动机，所述汇流装置与蓄能器、蓄能器与超高压柱塞泵之间均通过高压硬管连接，所述超高压柱塞泵与所述储水器通过低压软...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金良，刘斌，汪雪英，李建斌，刘征宇，胡蒙蒙，张波，杨风威，贺飞，李彪，
申请(专利权)人：黄河勘测规划设计研究院有限公司，山东大学，中铁工程装备集团有限公司，
类型：发明
国别省市：河南;41