【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及岩石隧道掘进，特别涉及一种高压磨料射流辅助隧道轮廓成型的系统及方法。
技术介绍
1、隧道掘进是一项重要的地下工程活动，用于在山地、城市地下或水下等各种环境中建造通道，以便于交通运输、水利工程、地下管线以及其他基础设施建设。钻爆法开挖是目前隧道掘进的主要手段，但存在围岩扰动大、易产生超欠挖和作业环境差等问题，不适用于地震断裂带、城市地区等敏感环境下的施工场景。对比钻爆法开挖，非爆开挖法是一种具有多重优势的施工方法，包括显著提高工程安全性，避免传统爆破隐患，保障施工环境安全；环保性能优越，无有害爆炸气体和噪音污染，有助于保护生态环境；高效施工，破碎挖掘能力强，适应多种地质条件和工程需求。
2、其中，利用磨料水射流技术进行隧道轮廓成型属于非爆开挖法的一种，磨料水射流技术是一种利用高压水射流携带磨料颗粒进行切削和破碎的先进技术。由于其具有高效、无尘、低振动和低噪音等优势，磨料水射流技术在地下矿山开采、岩土工程、隧道建设和水下作业等领域被广泛应用。但该技术存在磨料射流切割深度浅、施工工效低等问题。
3、为了提高破岩效率，现有技术中提出了先利用已混合的高压磨料空气在隧道截面进行切槽，卸载围岩局部应力，后对每块已切槽岩石中心进行钻孔，然后通过侧喷钻头进行低压磨料空气射流旋转切槽，将岩块整体切落的方案。但该方案存在分割岩块小，切槽路径复杂，操作难度高，且切槽深度浅，破岩掘进效率低等问题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种高压磨料射流辅助隧道轮廓成型
2、本专利技术的上述目的可采用下列技术方案来实现：
3、本专利技术提供一种高压磨料射流辅助隧道轮廓成型的系统，包括高压水射流装置、磨料供给装置、隧道轮廓成型装置；
4、所述磨料供给装置包括混砂室，所述混砂室设有第一入口、第二入口和混砂出口，所述第一入口用于供给磨料，所述第二入口通过高压水管路与所述高压水射流装置相连接，所述混砂出口通过磨料射流管路与所述隧道轮廓成型装置相连接；
5、所述隧道轮廓成型装置包括机架和多个破岩机构，所述机架具有周向封闭的框架本体，所述框架本体上沿其轮廓端部设有第一导轨，多个所述破岩机构间隔设置于所述第一导轨上；
6、所述破岩机构包括执行单元、底座和设于所述底座上的第一驱动单元、第一传动单元、第二驱动单元、第二传动单元，所述执行单元连接于所述第二传动单元上，且所述执行单元与所述磨料射流管路相连通；所述第一驱动单元能够驱动所述第一传动单元相对所述机架沿所述第一导轨运动；所述第二驱动单元能够驱动所述第二传动单元运动并带动所述执行单元相对所述底座沿隧道钻进方向进行运动，以贴近或远离待破岩岩石；
7、所述破岩机构具有第一工作状态和第二工作状态，当所述破岩机构处于所述第一工作状态下时，所述执行单元为具有中空本体的钻杆，所述钻杆的喷射方向与所述隧道钻进方向相同；当所述破岩机构处于所述第二工作状态下时，所述执行单元为喷枪，所述喷枪的喷射方向与所述第一传动单元的运动方向相同；
8、所述钻杆的钻孔直径不小于所述喷枪沿轴线方向的截面轮廓的外接圆直径。
9、进一步地，所述破岩机构还包括与所述底座相连接的至少两个滚轮，至少两个所述滚轮对称设置于所述第一传动单元的两侧；
10、所述框架本体沿其轮廓内侧向内延伸形成有第二导轨，所述框架本体沿其轮廓外侧向外延伸形成有第三导轨，所述第二导轨和所述第三导轨对称设置；
11、所述第一传动单元与所述第一导轨接触配合后，至少两个所述滚轮相互靠近的两表面分别与所述第二导轨、所述第三导轨接触配合。
12、具体地，所述第二传动单元为丝杆；所述破岩机构还包括夹持器，所述夹持器上设有安装孔和丝杆孔，所述丝杆孔上形成有与所述丝杆相配合的内螺纹，所述安装孔与所述执行单元过盈配合。
13、进一步地，所述破岩机构还包括与所述底座相连接的直杆导轨，所述直杆导轨的延伸方向与所述隧道钻进方向平行，所述夹持器上设有容置所述直杆导轨的导轨孔，所述导轨孔与所述直杆导轨间隙配合。
14、具体地，所述中空本体的中空部分形成内部流道，所述钻杆靠近待破岩岩石的一端设有与所述内部流道相连通的直旋混合喷嘴，沿所述直旋混合喷嘴内的液体流动方向，所述直旋混合喷嘴依次设置有连接段、叶轮段、喷射混合段和喷射扩张段。
15、优选地，所述喷枪包括枪体和多个喷嘴，所述枪体靠近待破岩岩石的一端形成封闭端，所述枪体内部形成有喷射流道和与所述喷射流道相连通的多个喷射口，多个所述喷射口沿所述枪体的轴线方向间隔且并排设置，多个所述喷射口上一一对应连接有多个所述喷嘴。
16、具体地，所述磨料供给装置还包括储砂室和输砂室，所述输砂室沿输送方向依次设有磨料入口和磨料出口，所述磨料入口与所述储砂室的出口相连，所述磨料出口与所述混砂室的所述第一入口相连通。
17、进一步地，所述隧道轮廓成型装置还包括与所述框架本体相连接的回收槽，沿重力方向，所述回收槽设置在多个所述破岩机构的下方，所述回收槽通过排液管路与所述高压水射流装置相连接，所述回收槽通过排料管路与所述储砂室的入口相连接。
18、具体地，所述磨料射流管路上设有分流器，所述分流器的入口端与所述混砂出口相连通，所述分流器的多个出口端通过射流管与多个所述破岩机构的所述执行单元对应连通。
19、本专利技术还提供一种高压磨料射流辅助隧道轮廓成型的方法，所述方法适用于如上所述的高压磨料射流辅助隧道轮廓成型的系统，包括以下步骤：
20、确定各钻孔位置；
21、放置所述机架，将所述破岩机构调整至所述第一工作状态，并开启所述第一驱动单元，调整各所述破岩机构至对应钻孔位置；
22、开启所述高压水射流装置、所述磨料供给装置，高压水和磨料在所述混砂室混合形成磨料射流并经所述磨料射流管路输送至所述钻杆；
23、开启所述第二驱动单元，驱动所述第二传动单元运动并带动所述钻杆相对所述底座沿隧道钻进方向进行运动，使所述钻杆向钻孔位置射流深入直至钻杆行程终点；
24、关停所述高压水射流装置、所述磨料供给装置和所述第二驱动单元，将各所述破岩机构调整至所述第二工作状态，移动所述机架，使所述喷枪完全深入钻孔内；
25、重启所述高压水射流装置、所述磨料供给装置和所述第二驱动单元，驱动所述第二传动单元运动并带动所述喷枪相对所述底座沿隧道钻进方向进行运动，使所述喷枪沿钻孔路径射流切割待破岩岩石，并开启所述第一驱动单元，驱动所述第一传动单元相对所述机架沿所述第一导轨运动，使所述喷枪沿各钻孔共同确定的切割路径对待破岩岩石进行周向射流切割，直至各所述破岩机构的切割路段接通。
26、本专利技术的特点及优点是：本专利技术所提供的高压磨料射流辅助隧道轮廓成型的系统包括高压水射流装置、磨料供给装置和隧道轮廓成型装置，通过将高压水和磨料进行混合形成本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高压磨料射流辅助隧道轮廓成型的系统，其特征在于，包括高压水射流装置、磨料供给装置、隧道轮廓成型装置；
2.根据权利要求1所述的高压磨料射流辅助隧道轮廓成型的系统，其特征在于，所述破岩机构还包括与所述底座相连接的至少两个滚轮，至少两个所述滚轮对称设置于所述第一传动单元的两侧；
3.根据权利要求1所述的高压磨料射流辅助隧道轮廓成型的系统，其特征在于，所述第二传动单元为丝杆；所述破岩机构还包括夹持器，所述夹持器上设有安装孔和丝杆孔，所述丝杆孔上形成有与所述丝杆相配合的内螺纹，所述安装孔与所述执行单元过盈配合。
4.根据权利要求3所述的高压磨料射流辅助隧道轮廓成型的系统，其特征在于，所述破岩机构还包括与所述底座相连接的直杆导轨，所述直杆导轨的延伸方向与所述隧道钻进方向平行，所述夹持器上设有容置所述直杆导轨的导轨孔，所述导轨孔与所述直杆导轨间隙配合。
5.根据权利要求1所述的高压磨料射流辅助隧道轮廓成型的系统，其特征在于，所述中空本体的中空部分形成内部流道，所述钻杆靠近待破岩岩石的一端设有与所述内部流道相连通的直旋混合喷嘴，沿所述直旋
6.根据权利要求1所述的高压磨料射流辅助隧道轮廓成型的系统，其特征在于，所述喷枪包括枪体和多个喷嘴，所述枪体靠近待破岩岩石的一端形成封闭端，所述枪体内部形成有喷射流道和与所述喷射流道相连通的多个喷射口，多个所述喷射口沿所述枪体的轴线方向间隔且并排设置，多个所述喷射口上一一对应连接有多个所述喷嘴。
7.根据权利要求1所述的高压磨料射流辅助隧道轮廓成型的系统，其特征在于，所述磨料供给装置还包括储砂室和输砂室，所述输砂室沿输送方向依次设有磨料入口和磨料出口，所述磨料入口与所述储砂室的出口相连，所述磨料出口与所述混砂室的所述第一入口相连通。
8.根据权利要求7所述的高压磨料射流辅助隧道轮廓成型的系统，其特征在于，所述隧道轮廓成型装置还包括与所述框架本体相连接的回收槽，沿重力方向，所述回收槽设置在多个所述破岩机构的下方，所述回收槽通过排液管路与所述高压水射流装置相连接，所述回收槽通过排料管路与所述储砂室的入口相连接。
9.根据权利要求1所述的高压磨料射流辅助隧道轮廓成型的系统，其特征在于，所述磨料射流管路上设有分流器，所述分流器的入口端与所述混砂出口相连通，所述分流器的多个出口端通过射流管与多个所述破岩机构的所述执行单元对应连通。
10.一种高压磨料射流辅助隧道轮廓成型的方法，其特征在于，所述方法适用于如权利要求1-9任一项所述的高压磨料射流辅助隧道轮廓成型的系统，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种高压磨料射流辅助隧道轮廓成型的系统，其特征在于，包括高压水射流装置、磨料供给装置、隧道轮廓成型装置；
2.根据权利要求1所述的高压磨料射流辅助隧道轮廓成型的系统，其特征在于，所述破岩机构还包括与所述底座相连接的至少两个滚轮，至少两个所述滚轮对称设置于所述第一传动单元的两侧；
3.根据权利要求1所述的高压磨料射流辅助隧道轮廓成型的系统，其特征在于，所述第二传动单元为丝杆；所述破岩机构还包括夹持器，所述夹持器上设有安装孔和丝杆孔，所述丝杆孔上形成有与所述丝杆相配合的内螺纹，所述安装孔与所述执行单元过盈配合。
4.根据权利要求3所述的高压磨料射流辅助隧道轮廓成型的系统，其特征在于，所述破岩机构还包括与所述底座相连接的直杆导轨，所述直杆导轨的延伸方向与所述隧道钻进方向平行，所述夹持器上设有容置所述直杆导轨的导轨孔，所述导轨孔与所述直杆导轨间隙配合。
5.根据权利要求1所述的高压磨料射流辅助隧道轮廓成型的系统，其特征在于，所述中空本体的中空部分形成内部流道，所述钻杆靠近待破岩岩石的一端设有与所述内部流道相连通的直旋混合喷嘴，沿所述直旋混合喷嘴内的液体流动方向，所述直旋混合喷嘴依次设置有连接段、叶轮段、喷射混合段和喷射扩张段。
6.根据权利要求1所述的高压磨料射流辅助隧道轮廓成型的系统，其特征在...
【专利技术属性】
技术研发人员：武晓光，黄中伟，王帅，李根生，李敬彬，杨睿月，刘鑫，邹文超，孙耀耀，王子康，沈亚洲，
申请(专利权)人：中国石油大学北京，
类型：发明
国别省市：
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