水力机械联合破岩铣轮、双轮铣槽机及其成槽施工方法与流程

本发明涉及地下工程技术领域，特别涉及水力机械联合破岩铣轮、双轮铣槽机及其成槽施工方法。

背景技术：

随着工程技术的发展，地下连续墙是基础施工工程和地下隐蔽技术中快速发展和广泛运用的一项新技术。地下连续墙为墙体整体浇筑，其优势是结构刚性大、整体性好，其防渗性能好，耐久度高，对周围地基结构与建筑物影响比较小且适应的地层比较广。在水利水库、港口建设、房屋建筑和市政工程等领域中都有广泛的应用。双轮铣槽机是用来施工地下连续墙的专用设备，使用铣轮铣削破碎岩石，再通过反循环出渣，形成需要的成槽。

铣槽机的铣轮和工作装置作为铣槽机的直接施工部位，决定着施工效率的高低。在工程中，时常遇到坚硬的岩层，导致铣槽机工作效率下降并严重损耗铣齿的寿命。当施工中出现地质情况的变化，就需要频繁的更换铣轮和铣轮主机，频繁的更换和移动铣轮和主机浪费了大量时间，导致施工效率低下。

目前的双轮铣槽机为机械破岩，这种掘进方式在遇到坚硬岩层时，掘进效率低下，并且对铣齿的寿命也造成了巨大的损耗。

技术实现要素：

本申请提供了水力机械联合破岩铣轮、双轮铣槽机及其成槽施工方法，解决了现有技术中遇到坚硬的岩层，铣槽机工作效率下降并严重损耗铣齿寿命的技术问题，实现了破岩效率与破岩效果均相较于传统机械破岩方式有一定的提升，刀具的磨损较小，有利于提高施工效率，降低施工成本的技术效果。

本申请所提供的一种水力机械联合破岩铣轮，包括：铣轮主体、多个铣齿、铣轮主轴及高压水射流装置，多个所述铣齿固定在所述铣轮主体的圆周上；所述铣轮主轴通过铣轮驱动机构带动所述铣轮主体转动，其中，所述高压水射流装置包括：喷头控制器、多个切边喷头、多个破岩喷头、固定部件，

所述喷头控制器固定在所述铣轮主轴通孔内，与所述铣轮主轴同步旋转；

所述切边喷头及所述破岩喷头分别通过所述固定部件固定在所述铣轮主体上；多个所述切边喷头呈环状设置在所述铣轮主体的两侧；多个所述破岩喷头分别间隔设置在相邻两个所述铣齿之间；

所述切边喷头及所述破岩喷头分别通过水砂导管连通所述喷头控制器。

作为优选，所述喷头控制器包括：空心圆筒形外壳及挡片，

所述外壳内部设置有圆柱形空腔，所述外壳一端的轴心位置开设水流进口，所述外壳的圆周位置开设多个水流出口；

所述挡片为外径与所述圆柱形空腔直径对应的圆柱体被平行轴心的平面所截的剩余部分；

所述水流进口通过控制器接口固定连接水砂管道；所述控制器接口与所述挡片固定连接；所述水砂管道连通水砂供给装置；

所述切边喷头及所述破岩喷头分别通过水砂导管连接所述外壳上对应位置的所述水流出口；

其中，所述挡片设置在所述外壳的圆柱形空腔中，所述挡片与所述外壳组成转动副，所述外壳旋转过程中，所述挡片的曲面外壁始终贴紧所述外壳的内壁，以遮挡所述挡片曲面外壁对应的所述水流出口。

作为优选，多个所述铣齿在所述铣轮主体的圆周上呈正弦函数曲线形状布置；每个所述破岩喷头布置在相邻两个所述铣齿连线的中点位置。

基于同样的发明构思，本申请还提供了一种水力机械联合破岩双轮铣槽机，包括：所述水力机械联合破岩铣轮、机架、泥浆转移机构、铣轮驱动机构、纠偏机构及水砂供给装置，其中，

所述水力机械联合破岩铣轮、泥浆转移系统、铣轮驱动系统、纠偏系统及水砂供给装置都设置在所述机架上；

所述泥浆转移系统用于吸取破岩产生的泥浆，并将所述泥浆转移至地面；

所述铣轮驱动系统用于驱动所述铣轮主体转动；

所述纠偏机构用于调整所述水力机械联合破岩铣轮的铣削角度；

所述水砂供给装置用于提供高压水砂至所述水力机械联合破岩铣轮。

作为优选，所述泥浆转移机构包括：吸浆管、泥浆泵、泥浆管，其中，

所述吸浆管设置在所述机架下部，所述吸浆管最下端高于所述高压水射流装置喷射出的高压水射流的最高点；

所述泥浆泵设置在所述机架内部，其下部吸浆口与所述吸浆管连接，其上部出浆口与所述泥浆管连接；

所述泥浆管的端部延伸到地面。

作为优选，所述铣轮驱动机构包括：电机及传动部件，所述电机输出端连接所述传动部件，所述传动部件连接所述铣轮主轴，所述电机通过所述传动部件带动所述铣轮主轴转动。

作为优选，所述纠偏系统包括：上部纠偏板、下部纠偏板、陀螺仪、控制器，

所述陀螺仪设置在所述机架下部，与所述控制器电性连接，所述陀螺仪将感知到的所述水力机械联合破岩双轮铣槽机的工作姿态数据传输到所述控制器；

所述控制器与所述上部纠偏板及所述下部纠偏板电性连接；所述控制器将所述工作姿态数据转化为上纠偏板动作信号及下纠偏板动作信号；

其中，所述控制器将所述上纠偏板动作信号传输至所述上部纠偏板，以控制所述上部纠偏板运动，同时，所述控制器将所述下纠偏板动作信号传输至所述下部纠偏板，以控制所述下部纠偏板运动，使所述水力机械联合破岩双轮铣槽机调整到设定的铣削角度。

作为优选，所述水砂供给装置包括：水仓、砂仓、供水管道、供砂管道、储磨料罐、高压泵、压力补偿器，

所述供水管道一端连接所述水仓，另一端连接所述高压泵；

所述供砂管道一端连接所述砂仓，另一端连接所述储磨料罐；

所述储磨料罐储磨料罐固定在所述机架上，并与所述高压泵的输入端连接；

所述高压泵固定在所述机架上，所述高压泵的输出端通过水砂管道连接所述压力补偿器；

所述压力补偿器通过水砂管道连通所述喷头控制器。

基于同样的发明构思，本申请还提供了一种所述水力机械联合破岩双轮铣槽机的成槽施工方法，包括以下步骤：

步骤一：安装所述水力机械联合破岩铣轮，将所述水力机械联合破岩铣轮对准导向槽；

步骤二：启动所述水力机械联合破岩双轮铣槽机，所述水力机械联合破岩铣轮转动铣削岩石，同时，所述泥浆转移机构将泥浆抽出，使所述水力机械联合破岩双轮铣槽机向下铣削一个行程；

步骤三：重复步骤二，直至此作业点达到指定深度后，将所述水力机械联合破岩双轮铣槽机提起；

步骤四：将所述水力机械联合破岩双轮铣槽机平移至下个作业点，重复步骤一、二、三继续进行铣削作业，直至地下连续墙成槽施工完成。

作为优选，所述步骤二具体为：

所述水力机械联合破岩双轮铣槽机缓慢进入导向槽，当所述水力机械联合破岩铣轮即将接触岩层时，启动所述铣轮驱动机构和所述高压水射流装置；

所述水力机械联合破岩铣轮产生的水刀随着铣轮主体转动，所述水刀在岩层上预先切割出数条水力切槽；

所述铣齿在存在水力切槽的岩层上进行铣削作业，使岩体被破坏；

脱落的岩块由所述泥浆转移机构吸入后运送至地面。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请的水力机械联合破岩铣轮的高压水射流装置可以按照预设的模式进行工作，在铣齿冲击岩层前在岩层上切割出水力切槽，实现水力-机械联合破岩，相较于传统的机械破岩效果好，效率高，能耗低；采用本申请的双轮铣槽机在破碎相同岩石时可以较好的完成更大程度的破岩，破碎岩石时需要的冲击力和铣齿贯入度较传统的机械破岩小，提高了破岩效率和破岩效果，降低和破岩能耗和铣齿磨损；高压水射流喷出的水与破碎的岩石直接混合，使用泥浆泵抽出，无需使用额外的水泵向铣槽中注水；这样，解决了现有技术中遇到坚硬的岩层，铣槽机工作效率下降并严重损耗铣齿寿命的技术问题，实现了破岩效率与破岩效果均相较于传统机械破岩方式有一定的提升，刀具的磨损较小，有利于提高施工效率，降低施工成本的技术效果。

附图说明

图1为本申请实施例提供的水力机械联合破岩双轮铣槽机的正视图；

图2为本申请实施例提供的水力机械联合破岩双轮铣槽机的侧视图；

图3为本申请实施例提供的水力机械联合破岩铣轮的正视图；

图4为本申请实施例提供的水力机械联合破岩铣轮的侧视图；

图5为本申请实施例提供的水力机械联合破岩铣轮中高压水射流装置与喷头控制器的装配示意图；

图6为本申请实施例提供的水力机械联合破岩地下连续墙成槽施工的破岩示意图；

图7为本申请实施例提供的水力机械联合破岩双轮铣槽机的破岩原理示意图；

图8为本申请实施例提供的水力机械联合破岩铣轮的喷头控制器的结构示意图；

图9为本申请实施例提供的喷头控制器的挡片的结构示意图。

图中：

1-水力机械联合破岩铣轮，1.1-铣齿，1.2-铣轮主体，1.3-铣轮主轴，2-机架，3-高压水射流装置，3.1-喷头，3.2-固定装置，3.3-水砂导管，4-喷头控制器，4.1-挡片，4.2-外壳，4.3-水流出口，4.4-控制器接口，5-水砂管道，6-刮刀，7-压力补偿器，8-电机，9-下部纠偏板，10-泥浆泵，10.1-吸浆管，11-控制器，12-高压泵，13-储磨料罐，14-液压泵站，15-上部纠偏板，16-泥浆管，17-电气箱，18-管线束，18.1-管线接口，19-悬挂装置，20-导向槽，21-铣削面，22-水力切槽。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。

参见附图1～9，本申请所提供的水力机械联合破岩地下连续墙成槽施工方法，包括以下步骤：

步骤一：安装水力机械联合破岩铣轮1，将铣轮对准导向槽20，控制水力机械联合破岩双轮铣槽机(工作装置)下落至距离铣削面21大约10厘米处；该铣轮上的铣齿1.1结构有足够的强度和刚度，能够承受铣削工作时由于冲击铣削面21岩石产生的反作用力和剪切应力；高压水射流的压力足够在岩体上切割出一条水力切槽22。

步骤二：启动联合破岩双轮铣槽机，铣轮电机8带动铣轮转动铣削岩石，泥浆泵10将泥浆抽出，使工作装置向下铣削一个行程。

具体过程为：上部纠偏板15和下部纠偏板9撑住铣槽两侧，上侧绞绳和纠偏板固定工作装置的位置，随着岩石的破碎和泥浆的运出，通过工作装置的自重逐步向下运动。

破岩时，高压水射流装置3随着铣轮主体1.2转动喷射出高压水流，在铣齿1.1接触铣削面21之前，在铣削面21上切割产生水力切槽22，即高压水射流装置3工作时，在相邻两个铣齿1.1之间的铣削面上形成水力预裂(如图6所示)。

之后铣齿1.1通过铣轮的旋转对铣削面21进行冲击，使岩体发生破坏，岩体从铣削面21上被铣削成岩渣。

岩渣与高压水射流装置3喷射出的水流混合为泥浆，通过泥浆泵10提供的压力从吸浆管10.1吸出，再通过泥浆管16运输至地面，一个铣削周期结束，通过释放绞绳使工作装置向下移动以进行下一个铣削周期。

步骤三：重复步骤二，直至此作业点达到指定深度后，收起绞绳将工作装置提起。

步骤四：将工作装置平移至下个作业点，重复步骤一、二、三继续进行铣削作业。

进一步的，在步骤二中，铣齿1.1与高压水射流装置3随着铣轮主体1.2同时转动，破碎岩体。

铣轮主轴1.3中心留有空腔，内部安装有刚性水砂管道5与高压水射流喷头控制器4，实现水刀旋转的是高压水射流喷头控制器4，其同时也能实现高压水射流喷头3.1的出水顺序，高压水射流喷头控制器4与铣轮主轴1.3固定，其外壳4.2与铣轮主轴1.3同步旋转，挡片4.1与水砂管道5连接，在旋转时保持静止，水砂管道5上部连接压力补偿器7，以提供高压水砂混合物；水流进口通过控制器接口4.4固定连接水砂管道5；控制器接口4.4与挡片4.1固定连接。

高压水射流喷头控制器4的外壳4.2上的水流出口4.3与高压水射流装置3的固定装置3.2一一对应，以实现同步旋转；工作装置的水流和砂供应由主机上的水仓和砂仓进行供应，水砂通过管道运输到工作装置上的高压泵12进行加压，压力由施工时的岩石或者土体硬度决定，水砂加压后通过大流量的水砂管道5，运输到高压水射流压力补偿器7，补偿在管道中运输所损失的压力，同时将高压水流和砂进行混合后注入水砂管道5，运输至高压水射流喷头控制器4。

在掘进过程中，纠偏控制器11和传感器(陀螺仪)时刻感应工作装置的姿态，其内部的陀螺仪实时对工作装置的工作姿态进行采集，通过其内部的单片机将姿态转化为上部纠偏板15和下部纠偏板9的动作数据，通过数字信号传输至上下纠偏板的液压装置，以完成工作装置的纠偏功能。

参阅附图1～5可知：所采用的水力机械联合破岩铣轮1包括铣轮主体1.2，铣齿1.1结构，高压水射流装置3。

铣齿1.1结构布置于铣轮主体1.2上；铣齿1.1结构呈间隔布置，各个铣齿1.1的中心点连接起来的形状为正弦函数y＝sinωx的函数图像形状，其中ω的值根据试验测得，或取工程经验值。

高压水射流装置3安装在铣轮主体1.2上，包括高压水射流喷头3.1、固定装置3.2、水砂导管3.3，其中起切边作用的切边喷头3.1布置在铣轮主体1.2的侧面，起铣削作用的破岩喷头3.1布置在每两个相邻布置铣齿1.1连线的中点位置。固定装置3.2安装在铣轮主体1.2上，安装位置与高压水射流喷头3.1位置一致，固定装置3.2用于固定水砂导管3.3。水砂导管3.3一端连接喷头3.1，另一端连接喷头控制器4。

铣轮主体1.2上的铣齿1.1和高压水射流喷头3.1均呈周期性布置；高压水射流喷头3.1按照高压水射流喷头控制器4的设计依次按顺序工作，预先于铣刀接触铣削面21之前在铣削面21上切割出水力切槽22，以达到水力-机械联合破岩的目的。

高压水射流喷头3.1使用金属材质的硬质压力管件(水砂导管3.3)与喷头控制器4连接，其布置方式分为切边喷头组和破岩喷头组，切边喷头组布置在铣轮边缘，负责切割槽边，破岩喷头组布置在铣齿连线的中点，负责破岩预先切槽。

喷头控制器4包括：挡片4.1，外壳4.2，水流出口4.3及控制器接口4.4；高压水射流控制器4安装在铣轮主轴1.3内部，与其同步旋转；挡片4.1与控制器接口4.4通过焊接刚性连接成一体，控制器接口4.4用于连接水砂管道5；挡片4.1圆盘部位中心开有通孔，用于水砂管道5送出的水流进入外壳4.2内。

外壳4.2旋转时，当外壳4.2上的水流出口4.3位于挡片4.1遮挡范围时，其无水流通过，所对应的高压水射流喷头3.1无高压水流喷出，此时不在挡片4.1遮挡范围的水流出口4.3有水流通过，其对应的高压水射流喷头3.1有高压水射流喷出，从而达到控制水流的作用，只允许任意时刻位于铣轮下方的水射流喷头3.1工作，以防止高压水射流损伤及其本体(喷头控制器结构详见图8和9)。

该联合破岩双轮铣槽机的铣轮为两对，共四个，每对铣轮之间用铣轮主轴1.3连接，通过铣轮电机8带动铣轮主轴1.3转动从而使铣轮转动。

参阅附图1和2可知：该水力-机械联合破岩双轮铣槽机，包括两队铣轮，机架2，大流量的水砂管道5，刮刀6，压力补偿器7，铣轮电机8，下部纠偏板9，泥浆泵10，吸浆管10.1，控制器11，高压泵12，储磨料罐13，液压泵站14，上部纠偏板15，泥浆管16，电气箱17，管线束18，管线接口18.1，悬挂装置19。

机架2为工作装置的主体框架，其主体为钢结构构成，使用u型钢或工字钢制作，内部通过钢板分隔为多层结构，用于安装工作装置中各个设备，内部安装有三角形工字钢梁，用于提高工作装置稳定性和刚度。

铣轮安装在机架2下部，用于进行联合破岩铣削作业。

刮刀6安装于机架2下方，位于铣轮外侧，用于配合高压水射流喷头3.1处理铣槽侧面。

管线束18为电气、控制和水砂管线，将工作装置与主机相连接，使用管线夹将其固定于工作装置一侧；管线接口18.1安装于工作装置上方，是各种管线的接口。

电气箱17固定于机架2的一侧，用于工作装置的配电与各个设备的控制。

高压泵12安装固定在机架2的内部，内装有离心泵、控制电路，为高压水射流装置3提供高压水；高压泵12通过控制电路可以调整水压和流量，以适应不同的工况，在岩石较软时可以减小压强和流量，以减少水耗与功耗；储磨料罐13固定在机架2上，并与高压泵12的输入端连接；储磨料罐13安装于高压泵12的一侧，用于储存砂磨料。

压力补偿器7安装在机架2的下方，铣轮的上方，其入口与高压泵12通过管路连接，弥补管路中的压力损耗，并将磨料与高压水流混合，提高高压水射流的切割能力。

铣轮电机8安装于机架2的下方，是铣轮的动力来源，其产生动力通过传动部件带动铣轮主轴1.3旋转，从而驱动铣轮工作。

吸浆管10.1安装在机架2下侧，位于两个铣轮组的中间，用于吸取铣削下来的岩屑与水混合而成的泥浆混合物；泥浆泵10安装在机架2上，用于提供负压，将泥浆混合物通过泥浆管10.1吸取上来，并泵至地面；泥浆管16固定在机架2一侧，用于将泥浆运输至地面。

纠偏系统的控制器11安装在机架2的中部，其内部包含陀螺仪、单片机，陀螺仪用于感知工作装置的姿态数据，陀螺仪将感知的姿态数据通过电路传输给单片机，单片机通过预先置入的程序处理这些数据可以计算得到各个纠偏板需要运动的参数，通过电路传输至上部纠偏板15和下部纠偏板9。

上部纠偏板15安装于机架2外侧的上部，下部纠偏板9安装于机架2外侧的下部，其由钢板和液压装置构成，液压装置可以驱动钢板运动，液压装置接收陀螺仪的运动数据，推动钢板移动指定距离，钢板在工作装置工作时向两边支撑与槽壁接触，以实现通过改变工作装置姿态的方式来纠偏。

液压泵站14安装在机架2上部，为工作装置上的液压设备提供压力来源；悬挂装置19安装于机架2上方，用于主机悬吊机架2进行作业；工作装置的水砂供给装置位于双轮铣槽机的主机，其作用是向工作装置提供水与磨料。

在铣轮上高压水射流喷头的布置上，在边缘布置一组高压水射流喷头，可以大大提高铣削的精度，水刀切割精度大大高于机械铣齿和刮刀配合的铣削精度。

本申请通过水力-机械联合破岩在铣削面上进行预切槽，在初步破坏之后已经有裂隙产生，再经过铣齿的铣削，铣齿的铣削力减小，破岩时间缩短，破岩难度降低。

因此，与现有传统的双轮铣槽机相比，本发明所述的水力-机械联合破岩地下连续槽施工方法及其双轮铣槽机铣轮及其工作装置破岩效率更高、能耗更低、磨损更小、精度更高、质量更好。

为了更好的说明水力-机械联合破岩地下连续槽施工方法及其双轮铣槽机铣轮及其工作装置与现有技术的优点，工作人员将这两种技术方案进行了对比，其对比结果如下表所示：

由上表可知，本申请的水力机械联合破岩双轮铣槽机与传统机械破岩双轮铣槽机相比，破岩效率较高，破岩能耗较小，刀盘损耗率较小。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。