一种刀盘和基于钻爆施工的全断面硬岩掘进机及破岩方法与流程

本发明涉及硬岩掘进技术领域，尤其涉及一种刀盘和基于钻爆施工的全断面硬岩掘进机及破岩方法。

背景技术：

在地下工程建设中，尤其是在川藏线工程中硬岩隧道占有非常高的比例，硬岩工程的施工工法目前主要分为盾构法和钻爆法。

现有硬岩掘进机的破岩方式是通过滚刀给岩石施加正应力，此时岩石处于三向抗压状态，需要非常高的挤压力才能使其产生裂纹进而破碎。随着岩石硬度的增加，滚刀的磨损会显著增加，进而增加了换刀频次和施工成本，大幅降低施工效率。而钻爆法施工虽然能够高效破岩，但其工作环境差，安全性低，在施工中存在超欠挖现象。这两种工法各有优缺，同时对复杂地层适应性差。

因此，如何提供一种刀盘，以提高效率且提高安全性，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种刀盘，以提高效率且提高安全性。本发明的另一目的在于提供一种采用上述刀盘的基于钻爆施工的全断面硬岩掘进机和一种破岩方法。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种刀盘，用于掘进机，所述刀盘上划分有n个区域，相邻两个所述区域之间设置有第一插刀，每个所述区域的其他边界位置设置有第二插刀，

所述刀盘内设置有冲击器和与所述冲击器连接的第一臂架，每个所述区域的所述第一插刀或者所述第二插刀上设置有缺口供所述冲击器伸出和缩回，

每个所述区域的边界均设置有导轨形成供所述冲击器移动的环形导轨，

所述刀盘内设置有第二臂架，所述第二臂架上设置有回转装置，所述回转装置的一侧设置有钻孔器，其另一侧设置有填药装置，每个所述区域上均设置有供所述钻孔器伸入和缩回以及供所述钻孔器缩回后所述回转装置转动使得所述填药装置位于所述钻孔器的缩回位置进行伸入和缩回的通孔。

优选的，上述第二臂架为多个，所述通孔为多个。

优选的，上述第一插刀为全刃插刀，所述第二插刀为半刃插刀。

优选的，上述第一臂架为多个。

本发明还提供一种基于钻爆施工的全断面硬岩掘进机，包括刀盘，所述刀盘为如上述任意一项所述的刀盘。

优选的，上述的基于钻爆施工的全断面硬岩掘进机还包括盾体和出渣装置，所述刀盘设置在所述盾体上，所述出渣装置内置在所述盾体中；

所述刀盘旋转将渣块沿着溜渣板运送至所述出渣装置。

本发明还提供一种破岩方法，采用如上述任意一项所述的刀盘，包括：

步骤1)掘进机移动至掌子面，所述冲击器从所述刀盘伸出，沿着所述环形导轨进行移动冲击破岩，并在所述掌子面开出环形槽后回退至初始位置；

步骤2)所述第一插刀和所述第二插刀完全伸出进行所述掌子面周围围岩的支护；

步骤3)所述钻孔器从所述通孔伸出至所述掌子面进行钻孔，钻孔结束后缩回至所述刀盘内，然后通过所述回转装置使得所述钻孔器与所述填药装置同时绕所述第二臂架旋转180度，所述填药装置位于所述钻孔器的缩回位置对准所述通孔，所述填药装置从所述通孔伸出至所述钻孔器钻出的炮眼孔进行装药，装药完成后缩回至所述刀盘内，完成一次打孔装药流程；

步骤4)引爆炸药。

优选的，上述步骤1)为每个所述区域的所述第一臂架和所述冲击器同步工作；每个所述区域的所述第二臂架和所述钻孔器、所述填药装置同步工作。

优选的，上述步骤4)为各个所述区域在所述掌子面上装填的炸药以区域为单位同时引爆或者先后引爆。

优选的，上述步骤3)为重复多次打孔装药流程直至打完所有炮眼孔后，所述钻孔器和所述填药装置回退至初始位置。

本发明提供的刀盘，用于掘进机，所述刀盘上划分有n个区域，相邻两个所述区域之间设置有第一插刀，每个所述区域的其他边界位置设置有第二插刀，

所述刀盘内设置有冲击器和与所述冲击器连接的第一臂架，每个所述区域的所述第一插刀或者所述第二插刀上设置有缺口供所述冲击器伸出和缩回，

每个所述区域的边界均设置有导轨形成供所述冲击器移动的环形导轨，

所述刀盘内设置有第二臂架，所述第二臂架上设置有回转装置，所述回转装置的一侧设置有钻孔器，其另一侧设置有填药装置，每个所述区域上均设置有供所述钻孔器伸入和缩回以及供所述钻孔器缩回后所述回转装置转动使得所述填药装置位于所述钻孔器的缩回位置进行伸入和缩回的通孔。

本发明提供的刀盘，利用每个区域的边缘插刀，即第一插刀和第二插刀实现对掌子面岩石分区支护和区域划分，不同区域同时工作提高了掘进效率并且利用冲击器连续移动冲击破岩预先形成临空面，使掌子面围岩更易破碎，同时避免了超欠挖现象；然后改进盾构机刀盘破岩方式，增加钻孔器和填药装置配合爆破的方式实现高效破岩。可以同时兼具盾构法的安全性和钻爆法破岩的高效性。提高了效率且提高了安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的刀盘的侧视结构示意图；

图2为本发明实施例提供的刀盘上划分12个区域的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的刀盘上部分区域的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的掌子面岩石的爆破碎裂示意图；

图5为本发明实施例提供的基于钻爆施工的全断面硬岩掘进机的简易结构示意图。

上图1-5中：

刀盘1、第二插刀11、钻孔器12、回转装置13、填药装置14、冲击器15、第一插刀16、第二臂架17、溜渣板18、环形导轨19、盾体2、出渣机构3。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1至图5，图1为本发明实施例提供的刀盘的侧视结构示意图；

图2为本发明实施例提供的刀盘上划分12个区域的结构示意图；图3为本发明实施例提供的刀盘上部分区域的结构示意图；图4为本发明实施例提供的掌子面岩石的爆破碎裂示意图；图5为本发明实施例提供的基于钻爆施工的全断面硬岩掘进机的简易结构示意图。

本发明实施例提供的刀盘1，用于掘进机，刀盘1上划分有n个区域，相邻两个区域之间设置有第一插刀16，每个区域的其他边界位置设置有第二插刀11，

刀盘1内设置有冲击器15和与冲击器15连接的第一臂架，每个区域的第一插刀16或者第二插刀11上设置有缺口供冲击器15伸出和缩回，

每个区域的边界均设置有导轨形成供冲击器15移动的环形导轨19，

刀盘1内设置有第二臂架17，第二臂架17上设置有回转装置13，回转装置13的一侧设置有钻孔器12，其另一侧设置有填药装置14，每个区域上均设置有供钻孔器12伸入和缩回以及供钻孔器12缩回后回转装置13转动使得填药装置14位于钻孔器12的缩回位置进行伸入和缩回的通孔。

本发明实施例提供的刀盘，利用每个区域的边缘插刀，即第一插刀16和第二插刀11实现对掌子面岩石分区支护和区域划分，不同区域同时工作提高了掘进效率并且利用冲击器15连续移动冲击破岩预先形成临空面，使掌子面围岩更易破碎，同时避免了超欠挖现象；然后改进盾构机刀盘破岩方式，增加钻孔器12和填药装置14配合爆破的方式实现高效破岩。可以同时兼具盾构法的安全性和钻爆法破岩的高效性。提高了效率且提高了安全性。

具体的，第二臂架为多个，通孔为多个。第一插刀16为全刃插刀，第二插刀11为半刃插刀。第一臂架为多个。

本发明实施例还提供一种基于钻爆施工的全断面硬岩掘进机，包括刀盘，刀盘为如上述任意一项实施例所述的刀盘1。

为了进一步优化上述方案，上述的基于钻爆施工的全断面硬岩掘进机还包括盾体2和出渣装置3，刀盘1设置在盾体2上，出渣装置3内置在盾体2中；刀盘1旋转将渣块沿着溜渣板18运送至出渣装置3。

即引爆炸药进行爆破后，掌子面岩石碎裂成渣块。刀盘1旋转将岩石渣块沿着溜渣板18运送至出渣机构3。

本发明实施例还提供一种破岩方法，采用如上述任意一项实施例所述的刀盘，包括：

步骤1)掘进机移动至掌子面，冲击器15从刀盘1伸出，沿着环形导轨19进行移动冲击破岩，并在掌子面开出环形槽后回退至初始位置；

步骤2)第一插刀16和第二插刀11完全伸出进行掌子面周围围岩的支护；

步骤3)钻孔器12从通孔伸出至掌子面进行钻孔，钻孔结束后缩回至刀盘1内，然后通过回转装置13使得钻孔器12与填药装置14同时绕第二臂架17旋转180度，填药装置14位于钻孔器12的缩回位置对准通孔，填药装置14从通孔伸出至钻孔器12钻出的炮眼孔进行装药，装药完成后缩回至刀盘1内，完成一次打孔装药流程；

步骤4)引爆炸药。

本发明实施例采用的破岩方法为，采用分区+插刀支护的刀盘结构，通过小边心距冲击器环形切槽+钻爆进行破岩。

为了进一步优化上述方案，步骤1)为每个区域的第一臂架和冲击器15同步工作；每个区域的第二臂架17和钻孔器12、填药装置14同步工作。

为了进一步优化上述方案，步骤4)为各个区域在掌子面上装填的炸药以区域为单位同时引爆或者先后引爆。

为了进一步优化上述方案，步骤3)为重复多次打孔装药流程直至打完所有炮眼孔后，钻孔器12和填药装置14回退至初始位置。

本发明实施例提供的刀盘，在具体操作时：

根据掌子面大小将盾构机刀盘划分为若干区域，相邻两个区域中间设置有全刃插刀，其余边缘都设置有半刃插刀，可以实现分区支护。其中，每个区域都有一把半刃或者全刃插刀带有缺口，缺口位置安装有小边心距的冲击器15。

在插刀的缺口设置有环形导轨19，在环形导轨19上设置有小边心距的冲击器15，可沿着导轨方向实现移动开槽。

每个区域设置有六自由度臂架，即第二臂架17，每个第二臂架17上安装有钻孔器12和填药装置14，填药装置14也可以称为装药装置，可进行自动钻孔和填充炸药；钻孔器12与填药装置14可同时绕第二臂架17旋转，两者旋转中心与第二臂架17轴线相重合。

应用本发明实施例提供的刀盘的掘进机不仅适用于长距离超硬岩的掘进，还适用于复杂多变岩层，每个区域可根据地层情况配置不同功率的钻孔器12和小边心距冲击器15。

本发明实施例提供的基于钻爆施工的全断面硬岩掘进机，通过以下步骤实现硬岩掘进：

步骤一：掘进机整体移动至掌子面岩石，每个区域破岩装置进行同步工作，每个区域的小边心距冲击器15伸出刀盘1沿着环形导轨19一边移动一边进行冲击破岩，直至在掌子面开出环形槽后回到初始位置；

步骤二：每个区域的边缘插刀沿开槽方向伸出，完全伸出，实现对围岩的预支护；

步骤三：第二臂架17根据初始炮眼位置进行位置调整，中心区域的冲击器12按照设定的角度和位置伸出至掌子面进行钻进打孔，直至钻孔深度达到设定值后退回至初始位置；

步骤四：填药装置14与冲击器12同时绕第二臂架17旋转180度，使填药装置14轴线与钻孔位置重合，第二臂架17伸出通过填药装置14将药管送至至炮眼孔进行装药，完成炸药装填后回退至初始位置，钻孔器12与填药装置14同时绕第二臂架17旋转180度，完成一次打孔装药流程，第二臂架17根据预设炮眼位置进行重新调整，重复打孔装药流程直至打完所有炮眼孔后回退至初始位置；

步骤五：刀盘各区域根据围岩条件同时或先后引爆，完成对岩石破碎。

步骤六：刀盘继续向前推进，实现对岩层的开挖。

步骤一至步骤六为完整单次掘进过程，掘进机可循环执行此过程实现全断面硬岩的爆破掘进。

当然，钻孔器12可采用集束式钻孔设备一次打完所有炮眼孔。

具体的，掌子面可以根据施工隧道地质条件和掌子面大小以及来划分区域，本次实施例中掌子面划分为12个区域，以两条垂直的直径为基准，每条直径上的两个半径各自中心划一条与直径平行的分割线，分为12个区域，如图2所示，分为a至l共十二个区域。在大断面施工中可将掌子面划分更多区域，不同区域协同工作可以提高掘进效率。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。