微波加热与高压水切割联合辅助破岩的硬岩隧道掘进机的制作方法

本发明属于岩土及隧道工程技术领域，特别是涉及一种微波加热与高压水切割联合辅助破岩的硬岩隧道掘进机。

背景技术：

隧道掘进机在开挖硬岩隧道时，机械刀具磨损严重是硬岩隧道掘进过程中的关键工程难题，不但会增大检修时间和检修成本，而且容易造成工期延误。为此，高压水切割、微波加热等辅助破岩技术被逐渐引入隧道掘进机的设计中。

对于高压水切割辅助破岩技术来说，技术已经较为成熟，应用领域也较为广泛，可应用于石油、采矿、页岩气开采等领域。高压水切割辅助破岩具有清洁环保、低能高效、易于实现等特点。已有研究表明，利用高压水切割辅助破岩能够降低刀具切削机械力和热应力、减少刀具磨损、延长刀具寿命、提升破岩性能、提高破岩效率以及降低破岩成本。但是，现阶段应用的高压水切割辅助破岩技术仍存在破岩效率较低的问题。

对于微波加热辅助破岩技术来说，具有高效、节能、选择性加热等特点，通过微波加热可以使岩石内部产生微观和宏观裂纹，以降低岩石强度，在岩石强度的降低后，便可以增加机械破岩刀具的贯入度和使用寿命，从而降低机械刀具磨损，减少了机械破岩设备的检修时间，进而提高了破岩效率。但是，目前的微波加热辅助破岩技术仍停留在实验室阶段，还有能够真正与隧道掘进机实现工程结合，也没有真正投入到现场工程中。

因此，为了在现场工程中进一步提高硬岩隧道掘进机的掘进效率，有必要将高压水切割辅助破岩技术与微波加热辅助破岩技术融合到同一台隧道掘进机中，以充分发挥高压水切割辅助破岩技术与微波加热辅助破岩技术的优势。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种微波加热与高压水切割联合辅助破岩的硬岩隧道掘进机，能够在微波加热和高压水切割共同作用下实现“一热一冷”的联合辅助破岩，充分发挥隧道掘进机开挖硬岩隧道的优势，进一步降低机械刀具磨损，大幅度提高破岩效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种微波加热与高压水切割联合辅助破岩的硬岩隧道掘进机，包括掘进机主体、微波加热辅助破岩系统及高压水切割辅助破岩系统；所述微波加热辅助破岩系统设置在掘进机主体上，通过微波加热辅助破岩系统对岩石进行加热致裂；所述高压水切割辅助破岩系统设置在掘进机主体上，通过高压水切割辅助破岩系统对岩石进行水力切割；破岩顺序为：先通过微波加热辅助破岩系统对岩石进行加热致裂，再通过高压水切割辅助破岩系统对岩石进行水力切割，然后通过掘进机主体对岩石进行挤压破碎。

所述微波加热辅助破岩系统包括微波发生器、隔离器、调配器、第一传输波导、转弯波导、旋转波导、第一功率分配器、第二传输波导、第二功率分配器、第三传输波导及微波加热器；所述第二传输波导的数量为两根，所述第二功率分配器的数量为两个，所述第三传输波导的数量为四根，所述微波加热器的数量为四个；所述旋转波导安装在掘进机主体的刀盘中心处，旋转波导的微波输出端与微波输入端采用同轴套装结构，旋转波导的微波输出端相对于微波输入端具有回转自由度，旋转波导的微波输出端与刀盘固定连接；所述微波发生器固定安装在掘进机主体的主梁上，微波发生器的微波输出端与旋转波导的微波输入端依次通过隔离器、调配器、第一传输波导及转弯波导相连；所述隔离器用于吸收未被岩石吸收而反射回的微波能量；所述调配器用于对阻抗进行自动匹配调节，使微波发生器产生的微波能量被岩石充分吸收；所述第一功率分配器的微波输入端与旋转波导的微波输出端相连，第一功率分配器的微波输出端分两路进行输出，每一路均与一根第二传输波导相连，每一根第二传输波导的微波输出端均连接有一个第二功率分配器；所述第二功率分配器的微波输入端与第二传输波导的微波输出端相连，第二功率分配器的微波输出端也分两路进行输出，每一路均与一根第三传输波导相连，每一根第三传输波导的微波输出端均连接有一个微波加热器；所述微波加热器固定嵌装在刀盘上的微波加热通孔内，微波加热器的微波输出端与岩石表面正对。

所述高压水切割辅助破岩系统包括高压水增压装置、第一高压水管、回转接头、分流器、第二高压水管及高压水喷头；所述第二高压水管的数量为四根，所述高压水喷头的数量为四个；所述分流器安装在掘进机主体的刀盘中心处，分流器采用圆环形结构，分流器同心套在旋转波导的外侧，分流器与刀盘固定连接；所述回转接头采用圆环形结构，回转接头同心套装在分流器上，回转接头与分流器转动密封连接，分流器与回转接头相连通，分流器相对于回转接头具有回转自由度；所述高压水增压装置固定安装在掘进机主体的主梁上，高压水增压装置的出水端与回转接头的进水端通过第一高压水管相连通；所述分流器的出水端分四路输出，每一路均与一根第二高压水管相连通，每一根第二高压水管的出水端均连接有一个高压水喷头；所述高压水喷头固定嵌装在刀盘上的高压水喷射通孔内，高压水喷头的喷射端与岩石表面正对。

在所述微波加热器与高压水喷头之间的刀盘上设置有挡水板，高压水喷头与刀盘上的滚刀相邻，微波加热器、挡水板、高压水喷头及滚刀顺序设置在滚刀切削轨迹上，微波加热器、挡水板及高压水喷头位于滚刀切削轨迹的前方；所述微波加热器、挡水板、高压水喷头及滚刀在刀盘上的布置方式有两种；第一种分布方式为：在所有切削轨迹上的微波加热器、挡水板、高压水喷头及滚刀之间的间距均相等；第二种分布方式为：所有切削轨迹上的微波加热器沿刀盘上的同一直径方向分布，所有切削轨迹上的高压水喷头沿刀盘上的同一直径方向分布。

本发明的有益效果：

本发明的微波加热与高压水切割联合辅助破岩的硬岩隧道掘进机，能够在微波加热和高压水切割共同作用下实现“一热一冷”的联合辅助破岩，充分发挥隧道掘进机开挖硬岩隧道的优势，进一步降低机械刀具磨损，大幅度提高破岩效率。

附图说明

图1为本发明的微波加热与高压水切割联合辅助破岩的硬岩隧道掘进机的结构示意图；

图2为本发明的微波加热辅助破岩系统的结构示意图；

图3为本发明的高压水切割辅助破岩系统的结构示意图；

图4为本发明的微波加热辅助破岩系统及高压水切割辅助破岩系统在刀盘内部的布置示意图；

图5为本发明的微波加热器、挡水板、高压水喷头及滚刀在刀盘上的布置示意图(第一种布置方式)；

图6为本发明的微波加热器、挡水板、高压水喷头及滚刀在刀盘上的布置示意图(第二种布置方式)；

图中，i—掘进机主体，ii—微波加热辅助破岩系统，iii—高压水切割辅助破岩系统，1—微波发生器，2—隔离器，3—调配器，4—第一传输波导，5—转弯波导，6—旋转波导，7—第一功率分配器，8—第二传输波导，9—第二功率分配器，10—第三传输波导，11—微波加热器，12—刀盘，13—主梁，14—高压水增压装置，15—第一高压水管，16—回转接头，17—分流器，18—第二高压水管，19—高压水喷头，20—挡水板，21—滚刀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～6所示，一种微波加热与高压水切割联合辅助破岩的硬岩隧道掘进机，包括掘进机主体i、微波加热辅助破岩系统ii及高压水切割辅助破岩系统iii；所述微波加热辅助破岩系统ii设置在掘进机主体i上，通过微波加热辅助破岩系统ii对岩石进行加热致裂；所述高压水切割辅助破岩系统iii设置在掘进机主体i上，通过高压水切割辅助破岩系统iii对岩石进行水力切割；破岩顺序为：先通过微波加热辅助破岩系统ii对岩石进行加热致裂，再通过高压水切割辅助破岩系统iii对岩石进行水力切割，然后通过掘进机主体i对岩石进行挤压破碎。

所述微波加热辅助破岩系统ii包括微波发生器1、隔离器2、调配器3、第一传输波导4、转弯波导5、旋转波导6、第一功率分配器7、第二传输波导8、第二功率分配器9、第三传输波导10及微波加热器11；所述第二传输波导8的数量为两根，所述第二功率分配器9的数量为两个，所述第三传输波导10的数量为四根，所述微波加热器11的数量为四个；所述旋转波导6安装在掘进机主体i的刀盘12中心处，旋转波导6的微波输出端与微波输入端采用同轴套装结构，旋转波导6的微波输出端相对于微波输入端具有回转自由度，旋转波导6的微波输出端与刀盘12固定连接；所述微波发生器1固定安装在掘进机主体i的主梁13上，微波发生器1的微波输出端与旋转波导6的微波输入端依次通过隔离器2、调配器3、第一传输波导4及转弯波导5相连；所述隔离器2用于吸收未被岩石吸收而反射回的微波能量；所述调配器3用于对阻抗进行自动匹配调节，使微波发生器1产生的微波能量被岩石充分吸收；所述第一功率分配器7的微波输入端与旋转波导6的微波输出端相连，第一功率分配器7的微波输出端分两路进行输出，每一路均与一根第二传输波导8相连，每一根第二传输波导8的微波输出端均连接有一个第二功率分配器9；所述第二功率分配器9的微波输入端与第二传输波导8的微波输出端相连，第二功率分配器9的微波输出端也分两路进行输出，每一路均与一根第三传输波导10相连，每一根第三传输波导10的微波输出端均连接有一个微波加热器11；所述微波加热器11固定嵌装在刀盘12上的微波加热通孔内，微波加热器11的微波输出端与岩石表面正对。

所述高压水切割辅助破岩系统iii包括高压水增压装置14、第一高压水管15、回转接头16、分流器17、第二高压水管18及高压水喷头19；所述第二高压水管18的数量为四根，所述高压水喷头19的数量为四个；所述分流器17安装在掘进机主体i的刀盘12中心处，分流器17采用圆环形结构，分流器17同心套在旋转波导6的外侧，分流器17与刀盘12固定连接；所述回转接头16采用圆环形结构，回转接头16同心套装在分流器17上，回转接头16与分流器17转动密封连接，分流器17与回转接头16相连通，分流器17相对于回转接头16具有回转自由度；所述高压水增压装置14固定安装在掘进机主体i的主梁13上，高压水增压装置14的出水端与回转接头16的进水端通过第一高压水管15相连通；所述分流器17的出水端分四路输出，每一路均与一根第二高压水管18相连通，每一根第二高压水管18的出水端均连接有一个高压水喷头19；所述高压水喷头19固定嵌装在刀盘12上的高压水喷射通孔内，高压水喷头19的喷射端与岩石表面正对。

在所述微波加热器11与高压水喷头19之间的刀盘12上设置有挡水板20，高压水喷头19与刀盘12上的滚刀21相邻，微波加热器11、挡水板20、高压水喷头19及滚刀21顺序设置在滚刀21切削轨迹上，微波加热器11、挡水板20及高压水喷头19位于滚刀21切削轨迹的前方；所述微波加热器11、挡水板20、高压水喷头19及滚刀21在刀盘12上的布置方式有两种；第一种分布方式为：在所有切削轨迹上的微波加热器11、挡水板20、高压水喷头19及滚刀21之间的间距均相等；第二种分布方式为：所有切削轨迹上的微波加热器11沿刀盘12上的同一直径方向分布，所有切削轨迹上的高压水喷头19沿刀盘12上的同一直径方向分布。

当本发明的微波加热与高压水切割联合辅助破岩的硬岩隧道掘进机开挖硬岩隧道时，先控制刀盘12转动，同时启动微波加热辅助破岩系统ii和高压水切割辅助破岩系统iii，通过转动的刀盘12带动滚刀21推入掌子面岩石，在刀盘12转动过程中，掌子面岩石首先通过微波加热器11输出的微波能量实现加热致裂，再通过高压水喷头19输出的高压水射流实现水力切割，最后再通过滚刀21对岩石进行挤压破碎。在连续破岩过程中，由于挡水板20的存在，可以避免高压水飞溅进入微波加热器11内，从而防止微波能量的损耗。此外，为了保证最佳的微波加热致裂效果以及水力切割效果，需要使微波加热器11和高压水喷头19与掌子面岩石之间保持一定的距离。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。