一种冷热交替循环弱化硬岩的装置的制作方法

1.本实用新型涉及盾构施工技术领域，尤其涉及一种冷热交替循环弱化硬岩方法，适用于辅助盾构机对坚硬岩体掘进施工。


背景技术：

2.随着科学技术的不断进步，盾构隧道技术得到日益广泛的采用，同时也不断遇到新的技术挑战。如盾构隧道在冻土层掘进过程中常碰到由硬岩、冻土地层形成的坚硬岩体。盾构机在坚硬岩体掘进施工中存在刀具过快损坏的风险。
3.盾构机具有刀盘，刀盘上的刀具作为盾构机掘进的最终执行部件，其使用寿命直接关系到盾构机的掘进效率。如何实现硬岩的高效破碎已经成为亟待解决的问题和难题，亟需研究新的岩石破碎方法实现坚硬岩石的高效破碎，对实现盾构机高效掘进具有极其重要的意义。
4.以往主要通过增大机械驱动功率实现机械破碎坚硬岩石，但机械截齿、刀盘破岩能力没有发生改变，仅增大功率会导致岩石破碎机构的磨损加剧、工作面粉尘量增大，难以有效提升机械的破岩效率，且安全隐患增大。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种冷热交替循环弱化硬岩的装置，用于弱化岩体强度和岩体抗截割能力，从而提高盾构机对坚硬岩体的施工效率和安全性。
6.为实现上述目的，本实用新型提供了一种冷热交替循环弱化硬岩的装置，包括用于安装在盾构机刀盘中心处的主机架，主机架上设有钻进机构和冷热循环弱化硬岩机构；
7.冷热循环弱化硬岩机构包括冷流装置、热流装置以及用于向钻孔内喷射冷流体或热流体的喷射装置，以流体的流动方向为下游方向，冷流装置和热流装置的下游端均与喷射装置相连接。
8.所述冷流装置为液氮装置，包括通过冷流管路由上游向下游依次串联在一起的液氮瓶、液压泵和冷流阀，冷流阀下游方向的冷流管路与喷射装置相连通；
9.所述热流装置为热气装置，包括通过热流管路由上游向下游依次串联在一起的热气源、气泵和热流阀，热流阀下游方向的热流管路与喷射装置相连通。
10.液压泵和冷流阀门之间的冷流管路上设有液氮增压器；气泵与热流阀门之间的热流管路上设有气体增压器。
11.钻进机构包括第一多自由度机械臂，第一多自由度机械臂连接有第一导轨，第一导轨上设有钻孔装置，
12.钻孔装置另一侧的第一导轨上设有裂缝识别传感装置，裂缝识别传感装置通过线路连接有信号处理装置，信号处理装置连接有显示屏，线路具有冗余长度。
13.所述钻孔装置为钻机。
14.所述钻孔装置为水射流装置，主机架上设有连接外置水源的高压水泵，高压水泵
通过高压水管连接水射流装置，高压水管具有冗余长度。
15.所述喷射装置包括第二多自由度机械臂，第二多自由度机械臂连接有第二导轨，第二导轨上设有复合管道，复合管道的下游端连接有喷嘴，复合管道的上游端与冷流管路和热流管路相连接。
16.本实用新型具有如下的优点：
17.本实用新型在采用单一冷浸致裂的基础上，与液氮相对应的方面增添了热气体进行循环致裂硬岩。相较于冷浸硬岩再加热而言，本实用新型可使硬岩在短时间内受到温度变化极大的两种介质循环致裂，更加剧烈的热胀冷缩对于硬岩的破裂更加有效。
18.本实用新型在盾构机对坚硬岩体进行机械化截割、装载和输送之前，增加在坚硬岩体中进行钻孔与割缝、冷热循环致裂的工序，从而弱化岩体强度和抗截割能力，以提高盾构机对坚硬岩体的施工效率和安全性，降低了盾构机刀盘的损耗。
19.具体地，在盾构施工遇到硬岩层时，可以将本实用新型安装在盾构机刀盘中心处，通过钻孔后交替喷射冷流和热流弱化硬岩的岩体强度和抗截割能力，从而提高盾构机对坚硬岩体的施工效率和安全性，并降低盾构机刀具磨损，延长盾构机刀盘的使用寿命。
20.冷流装置和热流装置结构简单，便于安装制作，通过冷流阀和热流阀的切换可以方便地控制喷射装置交替喷出热流或冷流。液氮增压器和气体增压器能够降低对液压泵和气泵的要求，降低设备购置成本和维护成本。
21.冷流和热流交替作用于钻孔内的岩体一段时间后，硬岩内部产生裂缝；当裂缝识别传感装置感应到硬岩表面出现裂缝时，说明岩体已成功被弱化，此时就可以结束本实用新型的工作，拆卸本实用新型后继续进行正常的盾构作业。线路具有冗余长度可以适应第一多自由度机械臂的动作。
附图说明
22.图1是本实用新型的俯视结构示意图；
23.图2是本实用新型的主视结构示意图。
具体实施方式
24.实施例一
25.如图1和图2所示，本实用新型的一种冷热交替循环弱化硬岩的装置包括用于安装在盾构机刀盘中心处的主机架1，主机架1上设有钻进机构和冷热循环弱化硬岩机构；
26.冷热循环弱化硬岩机构包括冷流装置、热流装置以及用于向钻孔内喷射冷流体或热流体的喷射装置，以流体的流动方向为下游方向，冷流装置和热流装置的下游端均与喷射装置相连接。
27.本实用新型结构简单，在盾构施工遇到硬岩层时，可以将本实用新型安装在盾构机刀盘中心处，通过钻孔后交替喷射冷流和热流弱化硬岩的岩体强度和抗截割能力，从而提高盾构机对坚硬岩体的施工效率和安全性，并降低盾构机刀具磨损，延长盾构机刀盘的使用寿命。
28.所述冷流装置为液氮装置，包括通过冷流管路14由上游向下游依次串联在一起的液氮瓶10、液压泵11和冷流阀13，冷流阀13下游方向的冷流管路14与喷射装置相连通；
29.所述热流装置为热气装置，包括通过热流管路18由上游向下游依次串联在一起的热气源15、气泵16和热流阀22，热流阀22下游方向的热流管路18与喷射装置相连通。
30.其中，热气源15可以是外接的热气管路如蒸汽管路，也可以是由电加热器等热源加热的热空气箱。
31.冷流装置和热流装置结构简单，便于安装制作，通过冷流阀13和热流阀22的切换可以方便地控制喷射装置交替喷出热流或冷流。
32.液压泵11和冷流阀13门之间的冷流管路14上设有液氮增压器12；气泵16与热流阀22门之间的热流管路18上设有气体增压器17。
33.液氮增压器12和气体增压器17能够降低对液压泵11和气泵16的要求，降低设备购置成本和维护成本。
34.钻进机构包括第一多自由度机械臂3，第一多自由度机械臂3连接有第一导轨25，第一导轨25上设有钻孔装置7，
35.钻孔装置7另一侧的第一导轨25上设有裂缝识别传感装置8，裂缝识别传感装置8通过线路21连接有信号处理装置20，信号处理装置20连接有显示屏，线路21具有冗余长度。
36.信号处理装置20可以是单片机或信号处理模块。显示屏为常规技术，优选设置于主机架1外便于观察的地方，图未示。冷流和热流交替作用于钻孔内的岩体一段时间后，硬岩内部产生裂缝；当裂缝识别传感装置8感应到硬岩表面出现裂缝时，说明岩体已成功被弱化，此时就可以结束本实用新型的工作，拆卸本实用新型后继续进行正常的盾构作业。线路21具有冗余长度可以适应第一多自由度机械臂3的动作。
37.裂缝识别传感装置8优选采用光纤光栅裂缝传感器，光纤光栅做传感元件体积小、重量轻、便于传感；抗电磁干扰、稳定性好；同时测量信息以波长编码，因而光纤光栅不受光源光强等因素的影响，有较强的抗干扰能力，易于实现微小裂缝的测量。
38.实施例一中，所述钻孔装置7为钻机。
39.所述喷射装置包括第二多自由度机械臂2，第二多自由度机械臂2连接有第二导轨4，第二导轨4上设有复合管道6，复合管道6的下游端连接有喷嘴5，复合管道6的上游端与冷流管路14和热流管路18相连接。
40.盾构机向前掘进，遇到硬岩时，刀盘驱动装置中的载荷传感器识别阻力过大，刀盘驱动装置停止工作，盾构机停止掘进。确保本实用新型安装好后，控制第一多自由度机械臂3由盾构机刀盘中心伸出对准硬岩，控制钻机进行钻孔作业。
41.钻孔后，进行控制第一多自由度机械臂3离开钻孔，使第二多自由度机械臂2带动喷嘴5进入钻孔，通过交替打开冷流装置和热流装置，对岩体进行冷热循环致裂弱化强度的作业。
42.打开冷流装置时，液氮瓶10、液压泵11、液氮增压器12和冷流阀13均打开；打开热流装置时，热气源15、气泵16、气体增压器17和热流阀22均打开。循环致裂的过程中关闭冷流装置和热流装置时，不必关闭液氮瓶10和热气源15。
43.裂缝识别传感装置8（光纤光栅裂缝传感器）将硬岩表面的实时传感信号发送至所述信号处理装置20，工作人员通过显示屏可以实时监控硬岩状态，当有硬岩表面有裂缝产生时表明其内部裂隙已经足够多，硬岩强度下降，此时即可结束本实用新型的工作，准备继续进行盾构掘进作业。
44.实施例二
45.本实施例与实施例一的不同之处在于：钻孔装置7为水射流装置，主机架1上设有连接外置水源的高压水泵19，高压水泵19通过高压水管9连接水射流装置，高压水管9具有冗余长度。在钻孔作业后，继续通过水射流在钻孔内进行割缝，以利于冷热循环时冷流体和热流体深入硬岩岩体。
46.以上实施例仅用以说明而非限制本实用新型的技术方案，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。