[發(fā)明專利]具有超聲波振動(dòng)作用的盾構(gòu)滾刀及滾刀破巖方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811343865.2
• 申請(qǐng)日: 2018-11-13
• 公開（公告）號(hào): CN109281680B
• 公開（公告）日: 2023-08-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙大軍;韓君鵬;王美艷;石欣;李政陽(yáng);吳金發(fā)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號(hào): E21D9/08
• 分類號(hào): E21D9/08
• 代理公司: 長(zhǎng)春市吉利專利事務(wù)所(普通合伙) 22206
• 代理人: 李曉莉

具有超聲波振動(dòng)作用的盾構(gòu)滾刀及滾刀破巖方法，屬于隧道盾構(gòu)施工領(lǐng)域，滾刀包括導(dǎo)電系統(tǒng)、超聲波振動(dòng)器及刀具系統(tǒng)，導(dǎo)電系統(tǒng)包括電導(dǎo)線接頭、電刷、導(dǎo)電環(huán)及導(dǎo)電通道；超聲波振動(dòng)器包括壓電陶瓷組件、碟簧及絕緣板；刀具系統(tǒng)包括刀圈、刀體及刀軸，滾刀工作時(shí)，通過電刷與導(dǎo)電環(huán)將電源接入超聲波振動(dòng)器，超聲波振動(dòng)器產(chǎn)生接近巖石固有頻率的超聲波振動(dòng)作用傳遞給刀圈施加在巖石上，滾刀下方的巖石同時(shí)承受滾刀的滾動(dòng)力和超聲波振動(dòng)力的作用。本發(fā)明將超聲波振動(dòng)器與傳統(tǒng)盾構(gòu)滾刀刀圈復(fù)合使?jié)L刀刀圈內(nèi)部能夠自發(fā)向外產(chǎn)生指向巖石受力面的超聲波振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的超聲波振動(dòng)力與滾動(dòng)力復(fù)合作用切割破碎巖石，提高滾刀碎巖效率，延長(zhǎng)滾刀的使用壽命。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種具有超聲波振動(dòng)作用的盾構(gòu)滾刀及滾刀破巖方法，其主要應(yīng)用于隧道盾構(gòu)施工領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)程不斷加快，地下空間的開發(fā)利用不斷成為各個(gè)地區(qū)的發(fā)展重點(diǎn)。隧道掘進(jìn)機(jī)因其施工速度快、成洞質(zhì)量高、作業(yè)連續(xù)性好等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為長(zhǎng)隧道施工優(yōu)先選用的設(shè)備。其掘進(jìn)原理是通過油缸將刀盤上的滾刀壓在巖石表面，當(dāng)施加的壓力大于巖石的抗壓強(qiáng)度時(shí)，滾刀壓入巖石，巖石將會(huì)產(chǎn)生裂紋，當(dāng)相鄰兩滾刀產(chǎn)生的裂紋貫通時(shí)，其間的巖石脫落，達(dá)到破碎巖體的效果。硬巖地層巖石具有較高的強(qiáng)度，此時(shí)破壞其所需要的壓力降急劇增大，而當(dāng)?shù)貙又惺⒑枯^高時(shí)，巖石的研磨性較強(qiáng)，刀具在強(qiáng)擠壓、高研磨的條件下工作，其損壞失效的速度將大幅度加快，因此在硬巖條件下隧道掘進(jìn)的進(jìn)尺速度較慢、刀具磨損較快，大大增加了施工成本。目前，硬巖地層隧道掘進(jìn)施工中存在進(jìn)尺速度慢、滾刀壽命短、施工成本高的問題，而廣泛采用的利用滾刀在推力與扭矩的作用下滾切巖石方法的破巖效率還有較大的提升空間。

超聲波振動(dòng)能夠?qū)r石產(chǎn)生沖擊載荷，促使巖石中的裂隙擴(kuò)展，有助于形成破碎穴，可以降低巖石的強(qiáng)度。對(duì)巖石施加接近其固有頻率的超聲波振動(dòng)，能夠使巖石產(chǎn)生共振，其內(nèi)部疲勞損傷累積，從而弱化巖石，達(dá)到使其易于破碎的目的。超聲波振動(dòng)碎巖具有消耗能量少、所需軸向壓力低等優(yōu)點(diǎn)，已被嘗試用于太空鉆探領(lǐng)域。

在巖層掘進(jìn)方面目前已有專利文獻(xiàn)，如：公布號(hào)“CN107780946A”公開了一種基于超聲波共振的掘進(jìn)機(jī)截割頭，針對(duì)煤巖地層切割需求，在掘進(jìn)機(jī)切割頭后方滾筒處加入超聲波振動(dòng)器，掘進(jìn)時(shí)需分超聲波振動(dòng)弱化巖石和切割破碎巖石兩個(gè)階段交替操作，且無法精準(zhǔn)地將超聲波振動(dòng)施加到每個(gè)切削刀具上；公布號(hào)“CN104612684A”公開了一種超聲沖擊截齒，在鎬形截齒后端安裝超聲波發(fā)射模塊利用微振動(dòng)增強(qiáng)破碎效率，其截齒在使用過程中超聲波振動(dòng)方向始終與巖石受力面存在一定夾角，無法高效利用超聲波振動(dòng)作用，且目標(biāo)地層相對(duì)較軟。公開號(hào)“CN105422114A”公開了一種帶有超聲波振動(dòng)器的TBM高效碎巖刀盤，在掘進(jìn)機(jī)滾刀的刀軸后方固定超聲波振動(dòng)器形成高頻聲波振動(dòng)與回轉(zhuǎn)聯(lián)合碎巖掘進(jìn)。目前，針對(duì)高強(qiáng)度脆性巖石地層，能夠連續(xù)工作的自發(fā)式超聲波振動(dòng)切割破碎硬巖刀具尚未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種具有超聲波振動(dòng)作用的盾構(gòu)滾刀及滾刀破巖方法，具體該滾刀其刀圈內(nèi)部能夠自發(fā)向外產(chǎn)生指向巖石受力面的超聲波振動(dòng)并且實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作，用于解決在硬巖條件下隧道掘進(jìn)的進(jìn)尺速度較慢、刀具磨損較快、施工成本高的問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：具有超聲波振動(dòng)作用的盾構(gòu)滾刀，其特征是，包括：導(dǎo)電系統(tǒng)、超聲波振動(dòng)器及刀具系統(tǒng)，

所述的導(dǎo)電系統(tǒng)包括電導(dǎo)線接頭、電刷、導(dǎo)電環(huán)、絕緣片、軸向?qū)щ娡ǖ兰皥A周導(dǎo)電通道，所述電導(dǎo)線接頭的一端通過電線與外部電源連接，電導(dǎo)線接頭的另一端通過電刷與導(dǎo)電環(huán)連接；所述導(dǎo)電環(huán)設(shè)置于刀體上，在導(dǎo)電環(huán)上均勻布置有絕緣片；所述絕緣片用于將導(dǎo)電環(huán)分為若干個(gè)獨(dú)立的工作區(qū)域，并在每個(gè)工作區(qū)域?qū)?yīng)的導(dǎo)電環(huán)中部各設(shè)置有一個(gè)軸向?qū)щ娡ǖ溃凰鰣A周導(dǎo)電通道與軸向?qū)щ娡ǖ肋B接，圓周導(dǎo)電通道設(shè)置在相鄰兩超聲波振動(dòng)器之間，通過圓周導(dǎo)電通道將相鄰兩超聲波振動(dòng)器接入同一電路；滾刀工作時(shí)，將電刷指向巖石，保證距離巖石受力面最近的兩個(gè)超聲波振動(dòng)器處于通電工作狀態(tài)；