CN120083525A 一种搭载高压射流系统的泥水盾构机及其工作方法 （山东大学）

(19)国家知识产权局(71)申请人山东大学17923号(74)专利代理机构济南圣达知识产权代理有限公司37221专利代理师闫伟姣(54)发明名称一种搭载高压射流系统的泥水盾构机及其工作方法(57)摘要本发明属于地下工程技术领域，提出了一种搭载高压射流系统的泥水盾构机及其工作方法，包括刀盘机构，以及通过回转中心设置在刀盘机构上的泥水供给机构和高压射流机构；其中，高压水供给组件包括，通过管道动静转换端连接的第一供水管和第二供水管；磨料供给组件包括与固定端连接的第一供料管，以及与转动端连接的第二供料管；第二供水管和第二供料管共同连接有喷头，喷头设置在刀盘机构上，在软土地层施工过程中，当刀盘机构突然遇到石块等较硬物质时，通过第二供水管和第二供料管向喷头提供高压水和磨料，通过水射流的方式切割石块等较硬难和重职难和重职24自21.一种搭载高压射流系统的泥水盾构机，其特征在于，包括刀盘机构，以及通过回转中心设置在所述刀盘机构上的泥水供给机构和高压射流机构；所述回转中心包括固定端，以及设置在所述固定端两端的管道动静转换端和转动端；所述高压射流机构包括高压水供给组件和磨料供给组件；所述高压水供给组件包括，通过所述管道动静转换端连接的第一供水管和第二供水管；所述磨料供给组件包括与所述固定端连接的第一供料管，以及与所述转动端连接的第二供料管；所述转动端与所述刀盘机构连接，所述第二供水管和所述第二供料管共同连接有喷头，所述喷头设置在所述刀盘机构上。2.如权利要求1所述的一种搭载高压射流系统的泥水盾构机，其特征在于，所述泥水供给机构包括第一泥水供给管路和第二泥水供给管路；所述第一泥水供给管路和第二泥水供给管路通过所述回转中心连接。3.如权利要求1所述的一种搭载高压射流系统的泥水盾构机，其特征在于，所述喷头包括喷头本体，以及设置在所述喷头本体上的直线喷嘴。4.如权利要求1所述的一种搭载高压射流系统的泥水盾构机，其特征在于，所述固定端远离所述转动端的一端设置有管道动静转换端，所述第一供水管与所述管道动静转换端的固定端连接，且所述管道动静转换端的固定端与所述固定端连接，所述管道动静转换端的转动端连接有供水转接管，所述第二供水管通过供水转接管与所述管道动静转换端连接；所述供水转接管远离所述管道动静转换端的一端，设置有供水分接头，所述供水分接头上设置有多个第二供水管；所述转动端的内壁与所述供水转接管之间设置有固定支架；所述高压水供给组件包括多个泵，多个泵串联和/或并联构成一个或多个泵组；一个或多个泵组均与所述第一供水管连接。5.如权利要求2所述的一种搭载高压射流系统的泥水盾构机，其特征在于，所述固定端上设置有第一泥水供给连接头，所述第一泥水供给管路与所述第一泥水供给连接头连接，所述转动端上设置有第二泥水供给连接头，所述第二泥水供给连接头上连接有多个第二泥水供给管路。6.如权利要求1所述的一种搭载高压射流系统的泥水盾构机，其特征在于，所述固定端的外壁上设置料仓，所述转动端的外壁上设置磨料出口；所述料仓与所述磨料出口连通，所述第一供料管与所述料仓连接，所述第二供料管与所述磨料出口连接。7.如权利要求1所述的一种搭载高压射流系统的泥水盾构机，其特征在于，所述刀盘机构包括滚刀，所述滚刀的环形切割线两侧分别设置一个喷头。8.如权利要求1所述的一种搭载高压射流系统的泥水盾构机，其特征在于，所述刀盘机构包括滚刀，所述喷头设置在所述滚刀所在的环形切割线上；所述刀盘机构上还设置有，用于冲洗泥饼的至少一个固定式喷头、至少一个可伸缩式喷头、至少一个旋转式喷头、至少一个脉冲式喷头和至少一个摆动式喷头中的一种或几种。9.一种搭载高压射流系统的泥水盾构装工作方法，其特征在于，采用了如权利要求1-8任一项所述的搭载高压射流系统的泥水盾构机，包括：在软土地层施工过程中，当刀盘机构突然遇到硬物质时，通过第二供水管和第二供料管向喷头提供高压水和磨料，通过水射流的方式切割硬物质。10.如权利要求9所述的一种搭载高压射流系统的泥水盾构装工作方法，其特征在于，3当滚刀处压力大于预设值时，启动高压射流机构进行辅助掘进，启动切割模式；当滚刀处压力小于或等于预设值，而盾构机刀盘推力增大到预设推力后，判断为有泥饼存在，此时，启动高压射流机构，进入冲洗泥饼模式，执行冲洗泥饼模式时不提供磨料。4一种搭载高压射流系统的泥水盾构机及其工作方法技术领域[0001]本发明属于地下工程技术领域，尤其涉及一种搭载高压射流系统的泥水盾构机及其工作方法。背景技术[0002]泥水盾构机主要适用于软土地层、砂土层、砂砾层和卵石砂砾层等地层，尤其适用于地层含水量大、上方有大水体的越江隧道和海底隧道的施工。[0003]目前，泥水盾构机主要靠往内部冲入泥浆混合物来达到泥水平衡，进而保持压力，实现隧道平面的高效稳定安全的掘进，而当遇到地质复杂，软硬不均，有软有硬的地质条件磨损概率，影响施工效率并可能引发安全风险；除了突然出现石块等影响掘进工作外，在泥水盾构机掘进过程中，形成的泥饼也会影响泥浆冲入和掘进等工作。发明内容[0004]本发明为了解决上述问题，提出了一种搭载高压射流系统的泥水盾构机及其工作方法，在软土地层施工过程中，当刀盘机构突然遇到石块等较硬物质时，通过第二供水管和第二供料管向喷头提供高压水和磨料，通过水射流的方式切割石块等较硬物质，降低对滚刀的磨损和破坏，保证了施工效率和安全性。[0005]为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种搭载高压射流系统的泥水盾构一种搭载高压射流系统的泥水盾构机，包括刀盘机构，以及通过回转中心设置在所述刀盘机构上的泥水供给机构和高压射流机构；所述回转中心包括固定端，以及设置在所述固定端两端的管道动静转换端和转动端；所述高压射流机构包括高压水供给组件和磨料供给组件；所述高压水供给组件包括，通过所述管道动静转换端连接的第一供水管和第二供水管；所述磨料供给组件包括与所述固定端连接的第一供料管，以及与所述转动端连接的第二供料管；所述转动端与所述刀盘机构连接，所述第二供水管和所述第二供料管共同连接有喷头，所述喷头设置在所述刀盘机构上。[0006]进一步的，所述泥水供给机构包括第一泥水供给管路和第二泥水供给管路；所述第一泥水供给管路和第二泥水供给管路通过所述回转中心连接。[0007]进一步的，所述喷头包括喷头本体，以及设置在所述喷头本体上的直线喷嘴。[0008]进一步的，所述固定端远离所述转动端的一端设置有管道动静转换端，所述第一供水管与所述管道动静转换端的固定端连接，且所述管道动静转换端的固定端与所述固定端连接，所述管道动静转换端的转动端连接有供水转接管，所述第二供水管通过供水转接管与所述管道动静转换端连接；所述供水转接管远离所述管道动静转换端的一端，设置有供水分接头，所述供水分接头上设置有多个第二供水管；所述转动端的内壁与所述供水转5接管之间设置有固定支架；所述高压水供给组件包括多个泵，多个泵串联和/或并联构成一个或多个泵组；一个或多个泵组均与所述第一供水管连接。[0009]进一步的，所述固定端上设置有第一泥水供给连接头，所述第一泥水供给管路与所述第一泥水供给连接头连接，所述转动端上设置有第二泥水供给连接头，所述第二泥水供给连接头上连接有多个第二泥水供给管路。[0010]进一步的，所述固定端的外壁上设置料仓，所述转动端的外壁上设置磨料出口；所述料仓与所述磨料出口连通，所述第一供料管与所述料仓连接，所述第二供料管与所述磨料出口连接。[0011]进一步的，所述刀盘机构包括滚刀，所述滚刀的环形切割线两侧分别设置一个喷[0012]进一步的，所述刀盘机构包括滚刀，所述喷头设置在所述滚刀所在的环形切割线上；所述刀盘机构上还设置有，用于冲洗泥饼的至少一个固定式喷头、至少一个可伸缩式喷头、至少一个旋转式喷头、至少一个脉冲式喷头和至少一个摆动式喷头中的一种或几种。[0013]为了实现上述目的，第二方面，本发明还提供了一种搭载高压射流系统的泥水盾一种搭载高压射流系统的泥水盾构装工作方法，采用了如第一方面中所述的搭载高压射流系统的泥水盾构机，包括：在软土地层施工过程中，当刀盘机构突然遇到硬物质时，通过第二供水管和第二供料管向喷头提供高压水和磨料，通过水射流的方式切割硬物[0014]进一步的，当滚刀处压力大于预设值时，启动高压射流机构进行辅助掘进，启动切割模式；当滚刀处压力小于或等于预设值，而盾构机刀盘推力增大到预设推力后，判断为有本发明中，通过回转中心在刀盘机构上设置泥水供给机构和高压射流机构；其中，高压水供给组件包括，通过管道动静转换端连接的第一供水管和第二供水管；磨料供给组件包括与固定端连接的第一供料管，以及与转动端连接的第二供料管；第二供水管和第二供料管共同连接有喷头，喷头设置在刀盘机构上，在软土地层施工过程中，当刀盘机构突然遇到石块等较硬物质时，通过第二供水管和第二供料管向喷头提供高压水和磨料，通过水射流的方式切割石块等较硬物质，降低对滚刀的磨损和破坏，保证了施工效率和安全性。附图说明[0016]构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。[0017]图1为本发明实施例1的装置结构示意图；图2为本发明实施例1的喷头结构示意图；图3为本发明实施例1的回转中心结构示意图；图4为本发明实施例1的回转中心剖视图；图5为本发明实施例1的喷头位置布局图；6图6为本发明实施例1的滚刀作用区域示意图；图7为本发明实施例1的控制器连接示意图；图8为本发明实施例2的滚刀作用区域示意图；具体实施方式[0018]下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。[0019]应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。[0020]实施例1:常用的隧道掘进方法主要分为钻爆法和掘进机施工法。钻爆法隧道施工机械化程度高，在普通硬岩隧道中掘进时，日进尺可达30~40m/d,是钻爆法施工速度的3~10倍，且在现场操作人员安全方面具有显著优势。然而，全断面隧道掘进机在硬岩超硬岩、高磨蚀性地层等极复杂地质条件下掘进时，常常出现机械刀具破岩能力不足、刀具损耗加剧、换刀时间占比高等突出问题，严重制约现场施工效率。为了提升全断面隧道掘进机的破岩能力，国内外众多科研、生产机构持续开展了高效破岩研究并形成了诸多新型破岩方法。其中，高压水射流技术具有清洁环保、低能高效、易于实现的特点，并且有丰富的实践基础，被认为是极具潜力的破岩方法。利用高压水射流与机械刀具破岩效果的有益叠加，可增加机械刀具贯入度，降低刀具磨损率，大幅提升掘进效率。因此，高压水射流辅助破岩技术在隧道高效掘进领域具有很高的研究与应用价值。[0021]如背景技术中记载的，泥水盾构机主要适用于软土地层、砂土层、砂砾层和卵石砂砾层等地层，通过机械刀具的作用，完全能够实现软土地层、砂土层等的掘进，不需要高压然出现较硬石块等较硬物质时，会对滚刀造成破坏，或增加滚刀的磨损概率，影响施工效率并可能引发安全风险。[0022]基于此，如图1所示，本实施例提供了一种搭载高压射流系统的泥水盾构机，包括泥水供给机构1、高压射流机构2、回转中心3和刀盘机构4等。[0023]如图1所述，所述泥水供给机构1包括第一泥水供给管路101和第二泥水供给管路102等。可以理解的，所述第一泥水供给管路101的一端与泥水供给系统连接，实现泥水的供给，泥水供给系统为常规技术，在此不再详述；所述第一泥水供给管路101和第二泥水供给管路102通过回转中心3连接，实现了泥水动静转换目的。7[0024]如图1所示，所述高压射流机构2包括高压水供给组件201、磨料供给组件202和喷头203。[0025]如图1所示，所述高压水供给组件201用于给所述喷头203提供水射流所用的高压水；所述高压水供给组件201包括供水系统2011、第一供水管2012、供水分接头2013和第二供水管2014等。所述供水系统2011为高压水的水源和动力源提供系统，可以通过现有技术实现，在此不再详述；所述第一供水管2012和所述第二供水管2014通过所述回转中心3连接，实现高压水传输过程的动静转换。[0026]在一些实施例中，所述供水系统2011中设置有多个泵，多个泵串联和/或并联构成一个或多个泵组；一个或多个泵组均与所述第一供水管2012连接，用于提供足够的超高压大流量动力。[0027]如图1所示，磨料供给组件202包括供料系统2021、第一供料管2022和第二供料管2023;所述供料系统2021用于提供磨料，可以包括罐体和高压泵等部件，可以通过常规技术实现，在此不再详述；所述第一供料管2022和所述第二供料管2023通过所述回转中心3连[0028]如图1和图2所示，所述第二供水管2014和所述第二供料管2023共同连接在所述喷头203。所述喷头203用于提供最后的高压水射流，进行切割动作；可选的，所述喷头203包括喷头本体2031,以及设置在所述喷头本体2031上的直线喷嘴2032。[0029]如图3和图4所示，所述回转中心3包括转动连接的固定端301和转动端302;所述转动端302与所述刀盘机构4连接，在工作过程所述转动端302跟随所述刀盘机构4转动，实现动静转换。[0030]所述固定端301远离所述转动端302的一端设置有管道动静转换端3011可以采用旋转接头和转动接头等部件，所述第一供水管2012与所述管道动静转换端3011的固定端连接，且所述管道动静转换端3011的固定端与所述固定端301连接，所述管道动静转换端3011的转动端连接有供水转接管3022,所述第二供水管2014通过供水转接管3022与所述管道动静转换端3011连接。工作时，所述转动端302转动，带动所述第二供水管2014和所述供水转接管3022转动，所述供水转接管3022位于所述回转中心3中间预设的通孔内，不受其他密封件等的影响，能够保证供水压力。所述供水转接管3022远离所述管道动静转换端3011的一端，设置所述供水分接头2013,所述供水分接头2013上设置有多个第二供水管2014.为了提高所述供水转接管3022的稳定性，降低了供水过程中的振动等问题，在所述转动端302内壁与所述供水转接管3022之间设置有固定支架3023,所述固定支架3023可选的为金属三角形支架或其他支架。[0031]所述固定端301上设置有第一泥水供给连接头3012,可选的为三通，所述第一泥水供给管路101与所述第一泥水供给连接头3012连接，所述回转中心3中间预设的通孔也与所述第一泥水供给连接头3012连接，实现泥水的供给，并通过所述回转中心3实现动静转换；可选的，所述管道动静转换端3011设置在所述第一泥水供给连接头3012上。对应的，在所述转动端302上设置有第二泥水供给连接头3024,可选的，所述第二泥水供给连接头3024上连接有多个第二泥水供给管路102,所述第二泥水供给管路102最终将泥水传输到所述刀盘机[0032]所述固定端301的外壁上设置料仓3013,对应的所述转动端302的外壁上设置磨料8出口3021;所述料仓3013与所述磨料出口3021连通，实现磨料传输的动静转换；所述固定端301与所述转动端302的转动结构和原理实现，可以通过常规回转中心实现。所述第一供料管2022与所述料仓3013连接，所述第二供料管2023与所述磨料出口3021连接，工作时，磨料在所述供料系统2021流向所述第一供料管2022,然后经过动静转换后流入所述第二供料管2023,所述第二供料管2023中的磨料最终流向所述喷头203,整体结构简单。[0033]如图1所示，所述刀盘机构4包括刀盘体401,以及设置在所述刀盘体401上的多个出渣口402和滚刀403。侧分别设置一个喷头203,当出现石块等较硬物质时，两个喷头203沿环向将石块进行射流切割，使得石块在被切割面分为多个区域，降低了切割难度，然后所述滚刀403对两个射流切割线之间的部位进行切割，实现快速的对石块整体进行破坏，提高了切割效率和掘进效[0035]如图7所示，所述滚刀403上设置传感器6,比如压力传感器，所述传感器6连接有控制器5;所述控制器5还连接泥水供给机构1和高压射流机构2等。可选的，当所述控制器5判断所述传感器6检测到的压力大于预设值时，判断出现石块等较硬物质，此时启动所述高压射流机构2进行辅助掘进，直到压力小于或等于预设值后，关闭所述高压射流机构2。[0036]在其他一些实施例中，当判断当前的压力距离所述预设值的差值小于预设差值，且检测压力的升高速率高于预设速率时，则判断即将出现石块等较硬物质，此时提前启动所述高压射流机构2进行辅助掘进，避免所述滚刀403与石块接触后在启动所述高压射流机构2的现象，避免所述滚刀403与石块初步接触时的磨损或破坏问题。[0037]在其他一些实施例中，当启动所述高压射流机构2时，增加的压力大小，通过控制泥水供给机构1供给压力的改变来弥补，避免对泥水平衡切割造成影响。本实施例提供了一种搭载高压射流系统的泥水盾构机，如图8所示，与实施例1不同的是，在周向环形切割线上，所述滚刀403所在切割线轨迹上设置喷头203,当出现石块等较硬物质时，所述喷头203沿环向将石块进行射流切割，使得石块在被切割面分为多个区域，降低了切割难度，然后所述滚刀403对射流切割线部位进行切割，降低了对所述滚刀403的磨损程度。[0039]实施例3:本实施例提供了一种搭载高压射流系统的泥水盾构装工作方法，采用了如实施例1或实施例2中所述的搭载高压射流系统的泥水盾构机，包括：在软土地层施工过程中，当刀盘机构4突然遇到硬物质时，通过第二供水管2014和第二供料管2023向喷头203提供高压水和磨料，通过水射流的方式切割硬物质。[0040]实施例4:本实施例提供了一种搭载高压射流系统的泥水盾构装工作方法，采用了如实施例1或实施例2中所述的搭载高压射流系统的泥水盾构机；本实施例中，泥水盾构装置除了设置喷头203,还设置了用于冲洗泥饼的喷头，用于冲洗泥饼的喷头可以采用常规喷头实现，比如喷嘴倾斜设置，进行冲洗泥饼时，水射流能够喷射到刀盘体401上的泥饼。在一些实施例中，用于冲洗泥饼的喷头可以采用固定式喷头、可伸缩式喷头、旋转式喷头、脉冲式喷头9和摆动式喷头中的一种或几种，达到减少盲区、增加冲洗范围和增加冲洗力等目的。[0041]固定式喷头、可伸缩式喷头、旋转式喷头、脉冲式喷头和摆动式喷头可以采用常规喷头；或者，在其他一些实施例中，所述可伸缩式喷头可以包括油缸或其他伸缩装置，以及油缸或其他伸缩装置上的喷头，喷头的入水管可以设置在伸缩装置的伸缩杆端，避免伸缩动作影响；还可以采用将伸缩装置的中间设置为密封伸缩杆等结构。所述旋转式喷头可以采用依靠水压力可自动绕其竖轴旋转的喷头。或者，采用包括转动部和喷嘴的结构，所述转动部采用转动电机等动力源，设置转换头或转换件等实现水流在旋转时的传输。通过设置旋转式喷头，能够实现360°水射流喷射，增加了冲洗范围。所述或多个供水管上设置开关，