CN114856576A - 一种利用高速弹丸开挖任意断面的隧道开挖设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及隧道开挖设备技术领域，具体涉及一种利用高速弹丸开挖任意断面的隧道开挖设备，包括机体和弹丸发射系统，弹丸发射系统包括弹丸发射器和通过高压管路与弹丸发射器相连的高压泵，弹丸发射器用于发射弹丸，弹丸发射器通过至少可改变上下及左右位置的安装结构装配在机体上，以通过调整弹丸发射器的发射角度直接开挖出需要形状的断面。本发明直接利用弹丸发射器进行开挖，铣挖头配合对断面轮廓进行修整，通过改变弹丸发射器的发射角度，调整覆盖范围，直接开挖出需要形状的断面，可任意调节开挖尺寸，设备通用性和灵活性强，不需要配备传统的盾体和刀盘，避免了由于岩石硬度高而造成大量的刀具损耗，降低造价成本，掘进效率比传统钻爆法高。

Description

一种利用高速弹丸开挖任意断面的隧道开挖设备

技术领域

本发明涉及隧道开挖设备技术领域，具体涉及一种利用高速弹丸开挖任意断面的隧道开挖设备。

背景技术

目前隧道开挖中使用的岩石隧道掘进机(TBM)最适宜使用的围岩强度范围为30至150MPa，在围岩过于坚硬、耐磨的地质条件下，TBM的掘进效率受到限制，同时对设备本身也非常不利，而且在这种环境下设备往往处于满负荷、甚至超负荷状态，关键部件经常出现事故，并且对于操作人员技术水平要求较高，再加上掘进过程中频繁更换刀具，严重影响工程进度，增加工程造价。虽然目前国内外一些学者提出了一些新型辅助破岩技术，例如高压水射流、粒子冲击、激光破岩、等离子破岩等，但这些技术由于安全性、成本、环保、效率、可靠性等原因仍处于研究阶段或被作为机械化开挖的辅助手段使用。

例如申请公布号为CN109488317A的中国发明专利申请公开的利用高速粒子冲击破岩的新型全断面隧道掘进机，包括掘进机主机和与掘进机主机相配合的出渣系统，掘进机主机上设有盾体，盾体上设有刀盘，刀盘为固定刀盘，刀盘上设有粒子喷嘴，利用新型刀盘结构，配合粒子注入系统和粒子回收系统，根据刀盘上粒子喷嘴的安装结构调整任意形状断面。

但是，上述掘进机需配备传统的盾体和刀盘，造价成本过高，若需开挖不同直径和尺寸的断面，需要对刀盘、粒子喷嘴安装结构，甚至整个掘进机进行改造，通用性不强，灵活性差，成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用高速弹丸开挖任意断面的隧道开挖设备，以解决现有掘进机在设置粒子喷嘴时需配备盾体和刀盘而导致造价成本高、通用性不强、灵活性差的问题。

为实现上述目的，本发明中的利用高速弹丸开挖任意断面的隧道开挖设备采用如下技术方案：

一种利用高速弹丸开挖任意断面的隧道开挖设备，包括机体和弹丸发射系统，弹丸发射系统包括弹丸发射器和通过高压管路与弹丸发射器相连的高压泵，弹丸发射器用于发射撞击并破碎岩石的弹丸，且弹丸发射器通过至少可改变上下位置及左右位置的安装结构装配在机体上，以通过调整弹丸发射器的发射角度直接开挖出需要形状的断面。

上述技术方案的有益效果在于：弹丸发射系统包括弹丸发射器和通过高压管路与弹丸发射器相连的高压泵，使得弹丸发射器可以发射撞击并破碎岩石的弹丸，实现开挖；并且弹丸发射器通过至少可改变上下位置及左右位置的安装结构装配在机体上，这样通过安装结构改变弹丸发射器的上下位置及左右位置，从而改变弹丸发射器的发射角度，调整发射角度所覆盖的范围，进而直接开挖出需要形状的断面。

与现有技术相比，本发明的开挖设备直接利用弹丸发射器进行开挖，通过改变弹丸发射器的发射角度直接开挖出需要形状的断面，不需要配备传统的盾体和刀盘，从而可以降低造价成本，提高通用性和灵活性。

进一步地，所述安装结构包括安装在机体上的支撑架，弹丸发射器安装在支撑架上。

上述技术方案的有益效果在于：方便弹丸发射器的安装。

进一步地，机体上设置有与支撑架底部沿前后方向导向移动配合的轨道。

上述技术方案的有益效果在于：方便支撑架前后移动，改变弹丸发射器到掌子面的距离，获得需要的开挖效果。

进一步地，弹丸发射器通过球铰结构安装在支撑架上，所述安装结构还包括用于调整弹丸发射器上下位置的第一伸缩调节机构和用于调整弹丸发射器左右位置的第二伸缩调节机构，第一伸缩调节机构和第二伸缩调节机构的两端均分别与弹丸发射器和机体球铰连接。

上述技术方案的有益效果在于：弹丸发射器通过球铰结构安装在支撑架上，并且设置了第一伸缩调节机构和第二伸缩调节机构，方便改变弹丸发射器的上下位置和左右位置，同时调节机构的两端均为球铰，避免其中一个调节机构工作时，另外一个调节机构对其造成影响。

进一步地，利用高速弹丸开挖任意断面的隧道开挖设备还包括安装在机体前端的悬臂截割装置，悬臂截割装置包括悬臂和安装在悬臂前端的用于在隧道成型后对断面进行修整的铣挖头。

上述技术方案的有益效果在于：通过设置悬臂截割装置，且悬臂截割装置包括铣挖头，铣挖头可以在隧道成型后对断面进行修整，保证开挖形状符合要求。

进一步地，机体上还安装有带有碎石收集器的铲斗，铲斗位于铣挖头的下方，用于收集开挖出的硬岩碎屑。

上述技术方案的有益效果在于：通过设置带有碎石收集器的铲斗，并且铲斗位于铣挖头的下方，方便对开挖出的硬岩碎屑进行收集。

进一步地，机体上还安装有用于配合碎石收集器将硬岩碎屑运走的皮带机。

上述技术方案的有益效果在于：通过设置皮带机，方便出渣。

进一步地，悬臂上安装有用于检测掘进信号以与预设轨迹进行对比的激光雷达。

上述技术方案的有益效果在于：通过在悬臂上安装激光雷达，可以检测掘进信号，方便与预设轨迹进行对比，从而根据对比结果修整下一次弹丸发射角度，提高开挖轨迹与预设轨迹的重合度。

进一步地，弹丸发射器设置有至少两个。

上述技术方案的有益效果在于：开挖效率更高。

进一步地，所述的弹丸由混凝土或塑料制成，以与撞击的岩石一起粉碎。

上述技术方案的有益效果在于：方便弹丸和岩屑一起作为渣土排出。

附图说明

图1为本发明利用高速弹丸开挖任意断面的隧道开挖设备的结构示意图；

图2为本发明利用高速弹丸开挖任意断面的隧道开挖设备的弹丸发射器的装配示意图；

图3为本发明利用高速弹丸开挖任意断面的隧道开挖设备的控制原理图。

图中：1、弹丸；2、弹丸发射器；3、倾角传感器；4、铣挖头；5、悬臂截割装置；6、激光雷达；7、铲斗；8、弹丸发生罐；9、增压器；10、蓄能器；11、皮带机；12、机体；13、轨道；14、支撑架。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

需要说明的是，可能出现的术语如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何实际的关系或者顺序。而且，术语如“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”等限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步地详细描述。

本发明中利用高速弹丸开挖任意断面的隧道开挖设备(以下简称隧道开挖设备)的一个实施例如图1和图2所示，隧道开挖设备包括机体12和弹丸发射系统，弹丸发射系统包括弹丸发射器2和通过高压管路与弹丸发射器2相连的高压泵(图中未示出)。弹丸发射器2设有两个，均可以发射弹丸1，弹丸1可以撞击并破碎岩石，这一技术的原理是将带有特殊芯体的弹丸1装入高压泵中，高压泵利用冲压发动机或超燃冲压发动机的燃烧过程，使用喷气发动机的推进循环为弹丸加速，同时高压泵给腔室内的弹丸加压，这使得弹丸的速度可以达到超高速。在这个速度下，弹丸可以破碎任何岩体或沉积物，开挖的渣土和岩屑则被排出去。其中，弹丸的密度很高，由混凝土或塑料等易蚀材料制成，直径可根据需要破岩的岩石强度进行调整，这些弹丸运动速度极快，会和它们撞击的岩石一起粉碎，最终弹丸和岩屑都会被作为渣土排出。并且，弹丸发射器2可以多次反复发射弹丸，直到达到预期的深度。

如图1所示，在高压泵和弹丸发射器2之间的高压管路上依次连接有蓄能器10、增压器9、弹丸发生罐8，其中蓄能器10用于调节管路压力，增压器9用于对管路中的流体介质进行增压，弹丸发生罐8用于存放弹丸1，可以以后混的方式将弹丸1混入流体介质中，混合有弹丸1的流体介质由高压管路输送至弹丸发射器2处发射。上述的流体介质可以是水等液体，也可以是压缩空气等物质。高压管路具有高耐磨性和耐高压性，尽可能减小带有弹丸1的高压流体介质对高压管路的磨损。

本发明中的弹丸发射器2通过至少可改变上下位置及左右位置的安装结构装配在机体12上，以通过调整弹丸发射器2的发射角度直接开挖出需要形状的断面，弹丸发射器2上安装有用于检测其发射角度的倾角传感器3。具体地，如图2所示，上述安装结构包括安装在机体12上的支撑架14，弹丸发射器2通过球铰结构安装在支撑架14上，安装结构还包括用于调整弹丸发射器2上下位置的第一伸缩调节机构(图中未示出)和用于调整弹丸发射器2左右位置的第二伸缩调节机构(图中未示出)，第一伸缩调节机构和第二伸缩调节机构的两端均分别与弹丸发射器2和机体12球铰连接，这样不仅可以改变弹丸发射器2的上下位置和左右位置，而且在其中一个调节机构工作时，另外一个调节机构不会对其造成影响。当然实际应用时，为了方便两个调节机构的安装和使用，可以使机体12包括安装架，两个调节机构以合适的姿态连接在安装架上，例如一个在弹丸发射器2的下方，另外一个在弹丸发射器2的左侧或者右侧。此外，机体12上设置有与支撑架14底部沿前后方向导向移动配合的轨道13，可以改变弹丸发射器2的前后位置。

如图1所示，隧道开挖设备还包括安装在机体12前端的悬臂截割装置5，悬臂截割装置5包括悬臂和安装在悬臂前端的铣挖头4，铣挖头4可以在隧道成型后对断面进行修整，保证开挖形状符合要求。此外，悬臂上安装有用于检测掘进信号以与预设轨迹进行对比的激光雷达6，方便根据对比结果修整下一次弹丸发射角度，提高开挖轨迹与预设轨迹的重合度。机体12上还安装有带有碎石收集器的铲斗7，铲斗7位于铣挖头4的下方，用于收集开挖出的硬岩碎屑。机体上还安装有用于配合碎石收集器将硬岩碎屑运走的皮带机11，方便出渣。

本发明隧道开挖设备使用时的控制逻辑是：

如图3所示，首先在下位机(PLC控制器)预设开挖轨迹，根据倾角传感器检测的角度调节弹丸发射角度与预设轨迹一致。通过计算弹丸发射出去的抛物线角度、高度和弹丸速度，设置发射角，确保弹丸射击在预设的开挖范围内。根据闭环控制原理使用激光雷达检测掘进信号，与预设轨迹进行对比，根据对比结果修整下一次弹丸发射角度，该控制过程可以通过逻辑控制器或微电脑控制器实现。设备的开挖性能受岩层与弹丸密度的影响，其掘进速度由弹丸撞击的次数和弹丸发射速度决定。同时，该方法开挖隧道的断面灵活多变，可以通过激光制导精确控制弹丸撞击的位置，形成较为复杂的几何形状。

与现有技术相比，本发明的隧道开挖设备直接利用弹丸发射器进行开挖，铣挖头配合对断面轮廓进行修整，通过改变弹丸发射器的发射角度，调整发射角度所覆盖的范围，直接开挖出需要形状的断面，可任意调节开挖尺寸，设备通用性和灵活性比较强，不需要配备传统的盾体和刀盘，避免了由于岩石硬度高而造成大量的刀具损耗，降低造价成本，掘进效率比传统钻爆法高。

在利用高速弹丸开挖任意断面的隧道开挖设备的其他实施例中：弹丸也可以是钢制的。

在利用高速弹丸开挖任意断面的隧道开挖设备的其他实施例中：弹丸发射器也可以仅设置一个，当然也可以是三个、四个或者更多。

在利用高速弹丸开挖任意断面的隧道开挖设备的其他实施例中：可以不设置激光雷达。

在利用高速弹丸开挖任意断面的隧道开挖设备的其他实施例中：可以不设置皮带机，而是通过真空抽吸管排渣。

在利用高速弹丸开挖任意断面的隧道开挖设备的其他实施例中：可以不设置铲斗，而是设置螺旋输送机，或者直接通过真空抽吸管排渣。

在利用高速弹丸开挖任意断面的隧道开挖设备的其他实施例中：可以不设置悬臂截割装置，此时没有铣挖头，仅通过弹丸发射器实现开挖。

在利用高速弹丸开挖任意断面的隧道开挖设备的其他实施例中：弹丸发射器不是通过球铰结构安装在支撑架上，例如支撑架是可以上下升降的升降架，从而可以改变弹丸发射器的上下位置，此时弹丸发射器只需要通过转动轴线沿上下方向延伸的转轴安装在支撑架上，并且只设置一个伸缩调节机构与弹丸发射器连接，控制其左右摆动即可；或者，支撑架转动安装在机体上，且支撑架的转动轴线沿上下方向延伸，从而可以左右转动以改变弹丸发射器的左右位置，此时弹丸发射器只需要通过转动轴线沿左右方向延伸的转轴安装在支撑架上，并且只设置一个伸缩调节机构与弹丸发射器连接，控制其上下摆动即可。

在利用高速弹丸开挖任意断面的隧道开挖设备的其他实施例中：机体上不设置与支撑架底部导向移动配合的轨道，支撑架底部固定在机体上不可移动，此时可以通过开挖设备整个机体的前后移动，调整弹丸发射器的前后位置。

在利用高速弹丸开挖任意断面的隧道开挖设备的其他实施例中：可以不设置支撑架，例如弹丸发射器直接安装在机体的平面上。

在利用高速弹丸开挖任意断面的隧道开挖设备的其他实施例中：蓄能器、增压器、弹丸发生罐等设备根据需要也可以省去。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种利用高速弹丸开挖任意断面的隧道开挖设备，其特征在于，包括机体(12)和弹丸发射系统，弹丸发射系统包括弹丸发射器(2)和通过高压管路与弹丸发射器(2)相连的高压泵，弹丸发射器(2)用于发射撞击并破碎岩石的弹丸(1)，且弹丸发射器(2)通过至少可改变上下位置及左右位置的安装结构装配在机体(12)上，以通过调整弹丸发射器(2)的发射角度直接开挖出需要形状的断面。

2.根据权利要求1所述的利用高速弹丸开挖任意断面的隧道开挖设备，其特征在于，所述安装结构包括安装在机体(12)上的支撑架(14)，弹丸发射器(2)安装在支撑架(14)上。

3.根据权利要求2所述的利用高速弹丸开挖任意断面的隧道开挖设备，其特征在于，机体(12)上设置有与支撑架(14)底部沿前后方向导向移动配合的轨道(13)。

4.根据权利要求2所述的利用高速弹丸开挖任意断面的隧道开挖设备，其特征在于，弹丸发射器(2)通过球铰结构安装在支撑架(14)上，所述安装结构还包括用于调整弹丸发射器(2)上下位置的第一伸缩调节机构和用于调整弹丸发射器(2)左右位置的第二伸缩调节机构，第一伸缩调节机构和第二伸缩调节机构的两端均分别与弹丸发射器(2)和机体(12)球铰连接。

5.根据权利要求1～4任意一项所述的利用高速弹丸开挖任意断面的隧道开挖设备，其特征在于，利用高速弹丸开挖任意断面的隧道开挖设备还包括安装在机体(12)前端的悬臂截割装置(5)，悬臂截割装置(5)包括悬臂和安装在悬臂前端的用于在隧道成型后对断面进行修整的铣挖头(4)。

6.根据权利要求5所述的利用高速弹丸开挖任意断面的隧道开挖设备，其特征在于，机体(12)上还安装有带有碎石收集器的铲斗(7)，铲斗(7)位于铣挖头(4)的下方，用于收集开挖出的硬岩碎屑。

7.根据权利要求6所述的利用高速弹丸开挖任意断面的隧道开挖设备，其特征在于，机体(12)上还安装有用于配合碎石收集器将硬岩碎屑运走的皮带机(11)。

8.根据权利要求5所述的利用高速弹丸开挖任意断面的隧道开挖设备，其特征在于，悬臂上安装有用于检测掘进信号以与预设轨迹进行对比的激光雷达(6)。

9.根据权利要求1～4任意一项所述的利用高速弹丸开挖任意断面的隧道开挖设备，其特征在于，弹丸发射器(2)设置有至少两个。

10.根据权利要求1～4任意一项所述的利用高速弹丸开挖任意断面的隧道开挖设备，其特征在于，所述的弹丸(1)由混凝土或塑料制成，以与撞击的岩石一起粉碎。

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