一种高速电磁发射辅助破岩隧道掘进机及其施工方法与流程

1.本发明涉及隧道掘进机技术领域，具体涉及一种高速电磁发射辅助破岩隧道掘进机及其施工方法。


背景技术：

2.隧道掘进机是一种成熟的隧道开挖掘进设备，在我国，习惯上将用于软土地层的称为盾构，将用于岩石地层的称为隧道掘进机(tbm)。盾构机及tbm在隧道施工中发挥着举足轻重的作用。在实际应用中，如遇到高强度、整体性好的花岗岩等岩体时，盾体刀盘的消耗大，掘进效率低，检查刀盘、更换刀具时间长，施工工效急速下降，施工成本急剧上升。
3.再有，盾构机在掘进时会遇到含有孤石的地层，孤石的存在对盾构隧道工程施工影响极大，容易导致地面沉降、设备损坏、隧道质量事故等风险，是盾构施工的“天敌”之一。常规孤石处理方式主要有2种：
4.一、在盾构掘进过程中对孤石进行处理，如使用盾构直接切削孤石、洞内火工爆破孤石或洞内液压劈裂机处理孤石；
5.二、在盾构施工前对孤石进行预处理，如采用地面冲孔破除孤石、人工挖孔桩挖除孤石、地面钻孔爆破孤石等。
6.以上这些孤石处理方式都存在着操作性差，时效提升不明显的弊端。


技术实现要素：

7.针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种高速电磁发射辅助破岩隧道掘进机及其施工方法，以减少盾体刀盘的消耗，提高了掘进效率，降低了施工成本。
8.一方面，本发明提供了一种高速电磁发射辅助破岩隧道掘进机，包括盾体和高速电磁发射装置；
9.所述盾体前盾的土仓隔板及刀盘面板上预留有孔；
10.所述高速电磁发射装置安装在所述盾体的中盾上，所述高速电磁发射装置发射的弹体能够穿过所述盾体前盾的土仓隔板及刀盘面板上预留的孔。
11.进一步地，所述高速电磁发射装置包括至少一组高速电磁发射单元，所述高速电磁发射单元包括高速电磁发射器及电磁发射器支撑架；
12.所述高速电磁发射器包括线圈以及穿过所述线圈的炮管；
13.所述电磁发射器支撑架包括环形轨道、旋转支座、第一驱动机构、支撑横梁、第二驱动机构、滑动平台和第三驱动机构，所述环形轨道固定在所述盾体中盾的后侧，所述旋转支座滑动安装于所述环形轨道上，所述第一驱动机构用于驱动旋转支座沿环形轨道滑移，所述支撑横梁安装于所述旋转支座上，所述第二驱动机构用于调节支撑横梁的俯仰角度，所述滑动平台滑动安装于所述支撑横梁上，所述第三驱动机构用于驱动滑动平台沿支撑横梁前后滑移，所述高速电磁发射器安装在所述滑动平台上。
14.进一步地，所述第一驱动机构包括环形齿圈、第一电机和齿轮；
15.所述环形齿圈沿所述环形轨道设置，所述第一电机安装在所述旋转支座上，所述齿轮安装在第一电机的输出轴上并与环形齿圈相啮合。
16.进一步地，所述第二驱动机构包括俯仰油缸；
17.所述支撑横梁的前部铰接于所述旋转支座，所述俯仰油缸支撑于支撑横梁的后部和旋转支座之间，俯仰油缸的两端分别与支撑横梁和旋转支座铰接。
18.进一步地，所述第三驱动机构包括第二电机、前定滑轮、后定滑轮、前拉线和后拉线；
19.所述第二电机安装在所述支撑横梁的下部，第二电机的输出轴上安装有绞盘，所述前定滑轮安装于支撑横梁的前端，所述后定滑轮安装于支撑横梁的后端，所述前拉线的一端连接于滑动平台的前端，前拉线的另一端绕过前定滑轮后连接于所述绞盘，所述后拉线的一端连接于滑动平台的后端，后拉线的另一端绕过后定滑轮后连接于所述绞盘，所述前拉线和后拉线在绞盘上缠绕的方向相反。
20.进一步地，所述高速电磁发射装置包括三组高速电磁发射单元，其中两组高速电磁发射单元布置于盾体中盾的左右两侧，另外一组高速电磁发射单元布置于盾体中盾的中部。
21.进一步地，还包括连接于所述盾体后侧的连接桥以及安装于所述连接桥上的储能柜和控制柜；
22.所述储能柜内设有充电储能系统，所述充电储能系统的输出端与所述高速电磁发射器之间通过直流硅胶高压线电连接；
23.所述控制柜内设有控制系统，所述控制系统的输入端电连接有操作面板，控制系统的输出端分别与高速电磁发射器、第一驱动机构、第二驱动机构、第三驱动机构和充电储能系统电连接。
24.进一步地，所述充电储能系统包括依次电连接的第一级直流电源、第二级半桥逆变电路、高压变压器、高压整流电路和储能电容。
25.进一步地，还包括监测系统，所述监测系统包括弹体速度监测模块和岩体信息采集模块，所述弹体速度监测模块用于监测高速电磁发射装置发射的弹体的速度，所述岩体信息采集模块用于采集盾体前方的岩体类型和强度信息。
26.另一方面，本发明提供了一种采用上述高速电磁发射辅助破岩隧道掘进机的施工方法，包括如下步骤：
27.步骤s10，掘进的过程中，发现盾体前方有岩体或孤石时，掘进机停机；
28.步骤s20，驱动旋转支座沿环形轨道滑动以调整旋转支座在环形轨道上的位置；
29.步骤s30，驱动滑动平台向前滑移，使得高速电磁发射器的炮管穿过前盾土仓隔板及刀盘面板上预留的孔；
30.步骤s40，调节支撑横梁的俯仰角度，使得高速电磁发射器指向岩体或孤石设定的冲击点位；
31.步骤s50，启动高速电磁发射器，高速电磁发射器发射弹体并打入掌子面的岩体或孤石，以破坏岩体或孤石；
32.步骤s60，调整电磁发射器支撑架，以将高速电磁发射器的炮管退出前盾土仓隔板及刀盘面板上的孔；
33.步骤s70，再次启动掘进机继续掘进开挖。
34.本发明的有益效果体现在：在盾构机/tbm掘进遇到高强度、整体性好的花岗岩等岩体或含有孤石的地层时，可先利用高速电磁发射装置发射弹体预裂岩体、孤石，再使用盾体的刀盘进行掘进，这样能够减少盾体刀盘的消耗，提高了掘进效率，降低了施工成本。
附图说明
35.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
36.图1为本发明实施例提供的隧道掘进机的结构示意图；
37.图2为本发明实施例提供的隧道掘进机的前盾截面示意图；
38.图3为本发明实施例提供的隧道掘进机的高速电磁发射装置的结构示意图；
39.图4为本发明实施例提供的隧道掘进机的高速电磁发射装置位置调整示意图；
40.图5是本发明提供的隧道掘进机的高速电磁发射装置的发射示意图。
41.附图中，100-盾体；200-高速电磁发射装置；210-高速电磁发射器；211-线圈；212-炮管；220-电磁发射器支撑架；221-环形轨道；222-旋转支座；223-第一驱动机构；2231-环形齿圈；2232-第一电机；2233-齿轮；224-支撑横梁；225-第二驱动机构；226-滑动平台；227-第三驱动机构；2271-第二电机；2272-前定滑轮；2273-后定滑轮；2274-前拉线；2275-后拉线；2276-绞盘；300-连接桥；400-储能柜；500-控制柜；600-直流硅胶高压线。
具体实施方式
42.下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
43.需要注意的是，除非另有说明，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
44.如图1-图5所示，本发明实施例提供了一种高速电磁发射辅助破岩隧道掘进机，包括盾体100和高速电磁发射装置200。
45.盾体100前盾的土仓隔板及刀盘面板上预留有孔。
46.高速电磁发射装置200安装在盾体100的中盾上，高速电磁发射装置200发射的弹体能够穿过盾体100前盾的土仓隔板及刀盘面板上预留的孔。
47.在一实施例中，如图2和图3所示，高速电磁发射装置200包括至少一组高速电磁发射单元，高速电磁发射单元包括高速电磁发射器210及电磁发射器支撑架220。
48.具体参照图3，高速电磁发射器210包括线圈211以及穿过线圈211的炮管212，高速电磁发射器210(又叫电磁炮)属于现有技术，其原理是利用线圈211通电瞬间产生电磁力推动金属弹体向炮管212方向快速飞行，金属弹体最高可加速到3000m/s。
49.继续参照图3，电磁发射器支撑架220包括环形轨道221、旋转支座222、第一驱动机构223、支撑横梁224、第二驱动机构225、滑动平台226和第三驱动机构227。
50.环形轨道221固定在盾体100中盾的后侧，旋转支座222滑动安装于环形轨道221
上，第一驱动机构223用于驱动旋转支座222沿环形轨道221滑移。具体来说，第一驱动机构223包括环形齿圈2231、第一电机2232和齿轮2233，环形齿圈2231沿环形轨道221设置，第一电机2232安装在旋转支座222上，齿轮2233安装在第一电机2232的输出轴上并与环形齿圈2231相啮合，这样即可通过第一电机2232驱动旋转支座222沿环形轨道221滑移。
51.支撑横梁224安装于旋转支座222上，第二驱动机构225用于调节支撑横梁224的俯仰角度，本实施例中，“支撑横梁224的俯仰角度”具体指的是支撑横梁224的轴线与盾体100轴线之间的夹角。具体来说，第二驱动机构225包括俯仰油缸，支撑横梁224的前部铰接于旋转支座222，俯仰油缸支撑于支撑横梁224的后部和旋转支座222之间，俯仰油缸的两端分别与支撑横梁224和旋转支座222铰接，这样即可通过俯仰油缸驱动支撑横梁224转动，以调整支撑横梁224的俯仰角度。
52.滑动平台226滑动安装于支撑横梁224上，第三驱动机构227用于驱动滑动平台226沿支撑横梁224前后滑移，高速电磁发射器210安装在滑动平台226上。具体来说，第三驱动机构227包括第二电机2271、前定滑轮2272、后定滑轮2273、前拉线2274和后拉线2275，第二电机2271安装在支撑横梁224的下部，第二电机2271的输出轴上安装有绞盘2276，前定滑轮2272安装于支撑横梁224的前端，后定滑轮2273安装于支撑横梁224的后端，前拉线2274的一端连接于滑动平台226的前端，前拉线2274的另一端绕过前定滑轮2272后连接于绞盘2276，后拉线2275的一端连接于滑动平台226的后端，后拉线2275的另一端绕过后定滑轮2273后连接于绞盘2276，前拉线2274和后拉线2275在绞盘2276上缠绕的方向相反，当第二电机2271带动绞盘2276收前拉线2274、放后拉线2275时，滑动平台226向前滑移，当第二电机2271带动绞盘2276收后拉线2275、放前拉线2274时，滑动平台226向后滑移。
53.本技术可通过驱动旋转支座222沿环形轨道221滑移来在环向上调整高速电磁发射器210的位置，还可通过调节支撑横梁224的俯仰角度来调节高速电磁发射器210的弹体发射的方向，从而增大了高速电磁发射器210能够射击到的掌子面的区域，同时，本技术还可通过驱动滑动平台226沿支撑横梁224前后滑移来驱动高速电磁发射器210进退，高速电磁发射器210发射弹体时，高速电磁发射器210前移，炮管212伸出盾体100前盾的土仓隔板及刀盘面板上预留的孔，以确保高速电磁发射器210发射的弹体能够从盾体100的前盾顺利射出，正常掘进时，驱动高速电磁发射器210后退，炮管212退出盾体100前盾的土仓隔板及刀盘面板上预留的孔。
54.本实施例中，高速电磁发射装置200包括三组高速电磁发射单元，其中两组高速电磁发射单元布置于盾体100中盾的左右两侧，另外一组高速电磁发射单元布置于盾体100中盾的中部。采用上述方式布置三组高速电磁发射单元，且每组高速电磁发射单元的高速电磁发射器210能够进行环向滑移调节和俯仰角度调节，可使高速电磁发射器210发射弹体的轨迹基本上能够布满整个掌子面，从而确保掌子面岩体或孤石的每个位置都能被击中。
55.此外，该隧道掘进机还包括连接于盾体100后侧的连接桥300以及安装于连接桥300上储能柜400和控制柜500。
56.储能柜400内设有充电储能系统，充电储能系统的输出端与高速电磁发射器210之间通过直流硅胶高压线600电连接，以为高速电磁发射器210发射弹体提供电磁能。具体地，充电储能系统包括依次电连接的第一级直流电源、第二级半桥逆变电路、高压变压器、高压整流电路和储能电容，充电储能系统充电时，进线的交流电经过整流桥和滤波电容，得到直
流电压(第一级直流电源)，然后将直流电压经第二级半桥逆变电路逆变为高压脉冲，再由高压变压器把电压升高到充电电压，经过高压整流电路整流后给储能电容充电。
57.控制柜500内设有控制系统，控制系统的输入端电连接有操作面板，控制系统的输出端分别与高速电磁发射器210、第一驱动机构223、第二驱动机构225、第三驱动机构227和充电储能系统电连接。本技术可通过控制系统实现充电储能系统的充电以及高速电磁发射器210的发射、复位、工作电压设定、弹体速度调节等操作，还可通过控制系统控制高速电磁发射器210的环向滑移、前后滑移、俯仰的动作，可实现弹体冲击点位设定。
58.本实施例还包括监测系统，监测系统包括弹体速度监测模块和岩体信息采集模块，弹体速度监测模块用于监测高速电磁发射装置200发射的弹体的速度，岩体信息采集模块用于采集盾体100前方的岩体类型和强度信息，岩体类型和强度信息可通过图像辨识、试压试验等方式获取。通过实时监测弹体速度，保证了高速电磁发射辅助破岩的安全性，通过采集破岩信息，可根据不同类型、强度的岩体调整不同弹射参数。
59.本发明实施例提供了一种采用上述高速电磁发射辅助破岩隧道掘进机的施工方法，包括如下步骤：
60.步骤s10，掘进的过程中，发现盾体100前方有岩体或孤石时，掘进机停机；
61.步骤s20，驱动旋转支座222沿环形轨道221滑动以调整旋转支座222在环形轨道221上的位置；
62.步骤s30，驱动滑动平台226向前滑移，使得高速电磁发射器210的炮管212穿过前盾土仓隔板及刀盘面板上预留的孔；
63.步骤s40，调节支撑横梁224的俯仰角度，使得高速电磁发射器210指向岩体或孤石设定的冲击点位；
64.步骤s50，启动高速电磁发射器210，高速电磁发射器210发射弹体并打入掌子面的岩体或孤石，以破坏岩体或孤石；
65.步骤s60，调整电磁发射器支撑架220，以将高速电磁发射器210的炮管212退出前盾土仓隔板及刀盘面板上的孔；
66.步骤s70，再次启动掘进机继续掘进开挖。
67.综上，在盾构机/tbm掘进遇到高强度、整体性好的花岗岩等岩体或含有孤石的地层时，可先利用高速电磁发射装置200发射弹体预裂岩体、孤石，再使用盾体100的刀盘进行掘进，这样能够减少盾体100刀盘的消耗，提高了掘进效率，降低了施工成本。
68.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

技术特征：
1.一种高速电磁发射辅助破岩隧道掘进机，其特征在于：包括盾体和高速电磁发射装置；所述盾体前盾的土仓隔板及刀盘面板上预留有孔；所述高速电磁发射装置安装在所述盾体的中盾上，所述高速电磁发射装置发射的弹体能够穿过所述盾体前盾的土仓隔板及刀盘面板上预留的孔。2.根据权利要求1所述的高速电磁发射辅助破岩隧道掘进机，其特征在于：所述高速电磁发射装置包括至少一组高速电磁发射单元，所述高速电磁发射单元包括高速电磁发射器及电磁发射器支撑架；所述高速电磁发射器包括线圈以及穿过所述线圈的炮管；所述电磁发射器支撑架包括环形轨道、旋转支座、第一驱动机构、支撑横梁、第二驱动机构、滑动平台和第三驱动机构，所述环形轨道固定在所述盾体中盾的后侧，所述旋转支座滑动安装于所述环形轨道上，所述第一驱动机构用于驱动旋转支座沿环形轨道滑移，所述支撑横梁安装于所述旋转支座上，所述第二驱动机构用于调节支撑横梁的俯仰角度，所述滑动平台滑动安装于所述支撑横梁上，所述第三驱动机构用于驱动滑动平台沿支撑横梁前后滑移，所述高速电磁发射器安装在所述滑动平台上。3.根据权利要求2所述的高速电磁发射辅助破岩隧道掘进机，其特征在于：所述第一驱动机构包括环形齿圈、第一电机和齿轮；所述环形齿圈沿所述环形轨道设置，所述第一电机安装在所述旋转支座上，所述齿轮安装在第一电机的输出轴上并与环形齿圈相啮合。4.根据权利要求2所述的高速电磁发射辅助破岩隧道掘进机，其特征在于：所述第二驱动机构包括俯仰油缸；所述支撑横梁的前部铰接于所述旋转支座，所述俯仰油缸支撑于支撑横梁的后部和旋转支座之间，俯仰油缸的两端分别与支撑横梁和旋转支座铰接。5.根据权利要求2所述的高速电磁发射辅助破岩隧道掘进机，其特征在于：所述第三驱动机构包括第二电机、前定滑轮、后定滑轮、前拉线和后拉线；所述第二电机安装在所述支撑横梁的下部，第二电机的输出轴上安装有绞盘，所述前定滑轮安装于支撑横梁的前端，所述后定滑轮安装于支撑横梁的后端，所述前拉线的一端连接于滑动平台的前端，前拉线的另一端绕过前定滑轮后连接于所述绞盘，所述后拉线的一端连接于滑动平台的后端，后拉线的另一端绕过后定滑轮后连接于所述绞盘，所述前拉线和后拉线在绞盘上缠绕的方向相反。6.根据权利要求2所述的高速电磁发射辅助破岩隧道掘进机，其特征在于：所述高速电磁发射装置包括三组高速电磁发射单元，其中两组高速电磁发射单元布置于盾体中盾的左右两侧，另外一组高速电磁发射单元布置于盾体中盾的中部。7.根据权利要求2所述的高速电磁发射辅助破岩隧道掘进机，其特征在于：还包括连接于所述盾体后侧的连接桥以及安装于所述连接桥上的储能柜和控制柜；所述储能柜内设有充电储能系统，所述充电储能系统的输出端与所述高速电磁发射器之间通过直流硅胶高压线电连接；所述控制柜内设有控制系统，所述控制系统的输入端电连接有操作面板，控制系统的输出端分别与高速电磁发射器、第一驱动机构、第二驱动机构、第三驱动机构和充电储能系
统电连接。8.根据权利要求7所述的高速电磁发射辅助破岩隧道掘进机，其特征在于：所述充电储能系统包括依次电连接的第一级直流电源、第二级半桥逆变电路、高压变压器、高压整流电路和储能电容。9.根据权利要求2所述的高速电磁发射辅助破岩隧道掘进机，其特征在于：还包括监测系统，所述监测系统包括弹体速度监测模块和岩体信息采集模块，所述弹体速度监测模块用于监测高速电磁发射装置发射的弹体的速度，所述岩体信息采集模块用于采集盾体前方的岩体类型和强度信息。10.一种采用如权利要求2-9任一项所述的高速电磁发射辅助破岩隧道掘进机的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤s10，掘进的过程中，发现盾体前方有岩体或孤石时，掘进机停机；步骤s20，驱动旋转支座沿环形轨道滑动以调整旋转支座在环形轨道上的位置；步骤s30，驱动滑动平台向前滑移，使得高速电磁发射器的炮管穿过前盾土仓隔板及刀盘面板上预留的孔；步骤s40，调节支撑横梁的俯仰角度，使得高速电磁发射器指向岩体或孤石设定的冲击点位；步骤s50，启动高速电磁发射器，高速电磁发射器发射弹体并打入掌子面的岩体或孤石，以破坏岩体或孤石；步骤s60，调整电磁发射器支撑架，以将高速电磁发射器的炮管退出前盾土仓隔板及刀盘面板上的孔；步骤s70，再次启动掘进机继续掘进开挖。

技术总结
本发明公开了一种高速电磁发射辅助破岩隧道掘进机及其施工方法，该高速电磁发射辅助破岩隧道掘进机包括盾体和高速电磁发射装置；所述盾体前盾的土仓隔板及刀盘面板上预留有孔；所述高速电磁发射装置安装在所述盾体的中盾上，所述高速电磁发射装置发射的弹体能够穿过所述盾体前盾的土仓隔板及刀盘面板上预留的孔。本发明能够减少盾体刀盘的消耗，提高了掘进效率，降低了施工成本。降低了施工成本。降低了施工成本。


技术研发人员：高波 孙庆 冯文强
受保护的技术使用者：高波
技术研发日：2022.04.11
技术公布日：2023/9/20