一种利用激光和液氮射流破岩的无滚刀硬岩掘进机

技术领域

本发明涉及第五代隧道掘进机技术领域，特别是指一种利用激光和液氮射流破岩的无滚刀硬岩掘进机。

背景技术

目前隧道掘进针对岩层来讲，主要是依靠盘型滚刀挤压岩石达到破碎岩体的目的，其主要克服的是岩石的抗压强度，针对一般强度的岩层（100MPa以内）其破岩效率尚可，但在较硬的岩石地层中，滚刀破岩法经济性很差。因此，需要颠覆性的发明一种新型掘进机和破岩工法。

经检索，现有申请日为2018.12.29、申请号为CN201822256047.0的中国实用新型专利公开了一种利用激光破岩的掘进机，包括掘进机主机，掘进机主机上设有刀盘，所述的刀盘上设有激光发生装置。该实用新型专利虽然采用激光及水冷的原理代替传统的金属刀具，能够提升破岩效率，在掘进上软下硬等严重不均匀地质时，解决了传统的金属刀具极易发生异常损坏的难题。

但是单一的采用激光破岩，不仅掘进效率有限，而且破岩过程中岩屑灰尘较多，会遮挡激光发生装置的光学镜，严重影响破岩效果。另外采用单一激光破岩时，会发生岩屑沉积和重凝现象造成严重高热灼伤，不仅能量利用率低，而且激光烧蚀后岩石残屑无法顺畅排出。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种利用激光和液氮射流破岩的无滚刀硬岩掘进机，解决了掘进机采用激光单一破岩时能量利用率低且破岩、排渣效果差的技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种利用激光和液氮射流破岩的无滚刀硬岩掘进机，包括连接有无滚刀刀盘的中心主驱动机组，因为无滚刀刀盘质量轻，而且不同于传统刀盘利用刀盘上刀具挤压岩石来破岩，因此无需使用传统的驱动机构，可以摒弃周边多组电机或液压马达减速机的传统驱动方式，只采用中心主驱动机组带动无滚刀刀盘旋转即可。由于无滚刀刀盘采用中心主驱动机组来驱动，则无滚刀刀盘的背部可以有足够的装配空间，在无滚刀刀盘的背部设置激光发射器。激光是一种新型光源，和普通光源相比，具有亮度高、定向性高、单色性高等特点。岩石是由多种矿物颗粒组成的，激光照射在岩石表面，由于各相变界区的导热系数不同，这些矿物颗粒在热膨胀各向异性、热膨胀不均匀性等表现出差异。激光照射时间和激光功率是决定激光破岩能否成功的主要因素，激光功率越大激光破岩的速度越快，而且在岩石上钻出的孔越深。激光破岩基本上是以热碎裂、熔化和气化的方式将岩石进行破坏，受到激光照射的岩石温度场发生剧烈变化，岩石内部结构发生改变，岩石的渗透率提高到4倍左右，激光频率和曝光次数都对烧蚀效果有影响，浸水后的烧蚀效果好于干燥条件下的烧蚀效果。在激光破岩过程中，激光光斑区的岩石及周边的岩体基质要经历固、液、气三相的骤变，其间存在着非常复杂的三维非稳定的热能传递与交换。无滚刀刀盘上设置有液氮喷嘴，液氮喷嘴通过液氮高压输送管连接有液氮供应系统。

液氮是一种密度略小于水、无色无臭、性能稳定、不可燃的液体，临界温度为-146.96℃，临界压力为3.39MPa，在大气压下温度为-195.8℃，三相点温度为-210.00℃。液氮具有良好的传热性能，表面张力极小，容易进入到大于其分子体积的空间内。液氮是一种性能优越的制冷剂，与物体接触时，会使物体温度迅速降低，从而在物体内部产生较大的热应力。

液氮温度极低，一般为-196℃，当液氮与岩石接触时，会使接触面附近岩石的温度骤降，产生高速收缩变形。在高速变形下，掩饰的韧性会降低，导致岩石发生脆变，致使岩石更加容易发生破坏。当岩石受到外界和内部彼此之间的约束变形不能自由进行时，岩石表面就会产生较大的拉应力。当拉应力超过岩石的抗拉强度时，岩石就会产生拉伸破坏，破碎的深度和岩石与液氮接触时间以及岩石自身的热物理性质相关。

液氮对于岩石的热力冲击作用主要体现在两个方面： 一方面是，岩石矿物颗粒及其胶结物会产生高速收缩变形，韧性降低，脆性增强，即热力冲击作用会改变岩石自身的性质；另一方面是，由于岩石是一种由多种矿物颗粒组成的非均质性较强的材料，当外界温度发生变化时，不同矿物颗粒产生的变形程度不同，从而产生热应力。当热应力超过矿物间的胶结强度时，会使岩石内部产生裂纹损伤。但是这种裂纹损伤有时须借助一定的检测方法才能测得，例如声发射和声波检测方法等。研究人员通过室内声波测试试验，发现热力冲击作用能使岩石产生裂纹，然而关于热力冲击方面的研究更多地关注岩石内部的损伤状态，岩石变形容易被忽略。

另外，液氮除了会对岩石产生热力冲击之外，还会导致岩石的冻结破坏。这是因为岩石是一种多孔介质，内部孔隙常会赋存一定量水分，孔隙水遇冷结冰体积膨胀会挤压孔隙壁面，膨胀量约为9%，从而使岩石发生冻胀破坏，也叫冻结破坏。岩石冻结破坏主要有3种方式：一是孔隙水结冰体积膨胀对孔隙壁造成较大挤压力；二是孔隙水形成冰透镜体，使岩石开裂；三是孔隙中部分尚未结冰的水在冰体的挤压下产生额外孔隙压力。由于液氮温度极低，孔隙内部水分在较短时间内即可冻结成冰，不存在未结冰的冷水，因此液氮对岩石的冻结破坏机制主要是前两种形式。试验研究表明，在101. 325kPa的压力下，假设孔隙体积保持不变，孔隙水结冰会对其周围岩体产生约96 MPa 的冻胀力，足以使岩石内部原有的孔隙结构发生破坏。

因此，在激光作用的基础上开启液氮供应系统，岩石在巨大温差下产生强大的热应力冲击产生裂纹，同时液氮会使岩石韧性降低、脆性增强且内部产生裂纹损伤，另外，液氮同时也会使岩石造成内部涨破，在此多重作用下，造成岩石破碎崩裂。另外，液氮射流的破岩门槛压力远低于水射流，由于液氮密度和黏度均比水小，液氮比水的动能更大，能量衰减更小，能够产生优于水射流的冲击效果。并且液氮二氧化碳射流冲蚀后的岩石呈网络化破碎，整体呈大面积层状破碎。岩石在热应力、高压流体冲蚀、液氮物质超强渗透的多重作用下，造成岩石大块剥落。

进一步地，所述激光发射器的激光发射端头指向与前方的掘进面垂直，能够保证激光能量的应用效率达到最高。

进一步地，所述激光发射器连接有角度监测装置和角度调节装置，角度监测装置和角度调节装置与控制中心相连。控制中心能够通过角度监测装置实时监控激光发射器的激光发射端头的指向，在超出误差范围后通过控制角度调节装置进行纠偏。

进一步地，所述激光发射器的激光发射端头与液氮喷嘴同圆周轨迹设置，便于将激光烧蚀后的岩石残屑迅速顺畅排出，避免出现岩屑沉积和重凝现象而造成严重高热灼伤，从而避免造成能量浪费。

进一步地，所述液氮高压输送管包括不锈钢管和不锈钢柔性伸缩管，不锈钢管能够有效保持液氮高压输送管内液氮的温度，不锈钢柔性伸缩管是针对超低温下管路的收缩现象，每隔一定距离专门设计的伸缩结构。

进一步地，不锈钢管外部和不锈钢柔性伸缩管外部均设置有聚氨酯发泡保温层，进一步保证液氮高压输送管内液氮的温度不会发生变化。

进一步地，所述液氮高压输送管的连接端口处均采用双重硬密封结构。鉴于丁晴橡胶、氟橡胶等密封材料都不能应用于液氮的高压和超低温状态，液氮的黏度和密度均比水小，表面张力也远低于水，超低温、低粘度、超低表面张力的液氮在高压输送过程中密封材料的选择难度较大，因此专门设计的双重硬密封结构。双重硬密封结构包括与一端液氮高压输送管焊接固定的外螺纹筒，另一端液氮高压输送管端部设置有挡止台阶，液氮高压输送管上穿插有与挡止台阶挡止配合设置有螺纹帽，螺纹帽与挡止台阶之间设置有金属密封垫片，螺纹帽与外螺纹筒之间设置有球面硬密封结构。

进一步地，所述除尘单元包括与聚焦镜片相对应的吹气嘴，吹气嘴连接有鼓风系统，鼓风系统与控制中心相连。控制中心控制鼓风系统工作，鼓风系统持续地向吹气嘴鼓吹低压空气，保证聚焦镜片始终保持清洁。

进一步地，所述无滚刀刀盘上设置的出渣口的开口率大于25%且每个出渣口大于500mm。鉴于超临界二氧化碳射流冲蚀后岩石呈大面积层状破碎的特点，考虑将刀盘出渣开口设计较大，以利于其顺利出渣；更便于将激光烧蚀后岩石残屑迅速顺畅排出，避免出现岩屑沉积和重凝现象而造成严重高热灼伤，从而避免造成能量浪费。

本发明采用激光与液氮射流耦合破岩系统，彻底摈弃了常规的刀具破岩技术，不仅解决了掘进机金属刀具切岩时极易发生异常损坏的难题，而且提升了开挖效率，降低了开挖成本，能够适应各种地层的掘进。本发明中的激光发射器的激光发射端头与液氮喷嘴同圆周轨迹设置，既能够快速破岩，又便于将激光烧蚀后的岩石残屑迅速顺畅排出，避免出现岩屑沉积和重凝现象而造成严重高热灼伤，从而避免造成能量浪费。本发明结构特点不同于常规盾构机，由于不依靠滚刀挤压破岩，本掘进机前面板重量轻，采用中心主驱动机组带动无滚刀刀盘旋转即可。另外，推进系统不需要强大的推力来挤压岩石，推进系统可由常规盾构的几十根推进油缸减少到四根油缸，即可满足推动前盾体前行。另外，本发明不同于常规掘进机的周边多组电机或液压马达的减速机驱动方式，而采用一组大功率电机中心驱动，这样刀盘背部留有较多的空间用于布置激光发射器。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的剖视结构示意图；

图2为本发明的左视图；

图3为图1中激光发射端头与吹风除尘单元配合的结构示意图；

图4为液氮高压输送管的结构示意图；

图5为液氮高压输送管的剖视图；

图6为双重硬密封结构的结构示意图；

图中，1、无滚刀刀盘，2、中心主驱动机组，3、激光发射器，31、角度监测装置，32、激光发射端头，33、聚焦镜片，4、除尘单元，41、吹气嘴，5、液氮喷嘴，6、液氮高压输送管，61、不锈钢管，62、不锈钢柔性伸缩管，63、外螺纹筒，64、挡止台阶，65、螺纹帽，66、金属密封垫片，67、球面硬密封结构，68、聚氨酯发泡保温层，7、液氮供应系统，8、盾体，9、推进油缸，10、管片拼装机，11、螺旋输送机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动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。

实施例1，一种利用激光和液氮射流破岩的无滚刀硬岩掘进机，如图1所示，包括盾体8，盾体8内设置有中心主驱动机组2，中心主驱动机组2连接有无滚刀刀盘1，中心主驱动机组2带动无滚刀刀盘1周向转动。盾体8内设置有管片拼装机10和螺旋输送机12，螺旋输送机12的进料端位于紧邻无滚刀刀盘1的后侧。

由于无滚刀刀盘1采用中心主驱动机组2来驱动，则无滚刀刀盘的背部可以有足够的装配空间，在无滚刀刀盘1的背部设置激光发射器3。激光是一种新型光源，和普通光源相比，具有亮度高、定向性高、单色性高等特点。岩石是由多种矿物颗粒组成的，激光照射在岩石表面，由于各相变界区的导热系数不同，这些矿物颗粒在热膨胀各向异性、热膨胀不均匀性等表现出差异。激光照射时间和激光功率是决定激光破岩能否成功的主要因素，激光功率越大激光破岩的速度越快，而且在岩石上钻出的孔越深。激光破岩基本上是以热碎裂、熔化和气化的方式将岩石进行破坏，受到激光照射的岩石温度场发生剧烈变化，岩石内部结构发生改变，岩石的渗透率提高到4倍左右，激光频率和曝光次数都对烧蚀效果有影响，浸水后的烧蚀效果好于干燥条件下的烧蚀效果。在激光破岩过程中，激光光斑区的岩石及周边的岩体基质要经历固、液、气三相的骤变，其间存在着非常复杂的三维非稳定的热能传递与交换。

启动激光发射器3，大功率的激光照射到岩石上，瞬间将照射的岩石温度加热到200-300°C左右，此时各矿物不同的热膨胀产生的内应力使岩石内发生沿晶断裂和穿晶断裂，使试样产生损伤和微裂纹，使岩石的强度降低。

所述无滚刀刀盘1上设置有液氮喷嘴5，液氮喷嘴5通过液氮高压输送管6连接有液氮供应系统7。液氮是一种密度略小于水、无色无臭、性能稳定、不可燃的液体，临界温度为-146.96℃，临界压力为3.39MPa，在大气压下温度为-195.8℃，三相点温度为-210.00℃。液氮具有良好的传热性能，表面张力极小，容易进入到大于其分子体积的空间内。液氮是一种性能优越的制冷剂，与物体接触时，会使物体温度迅速降低，从而在物体内部产生较大的热应力。

液氮温度极低，一般为-196℃，当液氮与岩石接触时，会使接触面附近岩石的温度骤降，产生高速收缩变形。在高速变形下，掩饰的韧性会降低，导致岩石发生脆变，致使岩石更加容易发生破坏。当岩石受到外界和内部彼此之间的约束变形不能自由进行时，岩石表面就会产生较大的拉应力。当拉应力超过岩石的抗拉强度时，岩石就会产生拉伸破坏，破碎的深度和岩石与液氮接触时间以及岩石自身的热物理性质相关。

液氮对于岩石的热力冲击作用主要体现在两个方面： 一方面是，岩石矿物颗粒及其胶结物会产生高速收缩变形，韧性降低，脆性增强，即热力冲击作用会改变岩石自身的性质；另一方面是，由于岩石是一种由多种矿物颗粒组成的非均质性较强的材料，当外界温度发生变化时，不同矿物颗粒产生的变形程度不同，从而产生热应力。当热应力超过矿物间的胶结强度时，会使岩石内部产生裂纹损伤。但是这种裂纹损伤有时须借助一定的检测方法才能测得，例如声发射和声波检测方法等。研究人员通过室内声波测试试验，发现热力冲击作用能使岩石产生裂纹，然而关于热力冲击方面的研究更多地关注岩石内部的损伤状态，岩石变形容易被忽略。

另外，液氮除了会对岩石产生热力冲击之外，还会导致岩石的冻结破坏。这是因为岩石是一种多孔介质，内部孔隙常会赋存一定量水分，孔隙水遇冷结冰体积膨胀会挤压孔隙壁面，膨胀量约为9%，从而使岩石发生冻胀破坏，也叫冻结破坏。岩石冻结破坏主要有3种方式：一是孔隙水结冰体积膨胀对孔隙壁造成较大挤压力；二是孔隙水形成冰透镜体，使岩石开裂；三是孔隙中部分尚未结冰的水在冰体的挤压下产生额外孔隙压力。由于液氮温度极低，孔隙内部水分在较短时间内即可冻结成冰，不存在未结冰的冷水，因此液氮对岩石的冻结破坏机制主要是前两种形式。试验研究表明，在101. 325kPa的压力下，假设孔隙体积保持不变，孔隙水结冰会对其周围岩体产生约96 MPa 的冻胀力，足以使岩石内部原有的孔隙结构发生破坏。

因此，在微波作用的基础上开启液氮供应系统，岩石在巨大温差下产生强大的热应力冲击产生裂纹，同时液氮会使岩石韧性降低、脆性增强且内部产生裂纹损伤，另外，液氮同时也会使岩石造成内部涨破，在此多重作用下，造成岩石大面积层状剥落。另外，液氮射流的破岩门槛压力远低于水射流，由于液氮密度和黏度均比水小，液氮比水的动能更大，能量衰减更小，能够产生优于水射流的冲击效果。并且液氮二氧化碳射流冲蚀后的岩石呈网络化破碎，整体呈大面积层状破碎。岩石在热应力、高压流体冲蚀、液氮物质超强渗透的多重作用下，造成岩石大块剥落。鉴于岩石大面积层状剥落的特点，无滚刀刀盘上设置大出渣口，以利于其顺利出渣，大面积层状剥落的岩石可通过大出渣口排出，排出的岩石通过螺旋输送机12排出。

本发明采用激光与超临界二氧化碳射流耦合破岩系统，彻底摈弃了常规的刀具破岩技术，不仅解决了掘进机金属刀具切岩时极易发生异常损坏的难题，而且提升了开挖效率，降低了开挖成本，能够适应各种地层的掘进。

实施例2，一种利用激光和液氮射流破岩的无滚刀硬岩掘进机，所述激光发射器3的激光发射端头32指向与前方的掘进面垂直，能够保证激光能量的应用效率达到最高。

本实施例的其他结构与实施例1相同。

实施例3，一种利用激光和液氮射流破岩的无滚刀硬岩掘进机，如图3所示，所述激光发射器3连接有角度监测装置31和角度调节装置，角度监测装置31和角度调节装置与控制中心相连。控制中心能够通过角度监测装置31实时监控激光发射器3的激光发射端头32的指向，在超出误差范围后通过控制角度调节装置进行纠偏。

本实施例的其他结构与实施例1或2相同。

实施例4，一种利用激光和液氮射流破岩的无滚刀硬岩掘进机，如图2所示，所述激光发射器3的激光发射端头32与液氮喷嘴5同圆周轨迹设置，便于将激光烧蚀后的岩石残屑迅速顺畅排出，避免出现岩屑沉积和重凝现象而造成严重高热灼伤，从而避免造成能量浪费。

本实施例的其他结构与实施例1或2或3相同。

实施例5，一种利用激光和液氮射流破岩的无滚刀硬岩掘进机，如图4所示，所述液氮高压输送管6包括不锈钢管61和不锈钢柔性伸缩管62，不锈钢管61能够有效保持液氮高压输送管内液氮的温度，不锈钢柔性伸缩管62是针对超低温下管路的收缩现象，每隔一定距离专门设计的伸缩结构。

进一步地，如图5所示，不锈钢管61外部和不锈钢柔性伸缩管62外部均设置有聚氨酯发泡保温层68，进一步保证液氮高压输送管内液氮的温度不会发生变化。

本实施例的其他结构与实施例1或2或3或4相同。

实施例6，一种利用激光和液氮射流破岩的无滚刀硬岩掘进机，进一步地，所述液氮高压输送管6的连接端口处均采用双重硬密封结构。鉴于丁晴橡胶、氟橡胶等密封材料都不能应用于液氮的高压和超低温状态，液氮的黏度和密度均比水小，表面张力也远低于水，超低温、低粘度、超低表面张力的液氮在高压输送过程中密封材料的选择难度较大，因此专门设计的双重硬密封结构。

如图6所示，所述双重硬密封结构包括与一端液氮高压输送管6焊接固定的外螺纹筒63，另一端液氮高压输送管6端部设置有挡止台阶64，液氮高压输送管6上穿插有与挡止台阶64挡止配合设置有螺纹帽65，螺纹帽65与挡止台阶64之间设置有金属密封垫片66，螺纹帽65与外螺纹筒63之间设置有球面硬密封结构67。

本实施例的其他结构可以与实施例1-5任一项相同。

实施例7，一种利用激光和液氮射流破岩的无滚刀硬岩掘进机，如图3所示，所述所述除尘单元4包括与聚焦镜片33相对应的吹气嘴41，吹气嘴41连接有鼓风系统，鼓风系统与控制中心相连。控制中心控制鼓风系统工作，鼓风系统持续地向吹气嘴41鼓吹低压空气，保证聚焦镜片33始终保持清洁。

本实施例的其他结构可以与实施例1-6任一项相同。

实施例8，一种利用激光和液氮射流破岩的无滚刀硬岩掘进机，所述所述无滚刀刀盘1上开设有大出渣口。鉴于超临界二氧化碳射流冲蚀后岩石呈大面积层状破碎的特点，考虑将刀盘出渣开口设计较大，以利于其顺利出渣；更便于将激光烧蚀后岩石残屑迅速顺畅排出，避免出现岩屑沉积和重凝现象而造成严重高热灼伤，从而避免造成能量浪费。

本实施例的其他结构可以与实施例1-7任一项相同。

本发明未详尽之处均为本领域技术人员所公知的常规技术手段。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。