水刀辅助破岩技术的搭载及应用.pdf
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1、引用格式:齐志冲,吕旦,贺飞,等.水刀辅助破岩技术的搭载及应用J.隧道建设(中英文),2023,43(8):1404.QI Zhichong,LYU Dan,HE Fei,et al.Carrying and application of water jet cutter-assisted rock breaking technology J.Tunnel Construction,2023,43(8):1404.收稿日期:2023-03-13;修回日期:2023-08-03第一作者简介:齐志冲(1988),男,河北沧州人,2015 年毕业于石家庄铁道大学,机械设计及理论专业,硕士,工程师,现
2、从事隧道装备研究工作。E-mail:1173797188 。水刀辅助破岩技术的搭载及应用齐志冲,吕 旦,贺 飞,徐光亿(中铁工程装备集团有限公司,河南 郑州 450016)摘要:为解决硬岩隧道掘进机在硬岩地层掘进时遇到的掘不动、掘进慢等难题,研发出一种掘进机搭载辅助破岩系统,即在现有硬岩掘进机开挖系统的基础上集成水射流破岩技术,在水射流与滚刀共同作用下进行破岩。针对水刀辅助破岩技术的搭载及应用进行研究:1)系统介绍辅助破岩系统的搭载设计理念,并对其配套的射流系统泵站、输送系统、喷射系统等进行工作原理和性能参数介绍。2)采用模拟现场工况试验的方法,实现水刀辅助破岩技术搭载的试验研究,得到破岩效果
3、指标参数与高压水射流参数之间的关系。3)基于水刀辅助破岩搭载技术现场应用情况,采用实时采集数据的方法,得到应用过程中的试验方法、试验数据、掘进效果、环境温度、系统功率、存在问题等结果,并提出相应的解决措施。4)基于辅助破岩技术的现场工业性试验,提出辅助破岩技术的优化改进方向。结果表明:硬岩掘进机水刀辅助破岩技术的搭载及应用可行,270 MPa 水压耦合掘进时场切深指数均值下降约38.1%,转矩切深指数下降约 16.9%,破岩效果显著提升。然而,高压水系统的搭载带来隧道内温度的升高、高压水系统管路异常磨损 2 方面的问题,从而影响设备的正常掘进,是提升水刀辅助破岩搭载技术应用性的重点努力方向。关
4、键词:硬岩隧道掘进机;水刀辅助破岩;高压水射流;耦合破岩;试验研究DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.08.015文章编号:2096-4498(2023)08-1404-09中图分类号:U 45 文献标志码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID):C Ca ar rr ry yi in ng g a an nd d A Ap pp pl li ic ca at ti io on n o of f WWa at te er r J Je et t C Cu ut tt te er r-A As ss si is st te ed d R Ro oc ck k B
5、 Br re ea ak ki in ng g T Te ec ch hn no ol lo og gy yQI Zhichong,LYU Dan,HE Fei,XU Guangyi(China Railway Engineering Equipment Group Co.,Ltd.,Zhengzhou 450016,Henan,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:To address the challenging nature and slow tunneling of hard rock tunnel boring machines in the hard ro
6、ck stratum,a tunnel boring machine equipped with a water jet cutter-assisted rock breaking system is developed.This system enables rock breaking through the integrated action of a water jet and a disc cutter.Certain aspects of water jet cutter-assisted rock breaking technology have been already stud
7、ied:(1)The carrying and design concept of water jet cutter-assisted rock braking system is introduced,and the working principles and parameters of the jet system pump station,transport system,and jet system are presented.(2)An experimental test is conducted to obtain the relationship between the ind
8、ex parameters of rock breaking and high-pressure jet parameters.(3)The water jet cutter-assisted rock breaking technology is equipped and applied in the field.Further,the test measures and data,tunneling effect,environmental temperature,system power,and existing problems are obtained using real-time
9、 data collection,and corresponding measures are proposed.(4)The approaches for optimizing and improving the water jet cutter-assisted rock breaking technology are proposed based on the field tests.The results show that the water jet cutter-assisted rock breaking technology is feasible.The field and
10、torque penetration indices under 270 MPa water pressure-coupled tunneling are reduced by 38.1%and 16.9%,respectively,demonstrating good rock breaking effect.Moreover,temperature increase in the tunnel and abnormal wear of high-pressure water pipelines should be addressed in the future as they affect
11、 the normal tunneling of equipment.K Ke ey yw wo or rd ds s:hard rock tunnel boring machine;water jet cutter-assisted rock breaking;high-pressure water jet;coupled rock breaking;experimental research第 8 期齐志冲,等:水刀辅助破岩技术的搭载及应用0 引言 硬岩隧道掘进机是铁路隧道、引水隧洞、抽水蓄能等工程不可缺少的施工设备,其破岩原理为依靠滚刀产生冲击压碎和剪切碾碎的作用达到破碎岩石的目的1-3
12、。该机械破岩方式受岩石强度和完整性的影响,在岩石强度大于 200 MPa 且相对完整的情况下破岩效果很差,成为制约硬岩隧道掘进机掘进效率的瓶颈4-5。很多业内专家学者探索通过辅助破岩手段提高掘进机破岩效率,并取得了很多的理论成果。例如:朱团辉等6通过正交试验方法研究水射流压力、喷嘴直径、喷嘴移动速度对破岩沟槽深度与沟槽宽度的影响,探索高压水射流与岩石耦合破岩规律;文勇亮等7使用比较研究法,利用高压水、加砂破岩试验装置开展固定状态下喷头定时间、移动状态下喷头定速对比试验,研究不同静水压、射距、喷嘴的运动状态对破岩坑槽深度和宽度的影响;韩伟锋等8-9、雷光宇等10采用滚刀岩机作用综合试验台搭载高压
13、水射流装置,采用不同的水射流参数及掘进参数对花岗岩试样开展破岩试验,研究不同条件下水射流辅助机械滚刀破岩对掘进参数及效率的影响。目前,关于掘进机搭载辅助破岩技术的研究还处于理论和试验等起步阶段11-13,且以上文献很少从实际工程应用的角度阐述技术搭载过程以及应用效果分析。因此,本文以实际项目为依托,以辅助破岩技术搭载的硬岩掘进机设计应用为研究对象,解析辅助破岩技术搭载过程要点及施工中的应用效果和改进措施,保证辅助破岩技术在掘进机上成功搭载,以期为今后类似工程建设提供借鉴。1 工程概况 万安溪引水隧洞段总长 27.94 km,其中,TBM 开挖段总长 14.94 km,开挖洞径 3.83 m。T
14、BM 采用洞外组装、步进和始发,洞内拆机,埋深 100800 m,逆坡掘进,纵坡坡度为 0.233 7%。绝大部分岩石为燕山期黑云母花岗岩和花岗闪长岩,少部分为泥盆系石英砾岩、石英砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩和砂砾岩等。其中:黑云母花岗岩饱和抗压强度为 54226 MPa,平均为114 MPa,石英质量分数为 20%35%;花岗闪长岩饱和抗压强度为 8490 MPa,平均为 85.7 MPa,石英质量分数为 20%35%;砂岩饱和抗压强度为 61 129 MPa,平均为 90 MPa,石英质量分数为 25%36%,最大为 68%;石英砾岩饱和抗压强度为 98137 MPa,平均为116 MPa,石
15、英质量分数为 20%40%,最大为 81%。TBM 施工段围岩以类和类为主,局部洞段为类和 类。其中:类和 类围岩洞段 长 约11.55 km,占 隧 洞 总 长 的 82.3%;类 围 岩 长 约2.2 km,占隧洞总长的 15.7%;类围岩主要为断层带、强风化带等地层,长约 0.27 km,约占隧洞总长的 2%。2 水刀辅助破岩系统原理 水刀辅助破岩系统由供水单元、电机动力系统、高压水泵、高压水输送单元和高压喷嘴构成,如图 1 所示。供水单元为高压水系统提供可靠的水源。电机动力系统为高压水泵的运行提供动力,是整个高压水系统的动力源。高压水泵将电机输入的动力转化成高压水压力能。高压水输送单元
16、包含高压管路、蓄能器、高压旋转接头等,是保证高压水正常输送的附件。高压喷嘴将高压水按照要求的水柱直径喷出。1供水单元;2高压水泵;3电机动力系统;4高压水输送单元;5高压喷嘴。图 1 水刀辅助破岩系统Fig.1 Water jet cutter-assisted rock breaking system辅助破岩系统搭载在掘进机上,在刀盘结构集成设计高压水喷嘴,喷嘴凸出刀盘面板直接喷射到掌子面,刀盘背面安装高压旋转接头,用于向旋转的刀盘传输高压水,旋转接头与高压喷嘴之间用高压水管连接,并通过管夹及管路保护结构固定在刀盘结构上。高压水泵、电机动力系统、供水单元设置在主机尾部的后配套台车上。辅助破岩
17、系统搭载原理如图 2 所示。后配套台车上的高压水系统与刀盘背部的回转接头通过高压水输送单元连接,高压水输送单元的高压管路尽量短,以减少高压水输送时的压力损失。高压水泵输出高压水后进入蓄能器,蓄能器将波动的高压水进行稳定后再通过高压管路长距离输送到刀盘背部的回转接头。1高压水喷嘴;2高压回转接头;3高压水输送单元;4水泵、电机、供水单元。图 2 辅助破岩系统搭载原理图Fig.2 Carrying principle of water jet cutter-assisted rock breaking system5041隧道建设(中英文)第 43 卷辅助破岩系统在掘进机上搭载后,与掘进机系统形成
18、一个融合的整体。2 套系统之间的总体布置和控制综合考虑,辅助破岩系统及掘进机系统各关键参数如表 1 所示。表 1 辅助破岩系统及掘进机系统各关键参数Table 1Key parameters of assisted rock breaking system and tunnel boring machine related systems系统类别参数辅助破岩系统功率/kW960喷嘴数量/个15喷嘴直径/mm0.53、0.74靶距/mm40压力/MPa280流量/L160掘进机系统开挖直径/mm3 830功率/kW1 200额定推力/kN7 177额定转矩/(kNm)1 386刀盘转速/(r/m
19、in)015.83 水刀辅助破岩技术的搭载3.1 水射流切割破岩试验 针对万安溪引水隧洞项目,在现场取岩石试样,如图 3 所示。图 3 切割岩石试样Fig.3 Rock sample采用不同的高压水参数对岩石试样进行切割,并对高压水切割岩石试验结果进行量化,采集试验结果指标参数,分析切割岩石效果指标参数与高压水射流参数之间的关系,为选取适合该工程地质条件的高压水参数提供数据支持。3.1.1 试验参数 试验变量分别为压力、喷嘴直径、移动速度、喷嘴角度,基于刀具磨损量方面的考虑,为保证喷嘴不被磨损,确定靶距为 40 mm。试验参数如表 2 所示。试验目的是得到不同高压水参数条件下切割岩石的效果,确
20、定最优切割参数,切割指标包括切槽深度和切槽宽度。在试验过程中需测量不同水压、喷嘴直径下单个喷嘴的流量和功率。表 2 试验参数Table 2 Test parameters压力/MPa喷嘴直径/mm移动速度/(m/s)喷嘴角度/()靶距/mm1400.330.05 90402800.530.10803800.740.15750.970.20600.300.400.503.1.2 试验过程 试验中共采用 2 种高压水发生设备,分别为大流量高压柱塞泵和小流量增压器。高压柱塞泵的最大压力为 280 MPa,流量为 40 L/min;增压器的最大压力为380 MPa,最大流量为 20 L/min。水射流
21、试验台如图 4所示。图 4 水射流试验台Fig.4 Water yet test platform试验过程中,采用高压柱塞泵为高压水源进行140 MPa 和 280 MPa 压力切割试验,380 MPa 增压器高压水发生装置进行 380 MPa 高压水切割试验。水压为 280 MPa、喷嘴直径为 0.53 mm 岩石切割效果和水压为 280 MPa、喷嘴直径为 0.74 mm 岩石切割效果分别如图 5 和图 6 所示。3.1.3 试验结果 高压水辅助破岩试验可以完成不同高压水参数条件下大部分岩石试样的切割工作。在试样切割过程中6041第 8 期齐志冲,等:水刀辅助破岩技术的搭载及应用发现:高压
22、水系统对水质要求较高,试验用水需经过软化处理;切割废热较多,切割后的废水温度较高;功率高,在切割效果较理想的情况下,单个喷嘴最大功率可达 90 kW。图 5 水压为 280 MPa、喷嘴直径为 0.53 mm 岩石切割效果Fig.5 Water cutting effect under water pressure of 280 MPa and jet head diameter of 0.53 mm图 6 水压为 280 MPa、喷嘴直径为 0.74 mm 岩石切割效果Fig.6 Water cutting effect under water pressure of 280 MPa and
23、 jet head diameter of 0.74 mm水压在 380 MPa 时,受高压水泵流量能力限制,只进行了喷嘴直径为 0.33 mm 的试验,在不同切割速度下,均只对岩石表面产生影响,切割效果不显著。水压在 140 MPa 时,切缝整体呈剥落状,随着喷嘴直径的增大,切割宽度逐渐增大,切割深度变化不明显。水压在 280 MPa 时,切缝整体呈线性,切缝深度大于切缝宽度,随着喷嘴直径的增大,切缝宽度变化不明显,但切缝深度明显增加。结合试验数据分析和现有高压水系统的技术水平,考虑水射流技术在掘进机上搭载的可实现性,最终选择搭载压力为 280 MPa。3.2 喷嘴与滚刀空间布置试验 为了验
24、证水射流辅助破岩切缝与滚刀轨迹之间的相对位置对破岩效果的影响,开展切缝与滚刀相对位置破岩试验。试验破岩滚刀采用 43.18 cm(17 英寸)、刃宽为 17 mm 的常截面盘形滚刀,贯入度设定为4 mm,切割速度设定为 20 mm/s(受试验台限制)。试验过程中以 100 Hz 频率对滚刀三向力(法向力、滚动力和侧向力)进行采集,每个试验完成后对岩面进行拍照,并收集破岩岩屑。试验主要分为 3 个部分:1)无切缝滚刀破岩试验。以贯入度为 4 mm 对完整岩面进行切割试验。2)单切缝滚刀破岩试验。切缝宽度均为 2 mm,切缝深度分别为 2、4、6 mm,滚刀破岩位置如图 7 所示。3)双切缝滚刀破
25、岩试验。切缝宽度均为 2 mm,切缝深度分别为 2、4、6 mm,2 条切缝间距为81 mm,滚刀破岩位置位于 2 条切缝中间,如图 8所示。图 7 单切缝滚刀破岩试验Fig.7 Disc cutter rock breaking test with single cutting seam图 8 双切缝滚刀破岩试验Fig.8 Disc cutter rock breaking test with double cutting seam3.2.1 试验过程 滚刀破岩试验过程如图 9 所示,共分为 3 步。1)将岩石试样装入试验箱后对其施加 0.5 MPa围压,以保证破岩过程中试样不发生抖动和滑移
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