一种水导激光辅助机械刀具掘进装置、方法及掘进机与流程

1.本发明涉及地下工程掘进技术领域，特别涉及一种水导激光辅助机械刀具掘进装置、方法及掘进机。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
3.随着城市地下空间建设的不断发展，盾构技术作为地下隧洞施工的主力技术，具有自动化程度高、施工速度快、施工质量好、安全性高等优点被广泛应用于城市地铁隧洞、公路铁路隧洞等施工领域。在盾构机面临强度高达100mpa以上的高强度结构，例如孤石、钢筋混凝土桩基等，常常出现盾构掘进效率低、刀具磨损大、地层扰动大、出渣困难等问题，从而影响施工进度和成本。
4.激光切割不受材料硬度、刚性、强度等机械性能限制，具有切割速度快，效率高，经济效益好的特征。激光在切割岩石时，激光照射产生的高温可以迅速灼烧岩石表面，使其晶相发生改变，弱化岩石强度，以熔融、崩解等方式破岩；激光在切割高强、高硬金属方面同样优势明显，并已经具有丰富的实践基础。若将激光切割技术引入盾构机领域，对于盾构掘进及破障效率的提升具有巨大潜力。
5.尽管激光切割技术目前比较成熟，但激光在盾构机上的搭载仍存在诸多难点问题。主要表现在：
6.(1)在复杂的盾构掘进环境下如何防护激光头，并且保证光路不受泥、粉尘、岩屑干扰；
7.(2)现有技术尚不支持大功率激光光纤的插拔、滑动接触等连接方式，必须保证光纤从激光器到激光头为完整的一根，不能截断；
8.(3)激光器本身是一种精密的光学仪器，在盾构施工过程中产生较大振动，长时间振动引起的激光器元件松动或位置偏移导致光路偏转，将烧毁设备，危害施工人员的人身安全。


技术实现要素：

9.为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种水导激光辅助机械刀具掘进装置、方法及掘进机，解决了激光盾构搭载中激光头防护、高功率激光连续传输、激光器减振的工程难题，在盾构机遭遇坚硬地层、孤石、钢筋混凝土桩基等复杂条件下，提升了掘进效率，保障了施工安全。
10.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
11.本发明第一方面提供了一种水导激光辅助机械刀具掘进装置。
12.一种水导激光辅助机械刀具掘进装置，至少包括：盾构刀盘、水导激光传输装置、激光器、水泵和气泵；
13.盾构刀盘上设有水导激光喷头和机械刀具，水导激光喷头内嵌于盾构刀盘，且与
机械刀具配合分布；
14.激光器的出光口、水泵的出水口和气泵的出气口分别通过水导激光传输装置与水导激光喷头连接或连通。
15.进一步的，所述水导激光喷头的喷射角度可调，水导激光喷头包括聚光透镜、窗口透镜、水导激光喷头进水口、水腔、水导激光喷头进气口、气腔和水导激光输出口；
16.聚光透镜的一侧与水导激光传输装置的光纤出光口位置相对，聚光透镜的另一侧与窗口透镜的一侧位置相对，窗口透镜的另一侧与水导激光输出口位置相对；
17.水导激光喷头进水口、水腔和水导激光输出口依次连通，水导激光喷头进气口、气腔和水导激光输出口依次连通。
18.进一步的，水导激光传输装置至少包括：光纤、水导激光供水管线、回转接头供水管线、水层流装置、水导激光供气管线、回转接头供气管线、气层流装置和回转接头；
19.水泵通过回转接头供水管线与回转接头的水槽连通，回转接头的水槽与水层流装置连通，气泵通过回转接头供气管线与回转接头的气槽连通，回转接头的气槽与气层流装置连通；
20.激光器与光纤的一端连接，光纤的另一端通过回转接头内的光纤通道穿出。
21.更进一步的，所述回转接头至少包括：旋转端、固定端和密封组件；
22.旋转端包括水槽、水孔、回转接头出水通道、回转接头出水口、气槽、气孔、回转接头出气通道、回转接头出气口和激光光纤通道；
23.水槽和气槽与回转接头旋转端同轴心，水槽与回转接头进水口连通，气槽与回转接头进气口连通，水槽开有水孔，水槽通过水孔与回转接头出水通道连通，气槽开有气孔，气槽通过水孔与回转接头出气通道连通；
24.回转接头进水口和回转接头进气口径向不共线，旋转端与固定端之间、旋转端与回转接头进水口之间以及回转接头进水口与回转接头进气口之间均用密封组件密封。
25.更进一步的，回转接头旋转端远离刀盘的一侧与转轴连接，还包括端盖，所述端盖与固定端连接，端盖内用肋板间隔成两个腔室，肋板与转轴接触的位置通过密封组件密封，第一腔室中设有激光器，并接入风冷气体；第二腔室置有固定在转轴上的电刷，第二腔室开设有通电口，激光器通过电刷与外部电源连接。
26.更进一步的，还包括设置在转轴上的减震装置，激光器固定在减震装置上，所述减震装置包括连接减振器内侧上下面的弹簧、设于减振器内侧底部用于测量弹簧变形量的位移传感器、多个连接减振器内侧上下面的阻尼器，安装于阻尼器活塞杆处的制动器和控制终端，所述位移传感器和制动器均与控制终端通信连接。
27.进一步的，水导激光喷头的喷射角度可调。
28.本发明第二方面提供了一种上述的水导激光辅助机械刀具掘进装置的工作方法，包括以下过程：
29.激光器产生的光、水泵产生的水以及产生的气体，均由水导激光传输装置传送至水导激光喷头；
30.由水流束引导激光释放在掌子面上，并与机械刀具相配合进行切割工作。
31.进一步的，
32.将水导激光喷头安装在机械刀具两侧或前端；
33.当刀盘接触桩基后，停止刀盘推进但保持旋转，启动水导激光系统，水导激光对钢筋混凝土桩基先行切割，在桩基表面形成切缝并将钢筋切断成预定长度；
34.然后刀盘启动推进，用机械刀具破除钢筋混凝土。
35.进一步的，
36.水导激光喷头安装在机械刀具前端，水导激光与机械刀具伴随刀盘的旋转推进，同轨迹同时切割，共同破岩。
37.进一步的，
38.当激光器随着盾构刀盘旋转时，置于减振器底部的位移传感器测量激光器的位移量；
39.当弹簧变形大于预设量时，位移传感器将检测到的信号反馈给控制终端，制动器工作，减少锁紧阻尼器数量，减小激光器振动；
40.当弹簧变形小于预设量时，位移传感器将检测到的信号反馈给控制终端，制动器工作，增加锁紧的阻尼器数量，减小激光器振动的同时减小阻尼器损耗。
41.本发明第三方面提供了一种掘进机，包括上述的水导激光辅助机械刀具掘进装置，或者利用上述的工作方法。
42.现有技术相比，本发明的有益效果是：
43.1、本发明解决了激光盾构搭载中激光头防护、高功率激光连续传输、激光器减振的工程难题，在盾构机遭遇坚硬地层、孤石、钢筋混凝土桩基等复杂条件下，提升了掘进效率，保障了施工安全。
44.2、水导激光喷头内嵌于盾构刀盘，喷头与机械刀具之间相互配合，随刀盘旋转可实现全断面切割，所述喷头可按需求调整喷射角度，对掌子面前方孤石和局部高硬度地层进行切缝，提高盾构掘进效率；当遭遇既有桩基时，可对桩基按照预定位置进行切割，产生长度可控的钢筋，防止钢筋缠绕刀盘，保证钢筋顺利排出。
45.3、激光头是精密的光学元器件，光学透镜脆性大硬度小，因而极易损坏，在盾构恶劣工况下，粉尘、岩屑、泥饼等都会对激光头造成不可逆的损害，难以实现激光头的有效防护。本发明采用水导激光喷头取代了传统激光喷头，利用激光在水和空气的分界面发生全反射，用高压水路传导激光，巧妙地解决了激光头的防护问题；避免了使用激光头过程中出现的磨损及崩砸破坏，同时水射流还具有排除岩渣、岩粉干扰光路的作用；同时水射流还具备破岩能力，在激光弱化岩体的同时，水射流冲击能够实时剥离岩石，避免形成岩石釉质，大幅提升破岩效率。
46.4、在大功率激光条件下，目前技术尚不支持光纤截断后的插拔、回转等连接方式，否则将引起光路紊乱，造成光纤的烧毁，甚至由光纤喷射出的激光引发其它构件损坏或安全事故；本发明的水、气、激光的传输方式，既解决了高压水、气的动静分离难题，又避免了光纤截断，而激光器的供电线路回转采用电刷，性能可靠、切实可行。
47.5、激光器本身是一种精密的光学仪器，过大振动会引发激光器元件松动或位置偏移，不仅激光光路精度下降，还会烧毁设备，危害施工人员的人身安全；针对激光器减振问题，本发明创新性的提出了一种用于盾构搭载激光器的变阻尼减振装置。根据设备振动信息进行自动阻尼调节，保证激光器在允许范围内振动不影响正常工作，解决了激光在盾构搭载激光器的抗振动难题。
附图说明
48.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
49.图1为本实施例1提供的水导激光辅助机械刀具掘进装置的整体结构示意图。
50.图2为本实施例1提供的水导激光喷头示意图。
51.图3为本实施例1提供的回转接头结构示意图。
52.图4为本实施例1提供的激光器变阻尼减振装置示意图。
53.其中，1、盾构刀盘；2、回转接头；3、回转接头供水管线；4、高压水泵组；5、高压气泵；6、回转接头供气管线；7、水导激光供气管线；8、光纤；9、水导激光供水管线；10、水导激光喷头；
54.1001、聚光透镜；1002、窗口透镜；1003、水导激光高压气进口；1004、水导激光气腔；1005、水导激光输出口；1006、水导激光水腔；1007、水导激光高压水进口；
55.201、回转接头旋转端；202、回转接头固定端；203、轴承；204、回转接头高压水进口；205、高压水槽；206、水孔；207、激光器；208、变阻尼减振装置；209、电刷；210、端盖；211、通电口；212、回转接头高压气进口；213、高压气槽；214、气孔；215、回转接头出气通道；216、回转接头高压气出口；217、高压空气层流装置；218、激光光纤通道；219、回转接头出水通道；220、回转接头高压水出口；221、高压水层流装置；
56.2101、弹簧；2102、位移传感器；2103、阻尼器；2104、制动器。
具体实施方式
57.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
58.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
59.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
60.在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
61.实施例1：
62.如图1-4所示，本发明实施例1提供了一种水导激光辅助机械刀具掘进装置，包括：水导激光盾构刀盘、水导激光传输装置、变阻尼减振装置208、激光器207、高压水泵组4、高压气泵5。
63.水导激光盾构刀盘包括：水导激光喷头10、机械刀具和盾构刀盘1，由高压水泵组4、高压气泵5和激光器207产生的高压水、高压气和激光束经水导激光传输装置传输至水导激光喷头10，形成高能水导激光能量束辅助盾构机械刀具破除前方岩土体。
64.水导激光喷头10可安装在机械刀具的前端、后端、左端、右端，与机械刀具配合使用，也可与机械刀具组合成联合刀具，实现水导激光辅助机械刀具高效掘进功能。
65.如图1所示，水导激光盾构刀盘包括盾构刀盘1、搭载于刀盘上的水导激光喷头10
和机械刀具。所述水导激光喷头10内嵌于盾构机刀盘，数量若干，与机械刀具相配合分布；水导激光喷头10可与机械刀具配合使用，根据需要布设在机械刀具的前端、后端、左端或右端，针对不同工况打开的相应位置的水导激光喷头10，水导激光喷头10可调整喷射角度，随刀盘旋转切割掌子面前方孤石、既有桩基或坚硬地层，促进机械刀具的切割效率。
66.如图1和图2所示，所述水导激光喷头包括聚光透镜1001、窗口透镜1002、水导激光高压水进口1007、水导激光水腔1006、水导激光高压气进口1003、水导激光气腔1004以及水导激光输出口1005。
67.激光器207产生高能激光，由光纤8传输到聚光透镜1001上，并聚焦照射在窗口透镜1002上，随后传输至水导激光输出口1005；高压水由水导激光供水管线9传输至水导激光高压水进口1007，再流经水导激光水腔1006后在水导激光水出口1005处形成水柱；高压空气由水导激光供气管线7传输至水导激光高压气进口1003，再经水导激光气腔1004后与高压水柱和高能激光汇聚形成水导激光束。
68.如图1所示，所述高压水泵组4、高压气泵5放置在盾构机配套滑车上，高压水泵组4产生的高压水通过高压供水管线3传输至回转接头2；高压气泵5产生的高压气通过高压供气管线6传输至回转接头2。
69.如图1和图3所示，水导激光传输装置包括光纤8、水导激光供水管线9、回转接头供水管线3、高压水层流装置219、水导激光供气管线7、回转接头供气管线6、高压气层流装置216和回转接头2。
70.回转接头供水管线3和回转接头供气管线6将高压水和高压气传输至回转接头2，又经高压水层流装置221和高压气层流装置217后，流动状态变成稳定的层流，随后经水导激光供水管线9和水导激光供气管线7将高压水和高压气传输至水导激光喷头10；此外，激光器207产生的高能激光由光纤8传输至水导激光喷头10。
71.如图3所示，回转接头2包括回转接头旋转端201、回转接头固定端202和密封组件。回转接头旋转端201与回转接头固定端202之间、回转接头旋转端201与回转接头高压水进口204之间、回转接头高压水进口204与回转接头高压气进口212之间均用密封组件密封。
72.如图3所示，所述回转接头旋转端201包括：高压水槽205、水孔206、回转接头出水通道219、回转接头高压水出口220、高压气槽213、气孔214、回转接头出气通道215、回转接头高压气出口216和激光光纤通道218。
73.回转接头固定端202上设置有回转接头高压水进口204和回转接头高压气进口212。所述高压水槽205和高压气槽213与回转接头旋转端201同轴心，且分别与回转接头高压水进口204和回转接头高压气进口212相连通；各高压水槽205和各高压气槽213分别设有水孔206和气孔214，高压水槽205通过水孔206与回转接头出水通道219相连通，高压气槽213通过气孔214与回转接头出气通道215相连通；高压水从回转接头高压水进口204流经高压水槽205，又通过水孔206传输至回转接头出水通道219；高压气从回转接头高压气进口212流经高压气槽213，又通过气孔214传输至回转接头出气通道215，实现高压水和高压气的动静分离问题。
74.本实施例中，所述高压水进口204和高压气进口212径向不共线以保证环向水槽205与环向气槽213不发生干涉，确保回转接头可连续360
°
回转。
75.本实施例中，回转接头高压水出口220与回转接头出水通道219连通，回转接头高
压气出口217与回转接头出气通道215连通所述高压水层流装置221和高压气层流装置217分别安装在回转接头高压水出口220和回转接头高压气出口216的位置。
76.如图3所示，端盖210通过螺钉固定在回转接头固定端202上，端盖210用肋板间隔成两个腔室，肋板与转轴接触处置有密封组件密封，左侧腔室中置有受减振装置防护的激光器207，并由外置的风冷机冷却；右侧腔室置有固定在转轴上的电刷209，且右侧腔室开设有通电口211，激光器207通过电刷209与外部电源连接，实现供电动静分离。
77.如图3、4所示，水导激光减振装置208固接在转轴上，水导激光减振装置208包括连接减振器上下面的弹簧2101、置于减振器底部用于测量弹簧2101变形量的位移传感器2102、若干连接减振器上下面的阻尼器2103，安装于阻尼器活塞杆处的制动器2104和控制系统组成。
78.当控制系统控制制动器2104锁死时，阻尼器锁死停止工作，当控制系统控制制动器2104放松时，更多阻尼器加入工作。
79.当激光器207随着刀盘1旋转时，置于减振器底部的位移传感器2102可以测量激光器207的位移量，根据有如下两种实际工况：
80.①
当弹簧2101变形较大(激光器207振动较大，大于预设阈值)时，位移传感器2102将检测到的信号反馈给控制系统，制动器2104工作，减少锁紧阻尼器数量，以便吸收更多能量，减小激光器振动；
81.②
当弹簧2101变形较小(激光器振动较小，小于预设阈值)时，位移传感器2102将检测到的信号反馈给控制系统，制动器2104工作，增加锁紧的阻尼器数量，既可以减小激光器振动，又能有效减小阻尼器损耗；所述水导激光减振装置208能保证激光器在允许范围内振动不影响正常工作，解决了激光在盾构搭载激光器的抗振动难题。
82.本发明可以进行以下多种盾构掘进工况：
83.(1)水导激光-机械逐次工作：在盾构法掘进城市地下空间过程中，常常遇到掌子面前方存在钢筋混凝土桩基的工况，本发明将水导激光喷头10安装在机械刀具两侧或前端。当刀盘接触桩基后，停止刀盘推进但保持旋转，启动水导激光系统，水导激光对钢筋混凝土桩基先行切割，在桩基表面形成切缝并将钢筋切断成预定长度；然后刀盘启动推进，用机械刀具破除钢筋混凝土。解决了常规机械破除易产生钢筋缠绕刀盘导致掘进速度下降、刀盘出渣困难等一系列问题。
84.(2)水导激光-机械联合工作：在盾构法掘进城市地下空间过程中，常常遇到掌子面前方存在局部高硬度地层或孤石的工况，本发明所述水导激光喷头10宜安装在机械刀具前端，水导激光与机械刀具伴随刀盘的旋转推进，同轨迹同时切割，共同破岩。此时水导激光在掘进过程中不断地在岩石表面形成切缝并降低岩石强度，大大增加了机械刀具的贯入度，利于大渣片的形成和剥落。具体施工时可根据局部坚硬地层或孤石的位置，选择性的开启部分水导激光喷头10，降低耗能，提高了盾构掘进效率。
85.实施例2：
86.本发明实施例2提供了一种掘进机，包括实施例1述的水导激光辅助机械刀具掘进装置。
87.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。