1.本发明涉及隧道掘进装置技术领域，具体涉及一种岩石隧道掘进机射流辅助超前钻孔掘进装置。
背景技术：2.当今中国己是世界上隧道及地下工程规模最大、数量最多、地质条件和结构形式最复杂、修建技术发展速度最快的国家。隧道工程涉及到很多学科，包括力学、物理学、系统工程、现代数理科学、人工智能、材料科学等等，这些学科的发展促进了隧道的建设。随着人口的增长，城市化的发展，土地资源日益变得紧缺，而人类对环境的要求越来越高，隧道位于地下的特点可以有效的节约土地，保护环境。随着对开掘隧道要求的提高，对掘进机，盾构机的要求也开始提高。
3.传统的隧道掘进机，由于边缘的刀片的线速度要远大于中间部分的线速度，导致中间部分刀片的切割效率较低，因此诞生了把岩芯和环形切割面分开破碎的方法，此法可以使中心切割刀具和环形面的切割刀具以不同的速率旋转，使得中心切割刀具的线速度与切割面边缘的刀片的线速度差距不大，从而提高中心部分刀具的切割效率。但是现有的上述方法的中心切割刀具轴向旋转角速度虽然加快，但为了协调环形切割面，通常刀具的数量会减少，刀具配置不合理，从而会造成了刀片的磨损载荷增加的情形。
技术实现要素：4.针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种岩石隧道掘进机射流辅助超前钻孔掘进装置，刀具配置更加合理，且相互之间配合好，刀具磨损减少，且切割效率高。
5.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
6.本发明提供一种岩石隧道掘进机射流辅助超前钻孔掘进装置，包括刀盘、取芯模组、定位支架，所述定位支架包括支撑结构，所述支撑结构通过铰接接头连接有内框架、外框架，所述内框架、外框架、支撑结构同轴心设置，内框架布置在外框架内且内框架、外框架能够通过独立驱动实现独立旋转，所述内框架、外框架连接有转向环，所述转向环通过液压缸连接有支架，所述支架通过稳定环连接有稳定架，所述稳定架与支撑结构固定且稳定架上安装有用于与岩壁接触的轴向滑动轮，所述取芯模组安装在内框架上，所述刀盘安装在外框架上，所述取芯模组上设置有能够形成高压水射流的滚刀型的破碎装置，所述刀盘上间隔布置有呈放射状安装的若干滚刀、刮刀，所述刮刀上安装有能够沿着刀盘径向滑动的若干锤头，所述刀盘的外周均布设置有若干壁成型刀片。
7.优选地，所述支撑结构与岩壁之间安装有垫块。
8.优选地，所述破碎装置对称安装在中心电机上，所述中心电机、破碎装置组成取芯模组，所述中心电机安装在内框架上。
9.优选地，所述破碎装置包括安装在中心电机旋转轴上的中心转轴，所述中心转轴远离中心电机的一端连接有旋转密封，所述中心转轴内设置有能够形成高压水射流的射流
管道，所述射流管道通过旋转密封与高压水管连通。
10.优选地，所述内框架靠近取芯模组的一端安装有与外框架对应的用于保持内框架及外框架旋转内径的接触环，所述外框架靠近刀盘的一端形成有与岩壁对应的若干外扩支架一，所述外扩支架一靠近岩壁的一端安装有用于与岩壁接触的滑动轮一，所述外扩支架一上安装有若干用于保持外框架旋转外径的稳定架，所述内框架靠近接触环的一端形成有与外框架对应的外扩支架二，所述外扩支架二靠近外框架的一端安装有用于与外框架接触的滑动轮二，所述外框架上安装有与接触环对应的滑动轮三。
11.优选地，所述刮刀上形成有与锤头对应的轨道，所述锤头分两组斜向安装在轨道上，且锤头的高度高于刮刀低于滚刀，轨道的中间位置设置有防止两组锤头碰撞的隔离段。
12.优选地，所述刮刀上设置有能够喷射高压水射流的高压耐磨喷嘴且高压耐磨喷嘴与对应的滚刀的中心处于同一圆周上，所述刮刀的高度低于滚刀的高度。
13.优选地，所述壁成型刀片通过短轴与安装在刀盘上的驱动装置连接。
14.本发明还提供一种上述装置的使用方法，包括以下步骤：
15.(1)将本装置的各个部件定位支撑在钻探隧道中，支撑结构通过垫块固定定位，使其与隧道同轴，稳定架、内框架、外框架则分别通过轴向滑动轮，滑动轮一，滑动轮二、滑动轮三进行定位，使其与隧道同轴，由内框架，外框架支撑定位刀盘、取芯模组；
16.(2)随着刀盘旋转和刮刀上的高压耐磨喷嘴通水，首先在待钻探的面上切割出一圈圈缝隙，随后装置开始整体前移，滚刀率先接触切割面，由于滚刀和高压耐磨喷嘴的安装位置在同一圆周上，所以滚刀在缝隙的基础上开始破岩，破除后的剩余岩石由刮刀和锤头剔除，中心部分也由刮刀塑性，使其大小可以进入刀盘，并与取芯模组接触切割.随着深度的增加，取芯模组所射出的水射流开始冲蚀岩芯，随着轴向旋转在岩芯上冲蚀出一圈圈缝隙，随着深度进一步增加，中心转轴的切割部分接触岩芯，在高压射流的辅助下，开始破碎岩芯；
17.(3)破碎过程中产生的碎石，由运输皮带装置源源不断地送出隧道。
18.本发明的有益效果在于：
19.1、本发明的取芯模组中的中心转轴把滚刀和高压水射流喷组进行了结合，不仅具有滚刀碎岩的功能，还因为在其中加工水道，制造喷嘴，实现了高压射流辅助切割，提高了切割效率，延长了零件寿命，降低了切割能耗，减少了扬尘污染，改善了工作环境。
20.2、本发明能够实现高压水射流割缝辅助滚刀破岩，在带高压水射流喷嘴的刮刀的合理安装下，可在钻探面上依靠水射流割出位置适当的岩缝，减轻滚刀破岩时造成的刀具磨损，延长滚刀的寿命。
21.3、本发明的定位支架中有转向环、支架、轴向滑动轮、液压缸；通过轴向滑动轮可以使转向环稳定在适当的轴向位置，通过液压缸的调节，可以使转向环与支架的距离发生改变，从而使掘进方向改变。用以适应复杂多变的地质情况。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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。
23.图1为本发明实施例提供的一种岩石隧道掘进机射流辅助超前钻孔掘进装置的刀盘；
24.图2为本发明实施例提供的一种岩石隧道掘进机射流辅助超前钻孔掘进装置的刀盘上的新型刮刀的剖面图；
25.图3为本发明实例提供的一种刮刀的侧视图；
26.图4为本发明实例提供的一种刮刀的正视图；
27.图5为本发明实例提供的锤头的结构示意图；
28.图6为本发明实施例提供的一种新型破岩装置；
29.图7为本发明实施例提供的一种新型破岩装置的剖面图；
30.图8为本发明实施例提供的定位支架后半部分的侧视图；
31.图9为本发明实施例提供的定位支架的b-b方向的剖视图；
32.图10为本发明实施例提供的定位支架前半部分的侧视图；
33.图11为本发明实施例提供的定位支架c-c方向的剖视图；
34.图中：1-刀盘；2-滚刀；3-刮刀；3-1-锤头；4-驱动电机；5-短轴；6-壁成型刀片；7-中心电机；8-破碎装置；8-1-中心转轴；8-2-旋转密封；8-3-高压水管；9-内框架；10-外框架；11-铰接接头；12-稳定架；13-转向环；14-支架；15-液压缸；16-轴向滑动轮；17-稳定环；18-岩壁；19-垫块；20-支撑结构；21-滑动轮一；23-滑动轮二；25-滑动轮三；22-接触环；24-稳定架。
具体实施方式
35.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做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。
36.如图1至图11所示，本实施例提供一种岩石隧道掘进机射流辅助超前钻孔掘进装置。
37.图1所示切割刀盘的视图，其上径向安装有滚刀2，刮刀3，还安装有短轴5，和壁成型刀片6，短轴5是以规则的角度间隔安装，壁成型刀片6安装在短轴5上，用来辅助塑型隧道圆桶壁，在转向时也起关键作用。
38.图2、3、4、5是本实例中设计的刮刀的各个视图，展示刮刀结构。
39.所述刮刀3，其上加工有高压耐磨喷嘴，用于喷射高压水射流，喷嘴位置与滚刀中心处于同一圆周上。刮刀3的安装高度要低于滚刀高度，以防滚刀破岩时刮刀挤压岩石造成损伤，其以放射状安装在刀盘1上，作用是塑性岩芯，来防止因岩芯的形状不规则挤压刀盘，塑性钻孔面，防止尖锐凸起影响水射流的割缝辅助。刮刀3，其上加工有轨道，轨道上安装有锤头3-1，其能在刮刀上径向滑动，对滚刀破碎后的钻孔面进行轴向破碎，减少刮刀面的工作强度。刮刀3，其上加工有轨道，轨道上安装有锤头3-1，该锤头3-1斜向安装两组，保证锤头3-1的高度高于刮刀低于滚刀，工作时俩组同时向刮刀中间部分径向移动，轨道在中间部分形成有隔离段，防止锤头3-1相互碰撞。
40.图6、7所示是本实施例的用于破碎岩心的破碎装置的各个视图。
41.所述破碎装置8，靠中心电机7驱动其沿径向轴向转动。其包括：旋转密封8-1，中心转轴8-2，高压水管8-3，其中高压水管另一端为本领域技术人员所熟知的供水装置，在图中未画出。
42.所述破碎装置8对称安装于中心电机7上，工作时带动破碎装置8轴旋转。
43.所述破碎装置8的中心转轴8-1加工有与滚刀类似的结构，但在内部加工有水道和喷嘴，借助旋转密封8-2连接高压水，形成高压水射流来辅助碎岩。
44.所述中心转轴8-1结合了滚刀和水射流喷嘴的作用，加工为一体，内部加工水道，配合旋转密封，可通入高压水以辅助切割岩芯，工作时高压水通过水管8-3接通到旋转密封8-2，又通过旋转密封接通到中心转轴8-1，最后从喷口喷出，率先接触冲蚀岩石。形成一圈一圈的割缝，随后中心转轴开始接触切割岩芯，切割完成后形成的水雾又起到降尘的作用。需要说明的是，为了表达清晰，图7的喷口直径要比实际大，实物上喷口很小。
45.图8、9、10、11展示了定位支架的各个零件，定位支架包括外框架10，内框架9，铰接接头11，稳定架12，转向环13，支架14，轴向滑动轮16，液压缸15，稳定环17。定位支架由支撑结构20支撑，支撑结构20与岩壁18之间安装有垫块19。其中内框架9，外框架10于支撑结构20依靠铰接接头11相连接，于端部依靠接触环22和滑动轮相互关联，在工作时铰接接头提供内外框架不同的旋转速率，以协调环形面和岩芯的切割速率。
46.在需要转向时，轴向滑动轮16沿着轴向滑动，使得支架14、液压缸15、转向环13稳定在适当的位置，随着液压缸15的调节，转向环13和支架14的距离产生改变，从而开始转向。在不需要转向时，液压缸15可以抵抗钻探过程中的径向力。
47.图9、10、11表示支架的端部，该端部与环面切割模组可操作的相连接。所述内框架9靠近取芯模组的一端安装有与外框架10对应的用于保持内框架9及外框架10旋转内径的接触环22，所述外框架10靠近刀盘1的一端形成有与岩壁18对应的若干外扩支架一，所述外扩支架一靠近岩壁18的一端安装有用于与岩壁18接触的滑动轮一21，所述外扩支架一上安装有若干用于保持外框架10旋转外径的稳定架24，所述内框架9靠近接触环22的一端形成有与外框架10对应的外扩支架二，所述外扩支架二靠近外框架10的一端安装有用于与外框架10接触的滑动轮二23，所述外框架10上安装有与接触环22对应的滑动轮三25，由于内外框架的转速不同，所以要靠一个接触环22保持内直径和外支架的接触定位。工作时，内框架延伸部分安装的滑轮二23与接触环22接触定位，外框架延伸部分安装的滑轮一21与岩壁接触定位。还安装有稳定环17可以提升工作时外框架的稳定程度。
48.本实施例刀盘1、滚刀2、刮刀3、锤头3、1、驱动电机4、短轴5、壁成型刀片6、中心电机7、破碎装置8、中心转轴8、1、旋转密封8、2、高压水管8、3、内框架9、外框架10、铰接接头11、稳定架12、转向环13、支架14、液压缸15、轴向滑动轮16、稳定环17、岩壁18、垫块19、支撑结构20、滑动轮一21、滑动轮二23、滑动轮三25、接触环22、稳定架24、以及上述机构所连接的驱动装置、控制装置均采用本领域技术人员所熟知的现有产品或结构，其相互之间的连接方式或控制方式也采用本领域技术人员所熟知的现有连接方式或控制方式在此不再作详细描述。
49.本实施例的装置的使用方法具体包括以下步骤：
50.1、将本装置的各个部件定位支撑在钻探隧道中，支撑结构20通过垫块19固定定
位，使其与隧道同轴，稳定架12、内框架9、外框架10则分别通过轴向滑动轮16，滑动轮一21，滑动轮二23、滑动轮三25进行定位，使其与隧道同轴，由内框架9，外框架10支撑定位刀盘1、取芯模组；
51.2、随着刀盘1旋转和刮刀3上的高压耐磨喷嘴通水，首先在待钻探的面上切割出一圈圈缝隙，随后装置开始整体前移，滚刀2率先接触切割面，由于滚刀2和高压耐磨喷嘴的安装位置在同一圆周上，所以滚刀2在缝隙的基础上开始破岩，破除后的剩余岩石由刮刀3和锤头3-1剔除，中心部分也由刮刀3塑性，使其大小可以进入刀盘1，并与取芯模组接触切割.随着深度的增加，取芯模组所射出的水射流开始冲蚀岩芯，随着轴向旋转在岩芯上冲蚀出一圈圈缝隙，随着深度进一步增加，中心转轴8-1的切割部分接触岩芯，在高压射流的辅助下，开始破碎岩芯；
52.3、破碎过程中产生的碎石，由运输皮带装置源源不断地送出隧道。
53.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
技术特征：1.一种岩石隧道掘进机射流辅助超前钻孔掘进装置，其特征在于，包括刀盘(1)、取芯模组、定位支架，所述定位支架包括支撑结构(20)，所述支撑结构(20)通过铰接接头(11)连接有内框架(9)、外框架(10)，所述内框架(9)、外框架(10)、支撑结构(20)同轴心设置，内框架布置在外框架(10)内且内框架(9)、外框架(10)能够通过独立驱动实现独立旋转，所述内框架(9)、外框架(10)连接有转向环(13)，所述转向环(13)通过液压缸(15)连接有支架(14)，所述支架(14)通过稳定环(17)连接有稳定架(12)，所述稳定架(12)与支撑结构(20)固定且稳定架(12)上安装有用于与岩壁(18)接触的轴向滑动轮(16)，所述取芯模组安装在内框架(9)上，所述刀盘(1)安装在外框架(10)上，所述取芯模组上设置有能够形成高压水射流的滚刀型的破碎装置(8)，所述刀盘(1)上间隔布置有呈放射状安装的若干滚刀(2)、刮刀(3)，所述刮刀(3)上安装有能够沿着刀盘(1)径向滑动的若干锤头(3-1)，所述刀盘(1)的外周均布设置有若干壁成型刀片(6)。2.如权利要求1所述的一种岩石隧道掘进机射流辅助超前钻孔掘进装置，其特征在于，所述支撑结构(20)与岩壁(18)之间安装有垫块(19)。3.如权利要求1所述的一种岩石隧道掘进机射流辅助超前钻孔掘进装置，其特征在于，所述破碎装置(8)对称安装在中心电机(7)上，所述中心电机(7)、破碎装置(8)组成取芯模组，所述中心电机(7)安装在内框架(9)上。4.如权利要求3所述的一种岩石隧道掘进机射流辅助超前钻孔掘进装置，其特征在于，所述破碎装置(8)包括安装在中心电机(7)旋转轴上的中心转轴(8-1)，所述中心转轴(8-1)远离中心电机(7)的一端连接有旋转密封(8-2)，所述中心转轴(8-1)内设置有能够形成高压水射流的射流管道，所述射流管道通过旋转密封(8-2)与高压水管(8-3)连通。5.如权利要求1所述的一种岩石隧道掘进机射流辅助超前钻孔掘进装置，其特征在于，所述内框架(9)靠近取芯模组的一端安装有与外框架(10)对应的用于保持内框架(9)及外框架(10)旋转内径的接触环(22)，所述外框架(10)靠近刀盘(1)的一端形成有与岩壁(18)对应的若干外扩支架一，所述外扩支架一靠近岩壁(18)的一端安装有用于与岩壁(18)接触的滑动轮一(21)，所述外扩支架一上安装有若干用于保持外框架(10)旋转外径的稳定架(24)，所述内框架(9)靠近接触环(22)的一端形成有与外框架(10)对应的外扩支架二，所述外扩支架二靠近外框架(10)的一端安装有用于与外框架(10)接触的滑动轮二(23)，所述外框架(10)上安装有与接触环(22)对应的滑动轮三(25)。6.如权利要求1所述的一种岩石隧道掘进机射流辅助超前钻孔掘进装置，其特征在于，所述刮刀(3)上形成有与锤头(3-1)对应的轨道，所述锤头(3-1)分两组斜向安装在轨道上，且锤头(3-1)的高度高于刮刀(3)低于滚刀(2)，轨道的中间位置设置有防止两组锤头(3-1)碰撞的隔离段。7.如权利要求1所述的一种岩石隧道掘进机射流辅助超前钻孔掘进装置，其特征在于，所述刮刀(3)上设置有能够喷射高压水射流的高压耐磨喷嘴且高压耐磨喷嘴与对应的滚刀(2)的中心处于同一圆周上，所述刮刀(3)的高度低于滚刀(2)的高度。8.如权利要求1所述的一种岩石隧道掘进机射流辅助超前钻孔掘进装置，其特征在于，所述壁成型刀片(6)通过短轴(5)与安装在刀盘(1)上的驱动装置(4)连接。9.如权利要求1-8任一项所述的一种岩石隧道掘进机射流辅助超前钻孔掘进装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将本装置的各个部件定位支撑在钻探隧道中，支撑结构(20)通过垫块(19)固定定位，使其与隧道同轴，稳定架(12)、内框架(9)、外框架(10)则分别通过轴向滑动轮(16)，滑动轮一(21)，滑动轮二(23)、滑动轮三(25)进行定位，使其与隧道同轴，由内框架(9)，外框架(10)支撑定位刀盘(1)、取芯模组；(2)随着刀盘(1)旋转和刮刀(3)上的高压耐磨喷嘴通水，首先在待钻探的面上切割出一圈圈缝隙，随后装置开始整体前移，滚刀(2)率先接触切割面，由于滚刀(2)和高压耐磨喷嘴的安装位置在同一圆周上，所以滚刀(2)在缝隙的基础上开始破岩，破除后的剩余岩石由刮刀(3)和锤头(3-1)剔除，中心部分也由刮刀(3)塑性，使其大小可以进入刀盘(1)，并与取芯模组接触切割.随着深度的增加，取芯模组所射出的水射流开始冲蚀岩芯，随着轴向旋转在岩芯上冲蚀出一圈圈缝隙，随着深度进一步增加，中心转轴(8-1)的切割部分接触岩芯，在高压射流的辅助下，开始破碎岩芯；(3)破碎过程中产生的碎石，由运输皮带装置源源不断地送出隧道。
技术总结本发明公开了一种岩石隧道掘进机射流辅助超前钻孔掘进装置，包括刀盘、取芯模组、定位支架，所述定位支架包括支撑结构，所述支撑结构通过铰接接头连接有内框架、外框架，所述内框架、外框架、支撑结构同轴心设置，内框架布置在外框架内且内框架、外框架能够通过独立驱动实现独立旋转，所述取芯模组安装在内框架上，所述刀盘安装在外框架上，所述取芯模组上设置有能够形成高压水射流的滚刀型的破碎装置，所述刀盘上间隔布置有呈放射状安装的若干滚刀、刮刀，所述刮刀上安装有能够沿着刀盘径向滑动的若干锤头，所述刀盘的外周均布设置有若干壁成型刀片，具配置更加合理，且相互之间配合好，刀具磨损减少，且切割效率高。且切割效率高。且切割效率高。
技术研发人员：江红祥 赵明金 刘送永 杜迈 李洪盛
受保护的技术使用者：国科中迈（徐州）能源科技有限公司
技术研发日：2022.07.04
技术公布日：2022/11/1
