本发明涉及隧道及地下工程领域，特别涉及复杂地质条件tbm隧道施工领域，更具体地说它是基于斜切角高压冰射流时空布置的刀盘的破岩方法。本发明还涉及基于斜切角高压冰射流时空布置的刀盘的破岩装置。
背景技术：
隧道掘进机(tbm)具有安全、环保、高效等优秀特点，被广泛应用于水工隧洞、矿山巷道、交通隧道以及管道国防等众多隧道建设项目。然而，tbm发展至今，已经从传统的手扶式、机械式、闭胸式以及现在的智能控制集成化的tbm装备，其机械滚刀滚压破碎岩石的破岩方式却没有发生根本性改变，原有tbm机械刀具破岩，通过机械滚刀滚压和刮刀切割的方式去除岩脊。
高压水射流钻孔技术是近年来研究较为成熟的技术，将其应用到基于斜切角高压水射流时空布置的刀盘破岩领域，是对tbm技术发展的重要创新，高压水射流联合机械滚刀的破岩方法，能够在机械磨损和改善工作面作业环境等方面实现重大进步。目前现存的高压水射流辅助破岩方式多为垂直射流切槽，在破岩能力和岩脊去除方面还有提高的空间。tbm刀盘上的布置方式缺多种多样，改变高压水射流喷嘴在刀盘上的布置形式，对滚刀滚压破岩后残留岩脊的去除效果也会产生不同的影响。
磨料水射流工艺是在纯水射流中添加石榴石、金刚砂等磨料物质，其冲击力相较于高压纯水射流有了较大提升，被广泛应用于清洗、切割、机械加工、套管开窗等领域。近年来，高压磨料水射流在破岩领域发展迅速，特别是在隧道掘进方面，高压磨料水射流联合tbm滚刀的破岩技术打破了传统tbm破岩的效率瓶颈，改进了工艺方法，大幅提高了隧道掘进的破岩效率。然而，高压磨料水射流切割岩石的时候，参与破岩的磨料颗粒虽然有利于破岩深度的提高，但是磨料切割岩体后无法回收，而且高压磨料水射流中过多的水量对于干旱缺水地区的适用度较差；与此同时，虽然磨料射流过程中水可以带走大部分热量，但是射流的锤击作用在岩石表面所产生热量引起的温度提高，依然不能做到有效的降低；随着绿色施工和安全施工要求的日益提高，亟需研究出更加绿色的磨料和更加少量用水的射流工艺。
冰粒射流工艺的提出，一定程度上可以替代传统的磨料射流，但是由于冰粒的莫氏硬度较低，只有2-4之间，和传统石榴石磨料莫氏硬度6-8相差较远，其在破岩效果上大打折扣。
因此，现亟需开发一种冰粒硬度高、破岩效果好、且能去除岩脊的破岩方法。
技术实现要素：
本发明的第一目的是为了提供一种基于斜切角高压冰射流时空布置的刀盘的破岩方法，为一种通过高压冰射流倾斜切槽将岩石分割成若干个独立块体，并联合机械滚刀和机械滚刀高效致裂破碎岩石的方式；本发明方法利用机械滚刀机械刮刀与高压冰射流组合布置，实现高压冰射流切槽的对岩体的空间分割，将完整岩体分割成若干独立块体，有利于岩石的快速破碎，提高岩石的破碎效率以及降低破岩能耗；且通过高压冰粒发生系统形成并输送冰粒，对尺寸及硬度不达标的冰粒进行筛分，保证通过冰粒管道输出的冰粒尺寸、硬度的一致性，保证输出的冰粒尺寸、硬度均满足使用要求，提高混合射流喷射装置的破岩效果。
本发明的第二目的是为了提供基于斜切角高压冰射流时空布置的刀盘的破岩装置，降低机械能的应用比例，提高高压冰射流的应用比例，提高岩石的破碎效率，同时有效降低刀具的机械磨损、降低工作面作业温度；且冰粒在岩体表面形成低温冲击应力区，冲击做工和低温应力场会增加岩体的脆性，有利于岩体的破碎，同时冰粒在融化时可以带走磨料冲击所产生的热量，极大的改善了隧道掘进施工作业的工况环境，并减少用水量。
为了实现上述本发明的第一目的，本发明的技术方案为：基于斜切角高压冰射流时空布置的刀盘的破岩方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：首先采用一号位混合射流喷射装置喷射的高压冰射流在岩体材料上沿一定倾角切槽、形成倾斜冰力切槽，使局部岩石块体形成由倾斜切槽分割的倒梯形凸台结构；
步骤二：然后采用机械滚刀滚压倒梯形凸台结构的中心，致裂倒梯形凸台结构岩体、两相邻的倒梯形凸台结构形成一个正梯形岩石凸台，倾斜冰力切槽的底部为正梯形凸台区域的底边；在机械滚刀的作用下，倒梯形凸台结构受到机械滚刀压力，出现多条次级裂纹以及两条从滚刀下方产生并衍生发育到倾斜冰力切槽底部的主裂纹；此时，机械滚刀下方存在被滚刀滚压之后强度大幅降低的待切除岩脊部分；
步骤三：再次，正梯形岩石凸台由二号位混合射流喷射装置喷射的高压冰射流进行再次分割；
步骤四：最后，用机械刮刀去除步骤二中机械滚刀滚压破碎残余岩体以及步骤三中分割后的正梯形岩石凸台。
在上述技术方案中，在步骤三中，分割方法具体为：高压冰射流倾斜射入岩脊，入射角度为度、入射点为正梯形岩石凸台斜边的中点，通过二号位混合射流喷射装置控制高压冰射流的喷射压力和切割速度，直到高压冰射流切槽深度达到正梯形岩石凸台的底边位置；此时，正梯形岩石凸台被分割成三块岩石区域，分别为块体、块体和块体。
在上述技术方案中，在步骤四中，机械刮刀的切割深度与正梯形岩石凸台的底边线到岩石表面的深度相等。
为了实现上述本发明的第二目的，本发明的技术方案为：所述的基于斜切角高压冰射流时空布置的刀盘的破岩方法采用的基于斜切角高压冰射流时空布置的刀盘的破岩装置，其特征在于：包括基于斜切角高压冰射流时空布置的刀盘、旋转驱动、推进油缸、外机架和后支撑；所述外机架设于所述旋转驱动外周；所述旋转驱动位于刀盘主体后侧；旋转调节部设置在所述旋转驱动内；高压冰粒发生系统与混合射流喷射装置通过所述旋转调节部连接；推进油缸位于所述外机架后方；所述后支撑位于所述推进油缸后方；外机架上撑靴位于所述推进油缸后端、且位于所述后支撑前方；带式输送机位于所述外机架内侧；铲斗位于所述带式输送机前端；所述高压冰粒发生系统位于所述后支撑后方。
在上述技术方案中，所述基于斜切角高压冰射流时空布置的刀盘包括刀盘主体、机械滚刀、高压冰粒发生系统、混合射流喷射装置和机械刮刀；机械滚刀、混合射流喷射装置和机械刮刀均设置在刀盘主体上；所述高压冰粒发生系统与混合射流喷射装置连接；混合射流喷射装置包括一号位混合射流喷射装置和二号位混合射流喷射装置；所述一号位混合射流喷射装置、机械滚刀、二号位混合射流喷射装置和机械刮刀按照一号位混合射流喷射装置喷射的冰射流倾斜切槽，机械滚刀滚压倒梯形岩体、二号位混合射流喷射装置喷射的高压冰射流分割正梯形岩石凸台块体以及机械刮刀切削去除岩体的破岩模式安装布置，组成一个工作组；所述刀盘主体在不同的刀盘径向上沿周向布置多个所述工作组。
在上述技术方案中，所述一号位混合射流喷射装置和二号位混合射流喷射装置均呈倾斜设置、且所述一号位混合射流喷射装置与二号位混合射流喷射装置呈对向设置。
在上述技术方案中，一号位混合射流喷射装置、机械滚刀、二号位混合射流喷射装置和机械刮刀均呈分区设置、且呈周向设置在基于斜切角高压冰射流时空布置的刀盘上；在刀盘的行进方向上，所述一号位混合射流喷射装置设置在机械滚刀的前方、机械滚刀设置在二号位混合射流喷射装置的前方、二号位混合射流喷射装置设置在机械刮刀前方；所述机械刮刀分别设置在相邻二排一号位混合射流喷射装置之间、一排一号位混合射流喷射装置的圆周上；所述机械滚刀设置在相邻二排一号位混合射流喷射装置之间；所述二号位混合射流喷射装置设置在一排一号位混合射流喷射装置的圆周上、且位于相邻二排机械滚刀之间。
在上述技术方案中，所述高压冰粒发生系统包括喷射装置、腔体结构和筛分装置；所述腔体结构一端设置喷射装置、另一端设置筛分装置；所述混合射流喷射装置包括气体喷嘴、混合腔、冰粒管道、冰粒喷嘴、混合管、射流出口和喷射外壳；喷射外壳设置在混合腔外侧；冰粒管道倾斜设置在混合腔侧方、且与混合腔相连通；冰粒进口设置在冰粒管道的入口端；冰粒喷嘴设置在冰粒管道的出口端、且位于冰粒管道与混合腔的连通处；气体进口设置在混合腔入口端、且与混合腔相连通；气体喷嘴设置在混合腔内，且位于气体进口与冰粒喷嘴之间；混合管设置在冰粒喷嘴侧方，且位于混合腔出口端、与混合腔相连通；射流出口设置在混合管出口端；紧固螺母设置在喷射外壳与混合管之间。
在上述技术方案中，所述腔体结构从左到右包括旋转加速混合装置、输送管、冷凝加固腔、离心装置和冰粒管道；所述旋转加速混合装置、输送管、冷凝加固腔、离心装置和冰粒管道依次连通；所述喷射装置从左到右包括所述冷水雾化装置、气流喷射装置、液氮喷射装置和所述冷旋流喷射装置；所述冷水雾化装置和气流喷射装置均设置在所述旋转加速混合装置的入口端；液氮喷射装置设置在所述旋转加速混合装置的侧壁上；所述冷旋流喷射装置设置在所述冷凝加固腔的入口端；所述筛分装置设置在所述离心装置的出口端；所述筛分装置与所述离心装置相连通；
所述筛分装置包括粗冰粒排放管和莫氏硬度传感显示装置；所述粗冰粒排放管设置于所述离心装置的出口端外周；所述莫氏硬度传感显示装置设置在所述粗冰粒排放管上。
在上述技术方案中，所述冷凝加固腔和离心装置组成模块化组件；所述冰粒管道上设置模块预留安装接口；所述模块化组件与模块预留安装接口相连接。
本发明具有如下优点：
(1)本发明为一种通过高压冰射流倾斜切槽将岩石分割成若干个独立块体，并联合机械滚刀和机械滚刀高效致裂破碎岩石的方式；本发明方法利用机械滚刀机械刮刀与高压冰射流组合布置，实现高压冰射流切槽的对岩体的空间分割，将完整岩体分割成若干独立块体，有利于岩石的快速破碎，提高岩石的破碎效率以及降低破岩能耗；本发明方法可以为高压冰射流应用于大型工程破岩机械的可行性提供参考借鉴，从而促进我国岩石隧道掘进领域的创新突破；
(2)与垂直切槽致裂的岩体相比，本发明的倾斜切槽一次滚刀滚压的致裂岩石块体更大，单位岩石致裂所消耗能量更小；
(3)与垂直切槽破碎单位面积岩体的破岩效率相比，本发明的倾斜切槽所需要的机械滚刀的数量有所减少，降低了机械能的应用比例，提高了高压冰射流的应用比例，这一转变能够提高岩石的破碎效率，同时对有效降低刀具的机械磨损、降低工作面作业温度具有重要意义；
(4)本发明能形成冰粒并输送冰粒，且尺寸及硬度不达标的冰粒进行筛分，保证通过冰粒管道输出的冰粒尺寸、硬度的一致性，保证输出的冰粒尺寸、硬度均满足使用要求；
(5)本发明中的粗冰粒排放管与所述冷凝加固腔连接，粗冰粒排放管中有所述莫氏硬度传感显示装置，粒径过大的粗冰粒被离心装置排放到粗冰粒排放管时，冰粒撞击到排放管中的莫氏硬度传感显示装置，可以检测读取到当前位置所制造冰粒的莫氏硬度，当冰粒的莫氏硬度为6-8时，为合格硬度，否则需要安装模块化组件对冰粒进一步降温加固；实现本发明的检测及筛分功能，保证破岩效果；
(6)本发明中的模块预留安装接口设置在冰粒管道上，模块化组件与所述冰粒管道上的模块预留安装接口相连接后可以加长冰粒发生装置的长度，并为冰粒制造创造更低的温度和冷凝加固环境，并检测读取直到获得符合硬度、刚度和强度条件的冰粒，使用便捷；
(7)本发明中的冰粒为超高硬度、刚度和强度的冰粒，可作为射流的磨料切割破碎岩体，在岩体表面形成低温冲击应力区，冲击做工和低温应力场会增加岩体的脆性，有利于岩体的破碎，同时冰粒在融化时可以带走磨料冲击所产生的热量、同时对机械滚刀进行降温，极大的改善了隧道掘进施工作业的工况环境，并减少用水量；相对于现有的液氮与冰粒射流相结合的技术，本发明中的高压冰粒发生系统产生的冰粒，硬度和尺寸更符合要求(特别是硬度)，同时模块化的设计保留了进一步提高硬度的可能性，本发明所述的基于脉冲冰射流 点处理联合破岩tbm装置能够制造产生符合破岩要求硬度的冰粒，冰粒硬度高，从而对岩体的撞击力产生的破碎功就大，能够产生更好的破碎效果；克服了现有技术冰粒的粒径不稳定和/或硬度不够，影响岩石的破碎效果的缺点。
附图说明
图1为本发明中的高压冰粒发生系统的结构示意图。
图2为图1的v-v向剖视图。
图3为本发明的高压冰粒发生系统中的旋转加速混合装置剖视图。
图4为图1的工作结构示意图。
图5为本发明的高压冰粒发生系统中的模块化组件有二组的结构示意图。
图6为图5的工作结构示意图。
图7为本发明中的斜切角高压冰射流时空布置破岩顺序示意图。
图8为本发明中的基于斜切角高压冰射流时空布置的刀盘的结构示意图。
图9为本发明所述的冰力-机械联合破岩tbm装置的结构示意图。
图10为本发明中的混合射流喷射装置剖视结构示意图。
图11为现有技术采用高压冰射流垂直喷射岩体、形成垂直的冰力切槽，且机械滚刀滚压冰力切槽破岩示意图一。
图12为现有技术采用高压冰射流垂直喷射岩体、形成垂直的冰力切槽，且机械滚刀滚压冰力切槽破岩示意图二。
图13为本发明冰射流倾斜切槽配合机械滚刀连续破岩局部示意图。
图14为本发明冰射流倾斜切槽配合机械滚刀破岩示意图一。
图15为本发明冰射流倾斜切槽配合机械滚刀破岩示意图二。
图16为本发明残余岩体破碎示意图。
图17为本发明经高压冰射流、机械滚刀依次作用破岩后、形成岩脊，对岩脊采用高压冰射流倾斜喷射、在岩脊上形成倾斜冰力切槽，破碎岩脊的示意图。
图4中的i表示冰粒。
图6中的i表示冰粒。
图8中，q1表示基于斜切角高压冰射流时空布置的刀盘的旋转方向；z表示一个工作组。
图9中，q表示冰力切槽；g表示高压冰粒管道。
图11、图12中，w表示次级裂纹；i表示冰力切槽；m表示密实核；z表示主裂纹。
图13中，w表示次级裂纹；m表示密实核；n表示倒梯形岩石凸台；t表示正梯形岩石凸台；i表示第一倾斜冰力切槽；z表示主裂纹。
图14、图15中，w表示次级裂纹；m表示密实核；i表示冰力切槽；z表示主裂纹。
图16中，h表示高压冰射流倾斜喷射、在岩脊上形成的第二倾斜冰力切槽；k1表示块体a；k2表示块体b；k3表示块体c；d表示残余岩脊。
图17中，h表示高压冰射流倾斜喷射、在岩脊上形成的倾斜冰力切槽；k1表示块体a；k2表示块体b；k3表示块体c；z表示主裂纹。
图中1-喷射装置，1.1-冷水雾化装置，1.1a-冷水雾化喷嘴，1.1b-冷水管道，1.2-气流喷射装置，1.2a-气流喷嘴，1.2b-气流管道，1.3-液氮喷射装置，1.3a-液氮喷嘴，1.3b-液氮管道，1.4-冷旋流喷射装置，1.4a-冷旋流喷嘴结构，1.41-冷旋流喷嘴，1.42-冷旋流喷嘴外管，1.43-冷旋流喷嘴输送管，1.4b-冷旋流管道，2-腔体结构，2.1-旋转加速混合装置，2.1a-制冰腔，2.1b-混合结构内壁，2.1c-混合结构外壁，2.2-输送管，2.3-冷凝加固腔，2.4-离心装置，2.5-冰粒管道，3-筛分装置，3.1-粗冰粒排放管，3.2-莫氏硬度传感显示装置，4-模块预留安装接口，5-模块化组件，6-刀盘主体，7-机械滚刀，8-高压冰粒发生系统，9-混合射流喷射装置，9.1-气体进口，9.2-气体喷嘴，9.3-混合腔，9.4-冰粒进口，9.5-冰粒管道，9.6-冰粒喷嘴，9.7-紧固螺母，9.8-混合管，9.9-射流出口，9.10-喷射外壳，91-一号位混合射流喷射装置，92-二号位混合射流喷射装置，10-冰力-机械联合破岩tbm刀盘，11-旋转驱动，12-推进油缸，13-旋转调节部，14-外机架，15-后支撑，16-外机架上撑靴，17-带式输送机，18-铲斗，19-旋转调节部，20-冰刀外接管道，21-机械刮刀。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
参阅附图可知：基于斜切角高压冰射流时空布置的刀盘的破岩方法，包括如下步骤，
步骤一：首先采用一号位混合射流喷射装置91喷射的高压冰射流在岩体材料上沿一定倾角切槽、形成第一倾斜冰力切槽i，使局部岩石块体形成由倾斜切槽分割的倒梯形凸台结构岩体n；
步骤二：然后采用机械滚刀7滚压倒梯形凸台结构的中心，致裂倒梯形凸台结构岩体n、两相邻的倒梯形凸台结构形成一个正梯形岩石凸台t，第一倾斜冰力切槽的底部为正梯形岩石凸台t区域的底边；在机械滚刀7的作用下，倒梯形凸台结构岩体n受到机械滚刀7压力，出现多条次级裂纹w以及两条从机械滚刀下方产生并衍生发育到第一倾斜冰力切槽i底部的主裂纹z；此时，机械滚刀7下方存在被滚刀滚压之后强度大幅降低的待切除岩脊部分；
步骤三：再次，正梯形岩石凸台t由二号位混合射流喷射装置92喷射的高压冰射流进行再次分割；
步骤四：最后，用机械刮刀21去除步骤二中机械滚刀7滚压破碎残余岩体以及步骤三中分割后的正梯形岩石凸台t(如图13、图14、图15、图16、图17所示)。
进一步地，在步骤一和步骤三中，一号位混合射流喷射装置91喷射的第一倾斜高压冰射流的倾角以及二号位混合射流喷射装置92喷射的第二倾斜高压冰射流的倾角均根据岩石强度和刀具类型调整(如图13、图14、图15、图16、图17所示)。
进一步地，在步骤三中，分割方法具体为：
高压冰射流倾斜射入岩脊，入射角度为45度、入射点为正梯形岩石凸台t斜边的中点，通过二号位混合射流喷射装置92控制高压冰射流的喷射压力和切割速度，直到第二倾斜冰力切槽h深度达到正梯形岩石凸台t的底边位置；此时，正梯形岩石凸台被分割成三块岩石区域，分别为第一块体a、第二块体b和第三块体c(如图16、图17所示)。
进一步地，在步骤四中，机械刮刀21的切割深度与正梯形岩石凸台t的底边线到岩石表面的深度相等，最终实现切槽深度与机械破岩深度相匹配的有机结合。
参阅附图可知：所述的基于斜切角高压冰射流时空布置的刀盘的破岩方法采用的基于斜切角高压冰射流时空布置的刀盘的破岩装置，包括基于斜切角高压冰射流时空布置的刀盘10、旋转驱动11、推进油缸12、冰刀射流旋转调节部13、外机架14和后支撑15；
所述外机架14设于所述旋转驱动11外周，为旋转驱动提供支撑和保护；
所述旋转驱动11位于刀盘主体6后侧；旋转驱动带动刀盘主体6、冰刀射流旋转调节部13和冰刀外接管道同步旋转掘进；
冰刀射流旋转调节部13设置在所述旋转驱动11内、且位于所述旋转驱动5前部；旋转驱动11带动冰刀射流旋转调节部13与刀盘主体6同步旋转，保证将冰粒输送给混合射流喷射装置9；
高压冰粒发生系统8与混合射流喷射装置9通过所述冰刀射流旋转调节部13连接；高压冰粒发生系统8通过旋转调节部13和冰刀外接管道将冰粒送至混合射流喷射装置9的冰粒管道，经射流出口喷出破岩；
推进油缸12位于所述外机架14后方；所述后支撑15位于所述推进油缸12后方；用于推进tbm；
外机架上撑靴16位于所述推进油缸12后端、且位于所述后支撑15前方；带式输送机17位于所述外机架14内侧；铲斗18位于所述带式输送机10前端；铲斗用于铲起经刀盘破碎的岩渣，由皮带运输机运输到洞外；
所述高压冰粒发生系统8位于所述后支撑15后方，高压冰粒发生系统8为混合射流喷射装置9提供冰粒(如图7、图8、图9、图10所示)。
所述高压冰粒发生系统8上设有连通所述冰粒管道9.5的冰刀外接管道20(如图9所示)；高压冰粒发生系统8为冰力切割提供高压冰粒，并能够通过调节高压冰粒的压力控制高压冰粒的流速。
所述冰刀外接管道穿过所述旋转驱动11、且穿过所述冰刀射流旋转调节部13、位于所述刀盘主体6内；冰刀射流旋转调节部由冰刀外接管道自tbm后部高压冰粒发生系统8提供冰粒，冰刀外接管道可以随着tbm的掘进，自由调节其长度；
所述旋转驱动11内装有电机、扭矩转速传感器、减速器；所述扭矩转速传感器两端分别连接电机和减速器；用以控制联合破岩tbm刀盘的旋转；
所述液压进给系统包括推进油缸12和推力杆，所述推进油缸12与推力杆铰接连接；实现进刀和退刀；所述推力杆固定于所述外机架14后端；
所述推进油缸12有多个；所述推进油缸12一端固定于所述推力杆外圆周上、另一端固定于所述外机架上撑靴16上。
所述冰刀射流旋转调节部13包括高压冰粒管道对接口和冰刀射流旋转调节部圆盘；所述冰刀外接管道与所述高压冰粒射流喷头结构3的冰粒管道相对应、且与所述高压冰粒管道对接口对接；高压冰粒管道对接口为外部高压冰粒和破岩高压冰粒的连接结构；高压冰粒管道对接口与刀盘主体6上的混合射流喷射装置9位置一一对应；在tbm工作时，冰刀外接管道可以通过高压冰粒管道对接口的对接，实现与tbm刀盘的同步旋转；
所述高压冰粒管道对接口设于所述冰刀射流旋转调节部圆盘上；所述冰刀射流旋转调节部圆盘外周固定于所述旋转驱动内壁上；冰刀射流旋转调节部圆盘为所述高压冰粒管道对接口的开孔机构，冰刀射流旋转调节部圆盘可以与tbm滚刀同步旋转。
所述高压冰粒发生系统内设有加压装置及调节装置；高压冰粒发生系统位于tbm后端已铺设轨道上，可以保证冰粒的充足供给；高压冰粒发生系统内有加压装置及调节装置，可以为冰力切割提供高压动力，并能够通过调节高压冰粒的压力控制高压冰粒的流速。
所述高压冰粒管道对接口包括高压冰粒管道对接口前端和高压冰粒管道对接口后端；所述高压冰粒管道对接口后端与所述冰刀外接管道连接；所述高压冰粒管道对接口前端与所述高压冰粒射流喷头结构的冰粒管道连接；高压冰粒管道对接口后端用以连接外部高压冰粒进料管道，为固定装置；高压冰粒管道对接口前端用以连接tbm刀盘高压冰粒刀，高压冰粒管道对接口前端与所述冰刀射流旋转调节部同步旋转，高压冰粒管道对接口前端与tbm刀盘同步旋转；工作时，外部高压冰粒管道与高压冰粒管道对接口后端对接，冰刀冰粒通道与高压冰粒管道对接口前端对接，可以保证高压冰粒旋转和冰粒进料的同步实现。
所述外机架外周设有护盾，所述外机架与所述护盾之间设有油压缸；所述油压缸有多个；冰刀外接管道为可伸缩管道，减少高压冰粒发生系统的移动频率；可伸缩管道自tbm后部高压冰粒发生系统提供冰粒；可伸缩管道可以随着tbm的掘进，自由调节其长度(如图9所示)。
进一步地，所述基于斜切角高压冰射流时空布置的刀盘10包括刀盘主体6、机械滚刀7、高压冰粒发生系统8、混合射流喷射装置9和机械刮刀21；
机械滚刀7、混合射流喷射装置9和机械刮刀21均设置在刀盘主体6上；所述高压冰粒发生系统8与混合射流喷射装置9连接；
混合射流喷射装置9包括一号位混合射流喷射装置91和二号位混合射流喷射装置92；
所述一号位混合射流喷射装置91、机械滚刀7、二号位混合射流喷射装置92和机械刮刀21按照一号位混合射流喷射装置91喷射的冰射流倾斜切槽，机械滚刀7滚压倒梯形岩体、二号位混合射流喷射装置92喷射的高压冰射流分割正梯形岩石凸台8块体以及机械刮刀21切削去除岩体的破岩模式安装布置，组成一个工作组(如图8所示)。
进一步地，所述刀盘主体6在不同的刀盘径向上沿周向布置多个所述工作组(如图8所示)。
进一步地，所述一号位混合射流喷射装置91和二号位混合射流喷射装置92均呈倾斜设置、且所述一号位混合射流喷射装置91与二号位混合射流喷射装置92呈对向设置(如图7、图8所示)。
进一步地，一号位混合射流喷射装置91、机械滚刀7、二号位混合射流喷射装置92和机械刮刀21均呈分区设置、且呈周向设置在基于斜切角高压冰射流时空布置的刀盘上；
在刀盘的行进方向上，所述一号位混合射流喷射装置91设置在机械滚刀7的前方、机械滚刀7设置在二号位混合射流喷射装置92的前方、二号位混合射流喷射装置92设置在机械刮刀21前方。
进一步地，所述机械刮刀21分别设置在相邻二排一号位混合射流喷射装置91之间、一排一号位混合射流喷射装置91的圆周上；
所述机械滚刀7设置在相邻二排一号位混合射流喷射装置91之间；
所述二号位混合射流喷射装置92设置在一排一号位混合射流喷射装置91的圆周上、且位于相邻二排机械滚刀7之间(如图7、图8所示)。
进一步地，所述高压冰粒发生系统8包括喷射装置1、腔体结构2和筛分装置3；所述腔体结构2一端设置喷射装置1、另一端设置筛分装置3。
进一步地，所述腔体结构2从左到右包括旋转加速混合装置2.1、输送管2.2、冷凝加固腔2.3、离心装置2.4和冰粒管道2.5；所述旋转加速混合装置2.1、输送管2.2、冷凝加固腔2.3、离心装置2.4和冰粒管道2.5依次连通；在旋转加速混合装置2.1形成冰粒，冰粒输通过输送管2.2输送至冷凝加固腔2.3进行加固后、进入离心装置2.4离心分离，粗冰粒通过筛分装置3筛分分离，尺寸合格的冰粒被继续输送到下一阶段的冰粒管道；
所述喷射装置1从左到右包括所述冷水雾化装置1.1、气流喷射装置1.2、液氮喷射装置1.3和所述冷旋流喷射装置1.4；
所述冷水雾化装置1.1和气流喷射装置1.2均设置在所述旋转加速混合装置2.1的入口端；过冷水经过冷水雾化装置1.1在所述制冰腔内形成大小均匀的雾化水滴；气流喷射装置1.2在制冰腔中喷射气体，促进雾化水滴分散均匀；
液氮喷射装置1.3设置在所述旋转加速混合装置2.1邻近入口端的侧壁上；液氮从液氮喷射装置1.3中喷出、且在制冰腔内与雾化水滴结合；
所述冷旋流喷射装置1.4设置在所述冷凝加固腔2.3的入口端、且位于输送管2.2与冷凝加固腔2.3的连接处；冷旋流喷射装置1.4在所述冷凝加固腔体中喷射回旋气流，促进冷凝加固腔体中的冰粒分散，防止冰粒粘结；
所述筛分装置3设置在所述离心装置2.4的出口端；所述筛分装置3与所述冷凝加固腔2.3和离心装置2.4相连通；从离心装置2.4中分离出的粗冰粒通过筛分装置3排放(如图1、图4、图5、图6所示)。
进一步地，所述旋转加速混合装置2.1、输送管2.2、冷凝加固腔2.3、离心装置2.4和冰粒管道2.5的中线在同一条直线上；保证结构的稳定性。
进一步地，所述筛分装置3包括粗冰粒排放管3.1和莫氏硬度传感显示装置3.2；
所述粗冰粒排放管3.1设置于所述离心装置2.4的出口端外周；
所述莫氏硬度传感显示装置3.2设置在所述粗冰粒排放管3.1上(如图1、图4、图5、图6所示)；所述粗冰粒排放管与所述冷凝加固腔连接，所述粗冰粒排放管中有所述莫氏硬度传感显示装置，粒径过大的粗冰粒被离心装置排放到粗冰粒排放管时，冰粒撞击到排放管中的莫氏硬度传感显示装置，可以检测读取到当前位置所制造冰粒的莫氏硬度，当冰粒的莫氏硬度为6-8时，为合格硬度，否则需要安装模块化组件对冰粒进一步降温加固。
进一步地，所述粗冰粒排放管3.1呈折弯结构；防止经粗冰粒排放管3.1排放的粗冰粒返回至离心装置2.4中；
所述莫氏硬度传感显示装置3.2设置在粗冰粒排放管3.1的折弯处；所述粗冰粒排放管3.1的入口端与冰粒管道2.5平行、出口端呈倾斜结构；
所述莫氏硬度传感显示装置3.2设置于粗冰粒排放管3.1的出口端、且位于入口端与出口端的连接处(如图1、图4、图5、图6所示)。
进一步地，所述旋转加速混合装置2.1包括制冰腔2.1a、混合结构内壁2.1b和混合结构外壁2.1c；混合结构内壁2.1b位于混合结构外壁2.1c内侧；
所述混合结构内壁2.1b与混合结构外壁2.1c旋转连接；
所述制冰腔2.1a包裹在所述混合结构内壁2.1b内(如图3所示)；混合结构内壁可以相对混合结构外壁旋转、且旋转的速度可以调节，在混合结构内壁包裹的制冰腔体中形成离心力，将位于其中的液氮、雾化水体和气流充分混合，形成大小质地均匀的小冰粒，并且随着气流输送到下一阶段的输送管。
所述输送管2.2为中空管道；将制冰腔中由气流携带输送而来的小冰粒输送到冷凝加固腔中。
所述冰粒管道2.5为中空管道；冰粒管道2.5与喷射装置连接(如图3所示)，冰粒管道输送制造的冰粒，并将冰粒输送到混合射流喷射装置的混合腔。
所述冷凝加固腔2.3入口端尺寸大于出口端尺寸；所述冷凝加固腔内连接有所述冷旋转喷嘴，所述冷旋流喷嘴可以在冷凝加固腔中喷射旋转的冷气流，进一步提高冰粒的硬度、强度和刚度，旋转的气流可以使冰粒分散不凝固在一起，后方喷射的气流保证冰粒的高速运动，整个冰粒制造过程的管道不会冻结；同时经过冷凝加固腔的小冰粒被输送到下一阶段的离心装置中。
进一步地，离心装置与所述旋转混合加速装置结构相似，不同之处在于所述离心装置的转速固定，可以向粒径过大的冰粒在离心装置的作用下推送至粗冰粒排放管，同时剩余尺寸合格的冰粒被继续输送到下一阶段的冰粒管道；所述离心装置2.4包括离心腔、离心装置内壁和离心装置外壁；离心装置内壁位于离心装置外壁内侧；所述离心装置内壁离心装置外壁旋转连接；所述离心腔包裹在所述离心装置内壁内。
进一步地，所述冷凝加固腔2.3和离心装置2.4组成模块化组件5；所述冰粒管道2.5上设置模块预留安装接口4；所述模块化组件5与模块预留安装接口4相连接；模块化组件5的数量根据实际冰粒制备情况确定(如图3所示)；模块化组件5与所述冰粒管道上的模块预留安装接口相连接后可以加长冰粒发生装置的长度，并为冰粒制造创造更低的温度和冷凝加固环境、并检测读取，直到获得符合硬度、刚度和强度条件的冰粒。
进一步地，所述冷水雾化装置1.1包括冷水雾化喷嘴1.1a和冷水管道1.1b；
所述冷水雾化喷嘴1.1a设置在制冰腔2.1a的入口端；所述冷水管道1.1b与冷水雾化喷嘴1.1a连接；所述冷水管道中留有携带0-10mpa压力的冷水，在压力作用下，水流低于零度可以不结冰，零度以下不结冰的水称为过冷水；所述过冷水经过所述雾化喷嘴在出口处的所述制冰腔内形成大小均匀的雾化水滴；
所述气流喷射装置1.2包括气流喷嘴1.2a和气流管道1.2b；所述气流喷嘴1.2a设置在制冰腔2.1a的入口端、且位于所述冷水雾化喷嘴1.1a的外周；气流管道1.2b与气流喷嘴1.2a连接；所述气流喷嘴内可以喷射由气流管道输送而来的气体，促进制冰腔内的液氮和雾化水滴分散均匀，利用液氮和雾化水滴的结合；
所述液氮喷射装置1.3包括液氮喷嘴1.3a和液氮管道1.3b；所述液氮喷嘴1.3a设置在制冰腔2.1a邻近入口端的侧壁上、且位于气流喷嘴1.2a的外侧；所述液氮管道1.3b与液氮喷嘴1.3a连接(如图3所示)；液氮从液氮喷嘴中喷出在制冰腔内和雾化水滴结合。
进一步地，所述冷旋流喷射装置1.4包括冷旋流喷嘴结构1.4a和冷旋流管道1.4b；
所述冷旋流喷嘴结构1.4a设置在所述冷凝加固腔2.3的入口端、且位于输送管2.2与冷凝加固腔2.3的连接处；
所述冷旋流喷嘴结构1.4a包括冷旋流喷嘴1.41、冷旋流喷嘴外管1.42和冷旋流喷嘴输送管1.43；所述冷旋流喷嘴1.41位于冷旋流喷嘴外管1.42与冷旋流喷嘴输送管1.43之间；
所述冷旋流喷嘴1.41和冷旋流喷嘴外管1.42均与冷旋流喷嘴输送管1.43旋转连接；
所述冷旋流管道1.4b与冷旋流喷嘴1.41连接(如图2所示)；所述冷旋流喷嘴1.41和冷旋流喷嘴外管1.42可以相对所述冷旋流喷嘴输送管1.43转动，所述冷旋流喷嘴1.41在所述冷凝加固腔2.3腔体中喷射回旋气流。
进一步地，在径向上，所述混合射流喷射装置9和机械滚刀结构7的中心线重合；其中，所述混合射流喷射装置9位于间隔设置的二个所述机械滚刀结构7之间的中心点上(如图7所示)。
进一步地，在刀盘主体6周向上，一个混合射流喷射装置9位于间隔设置的二个机械滚刀结构7之间；
在刀盘主体6径向上，多个混合射流喷射装置9组成一列混合射流喷射装置，多个机械滚刀结构7组成一列混合射流喷射装置；
在刀盘主体6径向上，一列混合射流喷射装置9位于间隔设置的二列机械滚刀结构7之间(如图8所示)。
进一步地，所述混合射流喷射装置9从上至下包括气体喷嘴9.2、混合腔9.3、冰粒管道9.5、冰粒喷嘴9.6、混合管9.8、射流出口9.9和喷射外壳9.10；
喷射外壳9.10设置在混合腔9.3外侧；
冰粒管道9.5倾斜设置在混合腔9.3侧方、且与混合腔9.3相连通；冰粒进口9.4设置在冰粒管道9.5的入口端；冰粒喷嘴9.6设置在冰粒管道9.5的出口端、且位于冰粒管道9.5与混合腔9.3的连通处；其中，混合射流喷射装置9的射流出口9.9相对于刀盘垂直射入岩石，高压冰粒发生系统8相对于刀盘呈倾斜设置，混合腔9.3位于刀盘主体6后方，刀盘主体6在不影响刀盘主体6的位置混合冰粒、气体等待喷射物；
气体进口9.1设置在混合腔9.3入口端、且与混合腔9.3相连通；气体喷嘴9.2设置在混合腔9.3内，且位于气体进口9.1与冰粒喷嘴9.6之间；气体喷嘴9.2可以喷射高压过冷气体，在混合腔9.3中与来自冰粒管道9.5的冰粒充分混合，并经过所述混合管9.8喷出，形成冰粒射流；其中，气体喷嘴的气体来源于位于tbm刀盘后方的高压气泵，高压气泵的气体从气体进口9.1进入混合腔9.3混合后、经冰粒喷嘴9.6喷射破岩；
所述高压气泵为现有技术；混合管9.8设置在冰粒喷嘴9.6侧方，且位于混合腔9.3出口端、与混合腔9.3相连通；射流出口9.9设置在混合管9.8出口端；紧固螺母9.7设置在喷射外壳9.10与混合管9.8之间；所述紧固螺母为现有技术，起到安装固定作用。
当把混合射流喷射装置9中的气体喷嘴9.2更换后(更换为气液喷嘴或液体喷嘴或其它适用于输送介质的喷嘴)，可以实现高强度、硬度、刚度高压脉冲水冰粒射流、高压水冰粒混合射流、高压液氮冰粒混合射流或者高压气体射流等方式，可以依据地质状况和用水量的多少，选择合适的射流方式；其中，高压冰粒发生系统8产生的冰粒进入混合腔9.3，通过输送介质(如经气体进口9.1进入混合腔9.3的气体)运输冰粒，并经刀盘主体6表面的冰粒喷嘴9.6喷射出去，避免纯粹的冰粒射流造成冰粒管道9.5的磨蚀；其中，输送介质可以为冰水、气体、液氮等中的一种或多种；输送介质的选用取决于与混合射流喷射装置9连接的输送介质泵站的种类，输送介质泵站包括高压冷水泵、高压气泵、液氮泵站等。
本发明中的气流管道1.2b喷射混有惰性气体(如氦气等)的气流，提高水的比热容；在冰粒形成后，气流管道1.2b喷射的惰性气体能在冰粒的外层提供保护的气体环境，提高冰粒的抗融化能力，从而提高冰粒的硬度、刚度和强度。
为了能够更加清楚的说明本发明所述的基于斜切角高压冰射流时空布置的刀盘的破岩方法及装置与现有技术(机械破岩装置和现有的tbm刀盘上高压水射流喷嘴与机械滚刀在刀盘上采用简单叠加组合方式破岩装置)结构相比所具有的优点，工作人员将这两种技术方案进行了对比，其对比结果如下表：
由上表可知，本发明所述的基于斜切角高压冰射流时空布置的刀盘的破岩方法及装置与现有技术相比，岩石破碎效率高、破岩能耗较小、破岩所需要的机械滚刀的数量少。
其它未说明的部分均属于现有技术。
1.基于斜切角高压冰射流时空布置的刀盘的破岩方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：首先采用一号位混合射流喷射装置(91)喷射的高压冰射流在岩体材料上沿一定倾角切槽、形成倾斜冰力切槽，使局部岩石块体形成由倾斜切槽分割的倒梯形凸台结构；
步骤二：然后采用机械滚刀(7)滚压倒梯形凸台结构的中心，致裂倒梯形凸台结构岩体、两相邻的倒梯形凸台结构形成一个正梯形岩石凸台，倾斜冰力切槽的底部为正梯形凸台区域的底边；在机械滚刀(7)的作用下，倒梯形凸台结构受到机械滚刀(7)压力，出现多条次级裂纹以及两条从滚刀下方产生并衍生发育到倾斜冰力切槽底部的主裂纹；此时，机械滚刀(7)下方存在被滚刀滚压之后强度大幅降低的待切除岩脊部分；
步骤三：再次，正梯形岩石凸台由二号位混合射流喷射装置(92)喷射的高压冰射流进行再次分割；
步骤四：最后，用机械刮刀(21)去除步骤二中机械滚刀7滚压破碎残余岩体以及步骤三中分割后的正梯形岩石凸台。
2.根据权利要求1所述的基于斜切角高压冰射流时空布置的刀盘的破岩方法，其特征在于：在步骤三中，分割方法具体为：
高压冰射流倾斜射入岩脊，入射角度为45度、入射点为正梯形岩石凸台斜边的中点，通过二号位混合射流喷射装置(92)控制高压冰射流的喷射压力和切割速度，直到高压冰射流切槽深度达到正梯形岩石凸台的底边位置；此时，正梯形岩石凸台被分割成三块岩石区域，分别为块体a、块体b和块体c。
3.根据权利要求2所述的基于斜切角高压冰射流时空布置的刀盘的破岩方法，其特征在于：在步骤四中，机械刮刀(21)的切割深度与正梯形岩石凸台的底边线到岩石表面的深度相等。
4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的基于斜切角高压冰射流时空布置的刀盘的破岩方法采用的基于斜切角高压冰射流时空布置的刀盘的破岩装置，其特征在于：包括基于斜切角高压冰射流时空布置的刀盘(10)、旋转驱动(11)、推进油缸(12)、外机架(14)和后支撑(15)；
所述外机架(14)设于所述旋转驱动(11)外周；所述旋转驱动(11)位于刀盘主体(6)后侧；
旋转调节部(13)设置在所述旋转驱动(11)内；高压冰粒发生系统(8)与混合射流喷射装置(9)通过所述旋转调节部(13)连接；
推进油缸(12)位于所述外机架(14)后方；所述后支撑(15)位于所述推进油缸(12)后方；
外机架上撑靴(16)位于所述推进油缸(12)后端、且位于所述后支撑(15)前方；带式输送机(17)位于所述外机架(14)内侧；铲斗(18)位于所述带式输送机(10)前端；
所述高压冰粒发生系统(8)位于所述后支撑(15)后方。
5.根据权利要求4所述的基于斜切角高压冰射流时空布置的刀盘的破岩装置，其特征在于：所述基于斜切角高压冰射流时空布置的刀盘(10)包括刀盘主体(6)、机械滚刀(7)、高压冰粒发生系统(8)、混合射流喷射装置(9)和机械刮刀(21)；
机械滚刀(7)、混合射流喷射装置(9)和机械刮刀(21)均设置在刀盘主体(6)上；所述高压冰粒发生系统(8)与混合射流喷射装置(9)连接；
混合射流喷射装置(9)包括一号位混合射流喷射装置(91)和二号位混合射流喷射装置(92)；
所述一号位混合射流喷射装置(91)、机械滚刀(7)、二号位混合射流喷射装置(92)和机械刮刀(21)按照一号位混合射流喷射装置(91)喷射的冰射流倾斜切槽，机械滚刀(7)滚压倒梯形岩体、二号位混合射流喷射装置(92)喷射的高压冰射流分割正梯形岩石凸台(8)块体以及机械刮刀(21)切削去除岩脊的破岩模式安装布置，组成一个工作组；所述刀盘主体(6)在不同的刀盘径向上沿周向布置多个所述工作组。
6.根据权利要求5所述的基于斜切角高压冰射流时空布置的刀盘的破岩装置，其特征在于：所述一号位混合射流喷射装置(91)和二号位混合射流喷射装置(92)均呈倾斜设置、且所述一号位混合射流喷射装置(91)与二号位混合射流喷射装置(92)呈对向设置。
7.根据权利要求6所述的基于斜切角高压冰射流时空布置的刀盘的破岩装置，其特征在于：一号位混合射流喷射装置(91)、机械滚刀(7)、二号位混合射流喷射装置(92)和机械刮刀(21)均呈分区设置、且呈周向设置在基于斜切角高压冰射流时空布置的刀盘(10)上；
在刀盘的行进方向上，所述一号位混合射流喷射装置(91)设置在机械滚刀(7)的前方、机械滚刀(7)设置在二号位混合射流喷射装置(92)的前方、二号位混合射流喷射装置(92)设置在机械刮刀(21)前方；
所述机械刮刀(21)分别设置在相邻二排一号位混合射流喷射装置(91)之间、一排一号位混合射流喷射装置(91)的圆周上；
所述机械滚刀(7)设置在相邻二排一号位混合射流喷射装置(91)之间；
所述二号位混合射流喷射装置(92)设置在一排一号位混合射流喷射装置(91)的圆周上、且位于相邻二排机械滚刀(7)之间。
8.根据权利要求7所述的基于斜切角高压冰射流时空布置的刀盘的破岩装置，其特征在于：所述高压冰粒发生系统(8)包括喷射装置(1)、腔体结构(2)和筛分装置(3)；所述腔体结构(2)一端设置喷射装置(1)、另一端设置筛分装置(3)；
所述混合射流喷射装置(9)包括气体喷嘴(9.2)、混合腔(9.3)、冰粒管道(9.5)、冰粒喷嘴(9.6)、混合管(9.8)、射流出口(9.9)和喷射外壳(9.10)；
喷射外壳(9.10)设置在混合腔(9.3)外侧；
冰粒管道(9.5)倾斜设置在混合腔(9.3)侧方、且与混合腔(9.3)相连通；冰粒进口(9.4)设置在冰粒管道(9.5)的入口端；冰粒喷嘴(9.6)设置在冰粒管道(9.5)的出口端、且位于冰粒管道(9.5)与混合腔(9.3)的连通处；
气体进口(9.1)设置在混合腔(9.3)入口端、且与混合腔(9.3)相连通；气体喷嘴(9.2)设置在混合腔(9.3)内，且位于气体进口(9.1)与冰粒喷嘴(9.6)之间；
混合管(9.8)设置在冰粒喷嘴(9.6)侧方，且位于混合腔(9.3)出口端、与混合腔(9.3)相连通；
射流出口(9.9)设置在混合管(9.8)出口端；
紧固螺母(9.7)设置在喷射外壳(9.10)与混合管(9.8)之间。
9.根据权利要求8所述的基于斜切角高压冰射流时空布置的刀盘的破岩装置，其特征在于：所述腔体结构(2)从左到右包括旋转加速混合装置(2.1)、输送管(2.2)、冷凝加固腔(2.3)、离心装置(2.4)和冰粒管道(2.5)；所述旋转加速混合装置(2.1)、输送管(2.2)、冷凝加固腔(2.3)、离心装置(2.4)和冰粒管道(2.5)依次连通；
所述喷射装置(1)从左到右包括所述冷水雾化装置(1.1)、气流喷射装置(1.2)、液氮喷射装置(1.3)和所述冷旋流喷射装置(1.4)；
所述冷水雾化装置(1.1)和气流喷射装置(1.2)均设置在所述旋转加速混合装置(2.1)的入口端；
液氮喷射装置(1.3)设置在所述旋转加速混合装置(2.1)的侧壁上；
所述冷旋流喷射装置(1.4)设置在所述冷凝加固腔(2.3)的入口端；
所述筛分装置(3)设置在所述离心装置(2.4)的出口端；所述筛分装置(3)与所述离心装置(2.4)相连通；
所述筛分装置(3)包括粗冰粒排放管(3.1)和莫氏硬度传感显示装置(3.2)；
所述粗冰粒排放管(3.1)设置于所述离心装置(2.4)的出口端外周；
所述莫氏硬度传感显示装置(3.2)设置在所述粗冰粒排放管(3.1)上。
10.根据权利要求9所述的基于斜切角高压冰射流时空布置的刀盘的破岩装置，其特征在于：所述冷凝加固腔(2.3)和离心装置(2.4)组成模块化组件(5)；
所述冰粒管道(2.5)上设置模块预留安装接口(4)；所述模块化组件(5)与模块预留安装接口(4)相连接。
技术总结