本发明涉及隧道及地下工程领域，特别涉及高压水射流破岩技术在tbm隧道施工领域的应用，更具体地说它是一种基于斜切角高压水射流时空布置的刀盘的破岩方法。
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。
因此，现亟需开发一种具有破岩能力和去除岩脊能力的破岩方法。
技术实现要素：
本发明的目的是为了提供所的基于斜切角高压水射流时空布置的刀盘的破岩方法，为一种通过高压水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水射流组合布置，实现高压水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。
为了实现上述本发明的第二目的，本发明的技术方案为：所的基于斜切角高压水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：首先采用采用基于斜切角高压水射流时空布置的刀盘中的一号位高压水喷嘴喷射的高压水射流在岩体材料上沿一定倾角切槽、形成第一倾斜水切槽，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，第一倾斜水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第一倾斜水切槽底部的主裂纹；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的岩脊部分；
步骤三：再次，正梯形岩石凸台由二号位高压水喷嘴喷射的高压水射流进行再次分割；
步骤四：最后，用机械刮刀去除步骤二中机械滚刀滚压破碎的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，所述倾斜高压水射流的倾角根据岩石强度和刀具类型调整，力求实现最优的水射流切割效果。
在上述技术方案中，在步骤三中，分割方法具体为：
高压水射流倾斜射入岩脊，入射角度为45度、入射点为正梯形岩石凸台斜边的中点、形成第二倾斜水切槽，通过二号位高压水喷嘴控制高压水射流的喷射压力和切割速度，直到第二倾斜水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，分别为第一块体、第二块体和第三块体。
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。
在上述技术方案中，所述基于斜切角高压水射流时空布置的刀盘包括一号位高压水喷嘴、机械滚刀、二号位高压水喷嘴和机械刮刀；
所述一号位高压水喷嘴、机械滚刀、二号位高压水喷嘴和机械刮刀按照一号位高压水喷嘴喷射的水射流倾斜切槽，机械滚刀滚压倒梯形岩体、二号位高压水喷嘴喷射的高压水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。
在上述技术方案中，所述基于斜切角高压水射流时空布置的刀盘上布置多个所述工作组。
在上述技术方案中，所述一号位高压水喷嘴和二号位高压水喷嘴均呈倾斜设置、且所述一号位高压水喷嘴与二号位高压水喷嘴呈对向设置。
在上述技术方案中，所述一号位高压水喷嘴、机械滚刀、二号位高压水喷嘴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水射流时空布置的刀盘上；
在刀盘的行进方向上，所述一号位高压水喷嘴设置在机械滚刀的前方、机械滚刀设置在号位高压水喷嘴的前方、二号位高压水喷嘴设置在机械刮刀前方。
在上述技术方案中，所述机械刮刀分别设置在相邻二排一号位高压水喷嘴之间、一排一号位高压水喷嘴的圆周上；
所述机械滚刀设置在相邻二排一号位高压水喷嘴之间；
所述二号位高压水喷嘴设置在一排一号位高压水喷嘴的圆周上、且位于相邻二排机械滚刀之间。
本发明具有如下优点：
(1)本发明为一种通过高压水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水射流组合布置，实现高压水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水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，提高了高压水射流的应用比例，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。
附图说明
图1为现有技术采用高压水喷嘴垂直喷射岩体、形成垂直的水力切槽，且机械滚刀滚压水力切槽破岩示意图一。
图2为现有技术采用高压水喷嘴垂直喷射岩体、形成垂直的水力切槽，且机械滚刀滚压水力切槽破岩示意图二。
图3为本发明水射流倾斜切槽配合机械滚刀破岩示意图一。
图4为本发明水射流倾斜切槽配合机械滚刀破岩示意图二。
图5为本发明水射流倾斜切槽配合机械滚刀连续破岩局部示意图。
图6为经高压水喷嘴、机械滚刀依次作用破岩后、形成岩脊，对岩脊采用高压水喷嘴倾斜喷射、在岩脊上形成倾斜水力切槽，破碎岩脊的示意图。
图7为本发明残余岩体破碎示意图。
图8为本发明中的基于斜切角高压水射流时空布置的刀盘的结构示意图。
图9为本发明中的斜切角高压水射流时空布置破岩顺序。
图1、图2中，w表示次级裂纹；i表示水力切槽；m表示密实核。
图3、图4中，w表示次级裂纹；m表示密实核。
图5中，w表示次级裂纹；m表示密实核；n表示倒梯形岩石凸台。
图6中，k1表示经二号位高压水喷嘴喷射形成的第一块体；k2表示经二号位高压水喷嘴喷射形成的第二块体；k3表示经二号位高压水喷嘴喷射形成的第三块体。
图6、图7中的e表示水力切槽底部基准线。
图7中的c表示经一号位高压水喷嘴喷射形成的残余岩体。
图8中，q1表示基于斜切角高压水射流时空布置的刀盘的旋转方向。
图1中，所述高压水喷嘴、机械刮刀和机械滚刀在基于斜切角高压水射流时空布置的刀盘上分别安装布置在不同的相位。
图1体现的是裂纹拓展；图2体现的是具体会掉落的块体范围。
图3体现的是裂纹拓展；图4体现的是具体会掉落的块体范围。
图中1-一号位高压水喷嘴，2-机械滚刀，3-二号位高压水喷嘴，4-机械刮刀，5-工作组，6-倾斜水切槽，7-主裂纹，8-正梯形岩石凸台，9-基于斜切角高压水射流时空布置的刀盘，10-第二倾斜水切槽。
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：所的基于斜切角高压水射流时空布置的刀盘的破岩方法，如图9所示，包括如下步骤，
步骤一：高压水射流斜切角；采用采用基于斜切角高压水射流时空布置的刀盘9中的一号位高压水喷嘴1喷射的高压水射流在岩体材料上沿一定倾角切槽、形成第一倾斜水切槽6，使局部岩石块体形成由倾斜切槽分割的倒梯形凸台结构n(如图3、图4、图5所示)；
步骤二：机械滚刀滚压分割岩体；采用机械滚刀2滚压倒梯形凸台结构n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n形成一个正梯形岩石凸台8，第一倾斜水切槽6的底部为正梯形岩石凸台8区域的底边；在机械滚刀2的作用下，由高压水切槽分割出的独立岩石块体(倒梯形凸台结构)受到机械滚刀2压力，出现多条次级裂纹w以及两条从滚刀下方产生并衍生发育到第一倾斜水切槽6底部的主裂纹7，该主裂纹7为贯通裂纹，可以将第一倾斜水切槽6与主裂纹7之间的大块岩石块体致裂剥落；此时，机械滚刀2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(即正梯形岩石凸台8)；
步骤三：高压水射流分割梯形凸台区域；由高压水射流分割的两相邻倒梯形岩石块体区域中间的正梯形岩石凸台8由二号位高压水喷嘴3喷射的高压水射流进行再次分割；
步骤四：刮刀切割去除残余岩体；用机械刮刀4去除步骤二中机械滚刀2滚压破碎后剩余的残余岩体以及步骤三中分割后的由高压水射流切槽分割成的三块较小区域的正梯形凸台岩体(如图5、图6、图7所示)，降低了机械能的应用比例，提高了高压水射流的应用比例，提高岩石的破碎效率，低刀具的机械磨损。
进一步地，所述倾斜高压水射流的倾角根据岩石强度和刀具类型调整，力求实现最优的水射流切割效果。
进一步地，在步骤三中，分割方法具体为：
高压水射流倾斜射入岩脊，入射角度为45度、入射点为正梯形岩石凸台8斜边的中点、形成第二倾斜水切槽10，通过二号位高压水喷嘴3控制高压水射流的喷射压力和切割速度，直到第二倾斜水切槽10深度达到正梯形岩石凸台8的底边位置；此时，剩余正梯形岩石凸台8被分割成三块较小的岩石区域，分别为第一块体、第二块体和第三块体(如图7所示)；通过高压水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；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，提高了高压水射流的应用比例，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。
进一步地，在步骤四中，机械刮刀4的切割深度与正梯形岩石凸台8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，有利于快速清除破碎岩石，提高工作效率。
所述倾斜高压水射流的倾角根据岩石强度和刀具类型调整，力求实现最优的水射流切割效果。
进一步地，基于斜切角高压水射流时空布置的刀盘包括一号位高压水喷嘴1、机械滚刀2、二号位高压水喷嘴3和机械刮刀4；
所述一号位高压水喷嘴1、机械滚刀2、二号位高压水喷嘴3和机械刮刀4按照一号位高压水喷嘴1喷射的水射流倾斜切槽，机械滚刀2滚压倒梯形岩体、二号位高压水喷嘴3喷射的高压水射流分割正梯形岩石凸台8块体以及机械刮刀4切削去除岩体的破岩模式安装布置，组成一个工作组5(如图8所示)；有切槽条件，将大大降低机械滚刀的破岩力，单位能量破岩块体体积更大，能效减低，采用倾斜切槽，降低了机械能的应用比例，提高了高压水射流的应用比例；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。
进一步地，所述联合破岩的基于斜切角高压水射流时空布置的刀盘9在不同的刀盘径向上沿周向布置多个所述工作组5(如图8所示)；降低机械能的应用比例，提高高压水射流的应用比例，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。
进一步地，所述一号位高压水喷嘴1和二号位高压水喷嘴3均呈倾斜设置、且所述一号位高压水喷嘴1与二号位高压水喷嘴3呈对向设置9(如图8、图9所示)，采用倾斜切槽，降低了机械能的应用比例，提高了高压水射流的应用比例。
进一步地，所述一号位高压水喷嘴1、机械滚刀2、二号位高压水喷嘴3和机械刮刀4均呈分区设置、且呈周向设置在基于斜切角高压水射流时空布置的刀盘9上；
在刀盘的行进方向上，所述一号位高压水喷嘴1设置在机械滚刀2的前方、机械滚刀2设置在二号位高压水喷嘴3的前方、二号位高压水喷嘴3设置在机械刮刀4前方(如图8、图9所示)；本发明在刀盘上采用一号位高压水喷嘴1倾斜喷射、形成第一倾斜水切槽6，机械滚刀2滚压第一倾斜水切槽6破岩、形成正梯形岩石凸台8，二号位高压水喷嘴3倾斜喷射、形成第二倾斜水切槽10、分割正梯形岩石凸台8，机械刮刀除4残余岩体的布置形成，实现高压水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。
进一步地，所述机械刮刀4分别设置在相邻二排一号位高压水喷嘴1之间、一排一号位高压水喷嘴1的圆周上；
所述机械滚刀2设置在相邻二排一号位高压水喷嘴1之间；
所述二号位高压水喷嘴3设置在一排一号位高压水喷嘴1的圆周上、且位于相邻二排机械滚刀2之间(如图8、图9所示)；通过高压水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；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，提高了高压水射流的应用比例，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。
所述的一号位高压水喷嘴1和二号位高压水喷嘴3中的高压水喷嘴均为现有技术。所述的机械滚刀2和机械刮刀4为现有技术。
为了能够更加清楚的说明本发明所述的基于斜切角高压水射流时空布置的刀盘的破岩方法与现有技术相比所具有的优点，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水射流时空布置的刀盘的破岩方法与现有技术相比，岩石破碎效率高、破岩能耗少、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。
1.一种基于斜切角高压水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，采用基于斜切角高压水射流时空布置的刀盘(9)中的一号位高压水喷嘴(1)喷射的高压水射流在岩体材料上沿一定倾角切槽、形成第一倾斜水切槽(6)，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(2)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(8)，第一倾斜水切槽(6)的底部为正梯形凸台区域的底边；在机械滚刀(2)的作用下，倒梯形凸台结构受到机械滚刀(2)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第一倾斜水切槽(6)底部的主裂纹(7)；此时，机械滚刀(2)下方存在被滚刀滚压之后强度大幅降低的待切除的岩脊部分；
步骤三：再次，正梯形岩石凸台(8)由二号位高压水喷嘴(3)喷射的高压水射流进行再次分割；
步骤四：最后，用机械刮刀(4)去除步骤二中机械滚刀(2)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(8)。
2.根据权利要求1所述的基于斜切角高压水射流时空布置的刀盘的破岩方法，其特征在于：所述倾斜高压水射流的倾角根据岩石强度和刀具类型调整。
3.根据权利要求2所述的基于斜切角高压水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：
高压水射流倾斜射入岩脊，入射角度为45度、入射点为正梯形岩石凸台(8)斜边的中点、形成第二倾斜水切槽(10)，通过二号位高压水喷嘴(3)控制高压水射流的喷射压力和切割速度，直到第二倾斜水切槽(10)深度达到正梯形岩石凸台(8)的底边位置；此时，正梯形岩石凸台(8)被分割成三块岩石区域，分别为第一块体、第二块体和第三块体。
4.根据权利要求3所述的基于斜切角高压水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(4)的切割深度与正梯形岩石凸台(8)的底边线到岩石表面的深度相等。
5.根据权利要求4所述的基于斜切角高压水射流时空布置的刀盘的破岩方法，其特征在于：所述基于斜切角高压水射流时空布置的刀盘(9)包括一号位高压水喷嘴(1)、机械滚刀(2)、二号位高压水喷嘴(3)和机械刮刀(4)；
所述一号位高压水喷嘴(1)、机械滚刀(2)、二号位高压水喷嘴(3)和机械刮刀(4)按照一号位高压水喷嘴(1)喷射的水射流倾斜切槽，机械滚刀(2)滚压倒梯形岩体、二号位高压水喷嘴(3)喷射的高压水射流分割正梯形岩石凸台(8)块体以及机械刮刀(4)切削去除岩体的破岩模式安装布置，组成一个工作组(5)。
6.根据权利要求5所述的基于斜切角高压水射流时空布置的刀盘的破岩方法，其特征在于：所述基于斜切角高压水射流时空布置的刀盘(9)上布置多个所述工作组(5)。
7.根据权利要求6所述的基于斜切角高压水射流时空布置的刀盘的破岩方法，其特征在于：所述一号位高压水喷嘴(1)和二号位高压水喷嘴(3)均呈倾斜设置、且所述一号位高压水喷嘴(1)与二号位高压水喷嘴(3)呈对向设置。
8.根据权利要求7所述的基于斜切角高压水射流时空布置的刀盘的破岩方法，其特征在于：所述一号位高压水喷嘴(1)、机械滚刀(2)、二号位高压水喷嘴(3)和机械刮刀(4)均呈分区设置、且呈周向设置在基于斜切角高压水射流时空布置的刀盘(9)上；
在刀盘的行进方向上，所述一号位高压水喷嘴(1)设置在机械滚刀(2)的前方、机械滚刀(2)设置在二号位高压水喷嘴(3)的前方、二号位高压水喷嘴(3)设置在机械刮刀(4)前方。
9.根据权利要求8所述的基于斜切角高压水射流时空布置的刀盘的破岩方法，其特征在于：所述机械刮刀(4)分别设置在相邻二排一号位高压水喷嘴(1)之间、一排一号位高压水喷嘴(1)的圆周上；所述机械滚刀(2)设置在相邻二排一号位高压水喷嘴(1)之间；所述二号位高压水喷嘴(3)设置在一排一号位高压水喷嘴(1)的圆周上、且位于相邻二排机械滚刀(2)之间。
技术总结