一种CO2微爆联合TBM破岩装置

摘要

本发明公开了一种CO2微爆联合TBM破岩装置。它包括刀盘机构、钻机安装机构和CO2爆破装置安装机构；钻机安装机构和CO2爆破装置安装机构布置在刀盘机构上；钻机安装机构钻进岩壁形成的钻孔的封闭端呈柱形结构、开口端呈锥形结构；安装CO2爆破管时，CO2爆破装置安装机构的锥形密封垫安装在钻孔的开口端；刀盘机构安装在TBM主轴承上；支撑架上安装皮带输送机；皮带输送机位于刀盘机构后方。本发明具有可实现连续施工、施工效率高，破岩效果好，安全性高，适用于硬岩、极硬岩的隧道掘进施工的优点。

权利要求

1.一种CO2微爆联合TBM破岩装置，其特征在于：包括刀盘机构(2)、钻机安装机构(3)和CO2爆破装置安装机构(4)；

钻机安装机构(3)和CO2爆破装置安装机构(4)布置在刀盘机构(2)上；钻机安装机构(3)钻进岩壁形成的钻孔的封闭端呈柱形结构、开口端呈锥形结构；安装CO2爆破管(4.1)时，CO2爆破管(4.1)的锥形密封垫(4.13)安装在钻孔的开口端；

刀盘机构(2)安装在TBM主轴承上；

支撑架(6)上安装皮带输送机(5)；

皮带输送机(5)位于刀盘机构(2)后方；

钻机安装机构(3)包括钻机(3.1)和钻机安装筒(3.2)；

其中，钻机(3.1)包括钻杆(3.11)、锥形扩孔钻(3.12)、钻机马达组件(3.13)、钻机油缸(3.14)、钻机反力板(3.15)、钻机支撑板(3.16)和钻机轨道键(3.17)；

钻杆(3.11)与钻机马达组件(3.13)通过钻机支撑板(3.16)连接；

钻杆(3.11)后部设置锥形扩孔钻(3.12)；锥形扩孔钻(3.12)邻近钻机支撑板(3.16)设置；

钻机油缸(3.14)一端与钻机支撑板(3.16)连接、另一端与钻机反力板(3.15)连接；

钻机反力板(3.15)和钻机支撑板(3.16)上均安装钻机轨道键(3.17)；

钻机安装筒(3.2)包括钻机安装筒壁(3.21)、钻机后支撑(3.22)和钻机推进油缸(3.23)；其中，钻机推进油缸(3.23)位于钻机反力板(3.15)的后方，钻机推进油缸(3.23)一端与钻机反力板(3.15)连接、另一端与钻机后支撑(3.22)连接；

轨道(3.211)安装在钻机安装筒壁(3.21)上；钻机轨道键(3.17)与轨道(3.211)滑动连接。

2.根据权利要求1所述的CO2微爆联合TBM破岩装置，其特征在于：刀盘机构(2)包括正刀盘(2.1)和侧刀盘(2.2)；

侧刀盘(2.2)位于正刀盘(2.1)外周；

钻机安装机构(3)和CO2爆破装置安装机构(4)交替布置在正刀盘(2.1)上；

机械刀具(2.11)布置在正刀盘(2.1)上；

侧刀盘(2.2)上安装侧边刀(2.21)、螺旋边刀(2.22)和排渣口(2.23)；

排渣口(2.23)设置在侧边刀(2.21)与螺旋边刀(2.22)之间；

排渣口(2.23)邻近设置在螺旋边刀(2.22)前方。

3.根据权利要求2所述的CO2微爆联合TBM破岩装置，其特征在于：侧边刀(2.21)与侧刀盘(2.2)呈倾斜设置；侧边刀(2.21)倾斜向上突出、超出刀盘直径一定距离；

螺旋边刀(2.22)呈犁形螺旋状；

排渣口(2.23)呈倾斜设置、且位于皮带输送机(5)上方。

4.根据权利要求3所述的CO2微爆联合TBM破岩装置，其特征在于：钻机油缸(3.14)有多个。

5.根据权利要求4所述的CO2微爆联合TBM破岩装置，其特征在于：CO2爆破装置安装机构(4)包括CO2爆破管(4.1)和CO2安装筒(4.2)；

CO2爆破管(4.1)包括起爆头(4.11)、起爆引导装置(4.12)、锥形密封垫(4.13)、主管(4.14)、发热装置(4.15)和泄放头(4.16)；其中，主管(4.14)一端设置泄放头(4.16)、另一端设置起爆头(4.11)；

发热装置(4.15)位于主管(4.14)内、且与起爆头(4.11)连接；

锥形密封垫(4.13)安装在主管(4.14)的端部、且位于起爆头(4.11)外侧；起爆引导装置(4.12)穿过锥形密封垫(4.13)与起爆头(4.11)连接；

CO2安装筒(4.2)包括爆破管安装室(4.21)、CO2安装筒壁(4.22)、隔离板(4.23)、输送口(4.24)、推进油缸(4.25)和后支撑(4.26)；其中，爆破管安装室(4.21)位于CO2安装筒壁(4.22)内；

推进油缸(4.25)位于爆破管安装室(4.21)内；推进油缸(4.25)一端与起爆引导装置(4.12)连接、另一端与后支撑(4.26)连接；

CO2安装筒壁(4.22)一端设置隔离板(4.23)、另一端设置后支撑(4.26)；

输送口(4.24)设置在隔离板(4.23)上。

6.根据权利要求5所述的CO2微爆联合TBM破岩装置，其特征在于：钻机安装筒(3.2)和CO2安装筒(4.2)交替布置在正刀盘(2.1)的径向上。

7.根据权利要求6所述的CO2微爆联合TBM破岩装置，其特征在于：CO2爆破管(4.1)的长度和CO2充填量根据钻机(3.1)形成的钻孔深度进行调整。

说明书

一种CO2微爆联合TBM破岩装置

技术领域

[0001] 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。更具体地说它是一种CO2微爆联合TBM破岩装置。

背景技术

[0002] 随着技术的进步，对不同环境下，硬岩、极硬岩TBM隧道掘进机的施工效率和施工效果提出了更高的要求。针对城市硬岩极硬岩开挖时，城市地表爆破振动控制要求高，以及
传统炸药爆破对使用条件、使用环境、日常管理等方面要求高，不宜采用雷管钻爆法，同时
单一TBM滚刀破岩磨损快，换刀频次高，经济效果差。此外，针对部分硬岩分布范围较广，生
态环境扰动要求标准高的TBM 隧道施工，低振动、高效率的施工方式仍是TBM隧道建设发展
的重要方向。近年来，CO2爆破施工的技术逐渐发展成熟，爆破开挖采用液态CO2相变致裂技
术，爆破过程无火花外露、无需验炮、操作简便、其运输储存和使用获豁免审批，提高了施工
效率。

[0003] 且现有技术在破岩后，会导致掌子面不平整引起、从而引起密封的问题，导致CO2爆破装置的密封垫并不能很好地与掌子面的钻孔进行密封，影响后续爆破管的安装等问
题。

[0004] 因此，开发一种能解决钻孔密封问题的结合TBM破岩和CO2爆破的装置很有必要。

发明内容

[0005] 本发明的目的是为了提供一种CO2微爆联合TBM破岩装置，CO2爆破装置的密封垫很好地与掌子面的钻孔进行配合密封，可实现连续施工、施工效率高，破岩效果好，安全性高，
尤其适用于硬岩、极硬岩的隧道掘进施工。

[0006] 为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种CO2微爆联合TBM破岩装置，包括刀盘机构、钻机安装机构和CO2爆破装置安装机构；

[0007] 钻机安装机构和CO2爆破装置安装机构布置在刀盘机构上；钻机安装机构钻进岩壁形成的钻孔的封闭端呈柱形结构、开口端呈锥形结构；安装CO2爆破管时，CO2爆破装置安
装机构的锥形密封垫安装在钻孔的开口端；

[0008] 刀盘机构安装在TBM主轴承上；

[0009] 支撑架上安装皮带输送机；

[0010] 皮带输送机位于刀盘机构后方。

[0011] 在上述技术方案中，刀盘机构包括正刀盘和侧刀盘；

[0012] 侧刀盘位于正刀盘外周；

[0013] 钻机安装机构和CO2爆破装置安装机构交替布置在正刀盘上；

[0014] 机械刀具布置在正刀盘上；

[0015] 侧刀盘上安装侧边刀、螺旋边刀和排渣口；

[0016] 排渣口设置在侧边刀与螺旋边刀之间；

[0017] 排渣口邻近设置在螺旋边刀前方。

[0018] 在上述技术方案中，侧边刀与侧刀盘呈倾斜设置；侧边刀倾斜向上突出、超出刀盘直径一定距离；

[0019] 螺旋边刀呈犁形螺旋状；

[0020] 排渣口呈倾斜设置、且位于皮带输送机上方。

[0021] 在上述技术方案中，钻机安装机构包括钻机和钻机安装筒；其中，钻机包括钻杆、锥形扩孔钻、钻机马达组件、钻机油缸、钻机反力板、钻机支撑板和钻机轨道键；

[0022] 钻杆与钻机马达组件通过钻机支撑板连接；

[0023] 钻杆后部设置锥形扩孔钻；锥形扩孔钻邻近钻机支撑板设置；

[0024] 钻机油缸一端与钻机支撑板连接、另一端与钻机反力板连接；

[0025] 钻机反力板和钻机支撑板上均安装钻机轨道键；

[0026] 钻机安装筒包括钻机安装筒壁、钻机后支撑和钻机推进油缸；其中，钻机推进油缸位于钻机反力板的后方，钻机推进油缸一端与钻机反力板连接、另一端与钻机后支撑连接；

[0027] 轨道安装在钻机安装筒壁上；钻机轨道键与轨道滑动连接；

[0028] 钻机油缸有多个。

[0029] 在上述技术方案中，CO2爆破装置安装机构包括CO2爆破管和CO2安装筒；

[0030] CO2爆破管包括起爆头、起爆引导装置、锥形密封垫、主管、发热装置和泄放头；其中，主管一端设置泄放头、另一端设置起爆头；

[0031] 发热装置位于主管内、且与起爆头连接；

[0032] 锥形密封垫安装在主管的端部、且位于起爆头外侧；起爆引导装置穿过锥形密封垫与起爆头连接；

[0033] CO2安装筒包括爆破管安装室、CO2安装筒壁、隔离板、输送口、推进油缸和后支撑；其中，爆破管安装室位于CO2安装筒壁内；

[0034] 推进油缸位于爆破管安装室内；推进油缸一端与起爆引导装置连接、另一端与后支撑连接；

[0035] CO2安装筒壁一端设置隔离板、另一端设置后支撑；

[0036] 输送口设置在隔离板上。

[0037] 在上述技术方案中，钻机安装筒和CO2安装筒交替布置在正刀盘的径向上。

[0038] 在上述技术方案中，CO2爆破管的长度和CO2充填量根据钻机形成的钻孔深度进行调整。

[0039] 本发明具有如下优点：

[0040] (1)本发明开挖扰动小，采用CO2爆破时微爆破，利用CO2相变膨胀力破碎岩石，扰动小；避免了采用雷管爆破威力大，作用范围广，扰动大的缺点；

[0041] (2)本发明采用液态CO2相变致裂技术，爆破过程无火花外露、无需验炮、操作简便、其运输储存和使用获豁免审批，提高了施工效率；

[0042] (3)相较于传统钻爆法施工，本发明中的TBM破岩工法具有施工连续、安全性高的优点；

[0043] (4)本发明采用TBM联合CO2微爆机构，结合了爆破方法高效施工和TBM 连续施工的优势，绿色环工，施工效率高；本发明可对适宜地形(如，高强度、高研磨性岩层和城市地
铁暗挖隧道减震爆破施工)发展CO2微爆结合TBM机械刀具破岩的联合破岩技术，成为隧道
建造高效施工、绿色环保的保障。

[0044] 本发明将CO2爆破搭载到TBM上，既保留了CO2微爆破的优点，同时又可以利用TBM工作掘进的连续性，且刀盘布局的方式可以实现同时钻进多个钻孔，同时在多个钻孔内放置
CO2爆破管，且控制多个钻孔内的CO2爆破管同时起爆；与单一台车搭载一个钻杆相比，本发
明的上述工作方式提高了破岩工作的连续性、效率大幅提高，且本发明起爆后、采用TBM机
械刀具破碎残余岩体、通过排渣口排渣，进一步提高连续性。本发明CO2爆破搭载到TBM上，
多个施工工艺连续进行，特别是爆破后TBM推进排渣速度更快，在施工的连续性上优于雷管
作业，提高了工作效率及安全性，在破岩效果上，本发明采用CO2微爆及其刀盘布局的方式
能够更好地控制爆破的范围，形成预先设计的掌子面形状；克服了采用雷管爆破每次爆破
完毕，需要专门的工具清理碎石，然后再次打孔，放置雷管起爆，工作效率低且安全性低的
缺点。

[0045] 本发明尤其适用于高强度、高研磨性岩层(即极硬岩)和城市地铁暗挖隧道减震爆破施工，在上述地形施工条件下破岩效果格外突出，本发明同样适用于其它多种地形(如中
硬岩、硬岩，等)的施工；本发明采用CO2微爆，本发明还适用于干旱少雨、水资源缺乏地区各
种地形(如中硬岩、硬岩、极硬岩，等)的破岩施工。

附图说明

[0046] 图1为本发明中的钻机的结构示意图。

[0047] 图2为图1的A‑A向剖视图。

[0048] 图3为本发明中的钻机钻进岩壁后形成的钻孔的结构示意图。

[0049] 图4为本发明中的钻机安装机构在掌子面上钻进后形成的钻孔的工作结构示意图。

[0050] 图5为图3中的钻孔的侧视图。

[0051] 图6为本发明中钻机的钻杆处于回位状态结构示意图。

[0052] 图7为本发明中钻机的钻杆处于钻进状态结构示意图。

[0053] 图8为本发明中的钻机轨道键与轨道的连接结构示意图。

[0054] 图9为本发明中的轨道安装在钻机安装筒壁上、且钻机轨道键与轨道连接的结构示意图。

[0055] 图10为本发明中的钻机安装筒壁上设置轨道的结构示意图。

[0056] 图11为本发明中的钻机安装机构中的钻机处于回位状态的结构示意图。

[0057] 图12为本发明中的钻机安装机构中的钻机处于推出状态的结构示意图。

[0058] 图13为本发明中的CO2爆破管的结构示意图。

[0059] 图14为本发明中的CO2爆破装置安装机构的结构示意图。

[0060] 图15为本发明中的CO2爆破装置安装机构中的CO2爆破管处于全部推出状态的结构示意图。

[0061] 图16为本发明中的CO2爆破装置安装机构中的CO2爆破管处于回位状态的结构示意图。

[0062] 图17为图16的侧视图。

[0063] 图18为本发明中的刀盘机构的俯视图。

[0064] 图19为本发明中的正刀盘交替布置钻机安装筒和CO2安装筒的结构示意图。

[0065] 图20为本发明中的正刀盘上布置机械刀具的结构示意图。

[0066] 图21为本发明中的正刀盘交替布置的安装筒之间设置机械刀具的结构示意图。

[0067] 图22为本发明中的侧刀盘及设置在侧刀盘上的侧边刀、螺旋边刀、排渣口的结构示意图。

[0068] 图23为本发明中的螺旋边刀的结构示意图。

[0069] 图24为本发明中的CO2微爆联合TBM破岩装置的结构示意图。

[0070] 图25为本发明实施例中的刀盘机构布置的安装筒的初始相位结构示意图。

[0071] 图26为图25中的刀盘机构旋转一个工位(即旋转45度)后，刀盘机构上布置的安装筒的相位结构示意图。

[0072] 图27为图26中的刀盘机构旋转一个工位(即旋转45度)后，刀盘机构上布置的安装筒的相位结构示意图。

[0073] 图28为图27中的刀盘机构旋转一个工位(即旋转45度)后，刀盘机构上布置的安装筒的相位结构示意图。

[0074] 图29为图28中的刀盘机构旋转一个工位(即旋转45度)后，刀盘机构上布置的安装筒的相位结构示意图。

[0075] 图30为本发明实施例2中的施工过程俯视图。

[0076] 图31为本发明实施例3中的施工过程俯视图。

[0077] 图3中，A表示钻孔；B表示岩壁。

[0078] 图4中，A表示钻孔；A2表示锥形扩孔钻扩孔；B表示掌子面轮廓线。

[0079] 图5中，A1表示钻孔的封闭端，呈圆柱形结构；A2表示钻孔的开口端，呈锥形结构；A2的内径大于A1的内径。

[0080] 图18中的M表示刀盘机构工作时的旋转方向。

[0081] 图19中的C表示安装筒(安装筒包括钻机安装筒和CO2安装筒)。

[0082] 图21中的C表示安装筒(安装筒包括钻机安装筒和CO2安装筒)。

[0083] 图24中的S表示TBM主轴、钻机安装筒和CO2安装筒等机电设备。

[0084] 图25‑图29中的C均表示安装筒(安装筒包括钻机安装筒和CO2安装筒)， A均表示钻机安装筒，B均表示CO2安装筒。

[0085] 图30中，A表示在掌子面钻进过程中，刀盘机构上的一个钻机实际钻进岩体的深度；B表示在掌子面钻进过程中，刀盘机构上的另一个钻机实际钻进岩体的深度；E表示岩
体；F表示掌子面轮廓线。

[0086] 图31中，C表示在掌子面钻进过程中，刀盘机构上的一个钻机实际钻进岩体的深度；D表示在掌子面钻进过程中，刀盘机构上的另一个钻机实际钻进岩体的深度；E表示岩
体；F表示掌子面轮廓线。

[0087] 图中1‑CO2微爆联合TBM破岩装置，2‑刀盘机构，2.1‑正刀盘，2.11‑ 机械刀具，2.2‑侧刀盘，2.21‑侧边刀，2.22‑螺旋边刀，2.23‑排渣口，3‑钻机安装机构，3.1‑钻机，
3.11‑钻杆，3.12‑锥形扩孔钻，3.13‑钻机马达组件，3.14‑ 钻机油缸，3.15‑钻机反力板，
3.16‑钻机支撑板，3.17‑钻机轨道键，3.2‑钻机安装筒，3.21‑钻机安装筒壁，3.211‑轨道，
3.22‑钻机后支撑，3.23‑钻机推进油缸，4‑CO2爆破装置安装机构，4.1‑CO2爆破管，4.11‑起
爆头，4.12‑起爆引导装置，4.13‑锥形密封垫，4.14‑主管，4.15‑发热装置，4.16‑泄放头，
4.2‑CO2安装筒，4.21‑爆破管安装室，4.22‑CO2安装筒壁，4.23‑隔离板，4.24‑输送口，4.25‑
推进油缸，4.26‑后支撑，5‑皮带输送机，6‑支撑架。

具体实施方式

[0088] 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。

[0089] 参阅附图可知：一种CO2微爆联合TBM破岩装置，包括刀盘机构2、钻机安装机构3和CO2爆破装置安装机构4；

[0090] 钻机安装机构3和CO2爆破装置安装机构4交替布置在刀盘机构2上(如图19所示)；钻机安装机构3钻进岩壁形成的钻孔的封闭端呈柱形结构、开口端呈锥形结构(如图3、图5
所示)；安装CO2爆破管4.1时，CO2爆破装置安装机构4的锥形密封垫4.13安装在钻孔的开口
端(锥形结构处)；CO2爆破装置的密封垫很好地与掌子面的钻孔进行配合密封；解决现有技
术在破岩后，会导致掌子面不平整引起、从而引起密封的问题，导致CO2爆破装置的密封垫
并不能很好地与掌子面的钻孔进行密封，影响后续爆破管的安装等问题；

[0091] 刀盘机构2安装在TBM主轴承上；

[0092] 支撑架6上安装皮带输送机5；

[0093] 皮带输送机5位于刀盘机构2后方(如图24所示)；所述支撑架6为皮带输送机5的支撑机构；本发明中的各组件相互配合、共同作用，使得多个施工工艺连续循环进行(如，TBM
的刀盘机构2钻孔时同步收集排出岩渣，紧接着在钻孔中安装CO2爆破管4.1，机械刀具2.11
清除未掉落的残余岩体、同步地螺旋边刀2.22收集排出岩渣；TBM的刀盘机构2继续钻孔及
安装CO2爆破管4.1，清除未掉落的残余岩体收集排出岩渣)，提高了工作效率及安全性。

[0094] 进一步地，刀盘机构2包括正刀盘2.1和侧刀盘2.2；

[0095] 侧刀盘2.2位于正刀盘2.1外周；

[0096] 钻机安装机构3和CO2爆破装置安装机构4交替布置在正刀盘2.1上；

[0097] 机械刀具2.11布置在正刀盘2.1上，且位于钻机安装机构3与CO2爆破装置安装机构4之间、钻机安装机构3与钻机安装机构3之间、以及CO2爆破装置安装机构4之间(如图20、
图21所示)；机械刀具2.11可以将CO2爆破作业工作后未掉落的残余岩体清除；所述机械刀
具2.11为现有技术。

[0098] 侧刀盘2.2上安装侧边刀2.21、螺旋边刀2.22和排渣口2.23；

[0099] 排渣口2.23设置在侧边刀2.21与螺旋边刀2.22之间；

[0100] 排渣口2.23邻近设置在螺旋边刀2.22前方(如图18所示)。

[0101] 进一步地，侧边刀2.21与侧刀盘2.2呈倾斜设置；侧边刀2.21倾斜向上突出、超出刀盘直径一定距离(如图22所示)，能够保证TBM可以扩挖出满足设计隧道直径的尺寸，并为
后期隧道的变形、充填和支护留足空间；侧刀盘2.2为一个圆的面，侧边刀2.21安装在侧刀
盘2.2上、且相对于侧刀盘2.2倾斜向上突出(即：侧边刀2.21的刀尖位于侧刀盘2.2圆面边
缘的斜上方)，在TBM推进过程中，侧边刀2.21实现其扩挖的作用；

[0102] 螺旋边刀2.22呈犁形螺旋状(如图23所示)，螺旋边刀2.22可以将正刀盘 2.1上的CO2爆破致裂的岩渣、正刀盘2.1的机械刀具2.11清除的岩渣、侧边刀 2.21扩挖的岩渣沿着
螺旋边刀2.22轨迹线，收集输送至螺旋边刀2.22前方的排渣口2.23中(按旋转方向)(如图
22、图23、图24所示)，螺旋边刀2.22的概念结构如图23所示；

[0103] 排渣口2.23呈倾斜设置、且位于皮带输送机5上方；经过螺旋边刀2.22刮取、收集的岩渣，进过排渣口2.23，收集到刀盘机构2后方的皮带输送机5上，皮带输送机5将岩渣运
送至隧道外，如图23、图24、图25所示；值得注意的是，在重力作用下，岩渣向下掉落，仅位于
刀盘机构2下方的排渣口2.23能收集岩渣，作为排渣通道、将岩渣送至皮带输送机5上。

[0104] 更进一步地，钻机安装机构3包括钻机3.1和钻机安装筒3.2；钻机3.1安装在钻机安装筒3.2上；

[0105] 其中，钻机3.1包括钻杆3.11、锥形扩孔钻3.12、钻机马达组件3.13、钻机油缸3.14、钻机反力板3.15、钻机支撑板3.16和钻机轨道键3.17；

[0106] 钻杆3.11与钻机马达组件3.13通过钻机支撑板3.16连接，起到支撑作用；钻机马达组件3.13带动钻机3.1的钻杆3.11在岩壁上旋转钻孔；

[0107] 钻杆3.11后部焊接锥形扩孔钻3.12；锥形扩孔钻3.12邻近钻机支撑板3.16 设置；锥形扩孔钻3.12和钻杆3.11形成一个整体，钻机3.1钻进后，在岩壁上形成开口为锥形的钻
孔(如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示)，便于密封；解决了在后续工作CO2爆破后，岩壁
掌子面不平整，不便密封钻孔的问题；

[0108] 钻机油缸3.14一端与钻机支撑板3.16连接、另一端与钻机反力板3.15连接；钻机反力板3.15为钻机油缸提供反力；钻机3.1工作时，钻机油缸3.14可以推进钻杆3.11向岩壁
内部钻进，并保持机体稳定；

[0109] 钻机反力板3.15和钻机支撑板3.16上均安装钻机轨道键3.17(如图1、图2、图6、图7所示)；钻机轨道键3.17与轨道3.211之间可以平滑运动，保障钻机 3.1的稳定性和垂直钻
进；

[0110] 钻机安装筒3.2包括钻机安装筒壁3.21、钻机后支撑3.22和钻机推进油缸 3.23；其中，钻机推进油缸3.23位于钻机反力板3.15的后方，钻机推进油缸3.23 一端与钻机反力
板3.15连接、另一端与钻机后支撑3.22连接(如图11、图12 所示)，以钻机后支撑3.22提供
反力，可以将钻机3.1推出钻机安装筒3.2进行工作，或者将钻机3.1回收进钻机安装筒3.2
内，推动整个钻机3.1在钻机安装筒3.2的轨道3.211上滑动；

[0111] 轨道3.211固定安装在钻机安装筒壁3.21的内壁上；钻机轨道键3.17与轨道3.211滑动连接(如图8、图9、图10所示)，钻机安装筒壁3.21为钻机3.1 提供工作及回收的空间，
整个钻机3.1可以在钻机安装筒3.2内壁的轨道上滑动；

[0112] 工作时，以钻机后支撑3.22提供反力，钻机推进油缸3.23推进钻机3.1在轨道3.211上前进，钻机3.1的钻杆3.11接触岩壁，钻机推进油缸3.23锁死，钻机3.1位置不动；钻
机反力板3.15提供反力，钻机油缸3.14和钻机马达组件3.13 开始工作，推动钻机3.1向岩
壁钻进，形成钻孔；回收时，钻机油缸3.14先回收钻杆3.1到初始位置，然后钻机推进油缸
3.23将钻机3.1回收进钻机安装筒3.2；

[0113] 钻机油缸3.14有多个(如图2所示)；钻机3.1工作时，钻机油缸3.14可以推进钻杆3.11向岩壁内部钻进，并保持机体稳定；钻机油缸3.14推进钻机3.1 工作，有两种状态：分
别为将钻机3.1推出的钻机钻进状态和钻机3.1回收的钻机回位状态。

[0114] 更进一步地，钻机油缸3.14有六个；根据实际使用情况，钻机油缸3.14还可以根据需要设置呈其它所需数量。

[0115] 更进一步地，CO2爆破装置安装机构4包括CO2爆破管4.1和CO2安装筒 4.2；CO2爆破管4.1安装在CO2安装筒4.2上；CO2爆破管为一次爆破装置，为现有技术；

[0116] CO2爆破管4.1包括起爆头4.11、起爆引导装置4.12、锥形密封垫4.13、主管4.14、发热装置4.15和泄放头4.16；其中，主管4.14一端设置泄放头4.16、另一端设置起爆头
4.11；

[0117] 发热装置4.15位于主管4.14内、且与起爆头4.11连接；

[0118] 锥形密封垫4.13安装在主管4.14的端部、且位于起爆头4.11外侧；起爆引导装置4.12穿过锥形密封垫4.13与起爆头4.11连接(如图11、图12、图13、图14所示)；钻机钻孔后，
利用锥形扩孔钻在掌子面上形成锥形扩孔，配合CO2爆破装置的锥形密封垫4.13(即安装CO2
爆破管4.1时，锥形密封垫4.13配合安装在钻孔的锥形扩孔处，便于安装、且起密封作用)，
解决上一阶段破岩后，掌子面不平整引起的密封问题(如图3、图4、图5、图13所示)；

[0119] CO2安装筒4.2包括爆破管安装室4.21、CO2安装筒壁4.22、隔离板4.23、输送口4.24、推进油缸4.25和后支撑4.26；其中，爆破管安装室4.21位于CO2安装筒壁4.22内；

[0120] 推进油缸4.25位于爆破管安装室4.21内；推进油缸4.25一端与起爆引导装置4.12连接、另一端与后支撑4.26连接；

[0121] CO2安装筒壁4.22一端设置隔离板4.23、另一端设置后支撑4.26；

[0122] 输送口4.24设置在隔离板4.23上(如图14、图15、图16、图17所示)；

[0123] 工作时，如图14、图15所示，后支撑4.26提供反力，推进油缸4.25将CO2爆破管4.1通过隔离板4.23中间的输送口4.24推出；其中，隔离板4.23可以隔绝爆破起裂的岩渣进入
爆破管安装室4.21；CO2爆破管4.1在爆破管安装室4.21 中定位安装好，被推进油缸4.25推
进由钻机3.1钻进形成的钻孔内，待所有钻孔均安装完CO2爆破管4.1，且钻机3.1均已经回
收进钻机安装筒3.2后，进行起爆作业；

[0124] CO2爆破装置安装机构4安装完成后，爆破起裂，岩石块体破碎掉落，刀盘机构2旋转，正刀盘2.1上的机械刀具2.11将位掉落的岩块刮落，此时钻机3.1 的钻机推进油缸3.23
和CO2爆破装置安装机构4的推进油缸4.25不工作，由螺旋边刀2.22刮取至排渣口2.23排
出。

[0125] 更进一步地，钻机安装筒3.2和CO2安装筒4.2交替布置在正刀盘2.1的径向上(如图19所示)；钻机安装筒3.2和CO2安装筒4.2距离圆心不同距离布置，距离圆心越近，钻机安
装筒3.2和CO2安装筒4.2的安装数量越少；距离圆心越远，钻机安装筒3.2和CO2安装筒4.2的
安装数量越多；

[0126] 机械刀具2.11分别安装在钻机安装筒3.2与CO2安装筒4.2之间、钻机安装筒3.2与钻机安装筒3.2之间、以及CO2安装筒4.2与CO2安装筒4.2之间(如图18、图20、图21所示)。

[0127] 更进一步地，CO2爆破管4.1的长度和CO2充填量根据钻机3.1在掌子面上形成的钻孔深度进行调整(如图30、图31所示)，实现精准破岩，且节省施工成本。

[0128] 参阅附图可知：本发明所述的CO2微爆联合TBM破岩装置的破岩方法，包括如下步骤，

[0129] 步骤一：安装CO2微爆联合TBM破岩装置1；

[0130] 步骤二：破岩作业；

[0131] 钻机安装机构3对岩壁进行钻孔，CO2爆破装置安装机构4安装CO2爆破管 4.1；

[0132] CO2爆破装置安装机构4在钻孔中爆破起裂，岩石块体破碎掉落，形成岩渣；刀盘机构2旋转，刀盘机构2上的机械刀具2.11将未掉落的岩块刮落，形成岩渣；

[0133] 岩渣沿着螺旋边刀2.22轨迹线，收集输送至螺旋边刀2.22前方的排渣口2.23 中，且通过皮带输送机5输出；

[0134] 钻机3.1钻进岩壁形成的钻孔的封闭端呈柱形结构、开口端呈锥形结构(如图3、图5所示)；

[0135] 安装CO2爆破管4.1时，锥形密封垫4.13安装在钻孔的锥形结构处(如图4、图5、图6、图13、图14、图15所示)；锥形密封垫恰好安装在由钻机上锥形扩孔钻形成的安装位置，便
于安装、且保证密封效果；

[0136] 步骤三：所有工作完成后，进入下一个工作阶段。

[0137] TBM装置包括刀盘机构2及其破岩装置(包括钻机安装机构3)，以及相关的后配套设备；其中TBM装置的后配套设备为现有技术。

[0138] 进一步地，在步骤二中，钻机安装筒3.2的钻机3.1和CO2安装筒4.2中的 CO2爆破管4.1交替工作；

[0139] 即当完成钻机3.1钻进后(如图7、图12所示)，钻机3.1回收，钻机安装筒3.2中的钻机推进油缸3.23回位(如图6、图11所示)，准备下一次作业，刀盘机构2旋转一个工位(如图
25、图26所示)；此时，CO2安装筒4.2中的CO2爆破管4.1通过推进油缸4.25推出、推入由钻机
3.1钻进形成的钻孔内(如图15 所示)；所有钻孔均安装完CO2爆破管4.1后，统一起爆；

[0140] 或为：当CO2安装筒4.2中的CO2爆破管4.1安装在钻孔中后(如图15、图 17所示)，推进油缸4.25带动CO2爆破管4.1收回，推进油缸4.25回位(如图 16所示)，准备下一次作业，
刀盘机构2旋转一个工位；此时，钻机推进油缸3.23 推出钻机3.1进行钻孔操作；通过TBM的
刀盘机构2实现同时钻进多个钻孔，同时在多个钻孔内放置CO2爆破管，且控制多个钻孔内
的CO2爆破管同时起爆；实现连续钻孔及连续地在钻孔内安装CO2爆破管的施工，提高施工效
率及安全性。

[0141] 进一步地，在步骤二中，刀盘机构2旋转一个工位后，钻机3.1钻孔和CO2爆破管4.1安装继续进行，直至所有钻孔中，均完成CO2爆破管4.1的安装(如图6、图7、图11、图12、图
15、图16、图17所示)；

[0142] 当机械刀具2.11工作时，钻机安装机构3和CO2爆破装置安装机构4停止工作，由螺旋边刀刮取至排渣口排出(如图18、图22、图23、图24所示)；本发明起爆后、采用TBM机械刀
具破碎残余岩体、通过排渣口排渣，进一步提高连续性；通过TBM的刀盘机构2旋转，实现连
续钻孔及连续地在钻孔内安装CO2爆破管的施工，提高施工效率及安全性，且更好地控制爆
破的范围，形成预先设计的掌子面形状。

[0143] 进一步地，CO2爆破装置安装机构4工作时，主管4.14内充入液态CO2，具体来讲为CO2气体在一定的高压下可转变为液态，通过高压泵将液态的CO2压缩至圆柱体容器(爆破
管)内，装入破裂片、导热棒和密封圈(如图14、图 15、图16所示)，此处技术为现有技术，不
做赘述；液态CO2在突然快速加热的条件下，急剧气化膨胀，产生强大冲击力，将爆破管和安
全云毫差起爆器及电源线携至爆破现场，把爆破管插入钻孔中固定好，连接起爆器电源；当
微电流通过高导热棒时，产生高温击穿安全膜，瞬间将液态CO2气化，急剧膨胀产生高压冲
击波致泄压阀自动打开，被爆破物品或堆积物受几何级当量冲击波向外迅猛推进，从而对
周围的岩石产生冲击，产生破坏作用，形成破岩效果。

[0144] 为了能够更加清楚的说明本发明所述的CO2微爆联合TBM破岩装置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：

[0145]

[0146]

[0147] 由上表可知，本发明所述的CO2微爆联合TBM破岩装置与现有技术相比，可实现连续施工、施工效率高，破岩效果好，安全性高，适用于硬岩、极硬岩的隧道掘进施工。

[0148] 实施例

[0149] 现以本实施例用于与某城市地铁暗挖极硬岩的隧道掘进施工为实施例对本发明进行详细说明，对本发明应用于其它地形的破岩施工同样具有指导作用。

[0150] 实施例1

[0151] 本实施例中，CO2微爆联合TBM破岩装置1包括刀盘机构2、钻机安装机构3和CO2爆破装置安装机构4；钻机安装机构3和CO2爆破装置安装机构4 交替布置在刀盘机构2上；刀盘
机构2安装在TBM主轴承上；支撑架6上安装皮带输送机5；皮带输送机5位于刀盘机构2后方。

[0152] 刀盘机构2包括正刀盘2.1和侧刀盘2.2；

[0153] 侧刀盘2.2位于正刀盘2.1外周；

[0154] 钻机安装机构3的钻机安装筒3.2和CO2爆破装置安装机构4的CO2安装筒 4.2交替布置在正刀盘2.1上；

[0155] 机械刀具2.11布置在正刀盘2.1上；侧刀盘2.2上安装侧边刀2.21、螺旋边刀2.22和排渣口2.23；侧边刀2.21与侧刀盘2.2呈倾斜设置；侧边刀2.21倾斜向上突出；螺旋边刀
2.22呈犁形螺旋状。

[0156] 本实施例中，钻机安装机构3的钻机油缸3.14有六个；

[0157] 本实施例中，在正刀盘2.1上，内环布置四个安装筒(即为交替布置的二个钻机安装筒3.2和二个CO2安装筒4.2)，相邻安装筒相差90度相位(即相邻的钻机安装筒3.2与CO2安
装筒4.2相差90度相位)；外环布置八个安装筒(即为交替布置的四个钻机安装筒3.2和四个
CO2安装筒4.2)，相邻安装筒相差45度相位(即相邻的钻机安装筒3.2与CO2安装筒4.2相差90
度相位)。

[0158] 本实施例的破岩方法，包括如下步骤，

[0159] 破岩作业时，钻机安装筒3.2的钻机3.1和CO2安装筒4.2中的CO2爆破管 4.1交替工作，即当完成钻机3.1钻进后，钻机3.1回收，钻机安装筒3.2中的钻机推进油缸3.23回位，准
备下一次作业，刀盘机构2旋转一个工位(即刀盘机构2旋转45度)；此时，CO2安装筒4.2中的
CO2爆破管4.1通过推进油缸4.25 推出、推入由钻机3.1钻进形成的钻孔内；

[0160] 或为：当CO2安装筒4.2中的CO2爆破管4.1安装在钻孔中后，推进油缸4.25 带动CO2爆破管4.1收回，推进油缸4.25回位，准备下一次作业，刀盘机构2 旋转一个工位(即刀盘机
构2旋转45度)；此时，钻机推进油缸3.23推出钻机 3.1进行钻孔操作；如此循环进行钻孔和
安装CO2爆破管4.1，直至所有钻机的钻孔中，均完成CO2爆破管4.1的安装。

[0161] 所有CO2爆破装置安装完成后，爆破起裂，岩石块体破碎掉落，刀盘机构2 旋转，正刀盘2.1上的机械刀具2.11将位掉落的岩块刮落，此时钻机安装机构3 和CO2爆破装置安装
机构4不工作，由螺旋边刀2.22刮取未掉落的岩石块体至排渣口2.23通过皮带输送机5排
出。

[0162] 所有工作完成后，进入下一个破岩作业阶段(如图18‑图29所示)。

[0163] 结论：本实施例为隧道的减震爆破施工，可实现连续施工、施工效率高，破岩效果好，安全性高。

[0164] 实施例2

[0165] 其CO2微爆联合TBM破岩装置1及其破岩方法同实施例1，不同之处在于：本实施例中的岩体经过某次爆破、切削后，最后形成的掌子面轮廓线不平(如图 30所示)，则钻机的
钻杆在岩体中的行程存在差异。

[0166] 本实施例中，在钻机上设置深度测量传感器(为现有技术)；本实施例中钻机实际钻孔的深度数据通过钻机上的深度测量传感器获得，并根据该深度数据，对下一阶段CO2爆
破装置的填充量和爆破管长度做出调整；在图30中，A区域的钻机实际工作进尺小于B区域
的钻机实际工作进尺，本实施例的调整方式为：在下一阶段状态CO2爆破装置时，根据钻孔
的深度对CO2气体的充填量做出调整，B爆破孔区域CO2爆破管的长度和CO2充填量大于A爆破
孔区域。

[0167] 实施例3

[0168] 其CO2微爆联合TBM破岩装置1及其破岩方法同实施例2，不同之处在于：本实施例中，掌子面轮廓线为倾斜结构或旋转结构(如图31所示)；在图31中， C区域的钻机实际工作
进尺大于D区域的钻机实际工作进尺，本实施例的调整方式为：当TBM转向时，C区域的钻孔
长度大于D区域，在下一阶段状态CO2爆破装置时，根据钻孔的深度对CO2气体的充填量做出
调整，即C爆破孔区域 CO2爆破管的长度和CO2充填量大于D爆破孔区域。

[0169] 其它未说明的部分均属于现有技术。