CN104060996A - 一种用于软硬不均互侵复合岩层的盾构复合式刀盘 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于软硬不均互侵复合岩层的盾构复合式刀盘。所述用于软硬不均互侵复合岩层的盾构复合式刀盘包括：重型刀盘，所述重型刀盘为辐板式中间支撑结构；双刃中心滚刀，所述双刃中心滚刀互相垂直设置在所述重型刀盘的中心位置；单刃正面滚刀，所述单刃正面滚刀根据盾构刀盘的切削轨迹设置在所述重型刀盘的四条主辐臂上方；单刃周边滚刀，所述单刃周边滚刀根据盾构刀盘的切削轨迹设置在所述四条主辐臂的端部；辅助刀，所述辅助刀根据盾构刀盘的切削轨迹设置在所述重型刀盘的辐臂上方。该刀盘适应于软硬不均、交互侵入的复合岩层盾构掘进，能够满足饱和单轴抗压强度为150MPa的硬岩、极硬岩地层破岩掘进能力，也可用于软岩、软土地层掘进。

Description

一种用于软硬不均互侵复合岩层的盾构复合式刀盘

技术领域

本发明涉及盾构机刀盘领域，特别是涉及一种用于软硬不均互侵复合岩层的盾构复合式刀盘。

背景技术

辉绿岩强度高，石英与金属矿物含量大，中风化辉绿岩饱和单轴抗压强度高达140MPa，按《工程岩体分级标准》(GB50218-94)，当岩石单轴饱和抗压强度＞60MPa时，属于坚硬岩；按《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》(GB50307-1999)及《铁路隧道设计规范》(TB10003-2005)辉绿岩属于极硬岩，风化程度较弱的辉绿岩，按实际单轴抗压强度，其普氏硬度系数f＞16，属于普坚石XIII类，属于极难钻掘地层。

中、强、全风化板岩，饱和单轴抗压强度小于30MPa，属于软岩。

不同风化程度的辉绿岩，辉绿岩与板岩，不同风化程度的板岩地层之间呈现不规律、不均匀、不稳定的交互侵入分布，形成软硬不均互侵复合岩层。不同地层或不同风化程度岩层之间错综交杂，交互侵入，掌子面地层性状变化快，岩性特征差异大，地层及风化分界转换频繁，复合地层性状极其明显，且夹杂薄层状风化夹层，富含石英及金属矿物，地层破碎，整体性差，岩石裂隙发育，易成块状节理，刀盘切削后掌子面极不平整，盾构掘进困难，开仓查刀、换刀频繁，安全风险大，刀具异常磨损严重，刀具投入大，施工效率低，施工成本和安全风险增大。

在软硬不均互侵复合岩层不平整的掘进岩面，盾构机刀盘的滚刀本身切削规律发生变化，滚刀不能紧压岩面挤入并转动，而是不断地忽高忽低地运动，故持续存在滚刀缺少着力界面而不转偏磨，受岩石突然冲击而使刀圈、刀轴断裂的问题。岩石强度高，其中更含有大量同样高强的石英岩及金属矿物对刀具受力性能要求极高，刀具磨损量明显加大，寿命急速缩减，对刀座刀箱也造成了较大冲击而致变形。

在软硬不均互侵复合岩层，因掌子面地层分布不均，破碎，切削后岩石呈块状碎裂，掌子面极不平整，盾构机刀盘的齿刀及铲刀提前参与破岩受力，在盾构机刀盘转动下，受到掌子面突出岩块、尖岩的冲击，齿刀及铲刀固定螺栓因受弯拉和受剪力过大而崩断，致刀具崩落，刀座螺栓孔变形，螺纹损坏。崩落的齿刀、铲刀刀具及断裂的滚刀刀圈、刀体等残体在刀盘前方及土仓内反复搅动，不能及时排出，对滚刀造成了很大的撞击、挤压、摩擦作用，使滚刀大面积频繁出现：被挤入刀箱，造成滚刀发生偏磨；刀圈被挤脱，失去作用；刀圈被撞击致断裂或出现缺口；刀轴受力异常而断裂；与刀体发生挤压等，造成刀体变形，端盖挤出，刀毂被严重挤压变形，刀箱变形，最后无法拆出，只能破坏性气割拆除，使刀具报废。滚刀被卡死，刀具圈严重偏磨，更有甚者，刀圈断裂后刀体被偏磨严重；滚刀固定楔块、螺栓因间接受力而变形、折断。软硬不均互侵复合岩层对滚刀的密封损害较大，长期高压作用下，密封受损失效，水及岩屑、粉末颗粒等进入，进而使轴承生锈、磨损。刀盘正面边缘(铲刀刀座后方)耐磨及本体因铲刀崩落失去保护，掉落刀具及刀座落入刀盘底部随刀盘搅动而致磨损。

因此希望有一种用于软硬不均互侵复合岩层的盾构复合式刀盘来克服或至少减轻上述的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于软硬不均互侵复合岩层的盾构复合式刀盘来克服现有技术中存在的上述问题。

为实现上述目的，本发明提供一种

用于软硬不均互侵复合岩层的盾构复合式刀盘，其特征在于，包括：

重型刀盘，所述重型刀盘为辐板式中间支撑结构；

双刃中心滚刀，所述双刃中心滚刀互相垂直设置在所述重型刀盘的中心位置；

单刃正面滚刀，所述单刃正面滚刀根据盾构刀盘的切削轨迹设置在所述重型刀盘的四条主辐臂上方；

单刃周边滚刀，所述单刃周边滚刀根据盾构刀盘的切削轨迹设置在所述四条主辐臂的端部；

辅助刀，所述辅助刀根据盾构刀盘的切削轨迹设置在所述重型刀盘的辐臂上方。

在重型刀盘上设置四条互相垂直交叉的主辐臂，所述四条主辐臂的交叉点设置在重型刀盘的中心位置，四条主辐臂的上表面形成主辐臂盘面；在重型刀盘的中心位置设置四条辐条，所述四条辐条分别与四条主辐臂呈45°间隔布置。

优选地，所述辅助刀包括：正面齿刀、铲刀和保护刀，所述正面齿刀根据盾构刀盘的切削轨迹设置在所述重型刀盘的四条辐条的两侧，所述保护刀设置在所述辐条的辐臂上方，所述铲刀设置在所述辐条的端部。

优选地，所述滚刀包括：中心滚刀、正面滚刀和周边滚刀，所述中心滚刀互相垂直设置在所述重型刀盘的中心位置，所述正面滚刀根据盾构刀盘的切削轨迹设置在四条主辐臂上方，所述周边滚刀分别设置在所述四条主辐臂的端部。

优选地，所述用于软硬不均互侵复合岩层的盾构刀盘进一步包括：泡沫管路，所述泡沫管路设置在所述刀盘下方和/或所述刀盘中心位置。

本发明提供了一种用于软硬不均互侵复合岩层的盾构复合式刀盘，适应于软硬不均、交互侵入的复合岩层盾构掘进，具备硬岩、极硬岩地层破岩掘进能力，也可用于软岩、软土地层掘进，提高盾构机的掘进效率，减少因异常磨损换刀的次数及数量，减少盾构机开仓换刀频率和时间，节约工期，减轻施工环境及设备安全风险。

附图说明

图1是本发明用于软硬不均互侵复合岩层的盾构复合式刀盘的结构示意图。

图2是铲刀的结构示意图。

图3是正面齿刀的结构示意图。

图4是周边滚刀的结构示意图。

图5是正面滚刀的结构示意图。

附图标记：

1	重型刀盘	5	周边滚刀
				2	保护刀	6	中心滚刀
3	铲刀	7	正面滚刀
				4	正面齿刀

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底″内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

在重型刀盘上设置四条互相垂直交叉的主辐臂，所述四条主辐臂的交叉点设置在重型刀盘的中心位置，四条主辐臂的上表面形成主辐臂盘面；在重型刀盘的中心位置设置四条辐条，所述四条辐条分别与四条主辐臂呈45°间隔布置。

在本发明一宽泛实施例中：用于软硬不均互侵复合岩层的盾构复合式刀盘，包括：重型刀盘；中心滚刀，述中心滚刀互相垂直设置在所述重型刀盘的中心位置；正面滚刀，所述正面滚刀根据盾构刀盘的切削轨迹设置在所述重型刀盘的四条主辐臂上方；周边滚刀，所述周边滚刀设置在所述四条主辐臂的端部；辅助刀，所述辅助刀设置在所述重型刀盘刀盘上方。

在图2-5所示实施例中，用于软硬不均互侵复合岩层的盾构复合式刀盘包括：重型刀盘1、保护刀2、铲刀3、正面齿刀4、周边滚刀5、中心滚刀6和正面滚刀7，保护刀2的数量为18，铲刀3的数量为20，正面齿刀4的数量为28，周边滚刀5的数量为12，中心滚刀6的数量为4且正面滚刀7的数量为20。但可以理解的是，保护刀2、铲刀3、正面齿刀4、周边滚刀5、中心滚刀6和正面滚刀7的个数不限于图示方式。

在图2-5所示实施例中，4个中心滚刀6互相垂直相交设置在重型刀盘1的中心位置。但可以理解的是，中心滚刀6的个数和位置不限于图示方式，例如，在一未图示实施例中，中心滚刀6的个数为两个，且两个中心滚刀6互相平行设置在重型刀盘1的中心位置。

在图2所示实施例中，在所述每条主辐臂上方分别设置5个正面滚刀7，在所述四条主辐臂上设置共计20个正面滚刀7。但可以理解的是，正面滚刀7的个数和位置不限于图示方式，例如，在一未图示实施例中，在所述每条主辐臂上方分别设置4个正面滚刀7，在所述四条主辐臂上设置共计16个正面滚刀7。

在图2-5所示实施例中，在所述每条主辐臂的端部分别设置2个周边滚刀5，在所述四条主辐臂上设置共计8个周边滚刀5，且在所述四条辐条的端部分别设置4个周边滚刀5。但可以理解的是，周边滚刀5的个数和位置不限于图示方式，例如，在一未图示实施例中，在所述四条主辐臂的端部分别设置4个周边滚刀5，且在所述四条辐条的端部分别设置8个周边滚刀5。

在图2-5所示实施例中，在所述四条辐条的其中两条辐条的辐臂上方设置6个保护刀2，而在另外两条辐条的辐臂上方设置4个正面齿刀4，且在四条主辐臂的两侧设置8个保护刀2。保护刀2与正面齿刀4同轨迹等高配置，焊接固定，硬岩或复合地层增加对正面齿刀4的抗冲击保护，软岩地层增加开挖和导流效果。但可以理解的是，保护刀2的个数和位置不限于图示方式，例如，在一未图示实施例中，在所述四条主辐臂上设置4个保护刀2，在所述四条辐条上分别设置14个保护刀2。

在图2-5所示实施例中，在所述四条辐条的其中两条辐条的两侧根据盾构刀盘的切削轨迹设置16个正面齿刀4，而在另外两条辐条的两侧根据盾构刀盘的切削轨迹设置12个正面齿刀4。正面齿刀4采取250mm宽幅的合金刀具，4根螺栓固定，刀座采用硬岩地层构造设计，与刀具为嵌入式安装方式，刀座内、外侧均有高出护脚防撞保护，抗冲击性能强，有效解决齿刀和刀座异常崩落问题

在图2-5所示实施例中，在所述四条辐条的端部设置20个铲刀3。铲刀3采取宽幅多联构造设计，单幅铲刀固定螺栓增加至6孔至8孔，增加了周边铲刀固定可靠性和防撞损失的能力；刀座采用硬岩地层构造设计，与刀具为嵌入式安装方式，刀座内、外侧均有高出护脚防撞保护，刀座背部设计有增强刀座固定和缓冲的加劲肋板；刀座抗冲击性能强，有效解决铲刀异常崩落和周边刀座磨损的问题。

在一未图示实施例中，用于软硬不均互侵复合岩层的盾构刀盘进一步包括：四个泡沫管路，所述泡沫管路设置在重型刀盘1的下方。泡沫管路钟的刀盘泡沫为高分子聚合物用于软土、软岩、硬岩和复合地层加注土体改良材料。但可以理解的是，所述泡沫管路设置的位置不限于设置在重型刀盘1的下方。在另一未图示实施例中，所述泡沫管路设置在重型刀盘1的中心位置。

用于软硬不均互侵复合岩层的盾构刀盘进一步包括：鱼尾刀，鱼尾刀设置在刀盘中心，用于软土地层掘进。

用于软硬不均互侵复合岩层的盾构刀盘的开口处连接格栅。

用于软硬不均互侵复合岩层的盾构刀盘进一步包括：刀盘中心高压水冲洗管路，适用于软土地层，防止刀盘中心结泥饼。

在用于软硬不均互侵复合岩层的盾构刀盘的刀盘面板和背面焊接耐磨钢板，外周焊接耐磨格条保护环，外围焊接硬质堆焊。

通过重型刀盘结构设计，强化刀盘耐磨保护，配置重载型刀箱、重型滚刀和硬岩地层辅助刀具，减小滚刀刃间距、增加滚刀数量等设计，具备硬岩、极硬岩地层盾构破岩掘进能力。

通过滚刀刀箱可换装先行刀、撕裂刀，刀盘中心滚刀处预留安装条件，可换装鱼尾刀，刀盘中心设计高压水冲洗功能等技术条件，配合盾构刀盘和土仓隔壁上的添加剂注入孔加注不同的土体改良材料等方式，具备软岩、软土地层盾构切削掘进能力。

通过上述特征表现和技术设计，尤其是软硬岩刀具的换装应用，在地层竖向分布和沿隧道轴线地层纵向分布上，均出现软硬岩层分布不均、交互侵入，夹杂交错、分布不规律，地层分界或风化分界转化频繁，地层不稳定等复杂的复合地层条件下，具备盾构开挖掘进能力，即适应于软硬不均复合岩层掘进。

通过配置保护刀，改变齿刀和铲刀安装固定方式和保护设计，加大齿刀刀宽，改铲刀为多孔多联设计，增强了对刀具的保护，强化了硬岩地层刀具抗冲击性能，提高了硬岩掘进能力。

通过齿刀、铲刀与滚刀分辐臂设置，调整全盘滚刀运动轨迹设计，优化配置滚刀与齿刀、铲刀、保护刀的岩面高差与切削轨迹，优化刀具选型和配置技术，提出了复合式刀盘的各类刀具主体突出、主辅配合、作用清晰，共同服务的掘进配合理念，强化了复合式刀盘的地层适应能力、掘进效率，降低了掘进成本和安全风险。

通过刀盘和土仓隔壁上的添加剂注入通道，针对不同地层加注相应的渣土改良材料(包括加水、加泥、加泡沫、加膨润土浆、加高分子聚合物材料等)，有效解决了易喷涌、结泥饼、扭矩大、高磨损等突出问题，强化了刀盘的地层适应性，拓宽了刀盘的应用范围和地层条件。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种用于软硬不均互侵复合岩层的盾构复合式刀盘，其特征在于，包括：

重型刀盘，所述重型刀盘为辐板式中间支撑结构；

双刃中心滚刀，所述双刃中心滚刀互相垂直设置在所述重型刀盘的中心位置；

单刃正面滚刀，所述单刃正面滚刀根据盾构刀盘的切削轨迹设置在所述重型刀盘的四条主辐臂上方；

单刃周边滚刀，所述单刃周边滚刀根据盾构刀盘的切削轨迹设置在所述四条主辐臂的端部；

辅助刀，所述辅助刀根据盾构刀盘的切削轨迹设置在所述重型刀盘的辐臂上方。

2.如权利要求1所述的用于软硬不均互侵复合岩层的盾构复合式刀盘，其特征在于，所述辅助刀包括：正面齿刀、铲刀和保护刀，所述正面齿刀根据盾构刀盘的切削轨迹设置在所述重型刀盘的四条辐条的两侧，所述保护刀设置在所述辐条的辐臂上方，所述铲刀设置在所述辐条的端部。

3.如权利要求1所述的用于软硬不均互侵复合岩层的盾构复合式刀盘，其特征在于，所述用于软硬不均互侵复合岩层的盾构刀盘进一步包括：泡沫管路，所述泡沫管路设置在所述刀盘下方和/或所述刀盘中心位置。