CN106761787B - 开挖轮廓面可变的辐条式盾构刀盘及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了开挖轮廓面可变的辐条式盾构刀盘及其施工方法，包括盾构刀盘中心回转轴，盾构刀盘中心回转轴顶四周铰接安装若干个刀盘辐条，刀盘辐条面向盾构刀盘中心回转轴底一侧焊接有刀盘辐条滑动轴，盾构刀盘中心回转轴底焊接有辐条转动控制装置，盾构刀盘中心回转轴顶内部焊接有中心刀控制装置，中心刀控制装置顶焊接有中心刀，辐条刀具控制装置点阵式焊接在刀盘辐条内，辐条刀具控制装置顶焊接有辐条刀具，辐条刀具的伸缩可控制辐条刀具的空间位置变化，优点是通过刀盘辐条的转动及辐条刀具、中心刀空间位置的可变，实现了盾构开挖轮廓面几何形状可根据实际需求进行实时调整，大大提高了盾构机施工的适应性，优化了刀具的受力特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种盾构刀盘，尤其是涉及一种开挖轮廓面可变的辐条式盾构刀盘及其施工方法。
背景技术
随着城市化进程的加快，地下空间作为城市的又一宝贵资源得到了高强度地开发利用，随之而来的是地下空间越发拥挤，地下工程施工控制要求越发提高，盾构法开挖以其环境扰动小的优点在城市轨道交通建设中得到了大规模的应用，其联络通道施工往往采用冻结或注浆加固后进行矿山法开挖修筑，该方法施工周期长、施工过程地层扰动大，对地铁隧道结构及周边的建构筑物不仅会造成较大的瞬时影响，同时还会影响其长期性状。如能在不加固土体的情况下采用盾构法施工联络通道可则减少施工工期并降低施工对地层的扰动，盾构法通过刀盘开挖切削的方式进行开挖掘进，开挖过程中需破除左右两侧的盾构管片，常规刀盘结构固定，无法根据切削结构的形式进行调整，这势必导致刀盘中刀具无法大面积与隧道管片密贴，这不仅会影响刀盘刀具的受力特性，同时也会影响盾构的掘进效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可根据切削结构形状调整盾构刀盘开挖轮廓面，增大刀具与切削结构的接触面，提高切削效率的开挖轮廓面可变的辐条式盾构刀盘及其施工方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种开挖轮廓面可变的辐条式盾构刀盘，包括一个盾构刀盘中心回转轴 、若干个刀盘辐条、若干个辐条转动控制装置、若干个刀盘辐条滑动轴、一个中心刀控制装置、若干个辐条刀具控制装置、一个中心刀和若干个辐条刀具；
各个所述的刀盘辐条分别通过铰接头铰接安装在所述的盾构刀盘中心回转轴的顶部四周，所述的刀盘辐条可随着所述的盾构刀盘中心回转轴的转动而转动；
所述的刀盘辐条滑动轴焊接在所述的刀盘辐条面向盾构刀盘中心回转轴底面的一侧，所述的辐条转动控制装置的底部焊接在所述的盾构刀盘中心回转轴的底部且所述的辐条转动控制装置的顶部与所述的刀盘辐条滑动轴滑动连接；
所述的中心刀控制装置焊接在所述的盾构刀盘中心回转轴的顶部内，所述的中心刀焊接在所述的中心刀控制装置的顶部；
所述的辐条刀具控制装置焊接在所述的刀盘辐条背对盾构刀盘中心回转轴的一侧面内，所述的辐条刀具焊接在所述的辐条刀具控制装置的顶部。
所述的辐条转动控制装置包括辐条转动控制动力装置和滑动环，所述的辐条转动控制动力装置的底部焊接在所述的盾构刀盘中心回转轴的底部，所述的辐条转动控制动力装置的顶部与所述的滑动环焊接，所述的滑动环与所述的刀盘辐条滑动轴滑动连接。
所述的辐条转动控制动力装置为提供伸缩动力的第一液压千斤顶，所述的滑动环为关节轴承，所述的关节轴承包括内环和外环两部分，所述的内环在所述的外环内转动，所述的第一液压千斤顶的油缸底焊接在所述的盾构刀盘中心回转轴底且其油缸顶面垂直于盾构刀盘面板，所述的外环垂直焊接在所述的第一液压千斤顶的顶杆顶面，所述的内环与所述的刀盘辐条滑动轴滑动连接。通过第一液压千斤顶顶杆的伸缩可使内环在刀盘辐条上发生滑动，进而促使刀盘辐条绕铰接头转动。
所述的中心刀控制装置为提供伸缩动力的第二液压千斤顶，所述的第二液压千斤顶的油缸焊接在所述的盾构刀盘中心回转轴的顶部内且其油缸顶面与所述的盾构刀盘中心回转轴的顶面齐平，所述的第二液压千斤顶的顶杆顶面焊接安装所述的中心刀，所述的第二液压千斤顶垂直于盾构刀盘面板。千斤顶顶杆的伸缩可控制中心刀的空间位置发生变化。
所述的辐条刀具控制装置为提供伸缩动力的第三液压千斤顶，所述的第三液压千斤顶的油缸焊接在所述的刀盘辐条的内部且其油缸顶面与所述的刀盘辐条的表面齐平，所述的第三液压千斤顶的顶杆顶面焊接安装所述的辐条刀具，所述的辐条刀具与所述的刀盘辐条面垂直。千斤顶顶杆的伸缩可控制辐条刀具的空间位置发生变化。
所述的铰接头焊接在所述的盾构刀盘中心回转轴的顶部四周。
上述开挖轮廓面可变的辐条式盾构刀盘的施工方法，具体步骤如下：
（1）根据目标结构物的形状计算刀盘开挖轮廓面，获得刀盘辐条所需的转动角度θ i ，所述i为刀盘辐条标号，θ i 为标号为i的刀盘辐条所需转动角度值，其中i=[1：2：…：n]，中心刀控制装置的千斤顶顶杆所需伸长量L，辐条刀具控制装置的千斤顶顶杆所需伸长量L j ,所述j为辐条刀具控制装置标号，L j 为标号为j的辐条刀具控制装置的千斤顶顶杆所需伸长量，其中j=[1：2：…：m]；
（2）通过控制辐条转动控制动力装置的千斤顶顶杆的伸缩使刀盘辐条发生转动，直至标号为i的刀盘辐条的转动角度为θ i ；
（3）控制中心刀控制装置的千斤顶顶杆伸长量为L；
（4）控制标号为j的辐条刀具控制装置的千斤顶顶杆伸长L j ，最终形成步骤（1）设计的刀盘开挖轮廓面。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明首次公开了开挖轮廓面可变的辐条式盾构刀盘及其施工方法，铰接头焊接在盾构刀盘中心回转轴顶，盾构中心回转轴可以发生自转，刀盘辐条能随着盾构刀盘中心回转轴的转动而转动，同时刀盘辐条还能绕着铰接头转动，中心刀具可在中心刀控制装置的伸缩作用下发生空间位置的变化，辐条刀具可在刀盘辐条的转动及辐条刀具控制装置的伸缩作用下发生空间位置的变化，通过中心刀和辐条刀具的空间位置的变化可构造出不同的开挖轮廓面。发明通过刀盘辐条的转动及辐条刀具、中心刀空间位置的可变，实现了盾构开挖轮廓面几何形状可根据实际需求进行实时调整，大大提高了盾构机施工的适应性，优化了刀具的受力特性；可根据切削结构形状调整盾构刀盘开挖轮廓面，增大刀具与切削结构的接触面，提高切削效率。
附图说明
图1为本发明的开挖轮廓面可变的辐条式盾构刀盘示意图；
图2为刀盘辐条转动控制装置示意图；
图3为盾构开挖轮廓面为直线时的开挖轮廓面可变的辐条式盾构刀盘示意图；
图4为经步骤二操作后的开挖轮廓面可变的辐条式盾构刀盘示意图；
图5为经步骤三操作后的开挖轮廓面可变的辐条式盾构刀盘示意图；
图6为经步骤四操作后的开挖轮廓面可变的辐条式盾构刀盘示意图；
图中各部件标号如下：1-盾构刀盘中心回转轴，2-刀盘辐条，3-辐条转动控制装置，31-辐条转动控制动力装置，32-滑动环，321-内环，322-外环，4-刀盘辐条滑动轴，5-中心刀控制装置，6-辐条刀具控制装置，7-中心刀，8-辐条刀具，9-铰接头，10-刀盘开挖轮廓面。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
具体实施例一
一种开挖轮廓面可变的辐条式盾构刀盘，如图1所示，包括一个盾构刀盘中心回转轴1 、若干个刀盘辐条2、若干个辐条转动控制装置3、若干个刀盘辐条滑动轴4、一个中心刀控制装置5、若干个辐条刀具控制装置6、一个中心刀7和若干个辐条刀具8；各个刀盘辐条2分别通过铰接头9铰接安装在盾构刀盘中心回转轴1的顶部四周，刀盘辐条2可随着盾构刀盘中心回转轴1的转动而转动；刀盘辐条滑动轴4焊接在刀盘辐条2面向盾构刀盘中心回转轴1底面的一侧，辐条转动控制装置3的底部焊接在盾构刀盘中心回转轴1的底部且辐条转动控制装置3的顶部与刀盘辐条滑动轴4滑动连接；中心刀控制装置5焊接在盾构刀盘中心回转轴1的顶部内，中心刀7焊接在中心刀控制装置5的顶部；辐条刀具控制装置6焊接在刀盘辐条2背对盾构刀盘中心回转轴1的一侧面内，辐条刀具8焊接在辐条刀具控制装置6的顶部。
在此具体实施例中，如图1和图2所示，辐条转动控制装置3包括辐条转动控制动力装置31和滑动环32，辐条转动控制动力装置31的底部焊接在盾构刀盘中心回转轴1的底部，辐条转动控制动力装置31的顶部与滑动环32焊接，滑动环32与刀盘辐条滑动轴4滑动连接。辐条转动控制动力装置31为提供伸缩动力的第一液压千斤顶，滑动环32为关节轴承，该关节轴承包括内环321和外环322两部分，内环321在外环322内转动，第一液压千斤顶的油缸底焊接在盾构刀盘中心回转轴1底且其油缸顶面垂直于盾构刀盘面板（盾构刀盘面板为盾构机固有的通用构件），外环322垂直焊接在第一液压千斤顶的顶杆顶面，内环321与刀盘辐条滑动轴4滑动连接。通过第一液压千斤顶顶杆的伸缩可使内环321在刀盘辐条2上发生滑动，进而促使刀盘辐条2绕铰接头9转动。刀盘辐条2的数量为n， n的量值及刀盘辐条2所在盾构刀盘中心回转轴1上的空间位置可根据设计需求调整，其中各刀盘辐条2标号为i，i=[1：2：…：n]。辐条刀具控制装置6其数量为m，m的量值及辐条刀具控制装置6在刀盘辐条2上的分布位置可根据设计需求进行调整，其中辐条刀具控制装置6标号为j，j=[1：2：…：m]。
在此具体实施例中，如图1所示，中心刀控制装置5为提供伸缩动力的第二液压千斤顶，第二液压千斤顶的油缸焊接在盾构刀盘中心回转轴1的顶部内且其油缸顶面与盾构刀盘中心回转轴1的顶面齐平，第二液压千斤顶的顶杆顶面焊接安装中心刀7，第二液压千斤顶垂直于盾构刀盘面板。千斤顶顶杆的伸缩可控制中心刀7的空间位置发生变化。
在此具体实施例中，如图1所示，辐条刀具控制装置6为提供伸缩动力的第三液压千斤顶，第三液压千斤顶的油缸焊接在刀盘辐条2的内部且其油缸顶面与刀盘辐条2的表面齐平（该表面为刀盘辐条2背对盾构刀盘中心回转轴1的一侧面），第三液压千斤顶的顶杆顶面焊接安装辐条刀具8，辐条刀具8与刀盘辐条2面垂直。千斤顶顶杆的伸缩可控制辐条刀具8的空间位置发生变化。
在此具体实施例中，如图1所示，铰接头9焊接在盾构刀盘中心回转轴1的顶部四周。盾构中心回转轴可以发生自转，刀盘辐条2能随着盾构刀盘中心回转轴1的转动而转动，同时刀盘辐条2还能绕着铰接头9转动。
具体实施例二
以下对上述具体实施例一描述的开挖轮廓面可变的辐条式盾构刀盘的一般使用方法进行说明，具体实施例以开挖轮廓面由最初的平面形变化为圆曲面形为例进行说明，开挖轮廓面可变的辐条式盾构刀盘所能实现的刀盘开挖轮廓面10是任意可变的，不限于平面形和曲面形，具体步骤如下：
步骤一：根据目标结构物的形状计算刀盘开挖轮廓面10，获得刀盘辐条2所需的转动角度θ i ，所述i为刀盘辐条2标号，θ i 为标号为i的刀盘辐条2所需转动角度值，其中i=[1：2：…：n]，中心刀控制装置5千斤顶顶杆所需伸长量L，辐条刀具控制装置6的千斤顶顶杆所需伸长量L j ，j为辐条刀具控制装置6标号，L j 为标号为j的辐条刀具控制装置6的千斤顶顶杆所需伸长量，其中j=[1：2：…：m]。本实施例中假设结构物的切削面为圆曲面，即刀盘开挖轮廓面10为圆曲面，实际应用不限于圆曲面，以上计算可由简单的空间换算得到。
步骤二：如图3和图4所示，通过辐条转动控制动力装置31的千斤顶顶杆的伸缩使刀盘辐条2发生转动，直至标号为i的刀盘辐条2的转动角度为θ i 。
步骤三：如图4和图5所示，使中心刀控制装置5千斤顶顶杆伸长量为L。
步骤四：如图5和图6所示，使标号为j的辐条刀具控制装置6的千斤顶顶杆伸长L j 。
通过步骤一至步骤四可使形成刀盘开挖轮廓面10为圆曲面。
上述的对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种开挖轮廓面可变的辐条式盾构刀盘，其特征在于：包括一个盾构刀盘中心回转轴、若干个刀盘辐条、若干个辐条转动控制装置、若干个刀盘辐条滑动轴、一个中心刀控制装置、若干个辐条刀具控制装置、一个中心刀和若干个辐条刀具；各个所述的刀盘辐条分别通过铰接头铰接安装在所述的盾构刀盘中心回转轴的顶部四周，所述的刀盘辐条可随着所述的盾构刀盘中心回转轴的转动而转动；
所述的刀盘辐条滑动轴焊接在所述的刀盘辐条面向盾构刀盘中心回转轴底面的一侧，所述的辐条转动控制装置的底部焊接在所述的盾构刀盘中心回转轴的底部且所述的辐条转动控制装置的顶部与所述的刀盘辐条滑动轴滑动连接；
所述的中心刀控制装置焊接在所述的盾构刀盘中心回转轴的顶部内，所述的中心刀焊接在所述的中心刀控制装置的顶部；
所述的辐条刀具控制装置焊接在所述的刀盘辐条背对盾构刀盘中心回转轴的一侧面内，所述的辐条刀具焊接在所述的辐条刀具控制装置的顶部；
所述的辐条转动控制装置包括辐条转动控制动力装置和滑动环，所述的辐条转动控制动力装置的底部焊接在所述的盾构刀盘中心回转轴的底部，所述的辐条转动控制动力装置的顶部与所述的滑动环焊接，所述的滑动环与所述的刀盘辐条滑动轴滑动连接，所述的辐条转动控制动力装置为提供伸缩动力的第一液压千斤顶，所述的滑动环为关节轴承，所述的关节轴承包括内环和外环两部分，所述的内环在所述的外环内转动，所述的第一液压千斤顶的油缸底焊接在所述的盾构刀盘中心回转轴底且其油缸顶面垂直于盾构刀盘面板，所述的外环垂直焊接在所述的第一液压千斤顶的顶杆顶面，所述的内环与所述的刀盘辐条滑动轴滑动连接；所述的中心刀控制装置为提供伸缩动力的第二液压千斤顶，所述的第二液压千斤顶的油缸底焊接在所述的盾构刀盘中心回转轴的顶部内且其油缸顶面与所述的盾构刀盘中心回转轴的顶面齐平，所述的第二液压千斤顶的顶杆顶面焊接安装所述的中心刀，所述的第二液压千斤顶垂直于盾构刀盘面板。
2.根据权利要求1所述的开挖轮廓面可变的辐条式盾构刀盘，其特征在于：所述的辐条刀具控制装置为提供伸缩动力的第三液压千斤顶，所述的第三液压千斤顶的油缸底焊接在所述的刀盘辐条的内部且其油缸顶面与所述的刀盘辐条的表面齐平，所述的第三液压千斤顶的顶杆顶面焊接安装所述的辐条刀具，所述的辐条刀具与所述的刀盘辐条的表面垂直。
3.根据权利要求1所述的开挖轮廓面可变的辐条式盾构刀盘，其特征在于：所述的铰接头焊接在所述的盾构刀盘中心回转轴的顶部四周。
4.一种权利要求2或3所述的开挖轮廓面可变的辐条式盾构刀盘的施工方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)根据目标结构物的形状计算刀盘开挖轮廓面，获得刀盘辐条所需的转动角度θi，所述i为刀盘辐条标号，θi为标号为i的刀盘辐条所需转动角度值，其中i＝[1：2：…：n]，中心刀控制装置的千斤顶顶杆所需伸长量L，辐条刀具控制装置的千斤顶顶杆所需伸长量Lj,所述j为辐条刀具控制装置标号，Lj为标号为j的辐条刀具控制装置的千斤顶顶杆所需伸长量，其中j＝[1：2：…：m]；
(2)通过控制辐条转动控制动力装置的千斤顶顶杆的伸缩使刀盘辐条发生转动，直至标号为i的刀盘辐条的转动角度为θi；
(3)控制中心刀控制装置的千斤顶顶杆伸长量为L；
(4)控制标号为j的辐条刀具控制装置的千斤顶顶杆伸长Lj，最终形成步骤(1)设计的刀盘开挖轮廓面。
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