CN107387104A - 一种射流盾构机及掘进方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种射流盾构机及掘进方法。射流盾构机包括刀盘及射流组件，射流组件包括边缘切割喷头、冲刷喷头、全断面切割喷头及冲挖喷头，边缘切割喷头及冲挖喷头设于刀盘的外周，全断面切割喷头及冲刷喷头位于刀盘的中心至外周之间。掘进方法包括：在软土地层含有硬质障碍物时，旋转刀盘，启动边缘切割喷头向掘进断面的边缘土层喷射固化液，启动冲挖喷头向掘进断面下方冲挖；旋转刀盘，启动全断面切割喷头切割硬质障碍物；破除硬质障碍物后，旋转并推进刀盘，启动边缘切割喷头切割掘进断面边缘土层，启动冲刷喷头冲散掘进断面内的土层。本发明具有对硬质障碍物处理能力强、耗水量小，且施工安全性高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及岩土掘进施工领域，尤其涉及一种射流盾构机及掘进方法。
背景技术
在岩土钻掘施工中，通常采用机械切削刀具进行钻掘，机械切削刀具由一个或多个刀齿组成，每个刀齿由前刀面和后刀面相交形成刀刃，在轴向压力作用下刀刃切入待切削岩土，在推力作用下破碎前方岩土实现钻掘，此方式完全依靠机械作用进行破岩，其在软土掘进时，机械切削刀具需要大的轴向推力使刀具贯入岩土，再以大的旋转力矩驱动刀具旋转切削岩土，此时在掘进断面大时，刀具数量的需求量及所需的推力力矩大，造成设备结构笨重，且所需功耗极大，带来巨大的制造和使用成本。
为解决的上述问题，现有的方式是采用水射流喷头实现掘进，其水射流可对岩土进行有效切割和冲刷，大幅度简化和减轻了设备结构，但其对硬质障碍处理能力不强，整体耗水量大，不利于大断面，尤其是含有大尺寸硬质障碍物的软土地层的掘进施工。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种对硬质障碍物处理能力强、耗水量小，且施工安全性高的射流盾构机及掘进方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种射流盾构机，包括刀盘及射流组件，所述射流组件包括用于切割掘进断面边缘土层的边缘切割喷头、用于冲散掘进断面内土层的冲刷喷头、用于切割掘进全断面硬质障碍物的全断面切割喷头及在掘进断面下方冲挖出放置硬质障碍物沟槽的冲挖喷头，所述边缘切割喷头及冲挖喷头设于所述刀盘的外周，所述全断面切割喷头及冲刷喷头位于所述刀盘的中心至外周之间。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述边缘切割喷头与盾构掘进方向的夹角θ为8～20°，
所述边缘切割喷头至少为两个，并沿所述刀盘的周向均匀分布。
所述冲刷喷头为多个，多个所述冲刷喷头沿所述刀盘的径向布置，多个所述冲刷喷头的喷射行程覆盖所述刀盘的半径区域。
所述全断面切割喷头沿所述刀盘的径向摆动，其喷射行程覆盖所述刀盘的半径区域。
所述全断面切割喷头至少为两个，并沿所述刀盘的周向均匀分布。
射流盾构机还包括用于将射流组件切割土体排出的排渣口，所述排渣口设于所述刀盘的中部；所述冲挖喷头与排渣口之间设有用于将大块硬质障碍物导向至沟槽的导向隔栅。
所述冲挖喷头与盾构掘进方向的夹角为30～75°。
一种如上述所述的射流盾构机的掘进方法，包括如下步骤：
1)在软土地层含有硬质障碍物时，旋转刀盘，启动边缘切割喷头向掘进断面的边缘土层喷射固化液，以形成掘进支护层；同时启动冲挖喷头向掘进断面下方冲挖，形成放置大块硬质障碍物的沟槽；
2)旋转刀盘，启动全断面切割喷头切割硬质障碍物；
3)破除硬质障碍物后，旋转并推进刀盘，启动边缘切割喷头切割掘进断面边缘土层，启动冲刷喷头冲散掘进断面内的土层。
作为上述技术方案的进一步改进：
在步骤1)中，将边缘切割喷头向刀盘外周方向偏转1～5°，且掘进端面的下方预留放置沟槽的空间不进行固化。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明采用不同功能的水射流喷头组合的方式实现了软土地层的全断面掘进开挖，避免了采用刀具导致的设备重量大、功率消耗大的问题，其结构简单、重量轻，且推进及旋转功耗低；且全断面切割喷头用于切割破碎掘进全断面的硬质障碍物，冲挖喷头用于冲挖出放置大块硬质障碍物的沟槽，使得本发明的射流盾构机对硬质障碍物的处理能力强，整体耗水量小，适用于含有大尺寸硬质障碍物的软土地层的掘进施工；同时，边缘切割喷头及冲挖喷头设于刀盘外周，全断面切割喷头及冲刷喷头位于刀盘的中心至外周之间，其布置紧凑，操作便捷。本发明的掘进方法同样具有上述优点，同时，在掘进前可利用边缘切割喷头进行注浆加固，提高施工安全性。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1的A-A截面的剖视图。
图3是图1的B-B截面的剖视图。
图4是图1的C-C截面的剖视图。
图5是本发明注浆固化的结构示意图。
图中各标号表示：
1、刀盘；2、边缘切割喷头；3、全断面切割喷头；4、冲挖喷头；5、冲刷喷头；6、排渣口；7、导向隔栅。
具体实施方式
下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，但并不因此而限制本发明的保护范围。
如图1至图4示出了本发明的射流盾构机的实施例，射流盾构机为土压式盾构机或泥水式盾构机。本实施例中，射流盾构机包括刀盘1及射流组件，射流组件随刀盘1旋转，射流组件包括边缘切割喷头2、冲刷喷头5、全断面切割喷头3及冲挖喷头4。其中，边缘切割喷头2设于刀盘1的外周，用于切割掘进断面边缘土层，且在软土地层含有硬质障碍物时边缘切割喷头2可作为固化液喷射喷头；冲刷喷头5位于刀盘1的中心至外周之间，用于冲散掘进断面内的土层，采用边缘切割喷头2及冲刷喷头5即可实现软土地层的有效切割；全断面切割喷头3位于刀盘1的中心至外周之间，用于切割掘进全断面的硬质障碍物；冲挖喷头4设于刀盘1的外周，用于在掘进断面下方冲挖出放置硬质障碍物的沟槽。本发明采用不同功能的水射流喷头组合的方式实现了软土地层的全断面掘进开挖，避免了采用刀具导致的设备重量大、功率消耗大的问题，其结构简单、重量轻，且推进及旋转功耗低；且全断面切割喷头3用于切割破碎掘进全断面的硬质障碍物，冲挖喷头4用于冲挖出放置大块硬质障碍物的沟槽，使得本发明的射流盾构机对硬质障碍物的处理能力强，整体耗水量小，适用于含有大尺寸硬质障碍物的软土地层的掘进施工；同时，边缘切割喷头2及冲挖喷头4设于刀盘1外周，全断面切割喷头3及冲刷喷头5位于刀盘1的中心至外周之间，其布置紧凑，操作便捷。
本实施例中，边缘切割喷头2与盾构掘进方向的夹角θ为8～20°，保证了边缘切割喷头2对掘进断面边缘的有效切割，边缘切割喷头2的喷射压力以切断障碍物为准，一般为250Mpa，在刀盘1旋转时，边缘切割喷头2切割掘进断面边缘土层。如图2所示，本实施例中，边缘切割喷头2为两个，两个边缘切割喷头2沿刀盘1的周向均匀分布，在其他实施例中，边缘切割喷头2的数量可根据钻掘施工的需求进行调整。
如图5所示，本实施例中，在边缘切割喷头2作为固化液喷射喷头时，边缘切割喷头2向刀盘1外周方向偏转角度β为1～5°，使得边缘切割喷头2喷射形成一定长度及厚度的掘进支护层，提高施工安全性。
如图2所示，本实施例中，冲刷喷头5为多个，多个冲刷喷头5沿刀盘1的径向布置，多个冲刷喷头5的喷射行程覆盖刀盘1的半径区域，冲刷喷头5的喷射压力为35～100Mpa，在刀盘1旋转时，冲刷喷头5可冲散掘进断面内的土层，本实施例中，冲刷喷头5为扇形冲刷喷头或锥形冲刷喷头。本实施例中，沿刀盘1径向，冲刷喷头5靠近刀盘1中心设置，边缘切割喷头2远离刀盘1中心设置，其布置紧凑。
如图3所示，本实施例中，全断面切割喷头3沿刀盘1的径向摆动，全断面切割喷头3的喷射行程覆盖刀盘1的半径区域，利用刀盘1旋转和全断面切割喷头3摆动实现掘进全断面硬质障碍物的分层切割，其提高了盾构机的掘进速度，同时，采用喷头摆动的方式可减少喷头数量及各喷头的耗水量。本实施例中，全断面切割喷头3为两个，两个全断面切割喷头3沿刀盘1的周向均匀分布，在其他实施例中，全断面切割喷头3的数量可根据钻掘施工的需求进行调整。
本实施例中，采用冲挖喷头4在掘进断面下方冲挖出沟槽，冲挖喷头4与盾构掘进方向的夹角为30～75°，优选为45～55°，其保证了冲挖喷头4挖出足够深度的沟槽，易于大块硬质障碍物的排出；冲挖喷头4的工作压力为35～100MPa，优选为45～70MPa，其保证了冲挖喷头4快速冲挖出沟槽。本实施例中，冲挖喷头4的冲挖沟槽总宽度不大于盾构机横向尺寸的1/4，冲挖喷头4的冲挖角度α一般取30～60°，其保证了盾构机下方有足够的原生土体支撑盾构，从而保证了掘进方向不产生偏移。
本实施例中，边缘切割喷头2、冲刷喷头5、全断面切割喷头3及冲挖喷头4均采用高压小流量喷头，减少了喷头对土体稳定性的影响及系统负荷。
本实施例中，射流盾构机还包括排渣口6，排渣口6设于刀盘1的中部，冲挖喷头4与排渣口6之间设有导向隔栅7，射流组件切削的小块渣石及土体通过排渣口6排出，大块硬质障碍物在重力作用下通过导向隔栅7落入沟槽排出，使得含有大块硬质障碍物的切割土体可有效离开掘进断面，防止了土体阻碍盾构机掘进造成的工作中断现象，且避免了采用碎石器受空间限制而导致的尺寸和功率难以满足实际需求的问题。
本实施例中，上述实施例所述的射流盾构机的掘进方法，包括如下步骤：
1)在软土地层含有硬质障碍物时，旋转刀盘1，启动边缘切割喷头2向掘进断面的边缘土层喷射固化液，以形成掘进支护层；同时启动冲挖喷头4向掘进断面下方冲挖，形成放置大块硬质障碍物的沟槽；
2)旋转刀盘1，启动全断面切割喷头3切割硬质障碍物，通过全断面切割喷头3摆动角度的调整，使得硬质障碍物上切出环形切缝，实现硬质障碍物的分层破碎切割；
3)破除硬质障碍物后，旋转并推进刀盘1，启动边缘切割喷头2切割掘进断面边缘土层，启动冲刷喷头5冲散掘进断面内的土层。
本发明采用不同功能的水射流喷头组合应用实现了软土地层的全断面掘进开挖，避免了采用刀具导致的设备重量大、功率消耗大的问题；且全断面切割喷头3切割破碎掘进全断面的硬质障碍物，冲挖喷头4冲挖出放置大块硬质障碍物的沟槽，使得射流盾构机对硬质障碍物的处理能力强，整体耗水量小，适用于含有大尺寸硬质障碍物的软土地层的掘进施工；同时，在掘进前可利用边缘切割喷头2进行注浆加固，形成掘进支护层，其提高了掌子面的稳定性，防止了坍塌事故的发生。
本实施例中，在步骤1)中，将边缘切割喷头2向刀盘1外周方向偏转1～5°，使得边缘切割喷头2喷射形成一定长度及厚度的掘进支护层，提高施工安全性；本实施例中，掘进断面的下方预留放置沟槽的空间不进行固化，放置沟槽的宽度为不大于盾构机横向尺寸的1/4。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (10)
1.一种射流盾构机，包括刀盘及射流组件，其特征在于，所述射流组件包括用于切割掘进断面边缘土层的边缘切割喷头、用于冲散掘进断面内土层的冲刷喷头、用于切割掘进全断面硬质障碍物的全断面切割喷头及在掘进断面下方冲挖出放置硬质障碍物沟槽的冲挖喷头，所述边缘切割喷头及冲挖喷头设于所述刀盘的外周，所述全断面切割喷头及冲刷喷头位于所述刀盘的中心至外周之间。
2.根据权利要求1所述的射流盾构机，其特征在于，所述边缘切割喷头与盾构掘进方向的夹角θ为8～20°。
3.根据权利要求2所述的射流盾构机，其特征在于，所述边缘切割喷头至少为两个，并沿所述刀盘的周向均匀分布。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的射流盾构机，其特征在于，所述冲刷喷头为多个，多个所述冲刷喷头沿所述刀盘的径向布置，多个所述冲刷喷头的喷射行程覆盖所述刀盘的半径区域。
5.根据权利要求1至3中任意一项所述的射流盾构机，其特征在于，所述全断面切割喷头沿所述刀盘的径向摆动，其喷射行程覆盖所述刀盘的半径区域。
6.根据权利要求5所述的射流盾构机，其特征在于，所述全断面切割喷头至少为两个，并沿所述刀盘的周向均匀分布。
7.根据权利要求1至3中任意一项所述的射流盾构机，其特征在于，还包括用于将射流组件切割土体排出的排渣口，所述排渣口设于所述刀盘的中部；所述冲挖喷头与排渣口之间设有用于将大块硬质障碍物导向至沟槽的导向隔栅。
8.根据权利要求7所述的射流盾构机，其特征在于，所述冲挖喷头与盾构掘进方向的夹角为30～75°。
9.一种如权利要求1至8中任意一项所述的射流盾构机的掘进方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在软土地层含有硬质障碍物时，旋转刀盘，启动边缘切割喷头向掘进断面的边缘土层喷射固化液，以形成掘进支护层；同时启动冲挖喷头向掘进断面下方冲挖，形成放置大块硬质障碍物的沟槽；
2)旋转刀盘，启动全断面切割喷头切割硬质障碍物；
3)破除硬质障碍物后，旋转并推进刀盘，启动边缘切割喷头切割掘进断面边缘土层，同时启动冲刷喷头冲散掘进断面内的土层。
10.根据权利要求9所述的射流盾构机的掘进方法，其特征在于，在步骤1)中，将边缘切割喷头向刀盘外周方向偏转1～5°，且掘进端面的下方预留放置沟槽的空间不进行固化。
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