CN110206556B - 一种采用异形刀具的刀盘扩挖方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用异形刀具的刀盘扩挖方法，通过在岩石隧道掘进机刀盘周边布置围岩凿除滚刀、偏刃边滚刀和加高型刮刀，来实现刀盘扩挖。当刀盘需要扩挖时，即开挖横断面圆直径增大时，首先通过向液压缸供油，围岩凿除滚刀缓慢伸出刀盘，随着刀盘的转动滚压破除围岩，无需人工在狭小的刀盘空间内进行刀盘周围岩体的凿除，可替代人工作业；然后通过在刀盘圆周边缘处布置偏刃边滚刀实现TBM连续扩挖。该方法可用于TBM应对高地应力软岩收敛地层的施工。
Description
技术领域
本发明涉及岩石隧道掘进设备技术领域，具体涉及一种采用异形刀具的刀盘扩挖方法。
背景技术
岩石隧道掘进机（TBM）是山岭隧道施工的专用设备，广泛应用于铁路、工程、地铁、水利、煤矿等隧道工程。TBM在高地应力软岩收敛地层掘进时需要刀盘具备扩大开挖直径的功能，通过增大开挖直径预留足够的围岩变形量，一方面确保围岩收敛后隧道仍然可以满足设计净空，另一方面也可避免TBM护盾被卡。因此，刀盘扩挖对于提升TBM工作性能至关重要。
TBM刀盘扩挖功能的设计，中国专利号：CN201510307748.0，专利名称为“可变径TBM刀盘”，发明人张世展、贺飞等公开了一种可变径TBM刀盘，通过在刀盘中心块与边块之间增加垫块来实现刀盘扩挖。该发明在隧道外可实现，但TBM开挖隧道过程中，隧道内无作业空间和吊装设备，刀盘边块重（9m级直径的刀盘边块重达40t），无法实现。中国专利号：CN201310689220.5，专利名称为“基于垫片和定位块的滚刀高度调节方法”，发明人霍军周、蔡宝等公开了一种基于垫片和定位块的滚刀高度调节方法，可实现刀盘扩挖，该方法结构刚度低、接触面多，实用性差；中国专利号：CN201621061368.X，专利名称为“一种可伸缩式边滚刀刀箱”，发明人高翔、张世展等公开了一种可伸缩式边滚刀刀箱，通过内外刀箱的相对移动，结合C型块的增高，实现刀盘扩挖。专利CN201310689220.5和专利CN201621061368.X采用的方法均使整个边刀刀体向刀盘开挖范围外移动，刀体无法得到刀盘的保护，刀具寿命急剧下降；另外要实现边刀刀体的外移均需要人工对刀盘周围的岩体进行凿除，但TBM刀盘开口范围小、且刀盘内空间狭小，人工作业困难。鉴于上述情况，需要设计一种便于实现且实用的刀盘扩挖方法。
发明内容
针对现有TBM刀盘扩挖功能的设计缺陷，本发明提供一种采用异形刀具的刀盘扩挖方法，该方法能够实现TBM连续扩挖的需求，应对高地应力软岩收敛地层。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
设计一种采用异形刀具的刀盘扩挖方法，包括下列步骤：
（1）将至少一个围岩凿除滚刀设置在岩石隧道掘进机刀盘的圆周边缘处；所述围岩凿除滚刀包括滚刀刀体、活动刀座和液压缸，所述滚刀刀体通过螺栓固定在活动刀座上，所述液压缸的底端与所述刀盘铰接，所述液压缸的伸缩杆前端与活动刀座铰接；
（2）在所述刀盘圆周边缘处设置偏刃边滚刀，所述偏刃边滚刀包括刀圈、套筒、挡圈和偏刃刀体，所述偏刃刀体靠近刀盘最外缘一侧安装，所述套筒和刀圈安装在偏刃刀体的另一侧，起到轴向限位的作用，套筒还可以起到保护偏刃刀体配合面的作用，且所述刀圈与偏刃刀体径向过盈配合；
（3）将加高型刮刀安装在围岩凿除滚刀所在的刀盘外缘的开口处，用于刮渣；刀盘边缘的其他位置设置正常的非扩挖边滚刀；
（4）当开挖横断面圆直径增大时，通过向围岩凿除滚刀的液压缸供油，伸缩杆推动活动刀座移动，使滚刀刀体缓慢伸出刀盘外缘，随着刀盘的转动，滚刀刀体滚压破除围岩，直到扩挖完毕，液压缸的伸缩杆回收，带动滚刀刀体回缩到原位；
（5）设d1为非扩挖边滚刀的刀圈直径，d2为偏刃边滚刀的刀圈直径，θ为位于刀盘最外缘的偏刃刀体与刀盘轴线的夹角，L为偏刃边滚刀的刀圈的偏移量，则刀盘半径方向扩挖尺寸S为：
优选的，当扩挖完毕时，将所述偏刃边滚刀的刀圈与套筒的安装位置互换，使刀圈复位，可使所述偏刃边滚刀与刀盘其他位置上的滚刀互换使用，起到非扩挖边滚刀的作用。
优选的，所述加高型刮刀的刀刃安装高度低于最外缘偏刃边滚刀的刀刃高度，以保护加高型刮刀。
优选的，所述偏刃边滚刀在所述刀盘圆周边缘处设置的位置与所述围岩凿除滚刀设置的位置呈圆心对称。
本发明的有益效果在于：
1．本发明采用异形刀具的刀盘扩挖方法，当刀盘需要扩挖时，即开挖横断面圆直径增大时，通过向液压缸供油，围岩凿除滚刀缓慢伸出刀盘，随着刀盘的转动滚压破除围岩，无需人工在狭小的刀盘空间内进行刀盘周围岩体的凿除，可替代人工作业；然后通过在刀盘圆周边缘处布置偏刃边滚刀实现TBM连续扩挖。该方法可用于TBM应对高地应力软岩收敛地层的施工。
2．本发明采用异形刀具的刀盘扩挖方法，采用大尺寸的偏刃边滚刀实现刀盘扩挖，偏刃边滚刀刀体无需向刀盘开挖范围外移动，偏刃边滚刀刀体得到了刀盘的保护，延长了刀具使用寿命。
3．本发明采用异形刀具的刀盘扩挖方法，给出了采用该方法进行扩挖的扩挖量计算方式，为该方法的使用提供了依据。
4．本发明采用异形刀具的刀盘扩挖方法，当刀盘扩挖后，加高型的刮刀可实现掉落在刀盘底部的岩渣的及时清理，有利于降低刀盘刀具的二次磨损。
附图说明
图1是本发明中采用异形刀具的刀盘的结构示意图；
图2是围岩凿除滚刀扩挖状态（右）与非扩挖状态（左）的对比示意图；
图3是偏刃边滚刀的局部放大图；
图4是偏刃边滚刀扩挖状态（右）与非扩挖状态（左）的对比示意图；
图中标号：1围岩凿除滚刀，2偏刃边滚刀，3加高型刮刀，4刀盘，5非扩挖边滚刀；
11滚刀刀体，12活动刀座，13液压缸；
21刀圈，22套筒，23挡圈，24偏刃刀体。
具体实施方式
下面结合实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。在以下实施例中所涉及的设备元件如无特别说明，均为常规设备元件。
实施例1：一种采用异形刀具的刀盘扩挖方法，参见图1-图4，包括下列步骤：
（1）将至少一个围岩凿除滚刀1设置在岩石隧道掘进机刀盘4的圆周边缘处；所述围岩凿除滚刀1包括滚刀刀体11、活动刀座12和液压缸13，所述滚刀刀体11通过螺栓固定在活动刀座12上，所述液压缸13的底端与所述刀盘4铰接，所述液压缸13的伸缩杆前端与活动刀座12铰接。
（2）在所述刀盘4圆周边缘处设置偏刃边滚刀2，所述偏刃边滚刀2包括刀圈21、套筒22、挡圈23和偏刃刀体24，所述偏刃刀体24靠近刀盘4最外缘一侧安装，所述套22筒和刀圈21安装在偏刃刀体24的另一侧，起到轴向限位的作用，套筒22还可以起到保护偏刃刀体24配合面的作用，且所述刀圈21与偏刃刀体24径向过盈配合。
（3）将加高型刮刀3安装在围岩凿除滚刀1所在的刀盘4外缘的开口处，用于刮渣；且加高型刮刀3的刀刃安装高度低于最外缘偏刃边滚刀2的刀刃高度，以保护加高型刮刀3。刀盘4边缘的其他位置设置正常的非扩挖边滚刀。
（4）当开挖横断面圆直径增大时，通过向围岩凿除滚刀1的液压缸13供油，伸缩杆推动活动刀座12移动，使滚刀刀体11缓慢伸出刀盘4外缘，随着刀盘4的转动，滚刀刀体11滚压破除围岩，直到扩挖完毕，液压缸13的伸缩杆回收，带动滚刀刀体11回缩到原位。
（5）设d1为非扩挖边滚刀的刀圈直径，d2为偏刃边滚刀2的刀圈直径，θ为位于刀盘4最外缘的偏刃刀体与刀盘轴线的夹角，L为偏刃边滚刀2的刀圈的偏移量（即套筒22的宽度），则刀盘半径方向扩挖尺寸S为：
当扩挖完毕时，将所述偏刃边滚刀2的刀圈21与套筒22的安装位置互换，使刀圈21复位，可使所述偏刃边滚刀2与刀盘4其他位置上的滚刀互换使用，起到非扩挖边滚刀的作用，参见图4。
采用上述扩挖方法，如采用直径20in（508mm）、偏移量50mm的偏刃边滚刀替换直径19in（483mm）的非扩挖边滚刀，刀盘最外缘边刀与刀盘轴线的夹角为70°时，可实现刀盘半径方向的扩挖尺寸S为29mm。
其中，偏刃边滚刀2在刀盘4圆周边缘处设置的位置可以设置为与围岩凿除滚刀1设置的位置呈圆心对称，或者也可采用非圆心对称的其他位置关系进行设置。
上面结合实施例对本发明作了详细的说明，但是所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。
Claims (3)
1.一种采用异形刀具的刀盘扩挖方法，其特征在于，包括下列步骤：
（1）将至少一个围岩凿除滚刀设置在岩石隧道掘进机刀盘的圆周边缘处；所述围岩凿除滚刀包括滚刀刀体、活动刀座和液压缸，所述滚刀刀体通过螺栓固定在活动刀座上，所述液压缸的底端与所述刀盘铰接，所述液压缸的伸缩杆前端与活动刀座铰接；
（2）在所述刀盘圆周边缘处设置偏刃边滚刀，所述偏刃边滚刀包括刀圈、套筒、挡圈和偏刃刀体，所述偏刃刀体靠近刀盘最外缘一侧安装，所述套筒和刀圈安装在偏刃刀体的另一侧，起到轴向限位的作用，套筒还可以起到保护偏刃刀体配合面的作用，且所述刀圈与偏刃刀体径向过盈配合；
（3）将加高型刮刀安装在围岩凿除滚刀所在的刀盘外缘的开口处，用于刮渣；刀盘边缘的其他位置设置正常的非扩挖边滚刀；所述加高型刮刀的刀刃安装高度低于最外缘偏刃边滚刀的刀刃高度，以保护加高型刮刀；
（4）当开挖横断面圆直径增大时，通过向围岩凿除滚刀的液压缸供油，伸缩杆推动活动刀座移动，使滚刀刀体缓慢伸出刀盘外缘，随着刀盘的转动，滚刀刀体滚压破除围岩，直到扩挖完毕，液压缸的伸缩杆回收，带动滚刀刀体回缩到原位；
（5）设d1为非扩挖边滚刀的刀圈直径，d2为偏刃边滚刀的刀圈直径，θ为位于刀盘最外缘的偏刃刀体与刀盘轴线的夹角，L为偏刃边滚刀的刀圈的偏移量，则刀盘半径方向扩挖尺寸S为：
2.根据权利要求1所述采用异形刀具的刀盘扩挖方法，其特征在于，当扩挖完毕时，将所述偏刃边滚刀的刀圈与套筒的安装位置互换，使刀圈复位，可使所述偏刃边滚刀与刀盘其他位置上的滚刀互换使用，起到非扩挖边滚刀的作用。
3.根据权利要求1所述采用异形刀具的刀盘扩挖方法，其特征在于，所述偏刃边滚刀在所述刀盘圆周边缘处设置的位置与所述围岩凿除滚刀设置的位置呈圆心对称。
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