CN111632921A - 一种具有密封闸门的土压平衡盾构机泥饼清理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有密封闸门的土压平衡盾构机泥饼清理装置，在盾构机原有结构的基础上增加了用于冲涮泥饼的可旋转的高压水刀喷头以及相应的冲涮系统，包括高压水刀喷头、小回转接头、大回转接头、高压水管、高压水泵、液压马达、高压水管安装架、液压缸、液压缸流量监测器和液压缸控制器。利用高压水刀喷头喷射形成的高压水刀对盾构机刀盘面板上的泥饼进行往复的切割冲洗，使泥饼的冲刷过程更为快速、彻底和安全，节约盾构机停机冲洗泥饼的成本。

Description

一种具有密封闸门的土压平衡盾构机泥饼清理装置

技术领域

本发明涉及盾构机施工技术领域，具体涉及一种具有密封闸门的土压平衡盾构机泥饼清理装置。

背景技术

土压平衡盾构是利用刀盘对正面土体进行切削进行隧道挖掘。当土压平衡盾构机在上软下硬地层或者全断面泥岩中掘进时，刀盘极易产生泥饼。挖掘面的粘性土受到刀盘的碾压，土体富含粘土矿物质，粒径小且粘性大，在盾构掘进过程中极易附着在刀盘上，在受到刀具切削、刀盘挤压后极易自刀盘中心位置向四周逐步扩散，形成泥饼；并在较高土仓温度及压力的作用下不断变厚变硬，最终导致刀具、刀盘进渣口被渣土糊住，刀盘失去削土能力，刀盘扭矩和盾构机推进阻力均迅速增大，螺旋输送机无法出土，盾构机不能往前推进。泥土仓内温度过高，缩短刀盘主轴承的使用寿命，加速主轴承的损坏，甚至会出现主轴承“烧结、抱死”的严重后果。

目前刀盘上解决泥饼的方法是加大泡沫剂的注入量，或者人工进入刀盘面板进行清理，或者是在盾构机刀盘上增加相应的冲洗管路。加大泡沫注入量的方法需要长时间的浸泡，不仅会增加施工时间，同时还增加环境污染；人工进入刀盘面前清理的方法，具有极大的危险性，刀盘前方掌子面的坍塌会造成人员伤亡事故；现有的冲洗管路大多是在刀盘面板上固定布置，其喷出的高压射流只能对水流路径内小范围的泥饼进行冲洗，不能对盾构机刀盘上面的泥饼进行较为彻底的冲洗；现有的冲洗装置喷口大多固定在刀盘面板上，直接与泥土接触，裸露在外的喷口极易被泥土堵塞，使喷口无法喷水。为避免现有盾构机泥饼清理方法耗时长、风险大、清理不彻底等问题，本专利提出了一种具有密封闸门的土压平衡盾构机泥饼清理装置，弥补了原有冲涮装置冲涮范围小的缺点，极大的提高了盾构机泥饼冲涮效率，减少了盾构机停机清理泥饼的时间，节约成本，并且可防止泥土堵塞冲刷装置的喷口；也杜绝了注射膨润土清洗泥饼造成的安全隐患和环境污染。

发明内容

为解决土压平衡盾构机在粘土地层的掘进过程中，刀盘中心位置容易结泥饼从而影响盾构机正常工作等问题，本发明提供一种具有密封闸门的土压平衡盾构机泥饼清理装置，在盾构机原有结构的基础上增加了用于冲涮泥饼的可旋转的高压水刀喷头以及相应的冲涮系统，包括高压水刀喷头、小回转接头、大回转接头、高压水管、高压水泵、液压马达、高压水管安装架、液压缸、液压缸流量监测器和液压缸控制器。利用高压水刀喷头喷射形成的高压水刀对盾构机刀盘面板上的泥饼进行往复的切割冲洗，使泥饼的冲刷过程更为快速、彻底和安全，节约盾构机停机冲洗泥饼的成本。

本发明提供的一种具有密封闸门的土压平衡盾构机泥饼清理装置，包括高压水刀喷头、小回转接头、大回转接头、高压水管、高压水泵、液压马达、高压水管安装架和液压缸，盾构机的刀盘面板上设置有通孔，所述通孔内设置有用于密闭所述通孔的密闭闸门，所述液压缸设置在盾构机上，所述液压马达、高压水管和高压水泵设置在所述高压水管安装架上，所述高压水刀喷头一端可活动的穿插在所述盾构机的刀盘面板上的通孔内，另一端通过所述小回转接头与所述高压水管的出水端连接，所述高压水管的进水端与所述高压水泵的出水口连接，所述液压马达用于驱动所述高压水刀喷头旋转，所述高压水管安装架通过所述大回转接头与所述液压缸的活塞杆端连接。

在其中一个实施例中，所述液压马达的转轴上套装有驱动齿轮，所述高压水刀喷头上套装有从动齿轮，所述驱动齿轮与所述从动齿轮相互啮合，其中液压马达的转轴的轴线与驱动齿轮的轴线相重合设置，高压水刀喷头的轴线与从动齿轮的轴线相重合设置。

在其中一个实施例中，所述驱动齿轮的齿数少于所述从动齿轮的齿数。

在其中一个实施例中，所述密闭闸门包括滑动闸门和回位弹簧，所述通孔的上下侧壁上分别设置有凹槽，所述滑动闸门设置在所述凹槽内，所述滑动闸门与所述凹槽的底壁之间分别设置有回位弹簧，两个所述滑动闸门的对接面的内边沿对称的分别设置有斜边。

在其中一个实施例中，还包括液压缸控制器和液压缸流量监测器，所述液压缸流量监测器用于检测流入所述液压缸的液压油的流量变化，所述液压缸控制器根据所述液压缸流量监测器的监测信号控制所述液压缸的运动。

在其中一个实施例中，盾构机的刀盘面板上的通孔为垂直所述刀盘面板的圆形通孔，且分布在所述刀盘面板的中心区域。

在其中一个实施例中，所述高压水刀喷头穿插在所述刀盘面板上通孔内的一端的外形呈圆锥状，且其侧壁上设置有喷射口。

当盾构机正常运转时，高压水刀喷头位于刀盘内部的通孔里面，此时上下滑动闸门并拢，防止渣土进入通孔；清洗泥饼时，高压水刀喷头慢慢向外伸出，其圆锥顶面与两个滑动闸门的斜面相切，给上滑动闸门一个向上的力、给下滑动闸门一个向下的力，因此密闭闸门被打开，高压水刀喷头通过密闭闸门后伸出刀盘面板、进入泥饼。

在其中一个实施例中，所述高压水刀喷头的侧壁上设置有若干组所述喷射口，每组所述喷射口包含两个喷射口，每组的两个所述喷射口的位置之间的夹角为180度，且分别距离所述高压水刀喷头端部的距离大小不同。

还提供给了一种具有密封闸门的土压平衡盾构机泥饼的清理方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在盾构机刀盘面板中心结出泥饼影响到盾构机的正常工作时，停止盾构机刀盘的转动和推进，通过液压缸控制器控制液压缸以驱动高压水刀喷头慢慢向外伸出，其圆锥顶面与两个滑动闸门的斜面相切，给上滑动闸门一个向上的力、给下滑动闸门一个向下的力，因此密闭闸门被打开，高压水刀喷头通过密闭闸门后伸出刀盘面板、贯穿泥饼，并在高压水刀喷头顶端伸出泥饼时停止；

步骤2：开启高压水泵，来自高压水泵的高压水经过高压水管从高压水刀喷头侧面的喷射口中射出，形成与刀盘面板平行的高压水刀；

步骤3：液压马达驱动高压水刀喷头绕其自身的中心轴线旋转，高压水刀喷头侧面的喷射口中射出的高压水刀对泥饼进行旋转冲涮；

步骤4：液压缸驱动高压水管安装架连同高压水刀喷头在泥饼中沿刀盘面板中心轴线方向小范围的来回移动，带动高压水刀沿刀盘面板中心轴线方向作往复运动，实现对不同层面的泥饼进行冲涮。

其中，盾构机的刀盘面板上的圆形通孔，其方向垂直于刀盘面板，并分布在刀盘面板中心区域，使得高压水刀喷头喷射形成的高压水刀冲刷范围覆盖整个刀盘面板中心区域除去刀具以外位置，其具体位置根据盾构机刀盘面板的不同而进行具体布置。

高压水刀喷头，固定在位于刀盘面板后面的高压水管安装架上面，利用回转接头与后面的高压水管连接。高压水刀喷头是由强度和刚度性能较好的金属制成，其外层进行防锈处理。从结构上来说，高压水刀喷头其侧壁上设置有喷射口，高压水刀喷头最前端封闭，并且前端设计成易于穿透泥饼的圆锥外形；高压水刀喷头侧壁上的喷射口设有若干组，每组两个喷射口；每组的两个喷射口分别位于高压水刀喷头的同一圆截面上相差180度的位置上，且这两个喷射口布置在与高压水刀喷头前端封闭处相距不同的位置上，两个喷射口之间的距离根据刀盘面板大小进行适当调整。

其中步骤1中高压水刀喷头伸入泥饼中间，是利用液压缸推动高压水管安装架从而推动高压水刀喷头伸出刀盘面板；在高压水刀喷头顶端伸出泥饼时停止液压缸的推动，其原理是：当高压水刀喷头顶端伸出泥饼时，高压水刀喷头所受阻力突然变小，液压缸的推动速度突增，此时液压缸流量监测器监测到流入液压缸的流量突增，反馈一个电信号给液压缸的液压控制器，液压控制器控制液压缸停止推动；

步骤3中，高压水刀喷头绕其自身的中心轴线旋转，是缘于每一个高压水刀喷头都由其对应的液压马达带动旋转；

步骤4中高压水刀喷头在泥饼中沿刀盘面板中心轴线方向小范围的来回移动，原理是：液压缸推动高压水管架小范围的沿刀盘面板中心轴线方向来回运动，进而带动由高压水刀喷头喷射形成的高压水刀沿刀盘面板中心轴线方向往复运动，使高压水刀能对不同层面的泥饼进行冲涮，提高高压水刀对泥饼的冲涮效率。

与现有技术相比，本发明提供的一种具有密封闸门的土压平衡盾构机泥饼清理装置具有以下优点：

本发明规避了加大泡沫注入量的泥饼清理方法而增加成本、增加环境污染的问题；规避了人工进入刀盘面板工作面前清理泥饼，刀盘面板前方掌子面的坍塌造成的人员伤亡事故。本发明通过设计可旋转的水刀，改善了现有的冲洗管路垂直刀盘面板固定设置，其喷出的高压水射流只能对水流路径内小范围的泥饼进行冲洗的问题。可旋转的高压水刀清洗泥饼的范围更广，同时使高压水刀沿刀盘面板中心轴线方向来回移动进而对不同层面的泥饼进行冲洗，使泥饼的冲洗更为快速、更为彻底，从而减少因泥饼冲洗停机整顿的时间，节约停机成本；彻底的泥饼冲洗也能让盾构机两次冲洗泥饼的间隔时间增长，即增加可正常掘进的时间，提高盾构机的掘进效率。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明刀盘面板上通孔的布置示意图；

图3为本发明盾构机正常工作时高压水刀喷头的位置示意图；

图4为本发明中的高压水刀喷头伸出刀盘的过程示意图；

图5为本发明冲刷泥饼时高压水刀喷头的结构示意图；

图6为本发明高压水刀喷射形状示意图；

图7为本发明中液压马达驱动高压水刀喷头旋转的原理图；

图中：1-刀盘面板，2-高压水刀喷头，3-液压马达，4-小回转接头，5-大回转接头，6-液压缸，7-高压水泵，8-高压水管，9-高压水管安装架，10-喷射口，11-通孔；12-回位弹簧；13-活动闸门；14-高压水刀；15-凹槽；16-斜边；17-从动齿轮；18-驱动齿轮。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”、“径向”、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的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

如图1-7所示，为了便于描述，本发明中的“上”“下”“左”“右”“前”“后”方位基准以附图1所示的方位为准；

如图1所示，一种具有密封闸门的土压平衡盾构机泥饼清理装置，包括高压水刀喷头2、小回转接头4、大回转接头5、高压水管8、高压水泵7、液压马达3、高压水管安装架9和液压缸6，盾构机的刀盘面板1上设置有通孔11，通孔11内设置有用于密闭通孔11的密闭闸门，其中刀盘面板1的左端为工作面，右端为非工作面，液压缸6设置在盾构机上，液压马达3、高压水管8和高压水泵7设置在高压水管安装架9上，高压水刀喷头2左端可活动的穿插在盾构机的刀盘面板1上的通孔11内，右端通过小回转接头4与高压水管8的出水端连接，高压水管8的进水端与高压水泵7的出水口连接，液压马达3用于驱动高压水刀喷头2旋转，高压水管安装架9通过大回转接头5与液压缸6的活塞杆端连接。

其中，液压马达3的转轴上套装有驱动齿轮17，高压水刀喷头2上套装有从动齿轮18，驱动齿轮17与从动齿轮18相互啮合，其中液压马达3的转轴的轴线与驱动齿轮17的轴线相重合设置，高压水刀喷头2的轴线与从动齿轮18的轴线相重合设置。

其中，驱动齿轮17的齿数少于从动齿轮18的齿数。

具体的，密闭闸门包括滑动闸门13和回位弹簧12，通孔11的上下侧壁上分别设置有凹槽15，滑动闸门13设置在凹槽15内，滑动闸门13与凹槽15的底壁之间分别设置有回位弹簧12，两个滑动闸门13的对接面的内边沿对称的分别设置有斜边16。

还包括液压缸控制器和液压缸流量监测器，液压缸流量监测器用于检测流入液压缸6的液压油的流量变化，液压缸控制器根据液压缸流量监测器的监测信号控制液压缸6的运动。

其中，盾构机的刀盘面板1上的通孔11为垂直刀盘面板1的圆形通孔，且分布在刀盘面板1的中心区域。

其中，高压水刀喷头2左端的外形呈圆锥状，且其侧壁上设置有喷射口10。

优选的，高压水刀喷头2的侧壁上设置有若干组喷射口10，每组喷射口10包含两个喷射口，每组的两个喷射口10的位置之间的夹角为180度，且分别距离高压水刀喷头2左端的距离大小不同。

如图1所示，当盾构机刀盘所结泥饼影响了盾构机的正常工作后，停止刀盘的运转，利用液压缸6推动高压水管安装架9连同高压水刀喷头2一起向左移动，让高压水刀喷头2伸入泥饼中间合适位置，由高压水刀喷头2上的喷射口10喷射出高压水刀14，进而由布置在高压水管安装架9上的液压马达3带动高压水刀喷头2旋转，相应的实现高压水刀14旋转。

如图2所示，刀盘面板1上增设若干垂直于刀盘面板的通孔11，其具体位置根据盾构机刀盘面板1的不同而进行具体布置，使高压水刀14冲涮范围覆盖整个刀盘的中心区域除去刀具以外的所有位置。

如图3所示，由图可知，高压水刀喷头2在盾构机正常工作时是位于盾构机刀盘内部，并且有密封闸门防止泥土进入通孔11；

如图5所示，由图可知，高压水刀喷头2在工作的时候伸出刀盘面板1一定距离。高压水刀喷头2由强度和刚度性能较好的金属制成，其外层进行防锈处理；高压水刀喷头2左端封闭没有喷射口，并且左端封闭处设计成利于穿透泥饼的圆锥外形；在高压水刀喷头2左端侧壁上设置若干组喷射口10，每组两个喷射口10；每组的两个喷射口10位于高压水刀喷头2的同一圆截面上相差180度的位置上；两个喷射口10布置在与高压水刀喷头2左端封闭处相距不同的位置上，两个喷射口10之间的距离根据刀盘大小进行具体调整；多个喷射口10相对单个喷射口而言，增加了高压水刀14的数量，提高了高压水刀14的冲涮效率。

如图1所示，所有的高压水管8均固定安装在刀盘面板1右侧的高压水管安装架9上面，其分布位置与盾构机刀盘面板1上面的通孔11相对应，高压水刀喷头2利用小回转接头4与右侧的高压水管8连接；利用液压缸6推动高压水管安装架9从而推动高压水刀喷头2伸出刀盘面板1；当高压水刀喷头2顶端伸出泥饼时高压水刀喷头2所受阻力突然变小，液压缸6的推动速度突增，此时液压缸流量监测器监测到流入液压缸6的流量突增，反馈一个电信号给液压缸控制器，液压缸控制器控制液压缸6停止推动，这样高压水刀喷头2就能停在泥饼中间的合适位置；在冲洗一段时间后，液压缸控制器控制液压缸6沿刀盘面板1中心轴的方向小范围的进行往复运动，这样高压水刀14可以不断调整位置，对整个泥饼来回冲洗，提高了对泥饼的冲涮效率。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种具有密封闸门的土压平衡盾构机泥饼清理装置，其特征在于，包括高压水刀喷头、小回转接头、大回转接头、高压水管、高压水泵、液压马达、高压水管安装架和液压缸，盾构机的刀盘面板上设置有通孔，所述通孔内设置有用于密闭所述通孔的密闭闸门，所述液压缸设置在盾构机上，所述液压马达、高压水管和高压水泵设置在所述高压水管安装架上，所述高压水刀喷头一端可活动的穿插在所述盾构机的刀盘面板上的通孔内，另一端通过所述小回转接头与所述高压水管的出水端连接，所述高压水管的进水端与所述高压水泵的出水口连接，所述液压马达用于驱动所述高压水刀喷头旋转，所述高压水管安装架通过所述大回转接头与所述液压缸的活塞杆端连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于旋转水刀的盾构机泥饼的清理装置，其特征在于，所述液压马达的转轴上套装有驱动齿轮，所述高压水刀喷头上套装有从动齿轮，所述驱动齿轮与所述从动齿轮相互啮合。

3.根据权利要求2所述的一种基于旋转水刀的盾构机泥饼的清理装置，其特征在于，所述驱动齿轮的齿数少于所述从动齿轮的齿数。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种具有密封闸门的土压平衡盾构机泥饼清理装置，其特征在于，所述密闭闸门包括滑动闸门和回位弹簧，所述通孔的上下侧壁上分别设置有凹槽，所述滑动闸门设置在所述凹槽内，所述滑动闸门与所述凹槽的底壁之间分别设置有回位弹簧，两个所述滑动闸门的对接面的内边沿对称的分别设置有斜边。

5.根据权利要求1-3任一所述的一种具有密封闸门的土压平衡盾构机泥饼清理装置，其特征在于，还包括液压缸控制器和液压缸流量监测器，所述液压缸流量监测器用于检测流入所述液压缸的液压油的流量变化，所述液压缸控制器根据所述液压缸流量监测器的监测信号控制所述液压缸的运动。

6.根据权利要求1-3任一所述的一种具有密封闸门的土压平衡盾构机泥饼清理装置，其特征在于，盾构机的刀盘面板上的通孔为垂直所述刀盘面板的圆形通孔，且分布在所述刀盘面板的中心区域。

7.根据权利要求1-3任一所述的一种具有密封闸门的土压平衡盾构机泥饼清理装置，其特征在于，所述高压水刀喷头穿插在所述刀盘面板上通孔内的一端的外形呈圆锥状，且其侧壁上设置有喷射口。

8.根据权利要求7所述的一种具有密封闸门的土压平衡盾构机泥饼清理装置，其特征在于，所述高压水刀喷头的侧壁上设置有若干组所述喷射口，每组所述喷射口包含两个喷射口，每组的两个所述喷射口的位置之间的夹角为180度，且分别距离所述高压水刀喷头端部的距离大小不同。

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