CN111648780A - 一种能有效稳定掘进速度的盾构机异形刀头 - Google Patents

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朱思宇
于洋
赵祥岍
陈定超
韩雨珩
卢建飞
陈成
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    • E21D9/06—Making by using a driving shield, i.e. advanced by pushing means bearing against the already placed lining
    • E21D9/08—Making by using a driving shield, i.e. advanced by pushing means bearing against the already placed lining with additional boring or cutting means other than the conventional cutting edge of the shield

Abstract

本发明公开了一种能有效稳定掘进速度的盾构机异形刀头，包括刀盘总体和液压伸缩器，所述刀盘总体包括一次开挖面、水平切割面和二次开挖面；将二次开挖面和水平切割面可动式连接，一次开挖面与二次开挖面不在同一平面，增加开挖面积，在掘进过程中，根据不同的地质情况利用PLC控制算法驱动液压伸缩器，进而对可伸缩开口进行调节，从而调整刀盘总体的开口率，一次开挖面处于刀盘最外侧，根据不同的地质条件，采用已知的理论分析和数值模拟等方法对不同土层进行分析，确认最终开口率参数。由于本发明在掘进时采用一次开挖面、水平切割面和二次开挖面相互配合，从而能有效稳定掘进速度，另外其在掘进过程中能减少对土体的扰动，防止地表降沉。

Description

一种能有效稳定掘进速度的盾构机异形刀头
技术领域
本发明涉及一种盾构机异形刀头，具体是一种能有效稳定掘进速度的盾构机异形刀头。
背景技术
目前通过提高地下空间的利用程度，能有效缓解地面交通拥堵等情况。在对地下空间进行施工的过程中，由于受到施工场地、道路交通等城市环境因素的限制，传统的施工方法难以普遍适用。考虑到用盾构机进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等特点。基于上述优点，目前盾构机已经广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。但是由于普通盾构机刀盘在掘进过程中会对对周围土产生较大的扰动，从而导致其发生地表降沉；另外其掘进效率较低，导致整体地下工程的施工周期较长。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种能有效稳定掘进速度的盾构机异形刀头，能有效提高掘进效率，同时在掘进过程中减少对土体的扰动，防止地表降沉。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种能有效稳定掘进速度的盾构机异形刀头，包括刀盘总体和液压伸缩器，
所述刀盘总体包括一次开挖面、水平切割面和二次开挖面，所述一次开挖面和二次开挖面相互平行，一次开挖面和二次开挖面均为圆环形、且二次开挖面的圆环外径小于一次开挖面的圆环内径；水平切割面设置在一次开挖面和二次开挖面之间，所述水平切割面为两端开口的圆锥形，水平切割面的大端口与一次开挖面的圆环内壁活动连接，水平切割面的小端口设有可伸缩开口，水平切割面通过可伸缩开口与二次开挖面的圆环外沿活动连接；所述液压伸缩器设置在二次开挖面后部，液压伸缩器与可伸缩开口传动连接，使其能控制可伸缩开口的开口率；所述水平切割面上装有多个切刀。
进一步，还包括GIS定位系统，GIS定位系统设置在盾构机内。
进一步，所述一次开挖面占刀盘总体面积的50％～70％。
进一步，所述多个切刀在水平切割面上倾斜设置，且倾斜角度呈顺时针15°～30°。
进一步，所述水平切割面的深度为0.8m～1.1m。
与现有技术相比，本发明采用一次开挖面、水平切割面、二次开挖面和液压伸缩器相结合方式，将二次开挖面和水平切割面可动式连接，一次开挖面与二次开挖面不在同一平面，增加开挖面积，在掘进过程中，GIS定位系统通过移动流媒体负责收集盾构隧道内应力实时数值和盾构实时方向，并反馈给PLC控制器，PLC控制器根据反馈的数据确定不同的地质情况并通过相应的控制算法驱动液压伸缩器，进而对可伸缩开口进行调节，从而调整刀盘总体的开口率及盾构方向，一次开挖面处于刀盘最外侧，根据不同的地质条件，采用已知的理论分析和数值模拟等方法对不同土层进行分析，确认最终开口率参数。由于本发明在掘进时采用一次开挖面、水平切割面和二次开挖面相互配合，从而能有效提高掘进速度，另外其在掘进过程中能减少对土体的扰动，防止地表降沉。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的左视图。
图中：1、一次开挖面，2、水平切割面，3、二次开挖面，4、液压伸缩器，201、可伸缩开口，202、切刀。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示，本发明包括刀盘总体和液压伸缩器，
所述刀盘总体包括一次开挖面1、水平切割面2和二次开挖面3，所述一次开挖面1和二次开挖面3相互平行，一次开挖面1和二次开挖面3均为圆环形、且二次开挖面3的圆环外径小于一次开挖面1的圆环内径；水平切割面2设置在一次开挖面1和二次开挖面3之间，所述水平切割面2为两端开口的圆锥形，水平切割面2的大端口与一次开挖面1的圆环内壁活动连接，水平切割面2的小端口设有可伸缩开口201，水平切割面2通过可伸缩开口201与二次开挖面3的圆环外沿活动连接；所述液压伸缩器4设置在二次开挖面3后部，液压伸缩器4与可伸缩开口201传动连接，使其能控制可伸缩开口201的开口率；所述水平切割面2上装有多个切刀202。
进一步，还包括GIS定位系统，GIS定位系统设置在盾构机内。
进一步，所述一次开挖面1占刀盘总体面积的50％～70％。这样设置能通过调整开口率实现开挖效率最大化。
进一步，所述多个切刀202在水平切割面2上倾斜设置，且倾斜角度呈顺时针15°～30°；所述水平切割面2的深度为0.8m～1.1m。采用这种设置方式能在掘进时减小刀片阻力，降低刀头损耗。
将本发明安装到盾构机上，且使一次开挖面处于盾构机最前方(最外侧)，在盾构机掘进过程中，一次开挖面1接触土体，周围受到压力，通过二次开挖面3传到液压伸缩器4，使用PLC控制器计算，确定适应掘进地质合适参数，通过可伸缩开口201调整二次开挖面3与水平切割面2的开口大小，水平切割面2在液压伸缩器4驱动下逐渐调整开口大小直到符合适应开挖地质的参数条件。在二次开挖面3与水平切割面2开口大小调整时，一次开挖面1占刀盘总体的面积控制在刀盘总面积的50％～70％，由于水平切割面2的在掘进过程中，其深度会控制在0.88～1.1m内，因此中心体可以保留下来，保证中部核心土对盾顶土体的支撑，减少外侧环境对盾构机外表损坏，又可减少工作推进阻力；在掘进过程中，GIS定位系统通过移动流媒体负责收集盾构隧道内应力实时数值和盾构实时方向，并反馈给PLC控制器，PLC控制器根据反馈的数据及时调整盾头开口率与前进方向。一次开挖面1与二次开挖面3始终保持两个垂直角，由于水平切割面3通过可伸缩开口201连接二次开挖面2，因此相对于普通刀盘，水平切割面2增加开挖面积，掘进速度也大大提升。后续在本发明掘进过程中，由于水平切割面2上的切刀202呈顺时针15°～30°倾斜设置，顺应开挖方向，因此在开挖过程中，切刀202顺时针倾斜顺应前进方向，减少了对刀具的损耗和推进阻力。刀盘与地层适应性提高，能应对各种地质情况，加快掘进速度。

Claims (5)

1.一种能有效稳定掘进速度的盾构机异形刀头，其特征在于，包括刀盘总体和液压伸缩器，
所述刀盘总体包括一次开挖面、水平切割面和二次开挖面，所述一次开挖面和二次开挖面相互平行，一次开挖面和二次开挖面均为圆环形、且二次开挖面的圆环外径小于一次开挖面的圆环内径；水平切割面设置在一次开挖面和二次开挖面之间，所述水平切割面为两端开口的圆锥形，水平切割面的大端口与一次开挖面的圆环内壁活动连接，水平切割面的小端口设有可伸缩开口，水平切割面通过可伸缩开口与二次开挖面的圆环外沿活动连接；所述液压伸缩器设置在二次开挖面后部，液压伸缩器与可伸缩开口传动连接，使其能控制可伸缩开口的开口率；所述水平切割面上装有多个切刀。
2.根据权利要求1所述的一种能有效稳定掘进速度的盾构机异形刀头，其特征在于，还包括GIS定位系统，GIS定位系统设置在盾构机内。
3.根据权利要求1所述的一种能有效稳定掘进速度的盾构机异形刀头，其特征在于，所述一次开挖面占刀盘总体面积的50％～70％。
4.根据权利要求1所述的一种能有效稳定掘进速度的盾构机异形刀头，其特征在于，所述多个切刀在水平切割面上倾斜设置，且倾斜角度呈顺时针15°～30°。
5.根据权利要求1所述的一种能有效稳定掘进速度的盾构机异形刀头，其特征在于，所述水平切割面的深度为0.8m～1.1m。
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