CN113417651B - 一种高效切割钢筋混凝土结构的盾构刀盘装置及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效切割钢筋混凝土结构的盾构刀盘装置及工作方法，涉及隧道开挖掘进施工机械设备领域，盾构刀盘结构包括：主刀梁、副刀梁、磨料射流发生装置、先行贝壳刀、楔齿滚刀、切刀、边缘滚刀、边缘刮刀等。本发明的工作方法为：通过盾构刀盘上的常规刀具对混凝土保护层进行切割破碎，同时高压磨料射流和先行贝壳刀共同作用将钢筋混凝土结构中的主筋完全切断；楔齿滚刀滚压钢筋和混凝土岩脊并形成断筋；通过切刀、边缘刮刀、边缘滚刀剥离钢筋混凝土渣块以及残留岩脊。本发明能够实现钢筋混凝土结构的高效切割破除，且能有效解决钢筋缠绕、出渣困难、刀具磨损等问题，降低切削过程中的盾构推力和扭矩，实现低能耗掘进。
Description
技术领域
本发明涉及隧道开挖掘进施工机械设备技术领域，具体为一种高效切割钢筋混凝土结构的盾构刀盘装置及工作方法。
背景技术
随着我国地下轨道交通的不断发展，越来越多的城市构建了由多条线路构成的地下轨道交通网络。与此同时，在城市中心密集区修建盾构区间隧道遭遇既有建筑物钢筋混凝土桩基础的问题日益凸显。传统解决桩基础问题主要采用桩基托换、拔桩、冲桩等方法，这些方法虽然相对安全成熟，但是存在着施工周期长、施工成本高、环境影响大等不足。
盾构机是一种使用盾构法的隧道掘进机。盾构的施工法是掘进机在掘进的同时构建（铺设）隧道之“盾”（指支撑性管片），它区别于敞开式施工法。国际上，广义盾构机也可以用于岩石地层，只是区别于敞开式的隧道掘进机。而在我国，习惯上将用于软土地层的隧道掘进机称为（盾构机，将用于岩石地层的称为TBM。
盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时支撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行
近年来，已经有工程采用盾构机直接切削钢筋混凝土桩基，但是其对大直径钢筋的切断极其困难，经常出现钢筋未完全切断，断筋过长难以排出而卡死盾构刀盘的现象，掘进效率低，刀具磨损、崩断问题严重。断筋过长主要是由于刀具布置不合理所导致，如刀具的间距设置不合理，刀具高度差设置不合理等；刀具磨损崩断问题与刀具材质以及盾构掘进参数设置不合理具有较强的关联。盾构掘进直接切割钢筋混凝土桩基已经实践验证可行，但在实际切割过程中，仍会出现种种不良问题，效果不甚理想。针对上述不足之处，需要设计一种用于高效切割钢筋混凝土结构的盾构刀盘装置，并提出相应的工作方法。发明内容
本发明的目的在于提供一种高效切割钢筋混凝土结构的盾构刀盘装置及工作方法，以解决上述技术背景中的问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高效切割钢筋混凝土结构的盾构刀盘装置，包括盾构刀盘；
所述盾构刀盘上固定有呈角度交替设置的主刀梁与副刀梁，且所述盾构刀盘的后侧设有磨料射流发生装置；
所述主刀梁表面上等间距、等相位角、间隔布置有先行贝壳刀和楔齿滚刀，所述主刀梁边缘两侧均匀对称设置有切刀，且主刀梁外侧端部设置有边缘刮刀，所述主刀梁最外侧的先行贝壳刀中部设有用于采集振动信号的振动传感器，所述振动传感器一侧电连接有控制器；
所述副刀梁外侧端部设有边缘滚刀，所述副刀梁上设有一用于实时监测刀具磨损程度的压力传感式磨损检测刀；
所述主刀梁与副刀梁上均设有泡沫喷嘴；
所述磨料射流发生装置一侧连接有可更换式射流喷嘴，且所述可更换式射流喷嘴设置在副刀梁上，所述磨料射流发生装置包括内部工业水箱、通过高压管道与内部工业水箱连接的高压水泵、连接在高压水泵输出端的混合仓，所述混合仓内设有搅拌器，且所述混合仓上方连接有磨料罐，所述混合仓一侧通过高压管道连接有二次增压泵，所述二次增压泵的输出端通过钢制磨料管与可更换式射流喷嘴连接。
作为本发明进一步方案：所述主刀梁为十字分布，所述副刀梁交叉分布，且相邻两个主刀梁与副刀梁之间的夹角为45度。
作为本发明进一步方案：所述磨料罐与混合仓之间连接有控制开关，所述混合仓通过高压旋转接头与高压管道连接，且所述高压旋转接头与混合仓之间连接有超声波浓度探测计，所述高压旋转接头、二次增压泵与钢制磨料管均设置在盾构刀盘内，且所述高压旋转接头活动连接在盾构刀盘后侧中心位置。
作为本发明进一步方案：所述先行贝壳刀和楔齿滚刀按照间距为225mm等间距分布在主刀梁上，所述楔齿滚刀采用17寸滚刀且刀高为170mm，所述先行贝壳刀刀高为200mm，所述切刀间距为200mm，切刀刀高为140mm，所述边缘刮刀刀高为145mm，所述边缘滚刀采用楔齿单刃滚刀，刀高为175mm。
作为本发明进一步方案：所述可更换式射流喷嘴按照径向距离450mm布置，且所述可更换式射流喷嘴沿着所述副刀梁的对称轴轴向均匀分布，且所述可更换式射流喷嘴的两侧对称分布的喷嘴保护块，所述喷嘴保护块固定在副刀梁上，且所述喷嘴保护块的高度大于所述可更换式射流喷嘴的高度。
作为本发明进一步方案：所述楔齿滚刀具体采用17寸单刃盘形滚刀，楔形刀刃为120度，且其刀刃两侧焊接有硬质合金齿。
作为本发明进一步方案：所述振动传感器通过绝缘螺栓与主刀梁连接，且所述振动传感器与绝缘螺栓之间设有绝缘垫片。
作为本发明进一步方案：所述盾构刀盘的面板采用加厚型面板，且所述盾构刀盘表面焊接有两圈加强肋板。
一种高效切割钢筋混凝土结构的盾构刀盘装置的工作方法，所述工作方法步骤如下：
S1：根据已有的设计资料知悉钢筋型号、布筋方式以及混凝土结构相关参数，据此设计并进行室内磨料射流切割实验，在所建议范围内确定最适于切割主筋的磨料浓度w1、磨料直径d1、射流直径d2、和射流压力P1；
S2：根据相关的工程地质勘测报告以及前期的施工资料等初步确定钢筋混凝土结构所处的位置；
S3：在常规软土地层中，盾构机以20mm/min的掘进速度，1.5r/min的转速进行掘进，并在其中选取2m的区间进行振幅监测，由振动传感器采集信号，取平均值确定参考振幅A0；
S4：在盾构机进入到距离钢筋混凝土结构最小垂直距离1m范围内，开始分阶段调整掘进参数，在盾构机距离钢筋混凝土结构0.6m时，控制刀盘转速为1.0r/min，掘进速度为13mm/min；在盾构机距离钢筋混凝土结构0.2m时，控制盾构刀盘转速为0.5r/min，掘进速度为10mm/min；
S5：当盾构机距离钢筋混凝土结构0.2m时，通过控制器开启振动传感器，实时采集振动信号，并将信号传递给控制器，此时所测振幅为实测振幅A1，与此同时，加大泡沫喷嘴喷射泡沫剂的量，喷射量为常规软土底层中的1.5倍；
S6：将实测振幅A1与参考振幅A0进行对比，当实测振幅A1显著大于参考振幅A0时，并且盾构机的推力和扭矩有较大程度的增大，此时判断盾构刀盘已接触钢筋混凝土结构；
S7：调整盾构机的掘进参数，将盾构刀盘推进速度调整为7mm/min，转速保持0.5r/min，此时不开启磨料射流发生装置，利用盾构刀盘上所配置的常规刀具进行掘进，先行贝壳刀切割混凝土保护层，并且产生等距的多根贝壳刀切割迹线；
S8：随着盾构的推进，与先行贝壳刀间隔布置的楔齿滚刀沿着相邻两根先行贝壳刀切割迹线的中间位置对混凝土结构进行滚压，二次破碎混凝土结构，并且产生楔齿滚刀切割迹线，以此方法对混凝土保护层进行破碎，在此过程中，振动传感器一直处于开启状态；
S9：在盾构刀盘首次接触到钢筋混凝土结构并进一步推进的过程中，时刻监测振动传感器采集所得数据，一旦出现振幅突然增大，远大于切割混凝土时的振幅，并且盾构的推力和扭矩显著增大的现象，可进一步判断先行贝壳刀已接触到主筋；
S10：同时启动磨料射流发生装置，由盾构机的内部工业水箱进行供水，开启高压水泵进行加压，经由高压管道到达混合仓中，与此同时，使磨料罐中的磨料进入混合仓中，经搅拌器搅拌，形成最适于切割上述主筋的均匀磨料溶液；
S11：进一步地，磨料溶液经高压管道输送至二次增压泵中，二次增压泵对磨料溶液进行再次加压，再经由钢制磨料管输送至可更换式射流喷嘴中，形成高压磨料射流；
S12：盾构机暂停推进，启动盾构刀盘的扭矩，可更换式射流喷嘴与盾构刀盘共同以0.5r/min的转速空转5min，形成磨料射流切削主筋切口，便于先行贝壳刀的贯入；
S13：调整盾构机的掘进参数，以5mm/min 的推进速度，0.5r/min的转速继续推进，高压磨料射流与先行贝壳刀共同切割主筋；
S14：当控制器显示振幅突然减小，盾构机的推力和扭矩也突然减小时，依次判断主筋已被切断，此时，关闭高压磨料射流发生装置；
S15：进一步的，继续以5mm/min的推进速度，0.5r/min的转速推进，由盾构刀盘上所布置的常规刀具对钢筋混凝土结构的内部其他钢筋以及混凝土结构进行切割；
S16：进一步的，通过螺旋输送机将钢筋混凝土碎块以及断筋输出，从而实现钢筋混凝土结构的有效破除。
作为本发明进一步方案：所述步骤S11中二次增压泵的调节压力为280-340MPa。
有益效果：
1.本发明用浓度为3%—7%的高压磨料射流对钢筋混凝土结构内部主筋进行切割，并结合先行贝壳刀将主筋完全切断，减小了刀具的磨损，提高了掘进效率。
2.本发明中先行贝壳刀与楔形滚刀交叉等间距布置，相邻先行贝壳刀的间距为450mm，以便先保留轨迹间的混凝土，避免由于混凝土对钢筋的握裹力不足而长钢筋随着刀盘的旋转而缠绕卡于刀盘。
3.本发明中的先行贝壳刀和高压磨料射流共同将主筋切割成长度为450mm的断筋，再经由楔齿滚刀进一步碾压断筋和混凝土岩脊，形成长度不大于300mm的断筋，解决了断筋难以排出的问题。
4.本发明采用17寸单刃盘形滚刀，120度的楔形刀刃，刀刃两侧焊接硬质合金齿，该特制滚刀能够实现在混凝土中有较大的贯入度，更容易对断筋进行滚压切削；且刀刃两侧硬质合金能有效提高滚刀的耐磨性，降低刀圈卷刃和崩裂概率。
5.本发明在先行贝壳刀中间位置布置一个振动传感器，用于采集前方土体的振动信号，并根据盾构刀盘扭矩和推力变化规律，以及结合工程地质勘察及施工资料可以准确判断钢筋混凝土结构所处位置。
6.本发明可根据目标钢筋混凝土结构中所配钢筋型号以及布筋方式，并通过高压水泵以及二次增压泵调节射流压力，且通过可更换射流喷嘴调节射流的直径，并且可通过调节所用磨料直径和磨料浓度使其适应不同工况。
7.本发明中高压旋转喷头作用在于可更换式射流喷嘴与盾构刀盘同步转动的过程中，保证了磨料混合仓、高压水泵等结构不随着刀盘的转动而转动，并避免了管道缠绕乃至发生破坏。
附图说明
图1为本发明中的盾构刀盘的平面结构示意图；
图2为本发明中的盾构刀盘上的刀具切割迹线示意图；
图3为本发明中的盾构刀盘切削钢筋混凝土结构示意图；
图4为本发明中的先行贝壳刀和楔齿滚刀与主筋和混凝土保护层的接触切削示意图；
图5为本发明中的磨料射流发生装置的具体结构图；
图6为本发明中的先行贝壳刀的结构示意图；
图7为本发明中的楔齿滚刀的结构示意图；
图8为本发明的工作流程简图；
图中：1、盾构刀盘；2、主刀梁；3、副刀梁；4、加强肋板；5、磨料射流发生装置；5-1、内部工业水箱；5-2、高压管道；5-3、高压水泵；5-4、磨料罐；5-5、控制开关；5-6、混合仓；5-7、搅拌器；5-8、高压旋转接头；5-9、二次增压泵；5-10、钢制磨料管；5-11、超声波浓度探测计；6、可更换式射流喷嘴；7、喷嘴保护块；8、楔齿滚刀；9、硬质合金齿；10、先行贝壳刀；11、切刀；12、边缘刮刀；13、边缘滚刀；14、泡沫喷嘴；15、压力传感式磨损检测刀；16、振动传感器；17、绝缘螺栓；18、钢筋混凝土结构；18-1、主筋；18-2、内部其他钢筋；18-3、混凝土保护层；19、磨料射流切削主筋切口；20、楔齿滚刀切割迹线；21、贝壳刀切割迹线；22、绝缘垫片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供如下技术方案：
如图1-8所示，一种高效切割钢筋混凝土结构的盾构刀盘装置，包括盾构刀盘1；
盾构刀盘1上固定有呈角度交替设置的主刀梁2与副刀梁3，且盾构刀盘1的后侧设有磨料射流发生装置5；
主刀梁2表面上等间距、等相位角、间隔布置有先行贝壳刀10和楔齿滚刀8，通过与先行贝壳刀10间隔布置的楔齿滚刀8二次滚压断筋和外部混凝土岩脊，达到二次破碎的目的，使断筋及混凝土碎块尺寸小于螺旋输送机筒体内径，进而保证碎块的顺利排出，主刀梁2边缘两侧均匀对称设置有切刀11，且主刀梁2外侧端部设置有边缘刮刀12，主刀梁2最外侧的先行贝壳刀10中部设有用于采集振动信号的振动传感器16，振动传感器16一侧电连接有控制器，在盾构进入可能存在钢筋混凝土结构18的地层范围内时，通过控制器开启振动传感器16，振动传感器16随着盾构刀盘1的旋转实时采集前方地层振动信号并传输给控制器，控制器中设有参考振幅A0，此振幅为刀盘切削常规地层时的振幅，即不含有钢筋混凝土结构18时的振幅，在切桩前的常规地层进行掘进实验，由振动传感器16采集记录并取平均值确定，在掘进过程中，将实测振幅A1与参考振幅A0进行对比，并且结合工程地质勘测以及相关设计文件资料来判断是否接触到钢筋混凝土结构18；
副刀梁3外侧端部设有边缘滚刀13，当盾构切削穿越钢筋混凝土结构18时，通过切刀11、边缘滚刀13和边缘刮刀12的切削作用，剥离已经由楔齿滚刀8和先行贝壳刀10预切削的钢筋混凝土渣块以及残留岩脊，从而平整掌子面，便于下一循环掘进过程；当在常规软土地层中掘进时，切刀11、边缘刮刀12和边缘滚刀13同样起到切削掌子面岩土体的作用，副刀梁3上设有一用于实时监测刀具磨损程度的压力传感式磨损检测刀15，压力传感式磨损检测刀15基于盾构掘进主要参数、出渣形状形态分析以及磨损检测刀输出的压力参数变化，综合分析机器切削穿越钢筋混凝土结构18时刀盘刀具的健康状态，从而实时调整掘进参数；
主刀梁2为十字分布，副刀梁3交叉分布，且相邻两个主刀梁2与副刀梁3之间的夹角为45度，先行贝壳刀10和楔齿滚刀8按照间距为225mm等间距分布在主刀梁2上，楔齿滚刀8采用17寸滚刀且刀高为170mm，先行贝壳刀10刀高为200mm，切刀11间距为200mm，切刀11刀高为140mm，边缘刮刀12刀高为145mm，边缘滚刀13采用楔齿单刃滚刀，刀高为175mm，在本发明中共布置三十把楔齿滚刀8，二十八把先行贝壳刀10，八十把切刀11，且刀具的布置以及个数不限于上述方式，可根据工程实际进行适当的调整；
主刀梁2与副刀梁3上均设有泡沫喷嘴14，当盾构掘进时，通过盾构机内部的泡沫发生装置提供泡沫剂，经泡沫喷嘴14喷射到掌子面，达到以下目的：在常规软土地层掘进时，通过该泡沫喷嘴14喷射泡沫剂对土体进行改良，保证掌子面的稳定性及出渣效果，当盾构掘进切割钢筋混凝土结构18时，改善钢筋混凝土渣块和易性目的，保证出渣效果，降低刀盘扭矩、减小刀具磨损，特别地，在切削钢筋混凝土结构18时，应该加大泡沫剂的喷出量；
磨料射流发生装置5一侧连接有可更换式射流喷嘴6，且可更换式射流喷嘴6设置在副刀梁3上，磨料射流发生装置5包括内部工业水箱5-1、通过高压管道5-2与内部工业水箱5-1连接的高压水泵5-3、连接在高压水泵5-3输出端的混合仓5-6，混合仓5-6内设有搅拌器5-7，且混合仓5-6上方连接有磨料罐5-4，混合仓5-6一侧通过高压管道5-2连接有二次增压泵5-9，二次增压泵5-9的输出端通过钢制磨料管5-10与可更换式射流喷嘴6连接；
磨料罐5-4与混合仓5-6之间连接有控制开关5-5，混合仓5-6通过高压旋转接头5-8与高压管道5-2连接，且高压旋转接头5-8与混合仓5-6之间连接有超声波浓度探测计5-11，高压旋转接头5-8、二次增压泵5-9与钢制磨料管5-10均设置在盾构刀盘1内，且高压旋转接头5-8活动连接在盾构刀盘1后侧中心位置。在本发明中经过可更换式射流喷嘴6喷出的高压水刀形成的切割迹线与贝壳刀切割迹线21重合，本发明建议所用磨料直径d1为0.15mm-0.3mm，通过调控开关5-5控制磨料从磨料罐5-4进入混合仓5-6的量，由盾构机中的内部工业水箱5-1进行供水，搅拌器5-7进行搅拌，得到均匀的磨料溶液，根据所切割主筋18-1直径大小，控制磨料浓度w1为3%-7%，由安装在高压管道5-2上的超声波浓度探测计5-11测得，目的在于避免磨料浓度过低导致切割效果不佳和磨料浓度过高导致管道堵塞等问题，高压旋转接头5-8作用在于可更换式射流喷嘴6与盾构刀盘1同步转动的过程中，保证混合仓5-6、磨料罐5-4、高压水泵5-3等结构不随盾构刀盘1转动而转动，并避免管道缠绕乃至发生破坏，通过二次增压泵5-9对磨料溶液进行再次加压，控制磨料射流压力P1为280-340Mpa，从而有效地切断主筋18-1，且本发明中的可更换式射流喷嘴6可根据主筋18-1直径进行更换，从而产生不同的射流直径d2，以适应工程实际需要；
可更换式射流喷嘴6按照径向距离450mm布置，且可更换式射流喷嘴6沿着副刀梁3的对称轴轴向均匀分布，且可更换式射流喷嘴6的两侧对称分布的喷嘴保护块7，喷嘴保护块7固定在副刀梁3上，且喷嘴保护块7的高度大于可更换式射流喷嘴6的高度；
楔齿滚刀8具体采用17寸单刃盘形滚刀，楔形刀刃为120度，且其刀刃两侧焊接有硬质合金齿9，与普通平截面盘形滚刀相比，采用本发明中的楔齿滚刀8能够在较小单刀推力作用下实现在混凝土中较大的贯入度，并且更容易实现对断筋的滚压切削，通过硬质合金齿9实现对滚刀刀刃的保护，提升滚刀耐磨性，从而有效降低刀圈卷刃甚至崩裂，另外，硬质合金齿9能够提高与土体的摩擦力，当在常规软土地层掘进时，能够保证滚刀所受转动力矩达到自身启动扭矩，从而有效防止滚刀发生弦磨；
振动传感器16通过绝缘螺栓17与主刀梁2连接，且振动传感器16与绝缘螺栓17之间设有绝缘垫片22，保证振动传感器16优良的传递特性；
盾构刀盘1的面板采用加厚型面板，且盾构刀盘1表面焊接有两圈加强肋板4，保证盾构刀盘1的刀盘开口率满足钢筋混凝土渣块出渣要求的同时，提高盾构刀盘1的整体刚度，保证掘进过程中盾构刀盘1受力均衡，避免因切削钢筋混凝土结构18过程中巨大振动冲击作用而造成盾构刀盘1整体结构受损。
一种高效切割钢筋混凝土结构的盾构刀盘装置的工作方法，工作方法步骤如下：
S1：根据已有的设计资料知悉钢筋型号、布筋方式以及混凝土结构相关参数，据此设计并进行室内磨料射流切割实验，在所建议范围内确定最适于切割主筋18-1的磨料浓度w1、磨料直径d1、射流直径d2、和射流压力P1；
S2：根据相关的工程地质勘测报告以及前期的施工资料等初步确定钢筋混凝土结构18所处的位置；
S3：在常规软土地层中，盾构机以20mm/min的掘进速度，1.5r/min的转速进行掘进，并在其中选取2m的区间进行振幅监测，由振动传感器16采集信号，取平均值确定参考振幅A0；
S4：在盾构机进入到距离钢筋混凝土结构18最小垂直距离1m范围内，开始分阶段调整掘进参数，在盾构机距离钢筋混凝土结构18为0.6m时，控制刀盘转速为1.0r/min，掘进速度为13mm/min；在盾构机距离钢筋混凝土结构18为0.2m时，控制盾构刀盘1转速为0.5r/min，掘进速度为10mm/min；
S5：当盾构机距离钢筋混凝土结构18为0.2m时，通过控制器开启振动传感器16，实时采集振动信号，并将信号传递给控制器，此时所测振幅为实测振幅A1，与此同时，加大泡沫喷嘴14喷射泡沫剂的量，喷射量为常规软土底层中的1.5倍；
S6：将实测振幅A1与参考振幅A0进行对比，当实测振幅A1显著大于参考振幅A0时，并且盾构机的推力和扭矩有较大程度的增大，此时判断盾构刀盘1已接触钢筋混凝土结构18；
S7：调整盾构机的掘进参数，将盾构刀盘1推进速度调整为7mm/min，转速保持0.5r/min，此时不开启磨料射流发生装置5，利用盾构刀盘1上所配置的常规刀具进行掘进，先行贝壳刀10切割混凝土保护层18-3，并且产生等距的多根贝壳刀切割迹线21；
S8：随着盾构的推进，与先行贝壳刀10间隔布置的楔齿滚刀8沿着相邻两根贝壳刀切割迹线21的中间位置对混凝土结构进行滚压，二次破碎混凝土结构，并且产生楔齿滚刀切割迹线20，以此方法对混凝土保护层18-3进行破碎，在此过程中，振动传感器16一直处于开启状态；
S9：在盾构刀盘1首次接触到钢筋混凝土结构18并进一步推进的过程中，时刻监测振动传感器16采集所得数据，一旦出现振幅突然增大，远大于切割混凝土时的振幅，并且盾构的推力和扭矩显著增大的现象，可进一步判断先行贝壳刀10已接触到主筋18-1；
S10：同时启动磨料射流发生装置5，由盾构机的内部工业水箱5-1进行供水，开启高压水泵5-3进行加压，经由高压管道5-2到达混合仓5-6中，与此同时，使磨料罐5-4中的磨料进入混合仓5-6中，经搅拌器5-7搅拌，形成最适于切割上述主筋18-1的均匀磨料溶液；
S11：进一步地，磨料溶液经高压管道5-2输送至二次增压泵5-9中，二次增压泵5-9对磨料溶液进行再次加压，调节压力为280-340MPa，再经由钢制磨料管5-10输送至可更换式射流喷嘴6中，形成高压磨料射流；
S12：盾构机暂停推进，启动盾构刀盘1的扭矩，可更换式射流喷嘴6与盾构刀盘1共同以0.5r/min的转速空转5min，形成磨料射流切削主筋切口19，便于先行贝壳刀10的贯入；
S13：调整盾构机的掘进参数，以5mm/min 的推进速度，0.5r/min的转速继续推进，高压磨料射流与先行贝壳刀10共同切割主筋18-1；
S14：当控制器显示振幅突然减小，盾构机的推力和扭矩也突然减小时，依次判断主筋18-1已被切断，此时，关闭高压磨料射流发生装置5；
S15：进一步的，继续以5mm/min的推进速度，0.5r/min的转速推进，由盾构刀盘1上所布置的常规刀具对钢筋混凝土结构18的内部其他钢筋18-2以及混凝土结构进行切割；
S16：进一步的，通过螺旋输送机将钢筋混凝土碎块以及断筋输出，从而实现钢筋混凝土结构18的有效破除。
综上所述，本发明的具体工作原理如下：
十字形主刀梁2与副刀梁3共同组成盾构刀盘1的承重构件。
盾构刀盘1在遇到钢筋混凝土结构18时，减小盾构的推进速度，控制盾构刀盘1的扭矩，匀速慢速的推进，由先行贝壳刀10切削钢筋混凝土结构保护层，并且产生贝壳刀切割迹线21，随着盾构的推进，与先行贝壳刀10间隔布置的楔齿滚刀8沿着贝壳刀切割迹线21中间位置对混凝土进行滚压，二次破碎混凝土岩脊,并且产生楔齿滚刀切割迹线20，以此方法对混凝土保护层18-3进行切割；
刀盘在先行贝壳刀接触到钢筋混凝土结构18中的主筋18-1时，开启高压磨料射流发生装置5，通过高压水泵5-3对射流进行加压，使射流压力保持在280-340MP，启动盾构机的扭矩，以0.5r/min 的转速进行转动，由可更换式射流喷嘴6喷射磨料射流与先行贝壳刀10共同对钢筋混凝土结构18中的主筋18-1进行切割，确保主筋18-1被切断，此过程之后，关闭高压磨料射流发生装置5，由先行贝壳刀10继续切割钢筋混凝土结构18以及内部钢筋18-2，由楔齿滚刀8二次滚压钢筋和外部混凝土岩脊，达到二次破碎目的；
盾构刀盘1在推进过程中，由均匀布置在主刀梁2两侧的切刀11，主刀梁2外侧端部的边缘刮刀12，以及副刀梁3上的边缘滚刀13，对已经被楔齿滚刀8和先行贝壳刀10切削的钢筋混凝土渣块以及残留的岩脊进行剥离，平整掌子面，便于继续掘进。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (3)
1.一种高效切割钢筋混凝土结构的盾构刀盘装置，包括盾构刀盘(1)，其特征在于：
所述盾构刀盘(1)上固定有呈角度交替设置的主刀梁(2)与副刀梁(3)，且所述盾构刀盘(1)的后侧设有磨料射流发生装置(5)；
所述磨料射流发生装置(5)一侧连接有可更换式射流喷嘴(6)，且所述可更换式射流喷嘴(6)设置在副刀梁(3)上，所述磨料射流发生装置(5)包括内部工业水箱(5-1)、通过高压管道(5-2)与内部工业水箱(5-1)连接的高压水泵(5-3)、连接在高压水泵(5-3)输出端的混合仓(5-6)，所述混合仓(5-6)内设有搅拌器(5-7)，且所述混合仓(5-6)上方连接有磨料罐(5-4)，所述混合仓(5-6)一侧通过高压管道(5-2)连接有二次增压泵(5-9)，所述二次增压泵(5-9)的输出端通过钢制磨料管(5-10)与可更换式射流喷嘴(6)连接；
所述磨料罐(5-4)与混合仓(5-6)之间连接有控制开关(5-5)，所述混合仓(5-6)通过高压旋转接头(5-8)与高压管道(5-2)连接，且所述高压旋转接头(5-8)与混合仓(5-6)之间连接有超声波浓度探测计(5-11)，所述高压旋转接头(5-8)、二次增压泵(5-9)与钢制磨料管(5-10)均设置在盾构刀盘(1)内，且所述高压旋转接头(5-8)活动连接在盾构刀盘(1)后侧中心位置；
所述可更换式射流喷嘴(6)按照径向距离450mm布置，且所述可更换式射流喷嘴(6)沿着所述副刀梁(3)的对称轴轴向均匀分布，且所述可更换式射流喷嘴(6)的两侧对称分布的喷嘴保护块(7)，所述喷嘴保护块(7)固定在副刀梁(3)上，且所述喷嘴保护块(7)的高度大于所述可更换式射流喷嘴(6)的高度；
所述主刀梁(2)表面上等间距、等相位角、间隔布置有先行贝壳刀(10)和楔齿滚刀(8)，所述主刀梁(2)边缘两侧均匀对称设置有切刀(11)，且主刀梁(2)外侧端部设置有边缘刮刀(12)，所述主刀梁(2)最外侧的先行贝壳刀(10)中部设有用于采集振动信号的振动传感器(16)，所述振动传感器(16)一侧电连接有控制器；
所述振动传感器(16)通过绝缘螺栓(17)与主刀梁(2)连接，且所述振动传感器(16)与绝缘螺栓(17)之间设有绝缘垫片(22)；
所述楔齿滚刀(8)具体采用17寸单刃盘形滚刀，楔形刀刃为120度，且其刀刃两侧焊接有硬质合金齿(9)；
所述副刀梁(3)外侧端部设有边缘滚刀(13)，所述副刀梁(3)上设有一用于实时监测刀具磨损程度的压力传感式磨损检测刀(15)；
所述主刀梁(2)与副刀梁(3)上均设有泡沫喷嘴(14)；
所述主刀梁(2)为十字分布，所述副刀梁(3)交叉分布，且相邻两个主刀梁(2)与副刀梁(3)之间的夹角为45度；
所述先行贝壳刀(10)和楔齿滚刀(8)按照间距为225mm等间距分布在主刀梁(2)上，所述楔齿滚刀(8)采用17寸滚刀且刀高为170mm，所述先行贝壳刀(10)刀高为200mm，所述切刀(11)间距为200mm，切刀(11)刀高为140mm，所述边缘刮刀(12)刀高为145mm，所述边缘滚刀(13)采用楔齿单刃滚刀，刀高为175mm；
所述盾构刀盘(1)的面板采用加厚型面板，且所述盾构刀盘(1)表面焊接有两圈加强肋板(4)。
2.一种高效切割钢筋混凝土结构的盾构刀盘装置的工作方法，其特征在于，所述工作方法步骤如下：
S1：根据已有的设计资料知悉钢筋型号、布筋方式以及混凝土结构相关参数，据此设计并进行室内磨料射流切割实验，在所建议范围内确定最适于切割主筋(18-1)的磨料浓度w1、磨料直径d1、射流直径d2、和射流压力P1；
S2：根据相关的工程地质勘测报告以及前期的施工资料初步确定钢筋混凝土结构(18)所处的位置；
S3：在常规软土地层中，盾构机以20mm/min的掘进速度，1.5r/min的转速进行掘进，并在其中选取2m的区间进行振幅监测，由振动传感器(16)采集信号，取平均值确定参考振幅A0；
S4：在盾构机进入到距离钢筋混凝土结构(18)最小垂直距离1m范围内，开始分阶段调整掘进参数，在盾构机距离钢筋混凝土结构(18)0.6m时，控制刀盘转速为1.0r/min，掘进速度为13mm/min；在盾构机距离钢筋混凝土结构(18)0.2m时，控制盾构刀盘(1)转速为0.5r/min，掘进速度为10mm/min；
S5：当盾构机距离钢筋混凝土结构(18)0.2m时，通过控制器开启振动传感器(16)，实时采集振动信号，并将信号传递给控制器，此时所测振幅为实测振幅A1，与此同时，加大泡沫喷嘴(14)喷射泡沫剂的量，喷射量为常规软土底层中的1.5倍；
S6：将实测振幅A1与参考振幅A0进行对比，当实测振幅A1显著大于参考振幅A0时，并且盾构机的推力和扭矩有较大程度的增大，此时判断盾构刀盘(1)已接触钢筋混凝土结构(18)；
S7：调整盾构机的掘进参数，将盾构刀盘(1)推进速度调整为7mm/min，转速保持0.5r/min，此时不开启磨料射流发生装置(5)，利用盾构刀盘(1)上所配置的常规刀具进行掘进，先行贝壳刀(10)切割混凝土保护层(18-3)，并且产生等距的多根贝壳刀切割迹线(21)；
S8：随着盾构的推进，与先行贝壳刀(10)间隔布置的楔齿滚刀(8)沿着相邻两根先行贝壳刀切割迹线(21)的中间位置对混凝土结构进行滚压，二次破碎混凝土结构，并且产生楔齿滚刀切割迹线(20)，以此方法对混凝土保护层(18-3)进行破碎，在此过程中，振动传感器(16)一直处于开启状态；
S9：在盾构刀盘(1)首次接触到钢筋混凝土结构(18)并在推进的过程中，时刻监测振动传感器(16)采集所得数据，一旦出现振幅突然增大，远大于切割混凝土时的振幅，并且盾构的推力和扭矩显著增大的现象，判断先行贝壳刀(10)已接触到主筋(18-1)；
S10：同时启动磨料射流发生装置(5)，由盾构机的内部工业水箱(5-1)进行供水，开启高压水泵(5-3)进行加压，经由高压管道(5-2)到达混合仓(5-6)中，与此同时，使磨料罐(5-4)中的磨料进入混合仓(5-6)中，经搅拌器(5-7)搅拌，形成最适于切割上述主筋(18-1)的均匀磨料溶液；
S11：磨料溶液经高压管道(5-2)输送至二次增压泵(5-9)中，二次增压泵(5-9)对磨料溶液进行再次加压，再经由钢制磨料管(5-10)输送至可更换式射流喷嘴(6)中，形成高压磨料射流；
S12：盾构机暂停推进，启动盾构刀盘(1)的扭矩，可更换式射流喷嘴(6)与盾构刀盘(1)共同以0.5r/min的转速空转5min，形成磨料射流切削主筋切口(19)，便于先行贝壳刀(10)的贯入；
S13：调整盾构机的掘进参数，以5mm/min的推进速度，0.5r/min的转速继续推进，高压磨料射流与先行贝壳刀(10)共同切割主筋(18-1)；
S14：当控制器显示振幅突然减小，盾构机的推力和扭矩也突然减小时，依次判断主筋(18-1)已被切断，此时，关闭高压磨料射流发生装置(5)；
S15：继续以5mm/min的推进速度，0.5r/min的转速推进，由盾构刀盘(1)上所布置的常规刀具对钢筋混凝土结构(18)的内部其他钢筋(18-2)以及混凝土结构进行切割；
S16：通过螺旋输送机将钢筋混凝土碎块以及断筋输出，从而实现钢筋混凝土结构(18)的有效破除。
3.根据权利要求2所述的一种高效切割钢筋混凝土结构的盾构刀盘装置的工作方法，其特征在于：所述步骤S11中二次增压泵(5-9)的调节压力为280-340MPa。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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