CN113863946B - 一种穿越呈倾斜状上软下硬地层盾构刀盘刀具的调配方法 - Google Patents
一种穿越呈倾斜状上软下硬地层盾构刀盘刀具的调配方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种穿越呈倾斜状上软下硬地层盾构刀盘刀具的调配方法，适用于盾构机使用。盾构刀盘上设置多组中心刀、盾构刀盘四个方向呈十字形的四组破岩刀、每只破岩刀的左右两侧分别设有一只刮刀、盾构刀盘上螺旋布置多个边刀；当探测到盾构机前进方向的地层为上软下硬地层时，盾构机推进先接触全软地层，随着盾构机的推进硬地层随着分层线逐渐增多，软地层逐渐减少直至从盾构机前方形成的掌子面完全消失，此时盾构机完全进入硬地层施工，通过调整破岩刀为切刀、单刃镶齿滚刀和普通单刃滚刀，分别适应全软、上软下硬、全硬地层，更好发挥镶齿滚刀高效破岩和减振控沉双重作用，适应于呈倾斜状上软下硬地层盾构快速掘进。
Description
技术领域
本发明涉及一种盾构刀盘刀具布置方法，尤其适用于盾构机使用的一种穿越呈倾斜状上软下硬地层盾构刀盘刀具的调配方法。
背景技术
城市地下工程中，砂质粉土属于典型的易液化地层，当存在下卧硬岩地层时，二者构成典型的上软下硬地层。滚刀是硬岩中的常用破岩刀具，但是常规滚刀破岩过程中刀具与岩体线性连续接触，刀盘切削时振动大，易加剧上覆易液化地层沉降。相比常规滚刀，镶齿滚刀将刀具与岩体的线性接触变为不连续的点接触，大幅度改善刀盘旋转过程中的振动，从而更好控制盾构掘进过程中的地表沉降。由于地层常呈倾斜状，盾构将先后经过全软、上软下硬和全硬地层，刀盘配置需要随时调整更换，如果刀具布置方法不合理，将严重制约盾构掘进效率和安全，而目前关于刀盘布置方法研究还不成熟，诸多问题亟需解决。
发明内容
针对现有技术的不足之处，提供一种穿越呈倾斜状上软下硬地层盾构刀盘刀具的调配方法，其方案简单，针对不同的地层硬度可以更换合适的配置，具有广泛的适用性。
为实现上述技术目的，本发明的穿越呈倾斜状上软下硬地层盾构刀盘刀具的调配方法，其特征在于：在盾构刀盘上设置有刀具系统，刀具系统包括多组中心刀，在盾构刀盘的四个方向呈十字形设置四组破岩刀，中心刀、破岩刀为可更换结构，四组破岩刀中的每只破岩刀的左右两侧分别设有一只刮刀，盾构刀盘上螺旋布置多个边刀，盾构刀盘上连接有管路系统，管路系统包括泡沫输送管、超前注浆管和膨润土输送管，其中泡沫输送管与设置在盾构刀盘上的泡沫输送口连接，超前注浆管与设置在盾构刀盘上的超前注浆口，超前注浆管与设置在盾构刀盘上的膨润土输送口，分别实现盾构正常掘进过程中的渣土改良和换刀时的超前注浆加固和掌子面泥膜构建；
具体的调配方法包括：
当探测到盾构机前进方向的地层为上软下硬地层时，所述的上软下硬地层之间分层线为倾斜状态，盾构机推进先接触全软地层，随着盾构机的前进，盾构机的盾构刀盘从下方开始逐渐接触上软下硬的地层分层线，随着盾构机的推进地层分层线从盾构刀盘的下方逐渐向上移动，硬地层随着分层线逐渐增多，软地层逐渐减少直至从盾构机前方形成的掌子面完全消失，此时盾构机完全进入硬地层施工；
当盾构到达上软下硬地层前，盾构刀盘处于全软地层，此时盾构刀盘中心刀采用撕裂刀，破岩刀采用切刀，边刀采用刮刀；
当盾构机刚推进至上软下硬地层分层线时，首先，采用超前注浆管向上部软地层注浆，然后利用膨润土输送口排出掌子面积水，注入膨润土，形成掌子面泥膜；最后，将盾构刀盘的中心刀更换为双刃中心滚刀，破岩刀位置更换为单刃镶齿滚刀，边刀采用刮刀进行盾构推进；
当盾构机离开上软下硬地层完全进入全硬地层后，通过膨润土输送口排出掌子面积水，注入膨润土，形成掌子面泥膜；将破岩刀位置的单刃镶齿滚刀更换为普通单刃滚刀，中心刀采用双刃中心滚刀不变、边刀采用刮刀不变继续推进。
进一步，泡沫输送管、超前注浆管、膨润土输送管管路系统为常规结构，在盾构刀盘上分别设有与泡沫输送管、超前注浆管、膨润土输送管连通的泡沫输送管出口、超前注浆管出口和膨润土输送管出口。
进一步，其中泡沫输送管出口设有五处，分别设置在盾构刀盘上的45°、225°倾角线上距圆心各R/3左右位置处，135°、315°倾角线上距圆心各R/2左右处，270°倾角线上距圆心R左右位置处各设一个输送管孔，用以确保在刀盘旋转前进过程中实现渣土改良；
进一步，超前注浆管出口设有十处，分别设置在盾构刀、盘的12:30、1:30、2:30、3:30、 4:30、7:30、8:30、9:30、10:30、11:30方向靠近刀盘边缘处，用以超前注浆稳定掌子面；
进一步，膨润土输送管出口设有七处，其中四处膨润土输送管出口设置在盾构刀盘上部的1：00、2：00、9：30、10：30方向距圆心R/2处，三处膨润土输送管出口设置在盾构刀盘下部距水平轴线1m～2m范围内，输送膨润土，利于掌子面泥膜形成。
进一步，边刀使用的刮刀切削面通常设计有碳钨合金齿，增强耐磨，切割软土，清理渣土；边刀在盾构刀盘上布置中采用阿基米德螺旋线布置方法，螺旋布刀利于盾构工作面排渣，液流畅通，钻头工作平稳，不会产生谐振现象；边刀随着盾构刀盘旋转前进做类似匀速直线和匀角速度旋转运动，符合阿基米德螺线的轨线规律，避免盾构面底留有岩墙。
进一步，盾构刀盘上的破岩刀数量为20只，紧邻破岩刀的刮刀数量为40只，边刀数量为12只。
进一步，盾构刀盘上中心刀为上下设置的3组，中间一组的中心刀为4只撕裂刀构成，上下两侧的中心刀为2只撕裂刀构成。
有益效果：①全硬地层可使用普通滚刀，亦可使用镶齿滚刀；②易液化和下硬复合地层中采用镶齿滚刀减振控沉；③全软易液化地层全部采用刮刀，降低切削振动，控制沉降。本发明的刀具调配方法适合呈倾斜状易液化地层和下卧硬岩复合地层的盾构高效施工。
附图说明
图1为本发明用于穿越呈倾斜状上软下硬地层盾构刀盘刀具的布置示意图；
图2为本发明用于穿越呈倾斜状上软下硬地层盾构刀盘上的超前注浆管出口和膨润土输送管出口布置示意图；
图3为本发明用于穿越呈倾斜状上软下硬地层盾构刀盘的工作示意图。
图中：1-盾构刀盘，2-中心刀，3-破岩刀，4-边刀，5-刮刀，6-泡沫输送管出口，7-超前注浆管出口，8-膨润土输送管出口。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明：
如图1所示，本发明的穿越呈倾斜状上软下硬地层盾构刀盘刀具的调配方法，在盾构刀盘1上设置刀具系统，刀具系统包括设置多组中心刀2，在盾构刀盘1的四个方向呈十字形设置四组破岩刀3，每只破岩刀3的左右两侧分别设有一只刮刀5，盾构刀盘1上螺旋布置多个边刀4，边刀4为刮刀，中心刀2、破岩刀3为可更换结构，并根据地层硬度选择更换，若地层为全软地层则中心刀使用撕裂刀，破岩刀使用切刀；若地层为上软下硬地层则中心刀使用双刃中心滚刀，破岩刀使用单刃镶齿滚刀；若地层为全硬地层则中心刀不变使用双刃中心滚刀，破岩刀使用普通单刃滚刀；边刀4使用的刮刀切削面通常设计有碳钨合金齿，增强耐磨，切割软土，清理渣土；边刀4在盾构刀盘1上布置采用阿基米德螺旋线布置方法，螺旋布刀利于盾构工作面排渣，液流畅通，钻头工作平稳，不会产生谐振现象；边刀4随着盾构刀盘1旋转前进做类似匀速直线和匀角速度旋转运动，符合阿基米德螺线的轨线规律，避免盾构面底留有岩墙。当盾构处于全软地层，刀盘1全部采用刮刀，其中中心刀2采用撕裂刀，破岩刀3采用切刀。当盾构到达上软下硬地层时，采用超前注浆管7向上部软地层注浆，继而，通过膨润土输送管8排出掌子面积水，注入膨润土，形成掌子面泥膜；最后，将盾构刀盘的中心刀2更换为双刃中心滚刀，破岩刀3位置更换为单刃镶齿滚刀，边刀4、刮刀5保持不变。当盾构远离上软下硬地层后，盾构进入全硬地层，通过膨润土输送管口8排出掌子面积水，注入膨润土，形成掌子面泥膜，将破岩刀3位置单刃镶齿滚刀更换为普通单刃滚刀，中心刀2、边刀4、刮刀5保持不变。盾构刀盘1上的破岩刀3数量为20只，紧邻破岩刀3 的刮刀5数量为40只，边刀4数量为12只。盾构刀盘1上中心刀2为上下设置的3组，中间一组的中心刀为4只撕裂刀构成，上下两侧的中心刀为2只撕裂刀构成。
如图2所示，盾构刀盘1上还布置有泡沫输送管、超前注浆管、膨润土输送管的管路出口，分别实现盾构正常掘进过程中的渣土改良和换刀时的超前注浆加固与掌子面泥膜构建，其中泡沫输送管、超前注浆管、膨润土输送管管路系统为常规结构，在盾构刀盘1上分别设有与泡沫输送管、超前注浆管、膨润土输送管沟通的泡沫输送管出口6、超前注浆管出口7和膨润土输送管出口8：
泡沫输送管出口6设有五处，分别设置在盾构刀盘1上的45°、225°倾角线上距圆心各R/3左右位置处，135°、315°倾角线上距圆心各R/2左右处，270°倾角线上距圆心R左右位置处各设一个输送管孔，用以确保在刀盘旋转前进过程中实现渣土改良。
超前注浆管出口7设有十处，分别设置在盾构刀盘1的12:30、1:30、2:30、3:30、4:30、 7:30、8:30、9:30、10:30、11:30方向靠近刀盘边缘处，用以超前注浆稳定掌子面。
膨润土输送管出口8设有七处，其中四处膨润土输送管出口8设置在盾构刀盘1上部的 1：00、2：00、9：30、10：30方向距圆心R/2处，三处膨润土输送管出口8设置在盾构刀盘1下部距水平轴线1m～2m范围内，输送膨润土，利于掌子面泥膜形成。
如图3所示，当探测到盾构机前进方向的地层为上软下硬地层时，所述的上软下硬地层之间分层线为倾斜状态，盾构机推进先接触全软地层，随着盾构机的前进，盾构机的盾构刀盘(1)从下方开始逐渐接触上软下硬的地层分层线，随着盾构机的推进地层分层线从盾构刀盘(1)的下方逐渐向上移动，硬地层随着分层线逐渐增多，软地层逐渐减少直至从盾构机前方形成的掌子面完全消失，此时盾构机完全进入硬地层施工；
当盾构到达上软下硬地层前，盾构刀盘(1)处于全软地层，此时盾构刀盘(1)中心刀 (2)采用撕裂刀，破岩刀(3)采用切刀，边刀(4)采用刮刀(5)；
当盾构机刚推进至上软下硬地层分层线时，首先，采用超前注浆管(7)向上部软地层注浆，然后利用膨润土输送口(8)排出掌子面积水，注入膨润土，形成掌子面泥膜；最后，将盾构刀盘的中心刀(2)更换为双刃中心滚刀，破岩刀(3)位置更换为单刃镶齿滚刀，边刀(4)采用刮刀(5)进行盾构推进；
当盾构机离开上软下硬地层完全进入全硬地层后，通过膨润土输送口(8)排出掌子面积水，注入膨润土，形成掌子面泥膜；将破岩刀(3)位置的单刃镶齿滚刀更换为普通单刃滚刀，中心刀(2)采用双刃中心滚刀不变、边刀(4)采用刮刀(5)不变继续推进。
Claims (3)
1.一种穿越呈倾斜状上软下硬地层盾构刀盘刀具的调配方法，其特征在于：在盾构刀盘（1）上设置有刀具系统，刀具系统包括多组中心刀（2），在盾构刀盘（1）的四个方向呈十字形设置四组破岩刀（3），中心刀（2）、破岩刀（3）为可更换结构，四组破岩刀（3）中的每只破岩刀（3）的左右两侧分别设有一只刮刀（5），盾构刀盘（1）上螺旋布置多个边刀（4），盾构刀盘（1）上连接有管路系统，管路系统包括泡沫输送管、超前注浆管和膨润土输送管，其中泡沫输送管与设置在盾构刀盘（1）上的泡沫输送管出口（6）连接，超前注浆管与设置在盾构刀盘（1）上的超前注浆口（7）连接，超前注浆管与设置在盾构刀盘（1）上的膨润土输送管，实现盾构正常掘进过程中的渣土改良和换刀时的超前注浆加固和掌子面泥膜构建；
具体的调配方法包括：
当探测到盾构机前进方向的地层为上软下硬地层时，所述的上软下硬地层之间分层线为倾斜状态，盾构机推进先接触全软地层，随着盾构机的前进，盾构机的盾构刀盘（1）从下方开始逐渐接触上软下硬的地层分层线，随着盾构机的推进地层分层线从盾构刀盘（1）的下方逐渐向上移动，硬地层随着分层线逐渐增多，软地层逐渐减少直至从盾构机前方形成的掌子面完全消失，此时盾构机完全进入硬地层施工；
当盾构到达上软下硬地层前，盾构刀盘（1）处于全软地层，此时盾构刀盘（1）中心刀（2）采用撕裂刀，破岩刀（3）采用切刀，边刀（4）采用刮刀（5）；
当盾构机刚推进至上软下硬地层分层线时，首先，采用超前注浆管向上部软地层注浆，然后利用膨润土输送口（8）排出掌子面积水，注入膨润土，形成掌子面泥膜；最后，将盾构刀盘的中心刀（2）更换为双刃中心滚刀，破岩刀（3）位置更换为单刃镶齿滚刀，边刀（4）采用刮刀（5）进行盾构推进；
当盾构机离开上软下硬地层完全进入全硬地层后，通过膨润土输送口（8）排出掌子面积水，注入膨润土，形成掌子面泥膜；将破岩刀（3）位置的单刃镶齿滚刀更换为普通单刃滚刀，中心刀（2）采用双刃中心滚刀不变、边刀（4）采用刮刀（5）不变继续推进；
在盾构刀盘（1）上分别设有与泡沫输送管、超前注浆管、膨润土输送管连通的泡沫输送管出口（6）、超前注浆管出口（7）和膨润土输送管出口（8）；
其中泡沫输送管出口（6）设有五处，分别设置在盾构刀盘（1）上的45°、225°倾角线上距圆心各R/3左右位置处，135°、315°倾角线上距圆心各R/2左右处，270°倾角线上距圆心R左右位置处各设一个泡沫输送管出口（6），用以确保在刀盘旋转前进过程中实现渣土改良；
超前注浆管出口（7）设有十处，分别设置在盾构刀盘（1）的12:30、1:30、2:30、3:30、4:30、7:30、8:30、9:30、10:30、11:30方向靠近盾构刀盘边缘处，用以超前注浆稳定掌子面；
膨润土输送管出口（8）设有七处，其中四处膨润土输送管出口（8）设置在盾构刀盘（1）上部的1：00、2：00、9：30、10：30方向距圆心R/2处，三处膨润土输送管出口（8）设置在盾构刀盘（1）下部距水平轴线1m~2m范围内，输送膨润土，利于掌子面泥膜形成；
边刀（4）使用的刮刀切削面设计有碳钨合金齿，增强耐磨，切割软土，清理渣土；边刀（4）在盾构刀盘（1）上布置中采用阿基米德螺旋线布置方法，螺旋布刀利于盾构工作面排渣，液流畅通，钻头工作平稳，不会产生谐振现象；边刀（4）随着盾构刀盘（1）旋转前进做类似匀速直线和匀角速度旋转运动，符合阿基米德螺线的轨线规律，避免盾构面底留有岩墙。
2.根据权利要求1所述穿越呈倾斜状上软下硬地层盾构刀盘刀具的调配方法，其特征在于：盾构刀盘（1）上的破岩刀（3）数量为20只，紧邻破岩刀（3）的刮刀（5）数量为40只，边刀（4）数量为12只。
3.根据权利要求1所述穿越呈倾斜状上软下硬地层盾构刀盘刀具的调配方法，其特征在于：盾构刀盘（1）上中心刀（2）为上下设置的3组，中间一组的中心刀（2）为4只撕裂刀构成，上下两侧的中心刀（2）为2只撕裂刀构成。
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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 | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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