CN114517684B - 一种漂石地层土压平衡盾构楔击刀安装结构及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种漂石地层土压平衡盾构楔击刀安装结构及设计方法，该楔击刀安装结构包括楔击刀，安装在盾构刀盘的刀箱内；所述楔击刀整体呈上部大下部小，包括所述上部的扩大刀头和下部的柱状刀身，所述刀头和刀身布置有合金块；所述楔击刀采用销接安装在刀盘的刀箱内，并且刀具底部与刀箱底部之间设置有缓冲复位机构，所述缓冲复位机构包括楔击刀底部外形构造和缓冲回弹装置。本发明提供的一种漂石地层土压平衡盾构楔击刀安装结构及设计方法，通过对楔击刀安装结构进行设计得到能够在富含大粒径漂石地层中应用的土压平衡盾构楔击刀。拓展了土压平衡盾构施工的应用领域，提高了漂石地层中土压平衡盾构施工的掘进效率。

Description

一种漂石地层土压平衡盾构楔击刀安装结构及设计方法

技术领域

本发明涉及盾构施工技术领域，尤其是盾构施工中的盾构刀盘、刀具设计，具体是一种漂石地层土压平衡盾构楔击刀安装结构及设计方法。

背景技术

盾构施工技术凭借其安全、可靠、快速、经济、环保等优势广泛应用于各大城市工程施工中，盾构施工技术已成为国内外常用的市政轨道交通施工方法，土压平衡盾构机较为常用，土压平衡盾构的施工原理是通过开挖土体与掌子面土体形成平衡以保证掌子面稳定，进而持续掘进施工。

土压平衡盾构掘进地层主要依靠刀盘及安装在刀盘上的刀具完成。目前，针对不同的地质条件，盾构掘进时破岩所用的刀具主要有滚刀及刮刀两种。其中，滚刀主要用于硬岩地层，刮刀主要应用于软土和松散地层。而对于富含大粒径卵、漂石的地层来说，当滚刀作用于卵石上时，卵石易发生移动，即滚刀无法对卵石形成压入效果，起裂区无法形成。另外在盾构进行掘进的过程中，大粒径卵、漂石会随着刀盘的转动而移动，极易造成滚刀偏磨，因而破岩效率极低，因此在大粒径卵漂石地层中不适合采用滚刀作为主破岩刀进行破岩。

刮刀适用于强度较低的粘土质地层或粒径较小的砂卵石松散地层等地质环境，即通过盾构的推进将掌子面的土（或小粒径卵石）逐层切削，进而完成隧道的掘进。而对于卵漂石含量高、粒径大、强度高及磨蚀性强的大粒径卵漂石地层，刮刀不仅无法将大粒径卵漂石破碎，且由于地层的强磨损性，刮刀的寿命会大大降低，因此刮刀也不适合作为主切削刀用于大粒径卵漂石地层的开挖。

现行的通用刀具对大粒径的卵漂石地层是不适用的，因此，有必要提出一种针对大粒径卵漂石抗压强度高、抗拉强度低的力学特征的新型刀具。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提出一种漂石地层土压平衡盾构楔击刀安装结构及设计方法，旨在通过对楔击刀本身结构及其安装方式的特殊设计，以提升楔击刀在漂石地层土压平衡盾构掘进中破碎地层中大粒径漂石的效率及刀具自身冲击能力、耐磨性，最终达到提升盾构掘进效率的目的。

本发明是这样实现的：

一种漂石地层土压平衡盾构楔击刀安装结构，该楔击刀安装结构包括楔击刀，其安装在盾构刀盘的刀箱内：

所述楔击刀整体呈上大下小，包括上部扩大的刀头和下部柱状的刀身，刀头和刀身布置有合金块；

所述楔击刀采用销接安装在刀盘的刀箱内，并且刀具底部与刀箱底部之间设置有缓冲复位机构，缓冲复位机构包括：缓冲回弹装置和楔击刀底部外形构造，并且

所述缓冲回弹装置为：刀具下方设置一限位板，刀具底部与该限位板接触，限位板下方与刀箱底部之间设置弹性件；

所述楔击刀底部外形构造允许刀具转动时驱动限位板下移压缩所述弹性件。

在一些实施例中，所述楔击刀刀头和/或刀身截面形状为长圆形或跑道型；楔击刀的刀头顶部四周进行圆弧形倒角。

在一些实施例中，所述合金块布置具体为：刀头两侧及中间采用整体贯通大合金块，刀身布置包围式、非贯通硬质合金片。

在一些实施例中，所述楔击刀底部外形构造为：刀具的底面采用中间平面+两角圆弧面的外形。

在一些实施例中，所述弹性件为高强度弹簧。

在一些实施例中，所述弹性件下部与刀箱底部之间增设一封底板，限位板下部与弹性件上端连接，弹性件下端与封底板连接，封底板通过螺栓固定在刀箱底部上。

在一些实施例中，该楔击刀安装结构还包括刀箱密封机构，刀箱密封机构包括环形固定板和环形滑动板，环形固定板固定在刀箱顶面，环形滑动板设置在环形固定板与刀箱顶面之间，环形滑动板紧密围合楔击刀的刀身四周，环形滑动板能够跟随刀具的左右摆动而水平移动。

在一些实施例中，所述刀箱密封机构还包括橡胶密封圈，该橡胶密封圈设置在环形滑动板的内圈与楔击刀的刀身四周之间。

在一些实施例中，以等效固定机构替换所述缓冲复位机构，即刀具底部与刀箱底部之间设置等效固定机构，所述等效固定机构包括刀具下方设置一限位板，刀具底部与该限位板接触，限位板下部与刀箱底部之间设置刚性材料。

一种漂石地层土压平衡盾构楔击刀安装结构的设计方法，包括如下步骤：

（1）分析大粒径漂石性质特征；

（2）根据大粒径漂石性质特征，分析楔击刀的楔击碎石原理，整个楔击碎石过程分为：凿入变形——形成压实核——扩展裂纹——漂石破碎四个阶段；

（3）根据楔击刀的楔击碎石原理，确定楔击刀设计原则，楔击刀的设计首先应具备楔击破碎大粒径漂石的能力，其次在破碎漂石的同时应降低自身被反作用力破坏的可能性；

（4）根据楔击刀设计原则，进行楔击刀设计，包括：

第一步，刀具自身结构设计：楔击刀整体呈上大下小，包括上部扩大的刀头和柱状下部的刀身；

第二步，合金块布置设计：刀头两侧及中间采用整体贯通大合金块，刀身布置包围式、非贯通硬质合金片；

第三步，刀具安装形式设计：楔击刀的安装方式采用销接，在楔击刀冲击漂石时，允许楔击刀发生可恢复的有限转动；

设计完成，得到能够在富含大粒径漂石地层中应用的土压平衡盾构楔击刀安装结构。

本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明提出了一种漂石地层土压平衡盾构楔击刀安装结构及设计方法，使得土压平衡盾构能够在富含大粒径漂石地层中应用，拓宽了土压平衡盾构的应用范围，提高了该类地层隧道建设的效率。具体而言，有如下显著的有益效果：

（1）明确了刀具结构，减小了刀具与漂石地层的接触面积，提高了刀具对漂石地层的冲击压强，更有效地破碎漂石；

（2）确定了刀具基体及合金块的具体布置形式，降低了刀具在漂石地层中的基体磨损，提高了刀具在漂石地层中的耐冲击、耐磨损性能；

（3）设置的缓冲复位机构，保证了刀具在破碎漂石时能够通过该机构获得一定的缓冲，确保了刀具不被反作用力破坏，避免了频繁更换刀具而影响的掘进效率，延长了刀具的使用时间，有效的节省了施工工期；

（4）设置的刀箱密封机构，保证了刀具掘进漂石地层时，刀箱内部与漂石地层的相互隔绝，避免了渣土进入刀箱内部造成的缓冲复位机构的失效。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。

图1为一个实施例的楔击刀楔击漂石示意图；

图2为一个实施例的楔击刀刀头截面示意图；

图3为一个实施例的楔击刀正面示意图；

图4为一个实施例的楔击刀侧面示意图；

图5为一个实施例的楔击刀整体合金块布置示意图；

图6为一个实例的楔击刀刀头合金块布置示意图；

图7为一个实施例的楔击刀刀身合金块布置示意图；

图8为一个实施例的整体安装结构示意图；

图9为一个实施例的楔击刀发生转动对比示意图；

图10为一个实施例的刀箱密封结构示意图；

图11为另一个实施例的整体安装结构示意图；

图12为一个实施例的高强度弹簧压缩量计算分析示意图；

图13为不同初始角度下刀具下部外形构造示意图；

图14为不同初始角度对弹簧压缩量的影响分析图；

图15为不同圆弧半径下刀具下部外形构造示意图；

图16为不同圆弧半径对弹簧压缩量的影响分析图；

图17为圆弧半径及初始角度对弹簧压缩量的影响分析图；

图18为一个实施例的高强度弹簧反力计算模型示意图；

图19为现有技术中楔击刀楔击过程示意图，其中（a）为楔击刀凿入变形阶段，（b）为为楔击刀形成压实核阶段。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在本发明的描述中，术语“包括/包含”、“由……组成”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。

需要理解的是，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。

还需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中心”等指示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、部件或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，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”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以下结合较佳的实施方式对本发明的实现进行详细的描述。

现有刀具设计及配置技术，无论是刮刀还是滚刀都很难破碎地层中的大粒径漂石，导致盾构在富含大粒径漂石地层中施工困难，限制盾构法应用的范围。因此本发明结合地层中大粒径漂石自身特点，通过设计新型刀具，宗旨是解决土压平衡盾构在漂石地层中掘进时破碎大粒径漂石的问题，进而扩展盾构法的应用范围。

基于此，本发明从刀具的设计过程着手，从地层特性、碎石机理等根本和直接影响因素，设计刀具结构，以满足需求。

首先，分析大粒径漂石自身性质特征：

地层中的大粒径漂石本质上是在岩石经水流或冰川搬运而成的石块，其具备岩石的基本材料特征。岩石的抗拉特性是岩石的一种重要特性。很多岩石结构发生破坏或失稳往往是由于结构本身局部或者整体承受拉应力引起的。同时，由于岩石抗拉强度远低于抗压强度，这一特性在岩石破碎工程中得到了广泛的应用。例如：“军事博物馆站~东钓鱼台站”区间地层岩石试件平均抗压强度124.76MPa，最大抗压强度314.96MPa；岩石试件平均抗拉强度8.49MPa，最大抗拉强度17.54MPa；试验结果表明围岩的抗压强度极高，压碎破岩难度大，非常不利于刀盘、刀具的长距离掘进；相反，劈裂试验强度相对要低很多，因此可从楔击劈裂破岩机理出发实现盾构在富含大粒径漂石地层中的顺利掘进。

基于大粒径漂石自身性质特征，分析楔击刀的楔击碎石机理：

如图19，楔击刀的冲击刀头1在高转速下由位置A（未凿入）以冲击速度V前进到位置B（凿入），在漂石的楔击处，由里向外依次形成破坏区2、塑性变形区3和弹性变形区4。楔击刀冲击漂石后在漂石中形成压实区5，并最终形成压实核6（压实和储能），这个压实核所聚积的能量能代替楔击刀的刀尖向周围的地层传递冲击力。楔击刀的继续前进，压力的进一步增大，使因冲击作用产生的拉应力、剪应力与漂石中业已存在的微裂纹相结合，岩体在拉、剪应力的作用下，微裂纹扩展、交汇形成宏观的赫兹裂纹和剪切裂纹，随着楔击刀的进一步向前推进和压力继续增大，宏观的裂纹进一步扩展，随着刀盘的转动，同一轨迹上的楔击刀多次锤击岩体，从而达到破碎漂石的效果。整个破碎过程可以表达为：凿入变形——形成压实核——扩展裂纹——漂石破碎4个阶段。以上楔击刀冲击劈裂的4个阶段，是将刀具从开始冲击凿入漂石到漂石被破碎作为一个循环。

基于楔击刀的楔击碎石机理，确定楔击刀设计原则：

针对大粒径漂石地层，基于楔击碎石原理及过程分析，对楔击刀的设计方法进行研究，确定楔击刀的设计方法，并形成可被广泛应用的楔击刀。楔击刀针对地层中大粒径漂石，首先楔击刀的设计应具备楔击破碎大粒径漂石的功能，其次楔击刀在破碎漂石的同时应降低自身被反作用力破坏的可能性，基于以上两点确定楔击刀设计原则：

楔击刀设计原则一：高效的碎石作用

影响漂石破碎效果的关键因素为刀具与漂石相互作用时对漂石的作用力，这里的作用力理解为楔击刀对漂石的冲击压强，在力确定的条件下，尽量减小接触面积可提高冲击压强，更利于漂石的破碎。

楔击刀设计原则二：优秀的自身强度

由于漂石强度较高，相对来说普通软土刀具（刮刀）的强度较低，在冲击漂石时极易造成刀具损伤。因此在楔击刀设计时需对刀具的强度进行重点关注。盾构刀具一般由两部分组成：基体及合金块，基体为刀具的主体部分，合金块镶嵌在基体上，合金块具有很高的强度及硬度，镶嵌的位置一般为刀具较易发生磨损处，起到抗冲击、抗磨损的作用。刀具通过增加合金块可以有效地降低刀具在漂石地层中的基体磨损，优化刀具上硬质合金的布置方式提高刀具在漂石地层中的耐冲击、耐磨损性能。

楔击刀设计原则三：合理的安装形式

大粒径漂石地层盾构刀具频繁冲击漂石，极易造成刀具损伤，同时也会导致刀具焊接位置处开裂。因此选择合理的楔击刀安装形式对于减少楔击刀损伤、提高楔击刀寿命有着重要作用。

基于以上设计原则，对楔击刀进行设计，包括：

第一步，刀具自身结构设计；

第二步，合金块布置设计；

第三步，刀具安装形式设计。

通过本发明的设计过程，得到一种适用于漂石地层的土压平衡盾构楔击刀安装结构，包括楔击刀10，其安装在盾构刀盘的刀箱20内，如图8所示。下面结合各具体示图，对楔击刀安装结构进行具体阐述。

关于刀具自身结构设计，本发明中，如图1~4所示，楔击刀10整体呈上大下小，其中上部为扩大的刀头，下部为柱状的刀身，整体呈锤子造型。通过设计上大下小的锤子造型，扩大的刀头能够提高刀具的整体耐用性，更利于漂石的破碎。

在一些实施例中，楔击刀10顶部四周进行圆弧形倒角。通过圆弧形倒角减小了掘进过程中楔击刀10与漂石地层的接触面积，提高冲击压强，能够降低刀具楔击漂石时发生损伤。

在一些实施例中，楔击刀10通体长200mm，高190mm。楔击刀10刀头截面形状为长圆形，或者跑道型，较佳的，刀头长200mm，宽100mm，即厚度不小于100mm，高80mm。倒角所形成的内圈长160mm，宽60mm。楔击刀刀身截面形状为长圆形，或跑道型，较佳的，刀身长160mm，宽60mm，即厚度60mm，高110mm。根据以往经验设计出上述尺寸，刀具更耐磨损、更抗冲击。

关于合金块布置设计，本发明中，楔击刀10刀头和刀身布置有合金块，使楔击刀10具有很高的强度和硬度。如图5~7所示，楔击刀10由基体103和合金块两部分组成，楔击刀10刀头两侧及中间采用整体贯通大合金块101设计，提高楔击刀10抗冲击能力；楔击刀10刀身布置包围式、非贯通硬质合金片102，提高楔击刀10在漂石地层中的耐磨性。

关于刀具安装形式设计，本发明中，如图8所示，楔击刀10采用销轴100销接安装在刀盘的刀箱20内，并且刀具底部与刀箱20底部之间设置有缓冲复位机构，缓冲复位机构包括缓冲回弹装置和楔击刀底部外形构造两部分，缓冲回弹装置为刀具下方设置一限位板30，刀具底部与该限位板30接触，限位板30底部与刀箱20底部之间设置弹性件40，楔击刀底部外形构造允许刀具转动时驱动限位板30向下移动而压缩弹性件40。采用销接避免了楔击刀10安装处由于频繁作用导致断裂失效，销轴100同时是刀具的转动轴，允许楔击刀10冲击漂石时发生可恢复的有限转动，在保证大粒径漂石破碎的基础上，降低漂石对楔击刀10的冲击作用；在楔击刀未冲击地层中大粒径漂石时，安装机构给楔击刀提供充足的反力，缓冲复位机构保证了刀具在受到漂石地层的冲击缓解或消除后能够复位，使楔击刀始终处于垂直于刀盘界面的位置。

在一些实施例中，楔击刀底部外形构造采用刀具底部的底面为中间平面+两侧圆弧面的外形，作为楔击刀缓冲及复位的基础，通过对楔击刀底部的外周形式进行设计实现刀具转动时限位板的下移，缓冲回弹装置的原理为：

如图9，楔击刀的底部表面由中间一段水平面+两侧圆弧面组成，初始状态时刀具下部水平面与限位板接触；当楔击刀受到漂石的反作用力发生转动时，由于楔击刀底部的外形设计，水平面与圆弧面的交界点开始与限位板发生接触，显而易见，限位板与刀具销轴之间的距离增加，由于销轴位置固定，导致限位板向下移动，弹性件40采用高强度弹簧，高强度弹簧压缩，随着弹簧压缩量变大，楔击刀旋转阻力越大，实现缓冲作用；冲击完成之后，此时楔击刀切削地层中的非大粒径漂石部分，刀具所受的地层反力减小，弹簧储蓄的弹性势能释放，推动楔击刀恢复至初始位置状态。

本发明中，弹性件40为高强度弹簧，结构简单，便于操作及安装；高强度弹簧下部与刀箱20底部之间增设一封底板90，限位板30下部与高强度弹簧上部连接，高强度弹簧下部与封底板90连接，封底板90通过螺栓固定在刀箱20底部上。封底板90的安装保证了缓冲复位机构损伤时，拆卸安装方便，便于及时修理刀具。

继续参见10，楔击刀10安装结构还包括刀箱密封机构，刀箱密封机构包括环形固定板50、环形滑动板60和橡胶密封圈70，环形固定板50固定在刀箱20顶面，环形滑动板60设置在环形固定板50与刀箱20顶面之间，环形滑动板60紧密围合楔击刀10的刀身四周，环形滑动板60能够跟随刀具的左右摆动而水平移动，橡胶密封圈70设置在环形滑动板60的内圈与楔击刀10的刀身四周之间，保证了刀箱20内部与漂石地层相互隔绝，避免渣土进入刀箱20内部造成的缓冲复位机构失效。

本发明中，如图11所示，作为另一个实施例，用等效固定机构替换缓冲复位机构，等效固定机构包括刀具下方设置一限位板30，刀具底部与该限位板30接触，限位板30下部与刀箱20底部之间设置刚性材料80，用于限制楔击刀10的左右摆动，将楔击刀10等效固定安装在刀盘上，此种情况下可提供最大的碎石能力，但同时刀具损伤的可能性也较高。

本发明采用中间平面+两侧圆弧面的楔击刀底部外形构造，并对安装机构的参数进行定量分析：

建立数学模型，对底部不同外观形状对安装机构性能的影响进行分析，首先分析底部外观形状对楔击刀旋转时的弹簧压缩量，如图12所示，其中R为圆弧半径，α为初始角度，Δl为所求压缩量，δ为刀具旋转角度。

将刀具未旋转称为初始状态，刀具未旋转时，旋转轴中心距离限位板为l ₀，当刀具旋转角度为δ时，旋转轴中心距离限位板为l ₁，则弹簧压缩量Δl为：

其中l ₁、l ₀分别为：

联立上式可得：

由上式可知：压缩量与刀具的外部尺寸及旋转量有直接关系。

接下来分析各个参数对压缩量的影响，分析中假定刀具宽度B为160mm。

首先，分析圆弧半径R固定，初始角度α改变对不同旋转角度δ条件下压缩量的影响。圆弧半径R=150mm，初始角度α取值为14~30°，旋转角度取值为1~13°，此种条件下刀具下部形状如图13所示，图13列举了初始角度为15°及30°的情况。

图14展示了不同初始角度α条件下，弹簧压缩量Δl与刀具旋转角度δ之间的关系。由图14可知，随着旋转角度δ增大，弹簧压缩量Δl也随之增大，较大的初始角度会引起更大的增长速率，实际工程中可根据具体条件设置合适的初始角度α。

接下来，分析初始角度α固定，圆弧半径R改变对不同旋转角度δ条件下压缩量的影响。初始角度α=20°，圆弧半径R取值为120~200mm，旋转角度取值为1~13°，此种条件下刀具下部形状如图15所示，图15列举了圆弧半径R为120mm及200mm的情况。

图16展示了不同圆弧半径R条件下，弹簧压缩量Δl与刀具旋转角度δ之间的关系。由图16可知，随着旋转角度δ增大，弹簧压缩量Δl也随之增大，较大的圆弧半径R会引起更大的增长速率，实际工程中可根据具体条件设置合适的圆弧半径R。

最后，分析在旋转角度为8°的条件下，刀具下部形状对弹簧压缩量Δl的影响，如图17所示。由图17可知，弹簧压缩量Δl的范围约为0~13mm，且圆弧半径R及初始角度α越大，相同旋转角度下弹簧压缩量越大。

安装机构的一个重要作用是保证刀具能够复位，即刀具在不冲击大粒径漂石时，刀具能够在高强度弹簧的作用下回归初始位置。因此，需要对刀具所需的复位力进行计算，计算模型如图18所示。

为满足复位要求，需保证当刀具处于原始位置时，弹簧反力可与刀具切削地层时（非冲击大粒径漂石时）受力平衡。根据已有研究成果，结合楔击刀形式，可知楔击刀切削地层时最大约为35kN，根据刀具形式估算刀具顶端至转轴中心距离A为300mm，弹簧反力作用点距离转轴垂线的距离为60mm，根据力矩平衡原则，保证刀具复位的弹簧反力约为175kN。

本发明通过对安装机构的参数进行定量分析，在设计中可以根据不同工程需求确定刀具底部的外观尺寸，为高强度弹簧的自身参数确定提供基础，包括实际工程中根据具体条件设置合适的初始角度α、根据具体条件设置合适的圆弧半径R，以及设定高强度弹簧的预压缩量、高强度弹簧的劲度系数等参数，让工程技术人员在不同工程情况下可以根据本发明提供的设计方法对刀具底部的结构进行合理地设计，使得刀具更加适合具体工程，以匹配不同地层大粒径漂石的破碎需要。

本发明还提供了一种漂石地层土压平衡盾构楔击刀安装结构的设计方法，包括如下步骤：

（1）分析大粒径漂石性质特征；

（2）分析楔击刀10的楔击碎石原理，整个楔击碎石过程分为：凿入变形——形成压实核——扩展裂纹——漂石破碎4个阶段；

（3）确定楔击刀10设计原则，楔击刀10的设计首先应具备楔击破碎大粒径漂石的功能，其次楔击刀10在破碎漂石的同时应降低自身被反作用力破坏；

（4）进行楔击刀10设计，包括：

第一步，刀具自身结构设计；

第二步，合金块布置设计；

第三步，刀具安装形式设计；

设计完成，得到能够在富含大粒径漂石地层中应用的土压平衡盾构楔击刀10安装结构。

本发明提出了一种漂石地层土压平衡盾构楔击刀安装结构及设计方法，通过对楔击刀的结构形式、合金块的布置、刀具结构的安装方式进行特殊设计，使得土压平衡盾构能够在富含大粒径漂石地层中应用，拓宽了土压平衡盾构的应用范围，提高了在漂石地层隧道建设中的掘进效率。

本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种漂石地层土压平衡盾构楔击刀安装结构，该楔击刀安装结构包括楔击刀，其安装在盾构刀盘的刀箱内，其特征在于：

所述楔击刀整体呈上大下小，包括上部扩大的刀头和下部柱状的刀身，刀头和刀身布置有合金块；

所述楔击刀采用销接安装在刀盘的刀箱内，并且刀具底部与刀箱底部之间设置有缓冲复位机构，缓冲复位机构包括：缓冲回弹装置和楔击刀底部外形构造，并且

所述缓冲回弹装置为：刀具下方设置一限位板，刀具底部与该限位板接触，限位板下方与刀箱底部之间设置弹性件；

所述楔击刀底部外形构造允许刀具转动时驱动限位板下移压缩所述弹性件；所述楔击刀底部外形构造为：刀具的底面采用中间平面+两角圆弧面的外形。

2.根据权利要求1所述的楔击刀安装结构，其特征在于：

所述楔击刀的刀头和/或刀身截面形状为长圆形或跑道型。

3.根据权利要求1或2所述的楔击刀安装结构，其特征在于：

所述楔击刀的刀头顶部四周进行圆弧形倒角。

4.根据权利要求1所述的楔击刀安装结构，其特征在于：

所述合金块布置具体为：刀头两侧及中间采用整体贯通大合金块。

5.根据权利要求1或4所述的楔击刀安装结构，其特征在于：

所述刀身布置包围式、非贯通硬质合金片。

6.根据权利要求1所述的楔击刀安装结构，其特征在于：

所述弹性件为高强度弹簧。

7.根据权利要求1所述的楔击刀安装结构，其特征在于：

所述弹性件下部与刀箱底部之间增设一封底板，限位板下部与弹性件上端连接，弹性件下端与封底板连接，封底板通过螺栓固定在刀箱底部上。

8.根据权利要求1所述的楔击刀安装结构，其特征在于：

该楔击刀安装结构还包括刀箱密封机构，刀箱密封机构包括环形固定板和环形滑动板，环形固定板固定在刀箱顶面，环形滑动板设置在环形固定板与刀箱顶面之间，环形滑动板紧密围合楔击刀的刀身四周，环形滑动板能够跟随刀具的左右摆动而水平移动。

9.根据权利要求8所述的楔击刀安装结构，其特征在于：

所述刀箱密封机构还包括橡胶密封圈，该橡胶密封圈设置在环形滑动板的内圈与楔击刀的刀身四周之间。

10.一种根据权利要求1~9任一项所述漂石地层土压平衡盾构楔击刀安装结构的设计方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）分析大粒径漂石性质特征；

（2）根据大粒径漂石性质特征，分析楔击刀的楔击碎石原理，整个楔击碎石过程分为：凿入变形——形成压实核——扩展裂纹——漂石破碎四个阶段；

（3）根据楔击刀的楔击碎石原理，确定楔击刀设计原则，楔击刀的设计首先具备楔击破碎大粒径漂石的能力，其次在破碎漂石的同时能够降低自身被反作用力破坏的可能性；

（4）根据楔击刀设计原则，进行楔击刀设计，包括：

第一步，刀具自身结构设计：楔击刀整体呈上大下小，包括上部扩大的刀头和柱状下部的刀身；

第二步，合金块布置设计：刀头两侧及中间采用整体贯通大合金块，刀身布置包围式、非贯通硬质合金片；

第三步，刀具安装形式设计：楔击刀的安装方式采用销接，在楔击刀冲击漂石时，允许楔击刀发生可恢复的有限转动；

设计完成，得到能够在富含大粒径漂石地层中应用的土压平衡盾构楔击刀安装结构。

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