CN116163752B - 一种盾构防积渣破岩滚刀以及控制系统、方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构防积渣破岩滚刀以及控制系统、方法，属于盾构隧道工程技术领域。盾构防积渣破岩滚刀包括：安装在刀盘表面的破岩滚刀；其中，破岩滚刀包括刀筒、安装在刀筒内的滚刀刀具、设于刀筒和滚刀刀具之间的刀筒间隙、填充于刀筒间隙内的润滑介质以及连接于刀筒的振动控制器。所述系统还包括：压力传感器、操作控制平台、泵站、以及物料填充系统。所述方法通过压力传感器将刀筒间隙内的介质压力实时反馈给操作控制平台，并以为目标向泵站不断发出脉冲信号，本发明保证了滚刀刀具在破岩过程的滚动自转，滚刀减磨和防积渣效果良好；当刀筒间隙出现异常积渣时，通过振动控制器输入泥浆动载荷，可有效清除刀筒异常积渣，达到刀筒防积渣和滚刀高效破岩的效果。

Description

一种盾构防积渣破岩滚刀以及控制系统、方法

技术领域

本发明属于盾构隧道工程技术领域，具体涉及一种盾构防积渣破岩滚刀以及控制系统、方法。

背景技术

盾构刀具是切削破碎岩土的关键部件，针对隧道所处的地质地层特点，需要配置不同类型的刀具开挖掌子面。当盾构机在全断面硬岩地层、复合地层掘进时，通常会在刀盘面板布置一定数量的滚刀刀具，通过滚刀滚压切削实现对硬岩地层的高效破岩。

由于滚刀特殊的结构特征，刀具与刀筒之间存在间隙，长时间滚刀破岩形成的细小渣土颗粒容易滞留间隙引起刀筒积渣，进而导致滚刀滚动失效造成刀具偏磨。滚刀偏磨属于刀具的非正常磨损，也是硬岩地层中盾构施工最常见的滚刀损坏形式。如何保证硬岩地层滚刀破岩过程的正常滚动自转，避免或减少因刀筒积渣引起的滚刀非正常磨损，是提高盾构滚刀破岩效率亟待突破的技术难题。

当前，针对滚刀刀筒积渣的防治措施包括：提高滚刀换刀频率，或采用刀筒间隙放置木屑材料，或利用水流冲洗间隙等方法。实际施工过程，上述方法均会引起刀筒间隙的严重积渣，且水流冲洗的方法无法冲洗堵塞密实的刀筒间隙，还会引起盾构机开挖仓内泥浆的稀释，滚刀偏磨破坏仍然频繁发生。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供一种盾构防积渣破岩滚刀以及控制系统、方法，所述破岩滚刀同时具有减磨和防积渣功能，保证盾构机滚刀破岩过程正常滚动自转的同时，还可避免因刀筒积渣引起的刀具非正常磨损。

本发明采用的技术方案如下：一种盾构防积渣破岩滚刀，安装于盾构机的刀盘表面；所述破岩滚刀为双刃滚刀，包括：刀筒，安装于所述刀盘表面；

滚刀刀具，可转动的安装在所述刀筒内；所述滚刀刀具与所述刀筒的内壁之间留有预定距离形成刀筒间隙；

所述刀盘通过旋转和推进作用，带动所述双刃滚刀围绕刀盘的中心做圆周运动生成滚刀切削轨迹线，同时滚刀刀具在所述刀筒内滚动自转；所述滚刀切削轨迹线沿竖直径向具有切削轨迹最高点和切削轨迹最低点；所述刀盘承受的外界压力从切削轨迹最高点至切削轨迹最低点逐渐增大。

在进一步的实施例中，还包括：润滑介质，填充于所述刀筒间隙内；定义所述润滑介质保持的压力为介质压力P_介质，刀盘承受的外界压力为P_水土，则介质压力P_介质与外界压力P_水土的大小关系如下： 表示刀盘承受的外界压力的最大值；P_水土＝P_水+P_土，P_水为刀盘承受的水压力，P_土为刀盘承受的土压力。

通过采用上述技术方案，保证滚刀刀具在充满润滑介质的环境下可正常滚动破岩。

在进一步的实施例中，所述刀筒包括：本体，其内部设有预定形状的容纳腔；所述容纳腔被设置为容纳所述双刃滚刀；

注入通道，设于所述本体上并与所述刀筒间隙相通；所述注入通道由相互独立的N个通道组成，N为大于等于1的整数；所述润滑介质经所述注入通道进入所述刀筒间隙内充盈并保持所需的介质压力。

通过采用上述技术方案，保证润滑介质可根据压力需求注入到刀筒间隙内，实现介质压力大于外界压力，从而保证双刃滚刀的自转滚压破岩。

在进一步的实施例中，所述润滑介质为具有一定稠度和浓度的细泥浆。在本实施例中，细泥浆的稠度和浓度能够保证双刃滚刀在开挖时正常转动滚压破岩。

在进一步的实施例中，所述润滑介质可根据不同地层施工条件，通过盾构机出渣的泥浆经过筛分、沉淀过滤后，经添加不同配比的外加剂混合搅拌而成。

通过采用上述技术方案，填充一定的润滑介质防止刀筒间隙被堵塞，避免双刃滚刀因刀筒积渣出现刀具偏磨等非正常磨损。

一种盾构防积渣破岩滚刀控制系统，包括：如上所述的破岩滚刀，实时监测刀筒间隙内介质压力的压力传感器，连接于压力传感器输出端的操作控制平台，连接于操作控制平台输出端的泵站，以及连接于所述泵站的物料填充系统；其中，所述泵站还连通于注入通道。

在进一步的实施例中，还包括：振动控制器，其一端连接于注入通道，另一端连接于操作控制平台。

通过采用上述技术方案，当出现积渣异常时，可有效且及时的将异常积渣排出。

一种盾构防积渣破岩滚刀控制方法，至少包括以下步骤：

将润滑介质经注入通道以脉冲形式输送至刀筒间隙中，压力传感器将刀筒间隙内的介质压力实时反馈给操作控制平台，并以为目标向泵站不断发出脉冲信号，使所述刀筒间隙中充满所需压力的润滑介质，保证所述滚刀刀具通过自转滚压破裂掌子面产生岩石裂隙进行破岩。

若介质压力短时间内急剧增大，即P_介质＞＞P_水土，则表示为刀筒间隙内出现异常积渣，启动振动控制器对当前的润滑介质施加动荷载，通过改变振动参数使异常积渣排出刀筒间隙。

在进一步的实施例中，所述振动参数至少包括：频率、振幅、波形、以及循环次数。

通过采用上述技术方案，使所述异常积渣排出刀筒间隙，从而实现刀筒无积渣、滚刀继续破岩。

本发明的有益效果：本发明与现有技术相比优点如下：采用一定浓稠度的细泥浆充填刀筒间隙，并保持压力状态抵抗刀筒外的外界压力，保证了滚刀刀具在破岩过程的滚动自转，滚刀减磨和防积渣效果良好；当刀筒间隙出现异常积渣时，通过振动控制器输入泥浆动载荷振动参数，可有效清除刀筒异常积渣，达到刀筒防积渣和滚刀高效破岩的效果。

附图说明

图1为实施例1中盾构隧道掘进过程刀盘受力分布示意图；

图2为实施例1中双刃滚刀结构示意图；

图3为图2中B-B剖面示意图；

图4为实施例2中破岩滚刀控制系统的连接关系图；

图5为实施例3中破岩滚刀控制方法的工作流程图。

图1至图5中的各标注为：刀盘1、双刃滚刀2、滚刀切削轨迹线3、刀筒间隙4、注入通道5、压力传感器6、振动控制器7、物料填充系统8、泵站9、操作控制平台10、掌子面11、岩石裂隙12、滚刀刀具21、刀筒22、切削轨迹最高点31、切削轨迹最低点32、润滑介质41、第一通道51、第二通道52、第三通道53。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1

如图1所示，本实施例公开了一种盾构防积渣破岩滚刀，安装于盾构机的刀盘1表面。在本实施例中，盾构机为泥水平衡盾构机，隧道开挖过程刀盘1通过旋转和推进作用，带动双刃滚刀2围绕刀盘1的中心做圆周运动生成滚刀切削轨迹线3，滚刀切削轨迹线3沿竖直径向具有切削轨迹最高点31和切削轨迹最低点32，刀盘1承受的外界压力从切削轨迹最高点31至切削轨迹最低点32逐渐增大。

换言之，其受力结合图1进行分析，由A-A剖面图可见，所述刀盘1所承受的水压力P_水和土压力P_土是沿竖直径向呈梯状分布的，自上而下压力值逐渐增大。因此，所述双刃滚刀2沿着滚刀切削轨迹线3旋转过程中，在切削轨迹最高点31承受的水压力P_水和土压力P_土最小，在切削轨迹最低点32承受的水压力P_水和土压力P_土最大。

在进一步的实施例中，破岩滚刀为双刃滚刀2，如图2所示，包括：安装在刀盘1表面的刀筒22，以及可转动的安装在刀筒22内的滚刀刀具21。

刀盘1发生旋转和推进时，滚刀刀具21同时在刀筒22内滚动自转，以实现双刃滚刀2的滚压式切削破岩。在此过程中，当双刃滚刀2随刀盘旋转时，在推力的进一步作用下挤压掌子面岩体，使滚刀刀具21可在刀筒22内部转动。为了保证滚刀在切削破岩过程的正常滚动自转，故滚刀刀具21与所述刀筒22的内壁之间需留有预定距离形成刀筒间隙4。如图3所示，为图2中沿一侧滚刀刀具21的纵向剖面图B-B。

本实施例还包括填充在刀筒间隙4内的润滑介质41，由于刀盘1及滚刀刀具21还需承受外界压力，为了保证滚刀刀具21在充满润滑介质41的环境中正常滚动破岩，选择在所述刀筒间隙4里填充润滑介质41并始终保持压力状态：其中，P_介质表示润滑介质41所保持的压力，定义为介质压力；/>表示刀盘承受的外界压力的最大值(即上文或图1中的切削轨迹最低点32处的水土压力大小)。

在进一步的实施例中，P_水土为外界压力，P_水土＝P_水+P_土，P_水为刀盘1承受的水压力，P_土为刀盘1承受的土压力。

在进一步的实施例中，润滑介质41为具有一定稠度和浓度的细泥浆。在本实施例中，细泥浆的稠度和浓度能够保证双刃滚刀在开挖时正常转动滚压破岩。

在进一步的实施例中，所述润滑介质41还可根据不同地层施工条件，通过盾构机出渣的泥浆经过筛分、沉淀过滤后，经添加不同配比的外加剂混合搅拌而成。为了保证润滑介质41可正常注入到刀筒间隙4内或者保证双刃滚刀正常滚动自转，本实施例中的刀筒22的结构如图3所示，包括：内部设有预定形状的容纳腔的本体，其中，预定形状与双刃滚刀2的外形相一致，用于容纳双刃滚刀2，还包括：布置在本体上并与所述刀筒间隙4相通的注入通道5，注入通道5由相互独立的N个通道组成，N为大于等于1的整数；所述润滑介质41经所述注入通道5进入所述刀筒间隙4内充盈并保持所需的介质压力。

在本实施例中，N的取值为3。换言之，本实施例中的注入管道由第一通道51、第二通道52和第三通道53组成。通过第一通道51、第二通道52和第三通道53将外界的润滑介质41按照需求填充到刀筒间隙4内并保持压力状态。

实施例2

基于实施例1所述的盾构防积渣破岩滚刀，本实施例公开了一种盾构防积渣破岩滚刀的控制系统，如图4所示，包括：压力传感器6、物料填充系统8、泵站9和操作控制平台10。其中，压力传感器6将监测的介质压力值反馈至所述操作控制平台10，即压力传感器6的输出端连接于操作控制平台10。操作控制平台10输出端与泵站9连接，用于实现以脉冲形式将润滑介质41注入到刀筒间隙4内。因此，泵站9的输入端连接于物料填充系统8，输出端连接于注入通道5。

不可避免的，刀筒间隙4会出现异常积渣的情况。为了解决这一技术问题，本实施例还包括：振动控制器7，其一端连接于注入通道5，另一端连接于操作控制平台10。

当出现异常积渣时，通过启动振动控制器7对当前的润滑介质41施加动荷载，通过改变振动参数使异常积渣排出刀筒间隙4。其中，振动参数至少包括：频率、振幅、波形、以及循环次数。举例说明，振动参数为具有一定振幅、频率的周期性动荷载，动荷载可以具有正弦波、三角波和矩形波等多种振动波形，所述刀筒间隙4中的异常积渣排除过程中，所需振动参数可根据地层条件和刀筒22积渣状态确定。

在进一步的实施例中，异常积渣的判断标准如下：介质压力短时间内急剧增大，即P_介质＞＞P_水土，则表示为刀筒间隙4内出现异常积渣。

实施例3

基于实施例2所述的盾构防积渣破岩滚刀控制系统，本实施例公开了一种盾构防积渣破岩滚刀控制方法，其操作流程如图5所示，包括以下步骤：

步骤一、将润滑介质41(即实施例1和实施例2所述的细泥浆)经注入通道5以脉冲形式输送至刀筒间隙4中，压力传感器6将刀筒间隙4内的介质压力实时反馈给操作控制平台10，并以为目标向泵站9不断发出脉冲信号，使所述刀筒间隙4中充满所需压力的润滑介质41，保证所述滚刀刀具21滚压破裂掌子面11产生岩石裂隙12进行破岩；

步骤二、若介质压力短时间内急剧增大，即P_介质》P_水土，则表示为刀筒间隙4内出现异常积渣，启动振动控制器7对当前的润滑介质41施加动荷载，通过改变振动参数使异常积渣排出刀筒间隙4，从而实现刀筒22无积渣、滚刀继续破岩。

在进一步的实施例中，振动参数至少包括：频率、振幅、波形、以及循环次数。举例说明，振动参数为具有一定振幅、频率的周期性动荷载，动荷载可以具有正弦波、三角波和矩形波等多种振动波形，所述刀筒间隙4中的异常积渣排除过程中，所需振动参数可根据地层条件和刀筒22积渣状态确定。

为了能够更加清楚的说明本实施例所述的基于破岩滚刀以及控制系统的方法与现有技术相比所具有的优点，将现有技术方案进行了对比，其对比结果如表1所示：

表1

由表1可知，本发明所述的一种盾构防积渣破岩滚刀以及控制系统、方法与现有技术相比，滚刀刀具寿命较高，换刀次数低，破岩效率高。

Claims (6)

1.一种盾构防积渣破岩滚刀控制系统，其特征在于，包括：盾构防积渣破岩滚刀，实时监测刀筒间隙内介质压力的压力传感器，连接于压力传感器输出端的操作控制平台，连接于操作控制平台输出端的泵站，以及连接于所述泵站的物料填充系统；其中，所述泵站还连通于注入通道；所述盾构防积渣破岩滚刀，安装于盾构机的刀盘表面；

所述破岩滚刀为双刃滚刀，包括：刀筒，安装于所述刀盘表面；

滚刀刀具，可转动的安装在所述刀筒内；所述滚刀刀具与所述刀筒的内壁之间留有预定距离形成刀筒间隙；

所述刀盘通过旋转和推进作用，带动所述双刃滚刀围绕刀盘的中心做圆周运动生成滚刀切削轨迹线，同时滚刀刀具在所述刀筒内滚动自转；所述滚刀切削轨迹线沿竖直径向具有切削轨迹最高点和切削轨迹最低点；所述刀盘承受的外界压力从切削轨迹最高点至切削轨迹最低点逐渐增大；

还包括：润滑介质，填充于所述刀筒间隙内；定义所述润滑介质保持的压力为介质压力P_介质，刀盘承受的外界压力为P_水土，则介质压力P_介质与外界压力P_水土的大小关系如下： 表示刀盘承受的外界压力的最大值；

P_水土＝P_水+P_土，P_水为刀盘承受的水压力，P_土为刀盘承受的土压力；所述刀筒包括：

本体，其内部设有预定形状的容纳腔；所述容纳腔被设置为容纳所述双刃滚刀；

注入通道，布置于所述本体上并与所述刀筒间隙相通；所述注入通道由相互独立的N个通道组成，N为大于等于1的整数；所述润滑介质经所述注入通道进入所述刀筒间隙内充盈并保持所需的介质压力。

2.根据权利要求1所述的一种盾构防积渣破岩滚刀控制系统，其特征在于，所述润滑介质为具有一定稠度和浓度的细泥浆。

3.根据权利要求1所述的一种盾构防积渣破岩滚刀控制系统，其特征在于，所述润滑介质可根据不同地层施工条件，通过盾构机出渣的泥浆经过筛分、沉淀过滤后，经添加不同配比的外加剂混合搅拌而成。

4.根据权利要求1所述的一种盾构防积渣破岩滚刀控制系统，其特征在于，还包括：振动控制器，其一端连接于注入通道，另一端连接于操作控制平台。

5.一种盾构防积渣破岩滚刀控制方法，使用如权利要求1至4中任意一项所述的盾构防积渣破岩滚刀控制系统，其特征在于，至少包括以下步骤：将润滑介质经注入通道以脉冲形式输送至刀筒间隙中，压力传感器将刀筒间隙内的介质压力实时反馈给操作控制平台，并以为目标向泵站不断发出脉冲信号，使所述刀筒间隙中充满所需介质压力的润滑介质，保证所述滚刀刀具滚压破裂掌子面产生岩石裂隙进行破岩；

若介质压力短时间内急剧增大，即P_介质＞＞P_水土，则表示为刀筒间隙内出现异常积渣，启动振动控制器对当前的润滑介质施加动荷载，通过改变振动参数使异常积渣排出刀筒间隙。

6.根据权利要求5所述的一种盾构防积渣破岩滚刀控制方法，其特征在于，所述振动参数至少包括：频率、振幅、波形、以及循环次数。