CN116816370B - 一种盾构机用盾构刀盘及盾构施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及盾构设备领域，具体涉及一种盾构机用盾构刀盘及盾构施工方法，在工作过程中，力传感器检测到滚刀所受压力，从而通过压力信号判断目前处理的岩石的坚硬程度，在压力信号达到或者超过预设值后，则启动控制器，控制微波破岩系统对当前进行处理的岩石进行加热，具体方式是基于压力信号和基准信号对是否需要启动微波破岩系统给出量化判断方式，使得控制更加方便，并且节省能源。进而改变其物理特性，使得岩石内部出现裂纹，进而降低岩石强度，减少盾构机刀具的磨损，通过提高刀具使用寿命，减少停机检修及换刀时间，提高施工效率，缩短施工工期。从而解决现有盾构施工中存在的盾构刀具磨损严重、停机换刀时间长的问题。

Description

一种盾构机用盾构刀盘及盾构施工方法

技术领域

本发明涉及盾构设备领域，尤其涉及一种盾构机用盾构刀盘及盾构施工方法。

背景技术

刀盘是盾构机的关键部件，其主要作用是对掌子面岩土破碎剥离以及对掌子面进行支撑。现有的盾构机刀盘，在施工过程中刀盘上的刀具与石头产生挤压、碰撞，从而达到破碎岩石的目的，但此过程中也造成刀具的快速磨损，而刀具磨损后需要停机对刀具进行检查及更换，其更换过程复杂，占用较多时间，频繁更换刀具对施工进度有较大影响，大大降低了连续施工作业效率。

现有技术提供一种能够探测和定向破除障碍的新型盾构机(CN107605497A)，本发明盾构机内部装有雷达发射机，对障碍物进行探测和定位，盾构机刀盘背部安装顶部敞口的微波发射器防护盒，微波发射器防护盒内装有电动转盘，电动转盘上固定微波发射器，微波发射器随电动转盘转动，微波发射器防护盒的数量与刀盘上的滚刀数量相同。本发明结构简单、易实现，结合雷达探测和定位功能，准确定位盾构机掘进过程中前方有巨大岩石或其他刀盘不易破碎的障碍物，然后通过控制固定在刀盘滚刀刀背中部的微波发射器转向，对障碍物定向发射微波从而破除障碍物并及时做好应急准备，即可以通过盾构机本身有效对障碍物进行预测和处理。但是上述方式在坚硬岩体众多时，则无法有效对岩体进行破碎。

现有技术还提供一种钻井掘进设备和方法(CN113790060B)，包括：刀盘切割系统、加热系统以及冷却系统；刀盘切割系统包括刀盘面板、切割刀具、主传动轴、以及传动轴驱动机构；切割刀具设置在刀盘面板上并用于切割岩体，主传动轴一端与驱动机构连接，另一端与刀盘面板连接，以使传动轴驱动机构可通过主动传动轴驱动刀盘转动；加热系统设置于刀盘面板上，并用于对岩体进行微波加热；冷却系统设置于刀盘面板上，并用于对岩体进行水雾冷却，本发明将微波、水雾协同辅助破岩技术应用到地质钻探与掘进的现场工程中，提高了深部硬岩钻井和开挖效率，减少切削、剪切岩体时盾构机刀具的磨损。上述方式微波水雾在工作过程中一直处于开启状态，这样能耗较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种盾构机用盾构刀盘及盾构施工方法，旨在可以解决现有盾构施工中存在的盾构刀具磨损严重、停机换刀时间长、刀具费用高、施工工期长、总体施工效率低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种盾构机用盾构刀盘及盾构施工方法，包括刀盘主体、刮刀、滚刀、微波破岩系统和控制器，所述滚刀安装有力传感器，所述滚刀设置在所述刀盘主体上，所述力传感器用于检测滚刀受到的压力信号；所述刮刀设置在所述滚刀的一侧，所述控制器与所述力传感器和所述微波破岩系统连接，所述控制器用于基于压力信号控制微波破岩系统在微波作用下，使得岩石内部出现裂纹，所述控制器包括数据获取模块、判断模块和驱动模块，所述数据获取模块、所述判断模块和所述驱动模块依次连接；

所述数据获取模块，用于获取压力信号，所述判断模块，用于计算压力信号和基准信号的比值，所述驱动模块，用于基于所述比值驱动所述微波破岩系统运行。

其中，所述微波破岩系统包括微波发射源、微波传输天线、透波防护板、微波电源，所述微波破岩系统的数量有多个，且多个所述微波破岩系统分布在刀盘径向。

其中，所述力传感器的数量有多个，多个所述力传感器分布在多个所述微波破岩系统的一侧。

其中，所述数据获取模块包括第一编号单元、第二编号单元和映射单元，所述第一编号单元，用于对多个力传感器进行编号，得到传感器编号组所述第二编号单元，用于对多个所述微波破岩系统进行编号，得到微波破岩编号组，所述映射单元，用于建立传感器编号组和微波破岩编号组的映射关系。

其中，所述驱动模块包括等级生成单元、匹配单元和驱动单元，所述等级生成单元，用于基于历史比值范围生成驱动等级，所述匹配单元，用于将对应编号的实时比值与驱动等级进行匹配，以得到实际驱动等级，所述驱动单元，用于基于实际驱动等级驱动对应编号的微波破岩系统运行。

其中，所述控制器还包括预测模块，所述预测模块用于基于历史比值生成预测驱动等级；所述预测模块包括历史比值数据获取单元、分析单元、预测单元和校正单元，所述历史比值数据获取单元，用于获取过去时间段内的比值数据，所述分析单元，用于计算比值数据的平均值，所述预测单元，用于基于平均值生成预测驱动等级，所述校正单元，用于基于实时比值对预测驱动等级进行校正。

第二方面，本发明还提供一种盾构施工方法，包括：

启动盾构机，刀盘开始转动施工；

施工过程中，当盾构机推进到岩石区域后，控制器检测到压力信号达到预设值，发出控制信号；

控制器基于控制信号开启微波破岩系统，使得岩石内部出现裂纹。

其中，所述施工过程中，当盾构机推进到岩石区域后，控制器检测到压力信号达到预设值，发出控制信号的具体步骤包括：获取压力信号，

计算压力信号和基准信号的比值；

基于所述比值驱动所述微波破岩系统运行。

其中，所述基于所述比值驱动所述微波破岩系统运行的具体步骤包括：

基于历史比值范围生成驱动等级，

将对应编号的实时比值与驱动等级进行匹配；

基于实际驱动等级驱动对应编号的微波破岩系统运行。

第三方面，本发明还提供一种盾构机，包括所述的盾构刀盘。

本发明的一种盾构机用盾构刀盘及盾构施工方法，通过所述刀盘主体对所有结构进行支撑，然后通过所述刮刀可以对所述破碎的岩石进行刮动，所述滚刀可以对岩石进行破碎，在工作过程中，所述力传感器检测到所述滚刀所受压力，从而可以通过压力信号判断目前处理的岩石的坚硬程度，在压力信号达到或者超过预设值后，则可以启动所述控制器，控制所述微波破岩系统对当前进行处理的岩石进行加热，具体方式是基于压力信号和基准信号对是否需要启动微波破岩系统给出量化判断方式，使得控制更加方便，并且可以节省能源。进而改变其物理特性，使得岩石内部出现裂纹，进而降低岩石强度，减少盾构机刀具的磨损，通过提高刀具使用寿命，减少停机检修及换刀时间，提高施工效率，缩短施工工期。从而解决现有盾构施工中存在的盾构刀具磨损严重、停机换刀时间长、刀具费用高、施工工期长、总体施工效率低等问题，同时本发明根据压力信号根据情况启动微波破岩系统，从而可以节省能源。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的第一实施例的一种盾构机用盾构刀盘的结构图。

图2是本发明的第二实施例的控制器的结构图。

图3是本发明的第二实施例的数据获取模块的结构图。

图4是本发明的第二实施例的驱动模块的结构图。

图5是本发明的第二实施例的预测模块的结构图。

图6是本发明的第三实施例的一种盾构施工方法的流程图。

图7是本发明的第三实施例的施工过程中，当盾构机推进到岩石区域后，控制器检测到压力信号达到预设值，发出控制信号的流程图。

图8是本发明的第三实施例的控制器基于控制信号开启微波破岩系统104，使得岩石内部出现裂纹的流程图。

刀盘主体101、刮刀102、滚刀103、微波破岩系统104、数据获取模块201、判断模块202、驱动模块203、第一编号单元204、第二编号单元205、映射单元206、等级生成单元207、匹配单元208、驱动单元209、历史比值数据获取单元211、分析单元212、预测单元213、校正单元214。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

第一实施例

请参阅图1，本发明提供一种盾构机用盾构刀盘，包括刀盘主体101、刮刀102、滚刀103、微波破岩系统104和控制器，所述滚刀103安装有力传感器，所述滚刀103设置在所述刀盘主体101上，所述力传感器用于检测滚刀103受到的压力信号；所述刮刀102设置在所述滚刀103的一侧，所述控制器与所述力传感器和所述微波破岩系统104连接，所述控制器用于基于压力信号控制微波破岩系统104在微波作用下，使得岩石内部出现裂纹，所述控制器包括数据获取模块201、判断模块202和驱动模块203，所述数据获取模块201、所述判断模块202和所述驱动模块203依次连接；所述数据获取模块201，用于获取压力信号，所述判断模块202，用于计算压力信号和基准信号的比值，所述驱动模块203，用于基于所述比值驱动所述微波破岩系统104运行。

在本实施方式中，通过所述刀盘主体101对所有结构进行支撑，然后通过所述刮刀102可以对所述破碎的岩石进行刮动，所述滚刀103可以对岩石进行破碎，在工作过程中，所述力传感器检测到所述滚刀103所受压力，从而可以通过压力信号判断目前处理的岩石的坚硬程度，在压力信号达到或者超过预设值后，则可以启动所述控制器，控制所述微波破岩系统104对当前进行处理的岩石进行加热，具体方式是基于压力信号和基准信号对是否需要启动微波破岩系统给出量化判断方式，使得控制更加方便，并且可以节省能源。进而改变其物理特性，使得岩石内部出现裂纹，进而降低岩石强度，减少盾构机刀具的磨损，通过提高刀具使用寿命，减少停机检修及换刀时间，提高施工效率，缩短施工工期。从而解决现有盾构施工中存在的盾构刀具磨损严重、停机换刀时间长、刀具费用高、施工工期长、总体施工效率低等问题，同时本发明根据压力信号根据情况启动微波破岩系统104，从而可以节省能源。

第二实施例

请参阅图2～图5，图2是本发明的第二实施例的控制器的结构图。图3是本发明的第二实施例的数据获取模块的结构图。图4是本发明的第二实施例的驱动模块的结构图。图5是本发明的第二实施例的预测模块的结构图。

在第一实施例的基础上，本发明还提供一种盾构机用盾构刀盘，所述微波破岩系统104包括微波发射源、微波传输天线、透波防护板和微波电源，所述微波破岩系统104的数量有多个，且多个所述微波破岩系统104分布在刀盘径向。通过多个所述微波破岩系统104，可以分区域地对对应岩石进行加热，从而提高能量的利用率。

所述力传感器的数量有多个，多个所述力传感器分布在多个所述微波破岩系统104的一侧。通过所述力传感器，可以对对应区域的岩石强度进行检测，从而可以更加方便地控制对应区域的微波破岩系统104工作。

所述数据获取模块201包括第一编号单元204、第二编号单元205和映射单元206，所述第一编号单元204，用于对多个力传感器进行编号，得到传感器编号组所述第二编号单元205，用于对多个所述微波破岩系统104进行编号，得到微波破岩编号组，所述映射单元206，用于建立传感器编号组和微波破岩编号组的映射关系。通过上述方式可以将力传感器和微波破岩系统104进行对应，使得根据信号进行控制更加的方便。

所述驱动模块203包括等级生成单元207、匹配单元208和驱动单元209，所述等级生成单元207，用于基于历史比值范围生成驱动等级，所述匹配单元208，用于将对应编号的实时比值与驱动等级进行匹配，以得到实际驱动等级，所述驱动单元209，用于基于实际驱动等级驱动对应编号的微波破岩系统104运行。为了避免微波破岩系统104工作后无法将岩石处理成对应的状态，本申请将微波破岩系统104的工作功率分成了多个等级，从而可以基于不同的等级进行操作，使得使用更加方便。

所述控制器还包括预测模块，所述预测模块用于基于历史比值生成预测驱动等级；所述预测模块包括历史比值数据获取单元211、分析单元212、预测单元213和校正单元214，所述历史比值数据获取单元211，用于获取过去时间段内的比值数据，所述分析单元212，用于计算比值数据的平均值，所述预测单元213，用于基于平均值生成预测驱动等级，所述校正单元214，用于基于实时比值对预测驱动等级进行校正。如果完全采用实时数据进行控制会造成刮刀和滚刀受到较大的冲击后再进行破碎，这样也会对刮刀和滚刀造成损伤，而岩层的性质具有连续性，本申请就可以基于历史比值数据将驱动等级稳定在一定范围内，并通过实时数据进行修正，从而可以进一步减小磨损。

第三实施例

请参阅图6～图8，图6是本发明的第三实施例的一种盾构施工方法的流程图。图7是本发明的第三实施例的施工过程中，当盾构机推进到岩石区域后，控制器检测到压力信号达到预设值，发出控制信号的流程图。图8是本发明的第三实施例的控制器基于控制信号开启微波破岩系统104，使得岩石内部出现裂纹的流程图。

在第二实施例的基础上，本发明还提供一种盾构施工方法，包括：

S101启动盾构机，刀盘开始转动施工；

S102施工过程中，当盾构机推进到岩石区域后，控制器检测到压力信号达到预设值，发出控制信号；

具体步骤包括：

S201获取压力信号，

S202计算压力信号和基准信号的比值；

S203基于所述比值驱动所述微波破岩系统104运行。

通过上述方式，可以方便根据压力信号对微波破岩系统104进行控制。

S103控制器基于控制信号开启微波破岩系统104，使得岩石内部出现裂纹。

具体步骤包括：

S301基于历史比值范围生成驱动等级；

S302将对应编号的实时比值与驱动等级进行匹配；

S303基于实际驱动等级驱动对应编号的微波破岩系统104运行。

第四实施例

在第一实施例的基础上，本发明还提供一种盾构机，包括所述的盾构刀盘。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种盾构机用盾构刀盘，包括刀盘主体、刮刀和滚刀，其特征在于，

还包括微波破岩系统和控制器，所述滚刀安装有力传感器，所述滚刀设置在所述刀盘主体上，所述力传感器用于检测滚刀受到的压力信号；所述刮刀设置在所述滚刀的一侧，所述控制器与所述力传感器和所述微波破岩系统连接，所述控制器用于基于压力信号控制微波破岩系统在微波作用下，使得岩石内部出现裂纹，所述控制器包括数据获取模块、判断模块和驱动模块，所述数据获取模块、所述判断模块和所述驱动模块依次连接；

所述数据获取模块，用于获取压力信号，所述判断模块，用于计算压力信号和基准信号的比值，所述驱动模块，用于基于所述比值驱动所述微波破岩系统运行，所述力传感器的数量有多个，多个所述力传感器分布在多个所述微波破岩系统的一侧，所述数据获取模块包括第一编号单元、第二编号单元和映射单元，所述第一编号单元，用于对多个力传感器进行编号，得到传感器编号组；所述第二编号单元，用于对多个所述微波破岩系统进行编号，得到微波破岩编号组，所述映射单元，用于建立传感器编号组和微波破岩编号组的映射关系，所述驱动模块包括等级生成单元、匹配单元和驱动单元，所述等级生成单元，用于基于历史比值范围生成驱动等级，所述匹配单元，用于将对应编号的实时比值与驱动等级进行匹配，以得到实际驱动等级，所述驱动单元，用于基于实际驱动等级驱动对应编号的微波破岩系统运行，所述控制器还包括预测模块，所述预测模块用于基于历史比值生成预测驱动等级；所述预测模块包括历史比值数据获取单元、分析单元、预测单元和校正单元，所述历史比值数据获取单元，用于获取过去时间段内的比值数据，所述分析单元，用于计算比值数据的平均值，所述预测单元，用于基于平均值生成预测驱动等级，所述校正单元，用于基于实时比值对预测驱动等级进行校正。

2.如权利要求1所述的一种盾构机用盾构刀盘，其特征在于，

所述微波破岩系统包括微波发射源、微波传输天线、透波防护板、微波电源，所述微波破岩系统的数量有多个，且多个所述微波破岩系统分布在刀盘径向。

3.一种盾构施工方法，采用权利要求1所述的盾构刀盘，其特征在于，包括：

启动盾构机，刀盘开始转动施工；

施工过程中，当盾构机推进到岩石区域后，控制器检测到压力信号达到预设值，发出控制信号；

控制器基于控制信号开启微波破岩系统，使得岩石内部出现裂纹。

4.如权利要求3所述的一种盾构施工方法，其特征在于，

所述施工过程中，当盾构机推进到岩石区域后，控制器检测到压力信号达到预设值，发出控制信号的具体步骤包括：

获取压力信号；

计算压力信号和基准信号的比值；

基于所述比值驱动所述微波破岩系统运行。

5.如权利要求4所述的一种盾构施工方法，其特征在于，

所述基于所述比值驱动所述微波破岩系统运行的具体步骤包括：

基于历史比值范围生成驱动等级；

将对应编号的实时比值与驱动等级进行匹配；

基于实际驱动等级驱动对应编号的微波破岩系统运行。

6.一种盾构机，其特征在于，包括如权利要求1～2任意一项所述的盾构刀盘。