CN210460673U - 盾构机刀盘防结泥饼装置 - Google Patents

盾构机刀盘防结泥饼装置 Download PDF

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崔洪谱
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徐祥祥
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陈锐
孙世柳
扈航
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Abstract

一种盾构机刀盘防结泥饼装置，包括盾构机刀盘，刀盘上设有多个喷头，喷头设在盾构机刀盘水平线30~55°方向，且喷头与水平线的距离为2300~2400mm，所述喷头上开有多个冲洗口，冲洗口与掘进方向有55~65°夹角，且冲洗口与喷头水平线夹角为30~55°，所述喷头设有内孔，内孔通过注水头与注水口连通，富水砂卵地层盾构机施工过程中结泥饼现象频发，本装置主要能够克服盾构机土仓内较为恶劣的环境，实现刀盘中心、扭腿和土仓隔板的有效高水压冲洗，并能实现流量和冲洗位置的选择，有效防止土压盾构机掘进过程中土仓和牛腿位置结泥饼。

Description

盾构机刀盘防结泥饼装置
技术领域
本实用新型涉及隧道掘进盾构机领域，尤其是涉及一种盾构机刀盘防结泥饼装置。
背景技术
由于成都地铁17号线TJ05A标下穿地层基本为富水型<3-8-2>中密卵石土和<3-8-3>密实卵石土，粒径级配不均、地层含泥量高，另外187#工号盾构机刀盘中心开口过小，且因为采用的是铁建驱动（内啮合齿圈）无法直接在中间驱动环处开孔对土舱和刀盘中心区域冲洗；经过两次开仓发现187#工号盾构机仓内渣土堆积固化较为严重，大部分中心滚刀出现不同程度的偏磨现象。
CN 109281679A用于应对盾构刀盘结泥饼的物理控制方法和控制系统。其包括连接于原盾构面板冲刷系统的冲洗管路的高压气管，所述冲洗管路中设有增压水泵，所述高压气管的入口连接至高压气源，所述高压气管的出口连接至所述增压水泵的出口管路。本发明作用机理与高压旋喷桩加固土体类似，高压气、泥水的混合物通过中心冲洗管路，在管路出口处形成高压喷射流，减少了单一水流的能量损失，对结在刀盘中心面板的泥饼造成冲击破坏，当能量大、速度快和动脉状的射流大于泥饼的强度时，泥饼结构会被一定程度的破坏，从而从刀盘面板脱离，但是在解决富水砂卵石地层掘进时产生的结泥饼现，效果较差，且喷头的安装方也十分的重要。
CN 206737923U一种用于盾构刀盘泥饼冲洗的固定喷头，其结构包括喷头体、喷水孔、进水孔；进水孔处于喷头体的中心位置，在喷头体的四个侧面各有一个喷水孔，并与进水孔连通。本实用新型根据盾构掘进的实际情况对刀盘面板中心部位进行强力冲洗，既可清除刀盘中心部位已生成的泥饼，又可利用高压水冲洗刀盘中心部位，达到刀盘泥饼的防治与盾构掘进同步的目的，还具有提高渣土改良效果的作用。该结构无法解决富水砂卵石地层掘进时产生的结泥饼现，且安装的喷头较大，成本较高。
实用新型内容
本实用新型的主要目的在于提供一种盾构机刀盘防结泥饼装置，解决富水砂卵石地层掘进时产生的结泥饼的问题。
为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种盾构机刀盘防结泥饼装置，包括盾构机刀盘，刀盘上设有多个喷头，喷头设在盾构机刀盘水平线30~55°方向，且喷头与水平线的距离为2300~2400mm；
所述喷头上开有多个冲洗口，冲洗口与掘进方向有55~65°夹角，且冲洗口与喷头水平线夹角为30~55°；
所述喷头设有内孔，内孔通过注水头与注水口连通。
优选方案中，所述喷头设在盾构机刀盘水平线48°方向，且喷头与水平线的距离为2350mm。
优选方案中，所述喷头为4个、或者为8个。
优选方案中，所述冲洗口为4个，三个冲洗口与掘进方向有61°夹角，另一个冲洗口与内孔垂直。
优选方案中，冲洗口与喷头水平线夹角为48°。
优选方案中，所述喷头一端设有耐磨层，另一端设有焊接边，喷头周圈设有多个导槽，
优选方案中，所述导槽通过安装板设置在盾构机刀盘上。
优选方案中，所述注水头一端设有多组喷口，喷口与冲洗口对应，喷口为椭圆形，注水头另一端设有安装法兰，安装法兰与注水口连接。
优选方案中，设有四组喷口，其中一组喷口包括两个孔，分别设置在注水头一侧和底部，其中两组喷口包括一个孔，设置在4一侧，剩余一组喷口包括三个孔，分别设置在4一侧、顶部和底部。
优选方案中，所述喷头通过增压泵与水箱连通，增压泵与水箱之间设有出水电动阀门，增压泵与喷头之间设有设有设有第一电动阀门，第一电动阀门一侧设有流量计；
所述喷头通过第二电动阀门与气泵连通，第二电动阀门一侧设有气压计；
设有控制中心，控制中心与第一电动阀门、增压泵、出水电动阀门、第二电动阀门电连接。
本实用新型提供了一种盾构机刀盘防结泥饼装置，喷头与刀盘距离达到2.35米，与现有技术相比，便于安装和维护，要能够克服盾构机土仓内较为恶劣的环境，实现刀盘中心、扭腿和土仓隔板的有效高水压冲洗，并能实现流量和冲洗位置的选择。本装置采用的是内外筒设计，左右对称布置，操作人员可以在盾体内部通过调整内筒位置可以实现分别冲洗刀盘中心、扭腿和土仓隔板或其相互组合的功能，有效防止土压盾构机掘进过程中土仓和牛腿位置结泥饼，可以通过控制中心打开电子阀门，切换冲洗管路所使用的流体或气体，自由选择使用水冲洗或压缩空气清洗，且其结构简单，生产制造方便，实用性强，适于推广使用。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：
图1是本实用新型盾构机机体刀盘表面结构图；
图2是本实用新型喷头端面结构图；
图3是本实用新型喷头侧面结构图；
图4是本实用新型喷头安装结构图；
图5是本实用新型安装焊接结构图；
图6是本实用新型喷头开口角度结构图；
图7是本实用新型图6中A-A截面剖视图；
图8是本实用新型注水头开口剖视结构图；
图9是本实用新型喷头喷水管路连接图；
图10是本实用新型冲洗示意图；
图中：盾构机刀盘1；出土口101；喷头2；耐磨层201；导槽202；焊接边203；内孔204；冲洗口205；注水口3；注水头4；安装法兰401；喷口402；安装板5；气泵6；控制中心7；出水电动阀门8；增压泵9；流量计10；第一电动阀门11；第二电动阀门12；气压计13；水箱14。
具体实施方式
实施例1
如图1~10所示，一种盾构机刀盘防结泥饼装置，包括盾构机刀盘1，刀盘1上设有多个喷头2，喷头2设在盾构机刀盘1水平线30~55°方向，且喷头2与水平线的距离为2300~2400mm。由此结构，结合实施例2进行说明，如图1所示位置结构，喷头2的位置在2300~2400mm效果最佳。
所述喷头2上开有多个冲洗口205，冲洗口205与掘进方向有55~65°夹角，且冲洗口205与喷头2水平线夹角为30~55°。由此结构，结合实施例2进行说明，如图1所示位置结构，如图6所示，冲洗口205与喷头2水平线夹角为30~55°，根据使用的水泵进行角度计算计算区间为冲洗口205与掘进方向有55~65°夹角，冲洗口205与喷头2水平线夹角为30~55°。
所述喷头2设有内孔204，内孔204通过注水头4与注水口3连通。由此结构，如图4所示，内孔204与内部安装注水头4，注水头4与注水口3连通，方便安装和维修。
优选方案中，所述喷头2设在盾构机刀盘1水平线48°方向，且喷头2与水平线的距离为2350mm。由此结构，结合实施例2进行说明，其中喷头2与水平线的距离为2350mm位置符合该结构。
优选方案中，所述喷头2为4个、或者为8个。由此结构，4个是单边的水平线48°分布，8个则是水平线48°两侧有喷头2。
优选方案中，所述冲洗口205为4个，三个冲洗口205与掘进方向有61°夹角，另一个冲洗口205与内孔204垂直。由此结构，结合实施例2进行说明，计算区间为55~65°夹角。
优选方案中，冲洗口205与喷头2水平线夹角为48°。由此结构，结合实施例2计算所得，根据水泵的使用情况和工作环境所制造。
优选方案中，所述喷头2一端设有耐磨层201，另一端设有焊接边203，喷头2周圈设有多个导槽202，由此结构，耐磨层201用于保护喷头2，焊接边203用于焊接在盾构机刀盘1上，导槽202通过安装板5设置在盾构机刀盘1上，方便安装喷头2。
优选方案中，所述导槽202通过安装板5设置在盾构机刀盘1上。由此结构，如图5所示，安装板5设在导槽202固定喷头2，与加强筋结构相同，主要是稳定喷头2。
优选方案中，所述注水头4一端设有多组喷口402，喷口402与冲洗口205对应，喷口402为椭圆形，注水头4另一端设有安装法兰401，安装法兰401与注水口3连接。由此结构，多组喷口402与冲洗口205对应，方便安装和维修。
优选方案中，设有四组喷口402，其中一组喷口402包括两个孔，分别设置在注水头4一侧和底部，其中两组喷口402包括一个孔，设置在4一侧，剩余一组喷口402包括三个孔，分别设置在4一侧、顶部和底部。由此结构，如图8所示，其中喷口402的布局，可以通过转动注水头4的安装法兰401使喷头2的冲洗口205出水进行控制，旋转一个角度，改变喷头2的冲洗口205出水通断。
操作人员可以在盾体内部通过调整内筒位置可以实现分别冲洗刀盘中心、扭腿和土仓隔板或其相互组合的功能，有效防止土压盾构机掘进过程中土仓和牛腿位置结泥饼。
优选方案中，所述喷头2通过增压泵9与水箱14连通，增压泵9与水箱14之间设有出水电动阀门8，增压泵9与喷头2之间设有设有设有第一电动阀门11，第一电动阀门11一侧设有流量计10，所述喷头2通过第二电动阀门12与气泵6连通，第二电动阀门12一侧设有气压计13
设有控制中心7，控制中心7与第一电动阀门11、增压泵9、出水电动阀门8、第二电动阀门12电连接。由此结构，高压水源和高压气管连接至增喷头2的出口管路上，经过增压泵9的高压水和增加的高压气一同从冲洗口喷射出，对刀盘面板的泥饼进行强力冲刷。
控制中心7可以同时打开出水电动阀门8、第一电动阀门11、第二电动阀门12，水压和气压混合冲洗，能够将大块泥饼进行冲洗。
打开出水电动阀门8和第一电动阀门11，关闭第二电动阀门12，单作用的水冲洗。
打开第二电动阀门12，关闭出水电动阀门8和第一电动阀门11，单作用的高压气体冲洗。
流量计10和气压计13反应整个系统管道的压力，压力过大，则管路系统堵塞，压力过小，则管路系统漏气或者是其他故障，方便维修人员检修。
实施例2
结合实施1进一步说明，如图1~10，其中喷头2采用的是Q345B型结构钢制作的筒状外形，外径250mm长200mm，开有3个导槽202，长150mm宽40mm深20mm，内孔204，直径40mm深150mm。在充分考虑到流量和压力对冲洗效果的影响后，先选择喷头2 孔孔径14mm，共有4个，分布在同一母线上，为了达到最佳的冲洗效果冲洗孔的轴向倾斜角度
Figure 356976DEST_PATH_IMAGE002
和径向倾斜角度
Figure 70854DEST_PATH_IMAGE004
可根据计算得出：
根据压力表根据显示泵口水压P口=1.15MPa左右浮动，管路输送过程中的压力损失为
Figure 850591DEST_PATH_IMAGE006
QUOTE
Figure 980221DEST_PATH_IMAGE008
Figure 575019DEST_PATH_IMAGE008
①
不考虑水流在管中发生紊流作用，则全程压力损失系数为：
QUOTE
Figure 397482DEST_PATH_IMAGE010
Figure 461253DEST_PATH_IMAGE010
②
根据查表得知，带倒角入口、弯管、直通接头、3通接头的局部压力损失分别为：ξ1=0.12、ξ2=0.25（β/90°）、ξ3=0.12、ξ4=0.15 ③
把②③带入①式中计算得：喷口处的截面水压为
Figure 394574DEST_PATH_IMAGE012
QUOTE
Figure 860190DEST_PATH_IMAGE014
Figure 853554DEST_PATH_IMAGE014
④
喷头2采用的式 QUOTE
Figure 342304DEST_PATH_IMAGE016
Figure 876054DEST_PATH_IMAGE016
，其长径比满足 QUOTE
Figure 133860DEST_PATH_IMAGE018
Figure 563704DEST_PATH_IMAGE018
的条件，则可利用细长孔流量方程：
QUOTE
Figure 352799DEST_PATH_IMAGE020
Figure 362344DEST_PATH_IMAGE020
⑤
在设计中总共设计了8个孔径相同的喷头2，由流体的连续性方程可得：
QUOTE
Figure 5815DEST_PATH_IMAGE022
Figure 137719DEST_PATH_IMAGE022
⑥
联立公式④⑤⑥可得喷水口水流初速度 QUOTE
Figure 601061DEST_PATH_IMAGE024
Figure 476613DEST_PATH_IMAGE024
。
如图10所示，已知图中 QUOTE
Figure 709011DEST_PATH_IMAGE026
Figure 277396DEST_PATH_IMAGE026
，喷口与轴线角度为
Figure 228035DEST_PATH_IMAGE028
，喷口沿水平和竖直两个方向的分速度分别是 QUOTE
Figure 844961DEST_PATH_IMAGE030
Figure 243450DEST_PATH_IMAGE030
和 QUOTE
Figure 920419DEST_PATH_IMAGE032
Figure 358353DEST_PATH_IMAGE032
，若要水流恰好能够冲洗到刀盘正中心的区域，则应满足以下条件：
QUOTE
Figure 575708DEST_PATH_IMAGE034
Figure 782699DEST_PATH_IMAGE034
⑦
QUOTE
Figure 896148DEST_PATH_IMAGE036
Figure 618116DEST_PATH_IMAGE036
⑧
联立⑦⑧可以计算出近似值 QUOTE
Figure 576845DEST_PATH_IMAGE038
Figure 435080DEST_PATH_IMAGE038
可用同样的方法计算得出 QUOTE
Figure 719431DEST_PATH_IMAGE040
Figure 866378DEST_PATH_IMAGE040
所以如图7、8所示，喷头2冲洗口205是与掘进方向有61°夹角的斜孔，是开在与水平方向呈48°的平面上的。
目前区间内所发现的最大直径卵石 QUOTE
Figure 894377DEST_PATH_IMAGE042
Figure 623430DEST_PATH_IMAGE042
，刀盘转速 QUOTE
Figure 344261DEST_PATH_IMAGE044
Figure 244084DEST_PATH_IMAGE044
在实际使用过程中装置在土仓内受到的碰撞类型为部分弹性碰撞（冲量 QUOTE
Figure 544615DEST_PATH_IMAGE046
Figure 643021DEST_PATH_IMAGE046
）为了简化计算我们可以卵石撞击装置的过程为完全非弹性碰撞（冲量 QUOTE
Figure 3595DEST_PATH_IMAGE048
Figure 125135DEST_PATH_IMAGE048
）且卵石为光滑球体。
Figure 494937DEST_PATH_IMAGE050
已知冲量公式
Figure DEST_PATH_IMAGE051
Figure DEST_PATH_IMAGE053
Figure DEST_PATH_IMAGE055
通过计算可以得到 QUOTE
Figure 916691DEST_PATH_IMAGE056
Figure 759751DEST_PATH_IMAGE056
喷头2采用GFL-71Ni型药芯焊丝，抗拉强度为 QUOTE
Figure 368587DEST_PATH_IMAGE058
Figure DEST_PATH_IMAGE059
，有整环的开40mm坡口的角焊缝+3条筋板的焊接方式，由焊接强度公式
Figure 73237DEST_PATH_IMAGE060
Figure 83919DEST_PATH_IMAGE062
通过计算可以得出，在使用 QUOTE
Figure 786296DEST_PATH_IMAGE064
Figure 882428DEST_PATH_IMAGE064
焊丝时现有的焊接方式已经能够满足仓内卵石的撞击。
注水头4采用的是304型不锈钢材料，内筒外径40mm内径36mm长度310mm，将外表面等分的4条母线上开有数量不一的与喷头2对应的孔，孔是由喷头2开孔位置进行定位后加工完成的椭圆孔；注水头4端部焊接有安装法兰401，4个螺栓的轴线孔与4条母线对应，法兰内侧开槽装有2道密封圈。
上述的实施例仅为本实用新型的优选技术方案，而不应视为对于本实用新型的限制，本实用新型的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种盾构机刀盘防结泥饼装置，包括盾构机刀盘（1），其特征是：刀盘（1）上设有多个喷头（2），喷头（2）设在盾构机刀盘（1）水平线30~55°方向，且喷头（2）与水平线的距离为2300~2400mm；
所述喷头（2）上开有多个冲洗口（205），冲洗口（205）与掘进方向有55~65°夹角，且冲洗口（205）与喷头（2）水平线夹角为30~55°；
所述喷头（2）设有内孔（204），内孔（204）通过注水头（4）与注水口（3）连通。
2.根据权利要求1所述一种盾构机刀盘防结泥饼装置，其特征是：所述喷头（2）设在盾构机刀盘（1）水平线48°方向，且喷头（2）与水平线的距离为2350mm。
3.根据权利要求1所述一种盾构机刀盘防结泥饼装置，其特征是：所述喷头（2）为4个、或者为8个。
4.根据权利要求1所述一种盾构机刀盘防结泥饼装置，其特征是：所述冲洗口（205）为4个，三个冲洗口（205）与掘进方向有61°夹角，另一个冲洗口（205）与内孔（204）垂直。
5.根据权利要求1所述一种盾构机刀盘防结泥饼装置，其特征是：冲洗口（205）与喷头（2）水平线夹角为48°。
6.根据权利要求1所述一种盾构机刀盘防结泥饼装置，其特征是：所述喷头（2）一端设有耐磨层（201），另一端设有焊接边（203），喷头（2）周圈设有多个导槽（202）。
7.根据权利要求6所述一种盾构机刀盘防结泥饼装置，其特征是：所述导槽（202）通过安装板（5）设置在盾构机刀盘（1）上。
8.根据权利要求1或4所述一种盾构机刀盘防结泥饼装置，其特征是：所述注水头（4）一端设有多组喷口（402），喷口（402）与冲洗口（205）对应，喷口（402）为椭圆形，注水头（4）另一端设有安装法兰（401），安装法兰（401）与注水口（3）连接。
9.根据权利要求8所述一种盾构机刀盘防结泥饼装置，其特征是：设有四组喷口（402），其中一组喷口（402）包括两个孔，分别设置在注水头（4）一侧和底部，其中两组喷口（402）包括一个孔，设置在4一侧，剩余一组喷口（402）包括三个孔，分别设置在4一侧、顶部和底部。
10.根据权利要求1所述一种盾构机刀盘防结泥饼装置，其特征是：所述喷头（2）通过增压泵（9）与水箱（14）连通，增压泵（9）与水箱（14）之间设有出水电动阀门（8），增压泵（9）与喷头（2）之间设有设有设有第一电动阀门（11），第一电动阀门（11）一侧设有流量计（10）；
所述喷头（2）通过第二电动阀门（12）与气泵（6）连通，第二电动阀门（12）一侧设有气压计（13）；
设有控制中心（7），控制中心（7）与第一电动阀门（11）、增压泵（9）、出水电动阀门（8）、第二电动阀门（12）电连接。
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