适用于土压平衡盾构机的常压换刀刀盘及土压平衡盾构机的制作方法

1.本实用新型是关于隧道机械技术领域，尤其涉及一种适用于土压平衡盾构机的常压换刀刀盘及土压平衡盾构机。


背景技术：

2.盾构隧道施工已经成为当今重要的地下施工方法之一，在盾构掘进施工中，刀盘的刀具首当其冲，由于地质复杂等因素限制，为保证掌子面稳定，盾构机刀盘的刀具在换刀过程中须保持土仓压力，因此，换刀人员必须承受土仓高压环境。
3.目前，盾构法隧道施工面临的一个大难题就是经常需要进行刀具更换。然而，土压平衡盾构机的刀盘主要结构形式是辐条式或辐板式，刀盘具有较大的开口率，停机换刀过程伴有一定的塌落风险，换刀时人员需要带压进仓作业，加/减压过程应用的惰性气体对人身体伤害很大，换刀过程需要停机保压时间也很长，因此，现有技术结构下的盾构机刀盘换刀存在的主要问题是换刀耗时长、效率低、对人员身体伤害很大、成本高。现有技术中解决土仓换刀难题已经有饱和带压进仓装置进仓作业，但是饱和带压进仓装置成本较高并且不太方便；现有的常压换刀装置整体结构很大，只在超大直径盾构有尝试使用，具有空间局限性。
4.由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种适用于土压平衡盾构机的常压换刀刀盘及土压平衡盾构机，以克服现有技术的缺陷。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种适用于土压平衡盾构机的常压换刀刀盘及土压平衡盾构机，能实现常压换刀，且结构简单，施工安全便捷，换刀过程效率高。
6.本实用新型的目的可采用下列技术方案来实现：
7.本实用新型提供了一种适用于土压平衡盾构机的常压换刀刀盘，包括刀盘结构，刀盘结构具有周向间隔设置的多个进渣孔，在刀盘结构的背部正对每个进渣孔的位置均设有一支撑结构，每个支撑结构包括支撑板体以及与支撑板体连接的推进驱动件，在支撑板体的外侧边缘一周设有钢丝密封刷结构；推进驱动件固设在土压平衡盾构机的盾体结构内，推进驱动件能驱动支撑板体伸出并密封封堵对应的进渣孔。
8.在本实用新型的一较佳实施方式中，各推进驱动件均包括多个油缸，各油缸的一端均与对应的支撑板体的背部固接，各油缸的另一端均固设在盾体结构内。
9.在本实用新型的一较佳实施方式中，刀盘结构包括外圆环、中心辐板以及多个箱体式辐条；多个箱体式辐条呈辐射状固设在外圆环内，中心辐板包括固设在相邻两个箱体式辐条之间的多个扇形辐板，并在每个扇形辐板的背部外侧边缘固设有弧形筋板；相邻两个箱体式辐条与外圆环和对应的弧形筋板之间构成进渣孔，在各扇形辐板的正面和各箱体式辐条的正面均设有多个破岩刀具；支撑板体能伸入对应的进渣孔，且钢丝密封刷结构能与相邻两个箱体式辐条中相对的两个侧面、外圆环的内侧壁以及对应的弧形筋板的外侧壁
密封接触。
10.在本实用新型的一较佳实施方式中，在各箱体式辐条的背部均设有搅拌棒。
11.在本实用新型的一较佳实施方式中，在至少其中一个箱体式辐条的内部且靠近其外侧端设有刀盘稳定器。
12.在本实用新型的一较佳实施方式中，支撑板体背部的外侧边缘一周固设有环形筋板，钢丝密封刷结构包括沿环形筋板的周向紧邻排布的多个密封刷，每个密封刷包括压板以及从上至下依次叠压放置的前护板、钢丝束组件和后护板；压板包括底板以及连接在底板一端的弯折盖板，弯折盖板与底板围合构成一容置腔，前护板、钢丝束组件和后护板的第一端均插设固定在容置腔内，前护板和后护板的第二端均与底板存在预设夹角；每个密封刷的底板均固设在环形筋板的外侧壁，且每个密封刷的前护板均朝向刀盘结构设置。
13.在本实用新型的一较佳实施方式中，弯折盖板、前护板、钢丝束组件、后护板和底板之间插设有多个销钉，且各销钉均与弯折盖板和底板焊接固定。
14.在本实用新型的一较佳实施方式中，钢丝束组件包括多层钢丝束，且各层钢丝束伸出前护板的长度自前护板向后护板的方向逐层增大。
15.在本实用新型的一较佳实施方式中，各前护板的两侧分别设有一个向外凸出钢丝束组件的侧翼板，多个密封刷中相邻两个底板、相邻两个前护板以及相邻两个后护板均紧邻设置；每个前护板第一侧的侧翼板叠压在相邻的前护板的下方，其第二侧的侧翼板叠压在相邻的前护板的上方。
16.本实用新型还提供了一种土压平衡盾构机，包括驱动结构、盾体结构以及上述的适用于土压平衡盾构机的常压换刀刀盘；刀盘结构设在盾体结构的前端，驱动结构固设在盾体结构内并与刀盘结构连接，在盾体结构内固设有隔板，各推进驱动件固设在隔板上。
17.在本实用新型的一较佳实施方式中，刀盘结构还包括固设在其背部的刀盘法兰，驱动结构与刀盘法兰连接。
18.由上所述，本实用新型在需要更换刀具时，通过推进驱动件驱动支撑板体向前伸出便可密封封堵各进渣孔，利用各支撑结构填充各进渣孔来稳定掌子面，形成常压土仓腔体，为换刀提供了足够的作业空间，实现了常压换刀，不仅有效避免了带压进仓对操作人员的身体伤害，而且结构简单，支撑结构占用空间较小，成本低，操作施工更加便捷，安全性强，换刀过程效率高；利用钢丝密封刷结构来实现密封，具有较高的承压能力，保证支撑结构伸出后配合各进渣孔形成稳固的封堵，密封更加可靠。
附图说明
19.以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。其中：
20.图1：为本实用新型提供的土压平衡盾构机在支撑结构处于收回状态时的结构示意图。
21.图2：为本实用新型提供的土压平衡盾构机在支撑结构处于伸出状态时的结构示意图。
22.图3：为本实用新型提供的适用于土压平衡盾构机的常压换刀刀盘的正面图。
23.图4：为本实用新型提供的刀盘结构的正面图。
24.图5：为本实用新型提供的刀盘结构的侧视图。
25.图6：为本实用新型提供的支撑板体的立体图。
26.图7：为本实用新型提供的支撑结构的侧视图。
27.图8：为本实用新型提供的密封刷的侧视图。
28.图9：为本实用新型提供的压板的剖视图。
29.图10：为图8的俯视图。
30.附图标号说明：
31.1、刀盘结构；11、进渣孔；12、外圆环；13、中心辐板；131、扇形辐板；132、弧形筋板；14、箱体式辐条；15、破岩刀具；16、搅拌棒；17、刀盘稳定器；18、刀盘法兰；19、牛腿；
32.2、支撑结构；21、支撑板体；211、环形筋板；2111、长方形板体；2112、弧形板体；22、推进驱动件；221、油缸；23、钢丝密封刷结构；230、密封刷；231、压板；2311、底板；2312、弯折盖板；2313、容置腔；232、前护板；2321、侧翼板；233、钢丝束组件；2331、钢丝束；234、后护板；235、销钉；236、抱箍圈；
33.3、盾体结构；31、隔板；
34.4、螺旋输送机。
具体实施方式
35.为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本实用新型的具体实施方式。
36.如图1至图10所示，本实施例提供一种适用于土压平衡盾构机的常压换刀刀盘，包括刀盘结构1，刀盘结构1具有周向间隔设置的多个进渣孔11。在刀盘结构1的背部正对每个进渣孔11的位置均设有一支撑结构2，每个支撑结构2包括支撑板体21以及与支撑板体21连接的推进驱动件22，在支撑板体21的外侧边缘一周设有钢丝密封刷结构23。推进驱动件22固设在土压平衡盾构机的盾体结构3内，推进驱动件22能驱动支撑板体21伸出并密封封堵对应的进渣孔11。
37.其中，各进渣孔11贯穿刀盘结构1的前端面和后端面，上述的推进驱动件22主要提供支撑结构2伸出和收回所需的动力，钢丝密封刷结构23主要起到密封的作用，且相较于橡胶密封垫的结构而言承压能力更强。在隧道掘进施工过程中，如图1所示，刀盘结构1高速旋转，刀盘结构1的前方通过各进渣孔11与刀盘结构1后方的土仓连通，并均保持高压状态；此时各支撑结构2处于收回状态并位于土仓的后方，并不影响土仓内的进渣排渣作业。
38.需要进行换刀作业时，停机并使得刀盘结构1旋转至指定位置，保证各支撑结构2正对各进渣孔11；之后可以先利用盾体结构3底部的螺旋输送机4将土仓内的渣土和碎石排出，然后推动各支撑结构2来封堵各进渣孔11；或者也可以利用螺旋输送机4边排渣土边推动各支撑结构2，最终将各进渣孔11全部密封封堵，如图2所示，此时土仓内为常压状态，可以进行常压换刀。换刀完成后，再将各支撑结构2收回，向土仓内填入渣土或者打入浆液来保证掌子面的稳定，可以继续进行隧道掘进施工。
39.由此，本实施例中的常压换刀刀盘，需要更换刀具时，通过推进驱动件22驱动支撑板体21向前伸出便可密封封堵各进渣孔11，利用各支撑结构2填充各进渣孔11来稳定掌子面，形成常压土仓腔体，为换刀提供了足够的作业空间，实现了常压换刀，不仅有效避免了
带压进仓对操作人员的身体伤害，而且结构简单，支撑结构2占用空间较小，成本低，操作施工更加便捷，安全性强，换刀过程效率高；利用钢丝密封刷结构23来实现密封，具有较高的承压能力，保证支撑结构2伸出后配合各进渣孔11形成稳固的封堵，密封更加可靠。
40.在具体实现方式中，如图3和图7所示，各推进驱动件22均包括多个油缸221，各油缸221的一端均与对应的支撑板体21的背部固接，各油缸221的另一端均固设在盾体结构3内。通过油缸221的伸缩来驱动支撑板体21的伸出和收回，操作更加便利。对于油缸221的个数根据需要而定，例如本实施例中每个推进驱动件22包括三个油缸221，来共同驱动同一个支撑板体21的移动。当然，根据需要推进驱动件22也可以采用其他类型的结构，只要便于驱动支撑板体21伸出和收回即可。
41.进一步地，如图4所示，刀盘结构1包括外圆环12、中心辐板13以及多个箱体式辐条14，多个箱体式辐条14呈辐射状固设在外圆环12内，中心辐板13包括固设在相邻两个箱体式辐条14之间的多个扇形辐板131，并在每个扇形辐板131的背部外侧边缘固设有弧形筋板132。相邻两个箱体式辐条14与外圆环12和对应的弧形筋板132之间构成进渣孔11，在各扇形辐板131的正面和各箱体式辐条14的正面均设有多个破岩刀具15。支撑板体21能伸入对应的进渣孔11，且钢丝密封刷结构23能与相邻两个箱体式辐条14中相对的两个侧面、外圆环12的内侧壁以及对应的弧形筋板132的外侧壁密封接触。
42.可以理解，箱体式辐条14呈箱体式结构，其外侧端与外圆环12固接。各弧形筋板132的板面垂直固接在扇形辐板131的背部边缘，各扇形辐板131的正面与各箱体式辐条14的正面位于同一个平面内。支撑板体21的横截面形状与进渣孔11的横截面形状相匹配，以便于向前伸出后能伸入进渣孔11一小段距离并填充对应的进渣孔11，保证钢丝密封刷结构23的密封性能。多个破岩刀具15主要起到实现刀盘开挖切屑土体的作用，具体结构为现有技术。
43.进一步优选地，如图1和图5所示，在各箱体式辐条14的背部均设有搅拌棒16，更有助于提高渣土流通，该搅拌棒16优选与箱体式辐条14的背部焊接固定。在至少其中一个箱体式辐条14的内部且靠近其外侧端设有刀盘稳定器17。对于刀盘稳定器17的个数根据需要而定，例如本实施例中在其中两个对称设置的两个箱体式辐条14内各设有一个刀盘稳定器17。刀盘稳定器17的稳定器油缸在液压系统控制作用下可以伸出刀盘结构1并与围岩接触，以提高盾构机的稳定性。对于刀盘稳定器17的具体结构为现有技术，在此不再赘述。
44.在实际应用中，为了保证支撑结构2伸出后能有效密封封堵各进渣孔11，如图6至图10所示，支撑板体21背部的外侧边缘一周固设有环形筋板211，钢丝密封刷结构23包括沿环形筋板211的周向紧邻排布的多个密封刷230，每个密封刷230包括压板231以及从上至下依次叠压放置的前护板232、钢丝束组件233和后护板234。压板231包括底板2311以及连接在底板2311一端的弯折盖板2312，弯折盖板2312与底板2311围合构成一容置腔2313，前护板232、钢丝束组件233和后护板234的第一端均插设固定在容置腔2313内，前护板232和后护板234的第二端均与底板2311存在预设夹角。每个密封刷230的底板2311均固设在环形筋板211的外侧壁，且每个密封刷230的前护板232均朝向刀盘结构1设置。
45.其中，本实施例中该环形筋板211由位于支撑板体21四周边缘的两个长方形板体2111以及两个弧形板体2112围合构成，且环形筋板211的板面垂直于支撑板体21的背面。前护板232和后护板234主要用于固定钢丝束组件233的位置并对钢丝束组件233起到一定的
保护作用，前护板232和后护板234的第一端相互固接；压板231主要起到对前护板232、钢丝束组件233和后护板234的压紧固定以及便于与环形筋板211连接固定的作用，压板231的厚度相对较厚，以起到更好的压紧作用。弯折盖板2312与底板2311一体成型，底板2311一般焊接固定在环形筋板211的外侧壁上。弯折盖板2312为l形板体，底板2311、前护板232和后护板234均为长方形板体，前护板232和后护板234与底板2311之间的夹角根据需要该密封刷230所能达到的变形量而定。
46.上述的钢丝束组件233在工作时主要起密封作用，当推进驱动件22推动支撑板体21伸出后，支撑板体21和环形筋板211伸入对应的进渣孔11，同时环形筋板211上的各密封刷230发生变形，各钢丝束组件233的自由端紧贴在相邻两个箱体式辐条14中相对的两个侧面、外圆环12的内侧壁以及对应的弧形筋板132的外侧壁上，形成密封接触，以保证此处的密封性能。
47.进一步优选地，弯折盖板2312、前护板232、钢丝束组件233、后护板234和底板2311之间插设有多个销钉235，且各销钉235均与弯折盖板2312和底板2311焊接固定，以保证此处连接的牢固性。
48.更优选地，钢丝束组件233包括多层钢丝束2331，且各层钢丝束2331伸出前护板232的长度自前护板232向后护板234的方向逐层增大。这样，在密封刷230与相应的壁面接触并发生变形后，各钢丝束组件233被压变形后的自由端(也即其第二端)的端面能更加平整平齐，有效保证了密封性能。
49.可以理解，后护板234的第二端伸出前护板232一定长度，靠近后护板234的钢丝束2331的长度一般与后护板234的第二端平齐。各层钢丝束2331均是由成股的钢丝对折后形成的，提前通过抱箍圈236将该股钢丝的根部包裹固定，整股钢丝的根部插设在容置腔2313内，各销钉235均贯穿抱箍圈236。例如本实施例中前护板232和后护板234之间共设有两股钢丝，形成四层钢丝束2331。上述的前护板232和后护板234均优选采用弹簧钢板，弹簧钢板具有较好的弹性和耐磨性，可以提高密封刷230的使用寿命。
50.另外，为了保证相邻两个密封刷230之间的密封性，各前护板232的两侧分别设有一个向外凸出钢丝束组件233的侧翼板2321，多个密封刷230中相邻两个底板2311、相邻两个前护板232以及相邻两个前护板232均紧邻设置。每个前护板232第一侧的侧翼板2321叠压在相邻的前护板232的下方，其第二侧的侧翼板2321叠压在相邻的前护板232的上方。
51.一般相邻两个密封刷230的底板2311之间焊接固定，将各底板2311、前护板232和前护板232均紧密贴靠且利用各侧翼板2321与对应的前护板232相互叠压，采用此种逐个叠压的方式，能保证相邻两个密封刷230之间的密封性，同时相邻两个密封刷230的钢丝束组件233之间也会存在紧密贴靠或存在交织，有效提高了密封性。
52.上述的钢丝密封刷结构23本身与尾盾刷的结构类似，一方面能起到密封的作用，另一方面具有较强的承压能力。当然，根据需要，本实施例中的钢丝密封刷结构23也可以采用其他的尾盾刷结构，本实施例仅为举例说明。
53.进一步地，本实施例还提供一种土压平衡盾构机，包括驱动结构、盾体结构3以及上述的适用于土压平衡盾构机的常压换刀刀盘，刀盘结构1设在盾体结构3的前端，驱动结构固设在盾体结构3内并与刀盘结构1连接，在盾体结构3内固设有隔板31，各推进驱动件22固设在隔板31上。
54.可以理解，盾体结构3为两端开口的筒状结构，驱动结构能驱动刀盘结构1转动，各油缸221的另一端均与隔板31固接(一般油缸221的另一端通过销轴与固设在隔板31上的耳座固定连接)。本实施例中的土压平衡盾构机通过刀盘结构1与支撑结构2的配合，能够方便高效实现常压换刀，安全性更高。
55.为了便于刀盘结构1与驱动结构的连接，刀盘结构1还包括固设在其背部的刀盘法兰18，驱动结构与刀盘法兰18连接。
56.更具体地，中心辐板13的背部和箱体式辐条14的背部与刀盘法兰18之间的区域构成上述的土仓，支撑结构2处于图1中示出的收回状态时位于刀盘法兰18的后方。刀盘法兰18通过多个牛腿19与对应的扇形辐板131和箱体式辐条14固接(具体为焊接固定)，牛腿19的数量与箱体式辐条14的数量相同。一般驱动结构优选包括多个电机，各电机的壳体固设在盾体结构3内，各电机的输出轴通过螺栓与刀盘法兰18固定。
57.综上，本实施例中的常压换刀刀盘以及土压平衡盾构机，能够实现安全、高效的土仓常压换刀作业，具备结构简单、结构强度高、安全性高、换刀过程效率高等优点，解决了现有技术中带压进仓对人员身体伤害的问题，且降低了成本，降低了劳动强度，大大提高了掘进效率和经济性。
58.以上仅为本实用新型示意性的具体实施方式，并非用以限定本实用新型的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。