一种盾构机的球面钻头式刀盘结构及挖掘方法与流程

1.本发明涉及盾构机技术领域，尤其是一种盾构机的球面钻头式刀盘结构及挖掘方法。


背景技术：

2.盾构技术由于其对地层扰动小、对城市机能影响小等独到的优点，已经成为城市地铁开挖、建设的主要技术。
3.常规的盾构机大多采用的是直角型刀盘结构，此种刀盘结构制作简单，安装方便，但是土仓空间较小，不利于渣土流动。尤其是一些小型隧道，土仓空间更小。而且由于盾构机自身结构特性，直角形刀盘在普遍地层中的稳定性及切削效率有限，在特殊工况下，例如：与原成型隧道交叉式隧道掘进时，难以适用于交叉点处的开挖工作。


技术实现要素：

4.本技术人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的盾构机的球面钻头式刀盘结构及挖掘方法，采用球面刀头，结合直线、螺旋弧形的主梁或主梁，增大与掌子面接触面积的同时，球面刀头内部空间更大，便于排渣，从而提高切削效率和携土能力。
5.本发明所采用的技术方案如下：
6.一种盾构机的球面钻头式刀盘结构，设于盾体上，所述盾体的前进端设有球面刀盘、位于球面刀盘上的刀具，
7.所述球面刀盘的圆心处设有中心伸缩刀具组件，所述中心伸缩刀具组件包括：位于球面刀盘圆心位置的中心回转接头，驱动装置带动球面刀盘旋转，球面刀盘再带动中心回转接头旋转；所述中心回转接头贯穿球面刀盘的圆心位置，且中心回转接头伸出球面刀盘的端部上安装有中心刀具；所述中心回转接头的杆体上还设有搅拌叶片，
8.所述中心回转接头内部设有活塞结构，活塞结构包括位于中心回转接头内的油腔、滑移在油腔内的活塞体，所述活塞体两侧分别连接有连接块和推杆，其中连接块内设有进油油路，进油油路一端连接液压泵输出端的液压管路，另一端与油腔连通；中心钻杆与中心刀具相连。
9.所述球面刀盘包括环形的刀架底座、环形阵列于刀架底座上的弧形主梁或螺旋主梁。
10.所述弧形主梁或螺旋主梁一端与刀架底座固定连接，另一端向背离盾体的一侧延伸，所述弧形主梁或螺旋主梁背离刀架底座的一端汇集至球面刀盘所在球面上的一点，该点对应于半球形球面刀盘的圆心位置。
11.所述刀架底座上还设有支撑梁，支撑梁环形阵列设置，支撑梁的交点位于刀架底座的圆心处。
12.所述中心回转接头上的搅拌叶片与中心回转接头之间可拆卸连接，中心回转接头的外圆表面嵌设安装块，搅拌叶片与安装块之间螺栓紧固连接。
13.所述中心回转接头上的安装块安装位置还另配有堵塞块。
14.所述中心回转接头上的杆体内、连接块内设有相互连通的冲洗通道，冲洗通道的输出一端位于连接块的外壁上。
15.所述冲洗通道的输出端位置对应于土仓内。
16.本发明还提供一种利用盾构机的球面钻头式刀盘结构的开挖方法，包括如下步骤：启动盾构机，驱动装置带动球面刀盘，球面刀盘带动中心回转接头旋转，从而带动中心刀具、球面刀盘转动挖掘；当设备开挖过程中数据出现波动或异常时，暂停设备，液压结构推出推杆，带动中心刀具伸出，埋设在中心刀具内部的传感器对地质结构进行检测，根据检测结果判断下一步挖掘方法；在松懈压力小的地层中，间隔或不定期停机钻探检测地质。
17.本发明的有益效果如下：
18.本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过采用球面结构的球面刀盘、直线弧形或螺旋弧形的主梁结构，更利于带动盾构开挖过程中的渣土，且切削效率高，携土能力强，导正性能好；
19.同时设计有中心回转接头带动中心刀具能够提前伸出进行钻探，相对于传统的盾构机能更为快速便捷地了解地层情况，使施工更方便安全；
20.本发明在设计有搅拌叶片的基础上，还带有高压冲洗，针对不同地层使用时，搅拌叶片搅拌渣土，结合高压冲洗动作，能够更有效地防止土仓渣土固结。
21.本发明刀盘采用球面结构，主梁或刮板采用直线型弧形或螺旋弧形结构，更利于带动盾构开挖过程中的渣土，且切削效率高，携土能力强，导正性能好，同时设计有中心超前钻探装置，相对于传统的盾构机能更为快速便捷地了解地层情况，使施工更方便安全。刀盘采用球面结构，相对于传统盾构机土仓前移，空间较大，便于渣土流动及换刀检查操作等，同时土仓前移可缩短前盾长度，更便于盾构机小曲线掘进及转弯。刀盘采用球面结构，与传统盾构机相比较，主机部分重心相对掌子面后移，可有效解决盾构机在部分地层中易栽头的问题，尤其在软弱土地层中，解决了盾构机的姿态问题。
22.整个球面刀盘侧截面看为球面结构，使得土仓相对于常规平面结构刀盘前移，同样设计条件下可有效地缩短盾体长度，盾体短了不仅重量轻了，而且在盾构施工过程中，小曲线转弯时非常有利，盾体越短转弯越容易，能适应更小的曲线、便于盾构机小曲线掘进及转弯。且由于刀盘采用球面结构，相对于平面刀盘盾构机土仓空间较大，便于渣土流动及换刀检查操作等。
附图说明
23.图1为本发明的整体结构侧视图。
24.图2为本发明的球面刀盘侧视图。
25.图3为本发明的球面刀盘主视图。
26.图4为本发明的球面刀盘后视图。
27.图5为本发明另一种实施方式的球面刀盘侧视图。
28.图6为本发明另一种实施方式的球面刀盘主视图。
29.图7为本发明另一种实施方式的球面刀盘后视图。
30.图8为本发明的中心回转接头结构示意图。
31.图9为本发明的搅拌叶片与中心回转接头之间的连接关系示意图。
32.其中：1、盾体；2、球面刀盘；3、中心伸缩刀具组件；4、驱动装置；5、安装块；6、冲洗通道；7、土仓；8、进油油路；
33.201、刀架底座；202、主梁；203、支撑梁；
34.301、中心回转接头；302、中心刀具；303、搅拌叶片；304、油腔；305、活塞体；306、连接块；307、推杆。
具体实施方式
35.下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
36.如图1-图9所示，本实施例的盾构机的球面钻头式刀盘结构，设于盾体1上，盾体1的前进端设有球面刀盘2、位于球面刀盘2上的刀具，
37.球面刀盘2的圆心处设有中心伸缩刀具组件3，中心伸缩刀具组件3包括：位于球面刀盘2圆心位置的中心回转接头301，盾体1内设有驱动装置4，驱动装置4带动球面刀盘2，球面刀盘2带动中心回转接头301旋转中心回转接头301贯穿球面刀盘2的圆心位置，且中心回转接头301伸出球面刀盘2的端部上安装有中心刀具302；中心回转接头301的杆体上还设有搅拌叶片303，中心回转接头301内部设有活塞结构，活塞结构包括位于中心回转接头301内的油腔304、滑移在油腔304内的活塞体305，活塞体305两侧分别连接有连接块306和推杆307，其中连接块306内设有进油油路8，进油油路8一端连接液压泵输出端的液压管路，由液压泵输出的油液经液压系统输送至此处，对部件的运动进行控制；另一端与油腔304连通；推杆307与中心刀具302相连；
38.所述中心刀具302内埋设有传感器，传感器引线埋设于推杆307内部，与外界电源、电脑相接。
39.如权利要求1的本实施例的盾构机的球面钻头式刀盘结构，球面刀盘2包括环形的刀架底座201、环形阵列于刀架底座201上的弧形主梁202或螺旋主梁202。
40.弧形主梁202或螺旋主梁202一端与刀架底座201固定连接，另一端向背离盾体1的一侧延伸，弧形主梁202或螺旋主梁202背离刀架底座201的一端汇集至球面刀盘2所在球面上的一点，该点对应于半球形球面刀盘2的圆心位置。
41.刀架底座201上还设有支撑梁203，支撑梁203环形阵列设置，支撑梁203的交点位于刀架底座201的圆心处。
42.中心回转接头301上的搅拌叶片303与中心回转接头301之间可拆卸连接，中心回转接头301的外圆表面嵌设安装块5，搅拌叶片303与安装块5之间螺栓紧固连接。
43.中心回转接头301上的安装块5安装位置还另配有堵塞块。
44.中心回转接头301上的杆体内、连接块306内设有相互连通的冲洗通道6，冲洗通道6的输出一端位于连接块306的外壁上。
45.冲洗通道6的输出端位置对应于盾体1的土仓7内。
46.本发明还提供一种利用盾构机的球面钻头式刀盘结构的开挖方法，包括如下步骤：启动盾构机，驱动装置4带动球面刀盘2，球面刀盘2带动中心回转接头301旋转，从而带动中心刀具302、球面刀盘2转动挖掘；当设备开挖中数据出现波动或异常时，暂停设备，液压结构推出推杆307，带动中心刀具302伸出，埋设在中心刀具302内部的传感器对地质结构
进行检测，根据检测结果判断下一步挖掘方法；在松懈压力小的地层中，间隔或不定期停机钻探检测地质。
47.本实施例的具体结构及工作过程如下：
48.如图1和图2所示，在盾构机的前进端设有球面刀盘2，球面刀盘2的结构参考图2-图4，整个球面刀盘2的侧视图为半圆形，使得土仓7相对于常规平面结构的刀架前移，同样的其他设计条件下，能够有效缩短盾体1长度，更便于盾构机小曲线掘进及转弯。且由于刀架自身的球面结构，相对于平面刀盘盾构机来说，土仓7空间更大，便于渣土流动及换刀检查等操作。
49.图2-图4所示为本实施例中的其中一种实施方式，此实施方式中，用于安装刀具的主梁202为螺旋形，每根主梁202的螺旋方向相同，最终汇集至球面刀盘2的球面上一点。这一点处对应安装中心回转接头301，中心回转接头301伸出球面刀盘2的一端设置中心刀具302。
50.如图5-图7所示，为本发明中的另一种实施方案，此实施方案中，用于安装刀具的主梁202为常规圆弧形，主梁202位于球面刀盘2经过圆心的剖面上。
51.以上两种实施方式中，支撑梁203和刀架底座201位于球面刀盘2所在球体的直径所在面上，且支撑梁203为直线形，交叉于球面刀盘2的圆心。
52.如图7和图8所示，为中心伸缩刀具的整体结构，中心伸缩刀具包括中心回转接头301，本实施例中的驱动装置4参考图1，采用驱动电机带动。中心回转接头301两端分别安装中心刀具302和连接块306，中心刀具302伸出球面刀盘2设置，位于球面刀盘2最凸出的一点上。连接块306与中心回转接头301相连，在连接块306背离中心回转接头301一侧设有油缸，油缸的具体结构为现有技术，本方案不作改进，此处不再赘述；连接块306内设有进油油路8。中心回转接头301内部中空设置，中空空间是推杆307移动的轨道。在中空的油腔304中滑移连接有活塞体305，活塞体305上连接有推杆307，推杆307即与中心刀具302连接。按图8中方位，在进油油路8下方的另一条油路，为另一条进油油路，这两条油路工作时，进油油路8进油，推动活塞体305伸出，则推杆307伸出，带动中心刀具302伸出。若另一条进油油路进油，则进油油路8对应出油，推杆307缩回，带动中心刀具302缩回。活塞体305、推杆307和中心刀具302组成中心钻杆，中心钻杆内部设置光电传感器，能够对前方地层进行检测，硬度或者某一种几种成份。光电传感器设置在刀头最先接触到地质的位置，引线埋设在钻杆内部，传感器的安装方式为现有技术，此处不做赘述。
53.在中心回转接头301的外圆表面上开槽设置，槽内设置安装块5，安装块5上通过螺栓连接有搅拌叶片303。搅拌叶片303可拆卸设置，当地层易形成泥饼或土块固结时，安装搅拌叶片303；当地层有较大石块易将搅拌叶片303打断时，将搅拌叶片303拆下后，用对应的堵塞块将开槽位置堵住。
54.本发明的球面刀盘2在使用过程中，能够通过冲洗通道6对土仓7内部进行冲洗，冲洗通道6还连通至中心刀具302处，对中心刀具302进行冲洗。在冲洗通道6与中心刀具302相连通处，对应设有法兰封堵，需要冲洗中心刀具302时打开封堵，不需要冲洗中心刀具302时关闭封堵。法兰封堵为常用零件，此处不做赘述。搅拌叶片303在软土地层对土仓7渣土进行搅拌。
55.冲洗通道6内还可以添加其他溶液，针对工况的不同，选取对应溶液进行喷洒，起
到渣土改良的目的。
56.本发明中的球面刀盘2上的刀具，以及中心刀具302能够根据实际工况采用不同的刀具，对地层进行切削或碾压开挖。主梁202的数量及分布能够根据地层实际情况调整，增多或减少。中心刀具302采用硬质合金以防磨损。
57.本发明的优势是：适应多种地层施工，当设备开挖中数据出现波动或异常时，地层松懈压力变小，或者有突发其它地质出现的时候，可进行停机处理，用钻杆探测地质。即使没有出现挖掘阻滞的情况，也可以实时进行试探钻探，以便提高施工安全性。
58.球面刀盘在施工过程中，直接可以应用于既有隧道二次开挖，即交叉穿过原有隧道的新隧道开挖工况。还能够应用于小直径转弯隧道，解决了现有盾构机的施工局限性问题。
59.以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。