一种复合破岩刀盘及包括该刀盘的盾构机的制作方法

1.本发明属于盾构机领域，具体涉及一种tbm复合破岩刀盘及包括该刀盘的盾构机。


背景技术：

2.盾构机具有自动化程度高，节省人力，一次成洞，不受气候影响等优点。
3.但目前，盾构机在工程使用当中有一些常见问题，具体如下:
4.盾构刀具的滚刀磨损问题，主要是滚刀上用于破岩的刀圈的磨损，在高硬岩条件下，滚刀挤压岩石往往不能高效顺利的破岩，从而造成破岩效率低，刀具磨损严重等问题，滚刀价格昂贵，刀具更换较为复杂，维修成本较高，停机更换刀具，一方面会影响工期，另一方面增大成本，降低破岩效率。在专利【202011384511.x】中公开了一种以温差作为辅助措施的可破岩盾构机系统和作业方法，主要包括：盾构机刀盘、滚刀、摩擦原件、伸缩杆、伸缩电机、旋转电机、温度传感器、水喷头、计算机；所述摩擦原件与伸缩杆焊接，安装在盾构机的刀梁上，并受到伸缩电机以及旋转电机的控制；所述温度传感器安装在两相邻摩擦原件之间，便于及时感知温度，触发喷水装置；本技术可以充分利用盾构机运转所产生的热量，并与摩擦元件产生的热量相结合进行辅助破岩，通过冷热交替使岩石产生大量裂隙，从而降低滚刀破岩的难度，减少刀具的磨耗，降低工程成本，提高盾构机在硬岩地层掘进效率；但是该装置存在以下几个方面的缺陷：
①
因需要摩擦掌子面产生较大的热量，因此其摩擦元件转速极快，但摩擦生热会影响动能进而对转速也有影响，摩擦即会形成传动阻力，如转动部件间的摩擦、相对滑动零件间的摩擦等，会增加功率的消耗。
②
摩擦原件易受损，可能使得岩石还没达到加热温度其摩擦元件发生了损坏，损坏需要维修，增加了维修时间，降低了施工效率。
③
摩擦产生的热量较低，摩擦生热只能使岩石达到200度左右，可能导致受热不充分。
④
在喷水降温的过程中，水分子会附着在掌子面上，由于水分子不能摩擦生热，因此影响摩擦效率。
5.盾构机刀具磨损与布局问题，盾构机刀具的布局首先是由盾构机选型决定的，不同的地层，所采用的盾构机以及盾构机刀盘也是不同的；根据盾构机刀盘刀具配置简单的分为软土刀盘、硬岩刀盘和复合刀盘三种。软土刀盘上刀具的布置主要以焊接刀为主，硬岩刀盘上主要以滚刀为主，复合刀盘上刀具的布局相对较复杂，滚刀和焊接刀均有。而目前较为通用的复合刀盘，其刀具的布局是比较灵活的。由于一些区间地层变化较快，这就要求对盾构机刀盘上刀具进行合理布局，即能满足在软土段的快速掘进，又能满足在硬岩段的有效破岩，而传统软土刀盘，掘进效率低，布局复杂。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种tbm复合破岩刀盘及包括该刀盘的盾构机，通过对刀具的合理布局，高效掘进，增大施工效率，同时减少刀具的磨损程度，节约维修成本。
7.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
8.第一方面，本发明的实施例提供了一种tbm复合破岩刀盘，包括滚刀盘和动盾盘，所述的动盾盘设置在滚刀盘的前方，动盾盘与滚刀盘均通过盾构机主轴驱动；所述的沿着滚刀盘的圆周方向在滚刀盘上设置边滚刀、正滚刀和出渣口，沿着滚刀盘的径向方向设置多个凹槽，每个凹槽内安装有第一滑移装置，在所述的第一滑移装置上设置有火焰喷嘴头和低温喷水嘴，所述的火焰喷嘴头和低温喷水嘴朝向岩石表面喷射；在所述动盾盘上设有可以沿着动盾盘径向方向移动的第二滑移装置，在所述的第二滑移装置上固定有切刀，所述的第一滑移装置与第二滑移装置同步移动。
9.作为进一步的技术方案，在滚刀盘的背面设置有气仓，所述气仓与滚刀盘固定在一起，所述的气仓为火焰喷嘴头提供可燃性气体。
10.作为进一步的技术方案，所述的气仓上设置十字形板，在十字形板的两个方向上各设置两个带孔的伸缩基板，该孔与高温火焰喷嘴末端固定连接，所述十字形板与滚刀盘上设置的十字形电磁滑移装置对齐。
11.作为进一步的技术方案，所述气仓周边设置滑榫，气仓与盾构机的盾体滑动连接。
12.作为进一步的技术方案，在所述主轴内设置有输水总管道，所述的输水总管道为低温喷水嘴供水。
13.作为进一步的技术方案，所述的动盾盘包括十字状刀盘，在十字状刀盘的第一方向上设置两个可以相对移动的第二滑移装置，在第二滑移装置上设置能随其一起滑移的切刀，在第二方向上直接设置固定不动的切刀。
14.作为进一步的技术方案，所述的动盾盘包括十字状刀盘，在十字状刀盘的第一方向上设置两个可以相对移动的第二滑移装置，在第二方向上上设置两个可以相对移动的第二滑移装置，在每个滑移装置上均设置有切刀。
15.上述的切刀在切刀盘上有两种移动方式，一种是十字架状切刀盘上仅两个滑动切刀沿其中一条对角线相对移动，所述两个滑动切刀初始位置相同，速度相同，切刀的移动速度大于刀盘的转动速度，刀具随着刀盘的转动而进行往复的移动，切刀相对于切刀盘做直线运动；另一种是四个滑动切刀沿十字架状切刀盘四个方向相对运动，所述四个滑动切刀初始位置相同，速度相同，切刀的移动速度小于刀盘的转动速度，刀具随着刀盘的转动而向刀盘径向进行往复的移动，切刀在滑块上移动相对于切刀盘做直线运动。
16.作为进一步的技术方案，第一滑移装置与第二滑移装置相间且均匀分布。
17.作为进一步的技术方案，所述第二滑移装置的初始位置相同，速度相同；切刀的移动速度小于动盾盘的转动速度，切刀随着动盾盘的转动而向刀盘径向进行往复的移动。
18.作为进一步的技术方案，所述切刀的中轴线与十字状刀盘垂直。
19.第二方面，本发明还提供了一种盾构机，包括所述的复合破岩刀盘。
20.上述本发明的实施例的有益效果如下：
21.本发明提出的新型破岩刀盘进行破岩，采用“一冷一热”冷热交替式可移动装置进行辅助破岩，利用高温火焰与低温喷水的热胀冷缩和热力劈裂的原理，大大降低了刀具的磨损程度，节约维修成本；本技术在实例中可以避免因摩擦而产生较大的能量消耗以及电功率消耗。本技术由于高温火焰喷头与低温水喷头的长度要小于切割刀具的长度，因此不易受损，并且能够使得岩石顺利的充分加热。专利中摩擦产生的热量较低，摩擦生热只能使岩石达到200度左右。而本技术中的火焰喷射装置可以使得岩石加热到500-600度，火烧充
分，在遇冷水激石时，可产生较大裂隙，提高切割效率。专利中在喷水降温的过程中，水分子会附着在掌子面上，由于水分子不能摩擦生热，因此影响摩擦效率，而本技术中所喷射的低温冷水对掘进过程不会带来不良影响，反而可以提高空气中的湿度，具有一定的除尘效果。采用高温火焰以及低温水漓相对于其他同等原理的专利而言，此复合刀盘所需要的结构不太复杂，耗电量以及功率不需太高，一般不会产生“热失控”等因素，本技术在辅助掘进过程中的每次火烧水漓是单独发生、互不影响的，因此不会因为上一次火烧水漓而影响下一过程。
22.本发明设计了一种可移动刀具，伴随刀盘带动刀具的转动以及刀具向刀盘径向往复的移动，合力进行破岩，相对于专利【202011384511.x】的固定刀盘，移动刀盘可将掌子面切割成数个菱形、方形、三角形等封闭截面，在火烧水漓所产生的岩石裂隙以及移动刀盘切割的无数封闭截面岩块的环境下，大幅度增加了掘进效率、施工效率，通过对刀具的合理布局，高效掘进。
附图说明
23.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
24.图1为本发明一种新型tbm破岩刀盘之四个可移动刀盘正视图；
25.图2为本发明一种新型tbm破岩刀盘之两个可移动刀盘正视图；
26.图3为本发明高温火焰喷射装置正视图；
27.图4为本发明高温火焰喷射装置结构侧视图；
28.图5为本发明低温水喷射装置结构示意图；
29.图6为本发明刀具移动速度小于刀盘转动速度且为四个切刀同时移动时切刀运动轨迹示意图；
30.图7为本发明刀具移动速度大于刀盘转动速度且为两个切刀同时移动时切刀运动轨迹示意图；
31.图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。
32.1.侧盾，2.滚刀盘，3.正滚刀，4.边滚刀，5.动盾盘，6.滑块，7.可移动切刀，8.滑槽，9.电磁滑块，10.高温火焰喷嘴，11.低温水喷嘴，12.挡水板，13.正滚刀圆周切痕，14.出渣口，15.固定刀具底座，16.固定切刀，17.滑榫，18.可伸缩式滑板，19.气仓中心预留孔洞，20.气仓，21.气体调节阀，22.输气总管，23.点火及出气控制装置，24.渣石运输通道，25.气体回流装置，26.高压水箱，27.输水总管件，28.回转接头，29.分流器，30.水管支管，31.刀具移动速度大于刀盘转动速度且为两个切刀同时移动时切刀运动轨迹，32.刀具移动速度小于刀盘转动速度且为四个切刀同时移动时切刀运动轨迹；33滑槽。
具体实施方式
33.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
34.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根
据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
35.为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
36.术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。
37.正如上述背景技术所说，针对滚刀磨损问题以及刀具磨损与布局问题，本发明设计了一种新型的tbm破岩刀盘，通过对刀盘的改进，实现高效掘进，增大施工效率，同时减少刀具的磨损程度，节约维修成本。如图1所示，本发明中根据可移动刀具数量的多少可将刀盘分为两种类型，实例一是图1所示四个可移动刀具破岩刀盘，实例二是图2所示两个可移动刀具破岩刀盘；下面对两种类型的刀盘结构进行详细说明：
38.实施例1
39.如图1所示，本实施例基于tbm，主要公开了一种tbm破岩刀盘，完整的tbm包括盾构机主体、盾盘、主轴、刀具、冷热交替装置、控制与驱动装置以及渣土运输系统；其中盾构机主体推进后方设置侧盾1，所述的侧盾1是固定不动的，侧盾1的内圈是滚刀盘2，滚刀盘2与盾构机的主轴相连，与盾构机主轴一起运动，滚刀盘2上设置正滚刀3、边滚刀4和出渣口14，所述配置均固定设置于滚刀盘2上，后方与主轴相连，主轴与盾体转动连接；所述的正滚刀3沿着滚刀盘2的圆周方向设置多个，边滚刀4也沿着滚刀盘2的圆周方向设置多个，正滚刀3和边滚刀4个数相等，且沿着滚刀盘2的径向方向，正滚刀3和边滚刀4位于滚刀盘2的同一径向方向上，所述的出渣口14位于相邻的边滚刀4之间，本实施例找中，出渣口14设置四个，四个出渣口14分别位于滚刀盘2正交的两条径向线上。
40.进一步的，滚刀盘2的前方设置动盾盘5，动盾盘5为一个十字刀盘，在十字刀盘上设置切刀7和电磁装置，十字刀盘的中心位置后方安装动轴，动轴与盾构机主体的主轴转动连接，通过后方动轴带动十字刀盘转动；具体的，在十字刀盘的表面开设有滑槽33，滑槽33内部设有滑块6，滑块6上固定切刀7，所述切刀7的中轴线与盘体垂直，滑块6与滑槽33之间为电磁铁吸合连接，在沿十字刀盘的径向两侧设置有控制及动力系统，输入程序指令，使得刀具移动智能化，其电力系统埋置于动盾盘背面与动轴相通的主轴容纳腔内；
41.在盾构掘进切刀削切岩体的过程中，可移动切刀7随着刀盘的转动而进行往复的移动，四个可移动切刀7的初始位置、转速、移动速度均相同，切刀相对于十字状动盾盘做直线运动，最终削切所得掌子面的切痕图形如图6和图7所示。
42.对于新型复合刀盘的施工工艺来说，按照控制刀盘与刀具的速度，为最大效率利用该新型刀盘，有两种施工方法，其一，当刀具移动速度大于等于刀盘转动速度且为两个切刀同时移动时进行掘进，若是切刀盘呈十字状分布，每一支盘上的削切路径是一样的，不妨
只设置两支可移动刀具，最终削切的掌子面岩石较为破碎。其二，刀具移动速度小于刀盘转动速度且为四个切刀同时移动时进行掘进，刀具移速小有利于充分破岩，并且节省供电，但工作时间会延长，为提高破岩效率，加快工期，可采取四个可移动刀盘的十字状可移动刀盘，这样所削切的掌子面会更加破碎，破岩更加充分。
43.目前，一般盾构机在岩层中掘进刀盘转速约为6r/min；在土层中掘进刀盘转速约为3r/min。随着刀盘带动刀具的转动以及刀具向刀盘径向往复的移动，掌子面的岩石被切割出若干个封闭岩块，如三角形、菱形、矩形等，切割的封闭图形岩块越多，岩石越破碎，更有利于提高破岩效率，考虑到刀具移动过快一方面是不现实，无法高效的切割岩体，另一方面是供电功率较大，增加成本，因此刀具移动不宜过快。
44.在本实施例中，上述的冷热交替式装置与上述的可移动刀盘的工作原理相一致，也采用十字形电磁滑移装置，所述十字形电磁滑移装置与前所述动盾盘5错位安装，即在本实施例中整个盘体表面所有电磁滑移装置呈“米”字形分布；具体的，在滚刀盘2上设置十字形的滑槽8，在所述滑槽8内部设有滑块6，所述滑块6上开设方形孔与圆形孔，并将高温火焰喷嘴10与低温水喷嘴11固定在预留孔上，两种喷嘴之间设置挡水板12，所述挡水板12也固定在滑块6上，用来防止两种喷嘴之间工作时的相互影响，与可移动刀盘不同的是，滑槽8的底部滑板开设有与高温喷射嘴10一样宽的长条状通孔，所述条孔长度为高温火焰喷嘴10移动路径的长度，以便所述喷嘴可贯穿滑槽8并在滑槽8内移动，滑板沿盘体径向两侧设置有驱动及控制系统，输入程序指令，使得两装置移动智能化，其电力系统埋置于动盾盘背面与动轴相通的主轴容纳腔内。
45.如图3、图4所示，为高温火焰喷射装置示意图，滚刀盘2的正后方设置气仓20，其紧邻动轴正后方，所述气仓20用于储存氧气以及可燃性气体，气仓20中央预留主轴大小的圆柱状通孔，以便盾构机的主轴从中央穿过，使得气仓相对于主轴滑动，气仓20沿推进方向的表面设置十字形板18，十字形板18并与前方冷热交替式装置的十字形电磁滑移装置前后对齐，十字形板18上设置带方形火焰喷嘴孔的伸缩基板，此方形火焰喷嘴孔与前方冷热交替式装置的十字形电磁滑移装置上设置的方形火焰喷嘴孔对齐，高温火焰喷嘴10从两孔间穿过，使得滚刀盘2与后气仓20形成一个转动整体，气仓20由滚刀盘2转动带动其转动，高温火焰喷嘴10与伸缩基板上的方形火焰喷嘴孔焊接密封连接，由此高温火焰喷嘴10末端与气仓20可直接密封相连，气体直接由气仓20传递给所述喷嘴进行喷射，通过点火及出气控制装置23实现阀门自动开合，控制气体的流出。进一步的，在火焰喷嘴处安装控制装置，控制气仓中气体的喷射。所述每个火焰喷嘴的喷射路径与可移动切刀切割路径始终保持一致，火焰喷嘴头的喷射段与岩石表面正对。
46.十字形板18与伸缩基板之间，十字形板18与气仓20表面之间均通过橡胶带密封连接，防止气体渗出。
47.进一步的，气仓20周边设置若干滑榫17，气仓20与侧盾1之间通过榫卯结构滑动连接，使得所述气仓20在侧盾1内转动，在所述气仓20背后的主轴容纳腔内中心部位设置输气总管22，所述输气总管22与气仓20相对转动，通过带油橡胶圈密封连接，输气总管件22上安置气体调节阀21以控制氧气以及可燃性气体的输送量，在气仓周边预留渣石运输通道24，用来运输掌子面破碎的岩石，所述输气总管22前端设置气体回流装置25，在掘进结束时，气仓20内剩余气体可通过气体回流装置25进行抽回，进行可循环利用，防止污染环境。
48.如图5所示为低温喷水装置结构示意图，本实施例中“冷”装置为低温喷水装置，盾体中的主轴穿过所述圆筒状气仓的中间预留圆孔，并与气仓内侧滑动连接，与气仓和动盾盘以同一角速度转动，所述主轴中存在容纳腔，其中输水总管道埋置于容纳腔内，在火焰喷射结束后，紧接着通过输水总管道输送水至各支管，最终水流从喷嘴头处射出，在动盾盘的十字形电磁滑移装置上的滑块的火焰喷嘴旁开设圆形孔，圆形孔与各输水支管相连接，火焰喷嘴与水喷嘴在同一滑块上运动，喷水嘴的喷射段与岩石表面正对，整套输送装置中的分流器采用圆环形结构，在火焰喷嘴头与低温射水头之间的滑块上设置挡水板，防止两种喷嘴工作时相互影响。具体的，图1、图2中低温水喷嘴12与管道系统相连接，其管道系统穿过气仓20中心部位的主轴容纳腔内部，通过高压水箱26向输水总管件27中抽水，所述输水管与回转接头28相接，所述回转接头采用圆环形结构并套装在分流器29上，两者之间相通并密封连接，通过分流器29将水输送进各输水支管30中，最终低温水通过低温水喷嘴11喷出，所述水喷嘴与所述火焰喷嘴一同固定于盘体十字形电磁滑移装置处的滑块上，喷水不仅用于迅速降温，还有利于润滑岩石，增大空气中的湿度，降低空气中的粉尘浓度。
49.在此工作环境中，高温火焰喷嘴12与低温水喷嘴11不与岩石接触，始终保持一定距离，且为了不影响刀盘的正常工作，两种喷嘴的高度要小于所有刀具的截面高度。
50.对于新型复合刀盘的施工工艺来说，按照控制刀盘与刀具的速度，有两种施工方法，如图6、图7所示，为最大效率利用该可移动刀盘，分别分析了该两种施工方式；
51.当刀具移动速度大于等于刀盘转动速度且为两个切刀同时移动时切刀运动轨迹如图6所示，据分析，目前一般盾构机在岩层中掘进时刀盘转速约为6r/min；在土层中掘进刀盘转速约为3r/min，但刀具的移动速度不宜过快，过快不仅会消耗更高的功率，而且配合冷热交替式装置也降低了削切效率，变相增加了成本，应在一个合理的范围内，类比等离子切割岩石试验来说，其最大切割速度约为2m/s，由于本发明的冷热交替装置为辅助破岩，且冷热交替装置的喷射路径始终与可移动刀具的切割路径保持一致，则其刀具以及冷热交替装置最大移动速度不宜超过2m/s，若是切刀盘呈十字状分布，每一支盘上的削切路径是一样的，不妨只设置两支可移动刀具，最终削切的掌子面岩石较为破碎。
52.实施例二
53.在本实施例中，如图2所示，本实施例中给出的可移动刀盘电磁滑移装置呈“一”字形，即将十字形电磁滑移装置其中相对的两个支盘更换成固定刀具底座15与固定在底座上的切刀16，其工作原理以及可移动刀具的设置方式与实例一相同。
54.图中虚线圆为正滚刀的切痕轨迹13，是固定不变的。
55.在该实施例中，刀具移动速度小于刀盘转动速度且为四个切刀同时移动时切刀运动轨迹如图7所示，刀具移速小有利于充分破岩，并且节省供电，但工作时间会延长，为提高破岩效率，加快工期，可采取十字形可移动刀盘，这样所削切的掌子面会更加破碎，破岩更加充分。
56.无论以哪种转速，调试好刀盘转速与刀具移速的比例关系，在实际情况中根据变化等比例扩大或缩小即可。
57.上述实施例一和实施例二采用“一冷一热”冷热交替式可移动刀头装置进行辅助破岩，利用高温火焰与低温喷水的热胀冷缩和热力劈裂的原理，使得岩石内部出现裂痕，大大降低了岩石强度，减少了刀具的磨损程度，节约维修成本。
58.在冷热交替式刀头装置工作时，先喷射火焰，隔段时间后再喷水，刀具始终挤压岩石进行削切。
59.在本发明的施工过程中，具体步骤实例如下：
60.步骤1tbm在隧道中作业，预备好上述冷热交替式装置、可移动刀具装置、驱动与控制系统以及电力系统，准备进行掘进。
61.步骤2首先主机为动轴提供扭矩，并开通冷热交替装置的电力系统及控制与驱动系统，盘体先转动一圈并对掌子面喷火加热进行预热，隔一段时间后再进行喷水降温。
62.步骤3随后启动可移动刀具的动力装置以及控制装置，冷热交替装置同可移动刀具一起工作，掘进的同时喷火加热隔段时间喷水降温，加热与降温需分开进行，刀具沿滑槽8移动，十字状动盾盘转动掘进。
63.步骤4持续进行第3步，最终掘进到设计面为止。
64.最后还需要说明的是，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
65.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。