一种多刀盘掘进机的渣土改良系统的制作方法

本发明属于隧道工程施工设备技术领域，具体涉及一种多刀盘掘进机的渣土改良系统。

背景技术：

掘进机隧道施工，具有安全、高效、环保等优点，已经在铁路、公路、水电、市政、国防等领域得到广泛应用。但目前的隧道掘进机绝大部分属于圆形单刀盘类型，多刀盘掘进机还处于起步发展阶段。与单刀盘掘进机相比较，多刀盘掘进机具有成本低、适应浅覆土掘进、可实现任意异形断面开挖等优点，但由于多为异形断面，排渣困难，同时刀盘数量多，对渣土改良的要求非常高。

渣土改良是掘进机施工过程中的一个关键环节，掘进机通过刀盘的旋转开挖下来的原状土，流动性与塑性较差，需要根据不同的土层添加不同的改良剂，并在土仓中搅拌均匀，将渣土改良成“塑形流动状态”，才能有效的建立土压平衡，避免渣土在土仓内发生结饼、闭塞、喷涌和掌子面失稳等工程事故，所以渣土改良的好坏直接影响工程的成败。

目前，圆形单刀盘掘进机的渣土改良技术已相对成熟，而多刀盘掘进机的渣土改良技术还处于摸索总结阶段，特别是砂卵石层、上软下硬复合地层等复杂地质条件下，多刀盘掘进机的渣土改良系统在国内仍处于技术空白。砂卵石层或者上软下硬复合地层从力学机制上表现为强烈的不稳定性，特别是顶部自稳能力差，很容易被扰动而出现垮塌和沉降，卵石等大粒径的渣土流动性极差。渣土改良效果直接影响到螺机出渣、刀盘扭矩、掘进速度、沉降控制等关键参数，决定着工程的成败。而多刀盘掘进机渣土改良系统设计时必须考虑到最复杂地质的适应性。

多刀盘掘进机开挖断面的跨度较大，在上软下硬复合地层中掘进时，每个刀盘所处的地层情况不尽相同，开挖时每个刀盘需要注入改良剂的种类也会不同；多刀盘掘进机用于排渣的螺旋输送机进料口不处于结构上的最低点，大粒径渣土很难流动到排渣口，进而造成局部堆渣影响掘进；多刀盘掘进机一般存在开挖盲区，需要进行辅助措施进行处理；多刀盘掘进机多用于浅覆土开挖，一般覆土层厚度小于5m，顶部透水性大，透气性强，易造成地表沉降与冒浆。所以，传统的改良方式不足以满足多刀盘掘进机施工的要求，因此，发明一种适用于多刀盘掘进机的渣土改良系统具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的发明目的在于克服背景技术中所描述的缺陷，从而实现一种各个刀盘的改良系统相对独立，同时又能实现集成控制，能够适应各种地质条件，多种改良剂配合使用，可实现最佳改良方式快速切换的多刀盘掘进机的渣土改良系统。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：一种多刀盘掘进机的渣土改良系统，包括刀盘改良系统、粘土注入系统、开挖盲区冲刷系统和总控机构，其特征在于：所述刀盘改良系统包括多个并联设置的刀盘单元改良机构，多刀盘掘进机的每一个刀盘均设置有一套独立的刀盘单元改良机构，各个刀盘的刀盘单元改良机构相互独立，且各个刀盘的刀盘单元改良机构均受总控机构独立控制，刀盘改良系统可同时实现多个刀盘的渣土改良剂的注入，每个刀盘可选择性的注入不同的改良剂；粘土注入系统可将粘土注入到土仓顶部、排渣口上部、前盾隔板底部两侧易堆渣区域，分别实现拱顶支护、减小顶进摩擦力、包裹大颗粒渣土的功能；开挖盲区冲刷系统通过高压水实现开挖盲区渣土的切割并辅助渣土改良。

所述刀盘单元改良机构包括外部接口、改良剂注入管、自控阀门、中心喷口注入通道、周边喷口注入通道、刀盘中心喷口和刀盘周边喷口，所述中心喷口注入通道和周边喷口注入通道并联设置，改良剂注入管一端与外部接口连通，改良剂注入管另一端分别与中心喷口注入通道和周边喷口注入通道连通，且中心喷口注入通道和周边喷口注入通道上均串联设置有自控阀门和止回阀门；中心喷口注入通道和周边喷口注入通道末端分别对应连通刀盘中心喷口和刀盘周边喷口，所述中心喷口注入通道或周边喷口注入通道的自控阀门与止回阀门之间并联设置有一条带自控阀门的侧改良剂注入管；当掘进机刀盘直径不大于1.2m时，掘进机刀盘上只设置刀盘周边喷口；当掘进机刀盘大于1.2m时，掘进机刀盘上设置有刀盘中心喷口和刀盘周边喷口，均可实现单独自控阀门控制，每个刀盘可注入一种或两种改良剂。

所述粘土注入系统包括粘土注入口、粘土控制阀、粘土输送管道和粘土外接口，所述粘土注入口分别固定设置于掘进机的前盾隔板顶部、前盾隔板上掘进机排渣口上方和前盾隔板底部两侧，且粘土注入口的出口与掘进机的土仓连通，每个粘土注入口均串联一个粘土控制阀，且各个粘土注入口通过粘土输送管道并联设置，粘土输送管道外端部与粘土外接口连通，粘土外接口外接粘土泵站。

所述开挖盲区冲刷系统包括高压水注入口、高压水控制阀、高压水管道和高压水外接口，所述高压水注入口固定设置于掘进机前盾隔板中部对应刀盘开挖盲区位置，高压水注入口出口与掘进机的土仓连通，每个高压水注入口均串联一个高压水控制阀，且各个高压水注入口通过高压水管道并联设置，高压水管道外端部和高压水外接口连通，高压水外接口外接水泵站；所述刀盘改良系统、粘土注入系统和开挖盲区冲刷系统的协同或者独立工作均受总控机构控制。

作为本发明的优选技术方案，掘进机的前盾隔板顶部设置4个粘土注入口，且这4个粘土注入口的出口处倾斜设置有导流槽，所述导流槽的顶部延伸至掘进机前盾的切口环处，且导流槽固定设置于掘进机前盾顶部刀盘切削盲区的楔形板上。

往前盾隔板顶部粘土注入口注入粘土，一方面少部分粘土能够自流到下部，与土仓的渣土搅拌混合，提高渣土的卵石包裹能力；另一方面，在掌子面与土仓顶部形成泥膜，稳定顶部的细沙层，降低流沙形成空洞的风险，阻挡泡沫的气泡上窜，防止地表冒浆、冒泡；此外，通过导流槽注入到顶部的粘土通过压力的作用会自动挤压到盾壳上方，对超挖间隙进行填充，降低地表沉降，同时减小盾壳与土体的摩擦力，降低推进顶力，节能增效；前盾隔板上掘进机排渣口上方和前盾隔板底部两侧的粘土注入口注入粘土，会对粒径较大的卵石形成很好的包裹作用，增强卵石之间的粘聚力，有利于卵石的流动，提高排渣效率，有效避免螺旋输送机进料口两侧的卵石堆积。

作为本发明的优选技术方案，掘进机前盾隔板顶部的粘土注入口后侧的顶部盾壳上固定设置有压力传感器，压力传感器信号反馈给总控机构，通过压力反馈控制粘土注入量，当压力超过2.5bar时，总控机构控制粘土注入系统自动停止工作，当掘进机内部压力小于0.5bar时，总控机构控制粘土注入系统自动启动。

作为本发明的优选技术方案，高压水注入口的后部铰接固定设置有球形铰接机构，所述球形铰接机构包括铰接壳体和球形铰接头，所述球形铰接头铰接设置于铰接壳体内，球形铰接头的进水端外接高压水管道和高压水控制阀，球形铰接机构的中心轴在环向任意位置可向外侧最大转动20°。

本发明的多刀盘掘进机的渣土改良系统的多种渣土改良方案：

以说明书附图中8刀盘的掘进机为例，其中7号、8号刀盘直径为1.2m，每个刀盘设置4个刀盘周边喷口；1号、2号、3号、4号、5号、6号刀盘直径均大于1.2m，每个刀盘设置了1个刀盘中心喷口和4个刀盘周边喷口：

1.当开挖区域及上部的覆土层均为砂、卵石层时，1号、2号、5号刀盘的刀盘中心喷口与刀盘周边喷口均注入改良膨润土浆液；3号、4号、6号刀盘的刀盘中心喷口均注入改良膨润土浆液，刀盘周边喷口均注入泡沫；7号、8号刀盘周边喷口均注入泡沫。

当上部覆土层为砂、卵石层时，往位于土仓下部的3号、4号、6号刀盘的刀盘中心喷口和7号、8号刀盘的刀盘周边喷口注入泡沫，能够降低渣土的内摩擦角，提高土仓内渣土的流动性与塑性，降低刀盘扭矩，减小砂、卵石对刀盘刀具的磨损；同时形成的泡沫会随着空气向上流动，实现对上部土体的泡沫改良，泡沫受到上部土体与改良膨润土的阻挡，不至于压力过大而出现地面冒泡。

2.当开挖区域为砂、卵石层，上部的覆土层为粘土层时，1号、2号、3号、4号、5号、6号刀盘的刀盘中心喷口均注入改良膨润土浆液，刀盘周边喷口均注入泡沫；7号、8号刀盘的刀盘周边喷口均注入泡沫。

当上部覆土层为粘土时，泡沫上串的可能性降低，将1号、2号、5号刀盘的刀盘周边喷口由注入改良膨润土浆液切换为泡沫，能更为有效的降低扭矩。

往位于土仓上部的1号、2号、5号刀盘注入改良膨润土浆液，在对上部区域进行渣土改良的同时，改良膨润土浆液会因自重自流一部分到下部刀盘，实现对下部渣土的改良；同时能够降低土体的渗透系数，稳定上部的细沙层，降低流沙形成空洞的风险，形成泥膜阻挡泡沫气泡上窜，防止地表冒泡。

本发明的多刀盘掘进机的渣土改良系统的有益效果：

1.本发明的多刀盘掘进机的渣土改良系统，在正常掘进过程中，螺旋输送机排渣顺畅，进料口两侧未出现卵石堆积的现象，经检测多刀盘掘进机两侧的土仓压力差距小于0.04mpa，且压力变化平稳，说明矩形顶管两侧的土仓压力渣土流动性较好；此外，在正常掘进过程中开挖沉降量控制在5mm内，地面无冒浆、冒泡现象发生，刀盘扭矩较小。

2.本发明的多刀盘掘进机的渣土改良系统，同时实现了多个刀盘的渣土改良，各个刀盘的改良系统相对独立，同时又能实现集成控制，实现各种地质条件下改良系统适应性的最大化，同时具有多种改良剂配合使用的组合功能，根据地层的不断变化，可实现最佳改良方案的快速切换。

3.本发明的多刀盘掘进机的渣土改良系统，增加了粘土注入系统，实现了以下几个功能：a.在掌子面与土仓顶部形成泥膜，支护顶部的不稳定地层，降低形成空洞和坍塌的风险；阻挡泡沫的气泡上窜，防止地表冒浆、冒泡；b.注入到前盾隔板顶部的粘土通过压力的作用会自动挤压到盾壳上方，对超挖间隙进行填充，降低地表沉降，同时减小盾壳与土体的摩擦力，降低推进顶力，节能增效；c.前盾隔板底部的粘土注入到土仓后，会对粒径较大的卵石形成很好的包裹作用，增强卵石之间的粘聚力，有利于卵石的流动，提高排渣效率，有效避免螺旋输送机进料口两侧的卵石堆积。

4.本发明的多刀盘掘进机的渣土改良系统，设置有开挖盲区冲刷系统，在开挖盲区的位置设置了的高压水注入的球形铰接机构，球形铰接机构的摆动增加了高压水的冲刷范围，一方面在无水砂、卵石层中能提高渣土的流动性，另一方面等够辅助对刀盘开挖盲区进行冲刷处理。

附图说明

图1是刀盘改良系统的原理结构示意图；

图2是多刀盘掘进机大于1.2m刀盘的刀盘喷口布置图；

图3是多刀盘掘进机不大于1.2m刀盘的刀盘喷口布置图；

图4是粘土注入系统的原理结构示意图；

图5是多刀盘掘进机前盾部分的剖面结构示意图；

图6是开挖盲区冲刷系统的原理结构示意图；

图7是球形铰接机构的安装结构示意图。

图中：1-刀盘改良系统，101-外部接口，102-改良剂注入管，103-自控阀门，104-中心喷口注入通道，105-周边喷口注入通道，106-刀盘中心喷口，107-刀盘周边喷口，108-侧改良剂注入管，2-粘土注入系统，201-粘土注入口，202-粘土控制阀，203-粘土输送管道，204-粘土外接口，3-开挖盲区冲刷系统，301-高压水注入口，302-高压水控制阀，303-高压水管道，304-高压水外接口，4-前盾隔板，5-排渣口，6-导流槽，7-切口环，8-楔形板，9-盾壳，10-压力传感器，11-球形铰接机构，111-铰接壳体，112-球形铰接头，12-止回阀门，13-粘土泵站，14-水泵站。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体的实施方式对本发明的多刀盘掘进机的渣土改良系统做更加详细的描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。

实施例1：

本发明的多刀盘掘进机的渣土改良系统，掘进机以8刀盘的掘进机为例，其中7号、8号刀盘直径为1.2m，每个刀盘设置4个刀盘周边喷口；1号、2号、3号、4号、5号、6号刀盘直径均大于1.2m，每个刀盘设置了1个刀盘中心喷口和4个刀盘周边喷口。

本发明的多刀盘掘进机的渣土改良系统，包括刀盘改良系统1、粘土注入系统2、开挖盲区冲刷系统3和总控机构，所述刀盘改良系统1包括多个并联设置的刀盘单元改良机构，多刀盘掘进机的每一个刀盘均设置有一套独立的刀盘单元改良机构，各个刀盘的刀盘单元改良机构相互独立，且各个刀盘的刀盘单元改良机构均受总控机构独立控制，所述刀盘单元改良机构包括外部接口101、改良剂注入管102、自控阀门103、中心喷口注入通道104、周边喷口注入通道105、刀盘中心喷口106和刀盘周边喷口107，所述中心喷口注入通道104和周边喷口注入通道105并联设置，改良剂注入管102一端与外部接口101连通，改良剂注入管102另一端分别与中心喷口注入通道104和周边喷口注入通道105连通，且中心喷口注入通道104和周边喷口注入通道105上均串联设置有自控阀门103和止回阀门12；中心喷口注入通道104和周边喷口注入通道105末端分别对应连通刀盘中心喷口106和刀盘周边喷口107，所述中心喷口注入通道104的自控阀门103与止回阀门12之间并联设置有一条带自控阀门103的侧改良剂注入管108。

所述粘土注入系统2包括粘土注入口201、粘土控制阀202、粘土输送管道203和粘土外接口204，所述粘土注入口201分别固定设置于掘进机的前盾隔板4顶部、前盾隔板4上掘进机排渣口5上方和前盾隔板4底部两侧，且粘土注入口201的出口与掘进机的土仓连通，每个粘土注入口201均串联一个粘土控制阀202，且各个粘土注入口201通过粘土输送管道203并联设置，粘土输送管道203外端部与粘土外接口204连通，粘土外接口204外接粘土泵站13；

所述开挖盲区冲刷系统3包括高压水注入口301、高压水控制阀302、高压水管道303和高压水外接口304，所述高压水注入口301固定设置于掘进机前盾隔板4中部对应刀盘开挖盲区位置，高压水注入口301出口与掘进机的土仓连通，每个高压水注入口301均串联一个高压水控制阀302，且各个高压水注入口301通过高压水管道303并联设置，高压水管道303外端部和高压水外接口304连通，高压水外接口304外接水泵站；所述刀盘改良系统1、粘土注入系统2和开挖盲区冲刷系统3的协同或者独立工作均受总控机构控制。

掘进机的前盾隔板4顶部设置4个粘土注入口201，且这4个粘土注入口201的出口处倾斜设置有导流槽6，所述导流槽6的顶部延伸至掘进机前盾的切口环7处，且导流槽6固定设置于掘进机前盾顶部刀盘切削盲区的楔形板8上。

掘进机前盾隔板4顶部的粘土注入口201后侧的顶部盾壳9上固定设置有压力传感器10，压力传感器10信号反馈给总控机构，当压力超过2.5bar时，总控机构控制粘土注入系统2自动停止工作，当掘进机内部压力小于0.5bar时，总控机构控制粘土注入系统自动启动。

所述高压水注入口301的后部铰接固定设置有球形铰接机构11，所述球形铰接机构11包括铰接壳体111和球形铰接头112，所述球形铰接头112铰接设置于铰接壳体111内，球形铰接头112的进水端外接高压水管道303和高压水控制阀302，球形铰接机构的中心轴在环向任意位置可向外侧最大转动20°。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员在不脱离本发明构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。