一种盾构刀盘泥饼切割装置及其切割方法与流程

本发明提供了一种盾构刀盘泥饼切割装置及其切割方法，涉及盾构泥饼切割领域。

背景技术：

在盾构施工过程中，盾构刀盘结泥饼是影响泥水平衡盾构施工效率的一大技术难题，根据现场施工经验来看，刀盘结泥饼主要有以下原因：

1、盾构设计往往参考类似工程经验加项目前期地质勘探情况，由于岩土工程地质条件的区域性和复杂性，往往导致盾构刀盘设计、刀具布置存在一定的不适应性；

2、较小开口率的盾构刀盘或遭遇粘粒含量较高的粘土层，刀盘中心区域渣土流动不畅，切削下的粘土粘附在刀盘中心区，同时盾构机本身配置的中心冲刷装置布局和压力受到限制，冲刷面积有限，很难及时清除附着在刀盘中心区的泥块，随着刀盘摩擦阻力增大，顶推力上升，中心区泥块板结并不断扩大，形成坚硬泥饼，刀盘失去削土能力，致使盾构掘进缓慢甚至停机，严重影响设备使用寿命及工程施工进度。

为了解决刀盘结泥饼的问题，也有相关专利提供了盾构泥饼切割的装置或方法，但是切割刀或者高压水切割刀多为固定喷头，容易存在清理死角，使得切割刀无法彻底清除泥饼。

由于先天设计的不足，某些地质条件下盾构刀盘结泥饼成为必然，如何在泥饼形成后实现常压下对其进行清理是一个很重要的问题，因此有必要开发一种常压下泥饼清理装置，对刀盘泥饼进行高效清理。

技术实现要素：

为了解决以上问题，本发明提供了一种盾构刀盘泥饼切割装置，能够在常压下对泥饼进行清理，减少带压进仓作业风险，以安全、高效、彻底地清除刀盘中心区板结的泥饼。

本发明的技术方案如下：一种盾构刀盘泥饼切割装置，包括高压喷射装置，所述高压喷射装置包括安装在刀盘的自旋式喷头和筒体，所述自旋式喷头通过主轴组件与筒体的前端连接，所述主轴组件包括主轴，所述筒体的侧壁上设置有水流通道ⅰ，所述筒体前端设置有水流通道ⅱ，所述主轴的前端为设置有水流通道ⅲ的中空结构，所述水流通道ⅰ、水流通道ⅱ和水流通道ⅲ依次连通，所述自旋式喷头的进水口与水流通道ⅲ连通。

本发明技术方案还包括：所述自旋式喷头的内部安装有喷嘴组，所述喷嘴组包括至少3个喷嘴，，所述喷嘴在自选式喷头上的正投影以主轴的轴线为中心线在自旋式喷头内呈中心对称分布。

本发明技术方案还包括：所述喷嘴组包括两个柱形喷嘴和一个扇形喷嘴，所述柱形喷嘴内安装有导流管，所述柱形喷嘴和扇形喷嘴的出口安装有单向阀。

本发明技术方案还包括：所述导流管的安装方向与主轴的出水口的朝向之间存在夹角，所述扇形喷嘴的安装方向与主轴的径向之间存在夹角。

本发明技术方案还包括：所述主轴上安装有叶轮，所述叶轮位于水流通道ⅱ内。

本发明技术方案还包括所述主轴组件安装在筒体的前段内，所述主轴的前端连接自旋式喷头，所述主轴的后端安装在主轴安装座上，所述主轴安装座的前方安装有套装在主轴上的压盖，所述主轴安装座的后方安装有封盖。

本发明技术方案还包括：所述封盖的前端和压盖的后端分别安装有一组轴卡。

本发明技术方案还包括：所述筒体的后端安装有法兰连接板。

本发明技术方案还包括：所述盾构刀盘泥饼切割装置包括高压泵组，所述高压泵组通过供水管与水源连通，所述高压泵组通过连接管与高压喷射装置的连通。

本发明还提供了一种使用上述任一所述的盾构刀盘泥饼切割装置的盾构刀盘泥饼切割方法，其主要步骤包括：

1）盾构停止掘进，保持开挖面泥水压力相对稳定；

2）选择一把常压下可更换中心刀抽出，换上高压喷射装置；

3）将高压泵组运送到位，并将高压泵组分别连通水源和高压喷射装置；

4）接通高压泵组的电源，选定出水压力及流量，开动高压泵组进行泥饼清理；

5）第一把中心刀清理完毕后，常压下抽出高压喷射装置，再更换第二把中心刀位置安装进行泥饼清理，依次循环，直至中心泥饼清理完毕，恢复盾构推进。

对上文中前后端进行如下定义：自旋式喷头指向端为前端，法兰连接板的所在端为后端。

本发明的有益效果为：本发明提供了一种盾构刀盘泥饼切割装置，其上的高压喷射装置安装于盾构刀盘常压下可更换中心刀的位置，其上自旋式喷头利用水流冲出时的反作用力提供旋转动力，利用布设于喷头上的两个高压柱形喷嘴，对泥饼进行360°无死角清理，清理下来的渣土掉落入开挖仓随泥浆管路排出。施工人员可通过更换高压喷射装置的安装位置，将各个中心区的泥饼进行高压冲刷粉碎，从而实现常压更换，能够减少带压进仓作业风险，以安全、高效、彻底地清除刀盘中心区板结的泥饼，具有良好的实用性。

附图说明

图1为本发明盾构刀盘泥饼切割装置安装示意图；

图2为本发明图1局部放大示意图；

图3为本发明盾构刀盘泥饼切割装置连接关系示意图；

图4为本发明高压喷射装置剖面示意图；

图5为本发明高压喷射装置内部水流路径示意图；

图6为本发明自旋式喷头俯视示意图；

图7为图6的1-1剖面示意图；

图8为图6的2-2剖面示意图。

其中，1、高压泵组，2、高压喷射装置，3、连接管，4、进水管，5、刀盘，5-1、刀盘密封，1-1:高压水泵，1-2、电机，1-3、增压泵，1-4、过滤器，2-1、自旋式喷头，2-2、喷嘴组，2-3、主轴，2-4、主轴安装座，2-5、压盖，2-6、旋转压力密封，2-7、叶轮，2-8、深沟球轴承，2-9、角接触球轴承，2-10、封盖，2-11、轴卡，2-12、进水连接管，2-13、法兰连接板，2-14、筒体，2-15、内六角螺栓2-16、导流管，2-17、带有单向阀的柱形喷嘴，2-18、带有单向阀的扇形喷嘴。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步介绍。

同时，由于下文所述的只是部分实施例，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

一种盾构刀盘泥饼切割装置，如图1～4所示，包括高压喷射装置2，所述高压喷射装置2包括安装在刀盘5的自旋式喷头2-1和筒体2-14，所述自旋式喷头2-1通过主轴组件与筒体2-14的前端连接，所述主轴组件包括主轴2-3，所述主轴2-3安装在筒体2-14的前段内，所述筒体2-14的侧壁上设置有水流通道ⅰ，所述筒体2-14前端设置有水流通道ⅱ，所述主轴2-3的前端为设置有水流通道ⅲ的中空结构，所述水流通道ⅰ、水流通道ⅱ和水流通道ⅲ依次连通，所述自旋式喷头2-1的进水口与水流通道ⅲ连通。

筒体2-14内部设有进水连接管2-12，管径25mm，用来为本高压喷射装置2提供高压水；位于筒体2-14后端的法兰连接板2-13用来固定本高压喷射装置2；筒体2-14位于高压喷射装置2的后端，为管壁中空管状构件，筒体2-14主要起两方面作用：一是连接法兰连接板2-13与前端主轴安装座2-4，为自旋式喷头2-1提供工作平台；二是为高压水提供进水通道。

自旋式喷头2-1位于高压喷射装置2最前端，该自旋式喷头2-1利用喷嘴组2-2喷射而出的水流遇到空气阻力带来的反作用力实现旋转，以实现对泥饼的360°无死角清理，能够有效保证泥饼清理效果。

实施例1：如图6所示，所述自旋式喷头2-1的内部安装有喷嘴组2-2，所述喷嘴组2-2包括至少3个喷嘴，所述喷嘴在自选式喷头2-1上的正投影以主轴2-3的轴线为中心线在自旋式喷头2-1内呈中心对称分布。

作为优选，所述喷嘴组包括两个柱形喷嘴和一个扇形喷嘴，所述柱形喷嘴内安装有导流管，所述柱形喷嘴和扇形喷嘴的出口均安装有单向阀，防止顶进泥土时损坏和堵塞。

所述导流管2-16的安装方向与主轴2-3的出水口的朝向之间存在夹角，能够在水流的冲击下带动自旋式喷头2-1旋转，进行泥饼切割清理工作，所述扇形喷嘴的安装方向与主轴2-3的径向之间存在夹角保持后端清洁，方便撤下高压喷射装置2。

实施例2：所述主轴2-3上安装有叶轮2-7，所述叶轮2-7位于水流通道ⅱ内。叶轮在水流路径改变上的作用类似于反射板，高压水喷射到叶轮上之后，即可改变水流路径。

实施例3：所述主轴2-3的前端连接自旋式喷头2-1，所述主轴2-3的后端安装在主轴安装座2-4上，所述主轴安装座2-4的前方安装有压盖2-5，所述主轴安装座2-4的后方安装有封盖2-5，所述压盖2-5套装在主轴2-3上，所述压盖2-5靠近主轴2-3一侧安装有旋转压力密封2-6。

压盖2-5位于主轴安装座2-4前方，用于将主轴安装座2-4内部结构件与外部工作空间进行隔离；压盖2-5紧邻主轴2-3的一侧有旋转压力密封2-6，可以起到在6bar工作压力条件下防止泥浆进入轴承的作用，封盖2-10位于主轴安装座2-4后方，用来封闭刀筒2-14前端水流空腔。

实施例4：所述主轴2-3上安装有至少三组旋转压力密封2-6，所述主轴2-3的前端和后端分别安装有深沟球轴承2-8和角接触球轴承2-9。深沟球轴承2-8和角接触球轴承2-9分别位于主轴2-3的前后端，起到支撑主轴2-3旋转、降低主轴2-3运动过程中摩擦系数的作用。

实施例5：所述封盖2-10的前端和压盖2-5的后端分别安装有一组轴卡2-11。轴卡2-11共有两组，分别位于主轴2-3前后端，主要起到限制主轴2-3轴向运动、防止主轴2-3松脱的作用。

实施例6：所述盾构刀盘泥饼切割装置包括高压泵组1，所述高压泵组1通过供水管与水源连通，所述高压泵组1通过连接管3与高压喷射装置2的连通。水流通过进水管4进入高压泵组1，压力提升后经连接管3进入高压喷射装置2进行泥饼切割。

高压泵组1对进水管的水进行压力提升，最高可达到200bar，该泵组最大水流量为100lpm，可以有效满足工程需求，具有缺水保护、过载保护及远程控制功能，可以有效保障泥饼清理期间的安全性。

实施例7：作为优选，喷嘴内安装有阻尼器，防止主轴2-3飞车。

本发明装置主要用于盾构刀盘泥饼形成后，盾构机无法继续掘进，需停机进行常压下泥饼清理时。本发明装置中的高压喷射装置2安装于盾构刀盘常压下可更换中心刀的位置，其上自旋式喷头2-1利用水流冲出时的反作用力提供旋转动力，利用布设于喷头上的两个高压柱形喷嘴，对泥饼进行360°无死角清理，清理下来的渣土掉落入开挖仓随泥浆管路排出。高压喷射装置2中水流路径见图5所示。

刀盘结泥饼后，按照如下施工步骤进行盾构刀盘泥饼水刀切割清理技术装置的安装与泥饼切割清理：

1）盾构停止掘进，保持开挖面泥水压力相对稳定；

2）选择一把常压下可更换中心刀抽出，换上高压喷射装置2；

3）将高压泵组1运送到位，并将高压泵组1分别连通水源和高压喷射装置2；

4）接通高压泵组1的电源，选定出水压力及流量，开动高压泵组1进行泥饼清理；

5）第一把中心刀清理完毕后，常压下抽出高压喷射装置2，再更换第二把中心刀位置安装进行泥饼清理，依次循环，直至中心泥饼清理完毕，恢复盾构推进。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡在本发明的精神和原则之内所做任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。