本发明涉及盾构机技术领域，具体涉及一种盾构机土体切削装置及其应用方法。
背景技术：
盾构机总体质量较大，且其前端包含各种动力设备，刀盘，土舱壁板等，导致盾构机的头部重量要大于其尾部重量。当盾构机在掘进施工过程中，极易发生盾构机前部压入土层中，导致盾构机前进方向发生向下的偏移，即扎头现象，而且传统的盾构机一般采用旋转式刀盘，盾构机的前进方向及姿态只能通过盾构机尾部的千斤顶来控制调整。然而，这种依靠千斤顶调节的方法灵活性差，从盾构机发生偏移到完成纠偏需要较长的距离，在某些特殊的地层进行开挖时，盾构机的掘进路线偏离值甚至会超出规范要求。
此外，在曲线地段及坡度变化地段，盾构机的前进方向发生变化，需要盾构机具有良好的方向控制性能。而传统的旋转式刀盘盾构机在前面方法控制上性能较差，导致施工的轴线与设计轴线有一定的偏移。
与此同时，传统的旋转式刀盘在转动切削开挖面时，需要盾构机盾壳提供扭矩，因此在掘进施工过程中盾壳不可避免的会发生扭转，因而刚完成拼装的盾构隧道将承受一定的扭转力，其管片容易发生错位与变形甚至破损，从而导致隧道发生渗漏水。同时，传统的旋转式刀盘通过在刀盘面上安全刀具，刀具对土体的切削能力较弱，且刀具总量较少。
技术实现要素：
本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供了一种盾构机土体切削装置及其应用方法，该土体切削装置通过控制土舱壁板上的竖向刀链和横向刀链的转动方向来调整盾构机在掘进过程中的掘进姿态。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
一种盾构机土体切削装置，其特征在于所述土体切削装置包括设置于盾构机前端部土舱壁板上的若干竖向刀链、横向刀链和旋转小刀盘。
所述竖向刀链呈矩形阵列状布设于所述土舱壁板的中部，所述横向刀链分别布设于所述竖向刀链所在区域的上方和下方。
所述竖向刀链与所述横向刀链均由履带机构以及间隔设置于所述履带机构表面上的刀具所组成。
所述旋转小刀盘布设于所述竖向刀链与所述横向刀链在所述土舱壁板上未覆盖的区域内，所述旋转小刀盘上布设有刀具。
所述刀具可以是刮刀、滚刀中的一种或两种组合。
一种涉及任一所述的盾构机土体切削装置的应用方法，其特征在于所述应用方法包括以下步骤：在盾构机掘进的过程中，通过控制竖向刀链和/或横向刀链的转动方向来调整所述盾构机的掘进姿态。
当所述盾构机的掘进姿态发生向上偏移时，通过控制所述竖向刀链的转动方向，以增加开挖面土体对所述竖向刀链迎土面的向下作用力，使掘进姿态恢复至正常姿态；当所述盾构机的掘进姿态发生向下偏移时，控制所述竖向刀链的转动方向，以增加开挖面土体对所述竖向刀链迎土面的向上作用力，使掘进姿态恢复至正常姿态。
当所述盾构机的掘进姿态发生向右偏移时，通过控制所述横向刀链的转动方向，以增加开挖面土体对所述横向刀链迎土面的向左作用力，使掘进姿态恢复至正常姿态；当所述盾构机的掘进姿态向左偏移时，通过控制所述横向刀链，以增加开挖面对所述横向刀链迎土面的向右作用力，使掘进姿态恢复至正常姿态。
当所述盾构机的掘进姿态发生扭转偏移时，同时控制所述竖向刀链和所述横向刀链的转动方向来调整所述盾构机的掘进姿态。
当所述盾构机处于正常掘进姿态时，一部分所述竖向刀链的迎土面向上转动，另一部分所述竖向刀链的迎土面向下转动，以使开挖面土体对所述竖向刀链的向上作用力与向下作用力保持总体平衡；一部分所述横向刀链的迎土面向左转动，另一部分所述横向刀链的迎土面向右转动，以使开挖面土体对所述横向刀链的向左作用力与向右作用力保持总体平衡。
本发明的优点是：通过控制刀盘上刀链的转向，可灵活控制盾构机的掘进姿态，防止掘进过程中出现偏移现象；刀链的设置增强了切削地层的能力，可加快盾构机掘进速度，缩短施工周期，减少刀具更换。
附图说明
图1为本发明中盾构机土体切削装置上的竖向、横向刀链和旋转小刀盘布置示意图；
图2为本发明中盾构机的剖视图；
图3为本发明中竖向刀链的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
如图1-3，图中标记1-9分别为：土舱壁板1、竖向刀链2、横向刀链3、旋转小刀盘4、旋转小刀盘5、盾壳6、履带机构7、刀具8、螺旋输送机9。
实施例：如图1-3所示，本实施例具体涉及一种盾构机土体切削装置及其应用方法，该土体切削装置设置于盾构机前端部的土舱壁板1上，包括竖向刀链2、横向刀链3、旋转小刀盘4和旋转小刀盘5，通过控制竖向刀链2、横向刀链3的转动方向实现对盾构机掘进姿态的控制。
如图1-3所示，本实施例中盾构机的盾壳6前端部为土舱，土体切削装置具体是设置土舱前端面的土舱壁板1上，包括竖向刀链2、横向刀链3、旋转小刀盘4、旋转小刀盘5。竖向刀链2呈矩形阵列状布设于土舱壁板1的中部，具体的，本实施例中竖向刀链2有两行七列，每个竖向刀链2之间存在一定间隔但又不至于过大，使得各个竖向刀链2均能自由转动互不干扰，且不会因距离过大而导致存在过多无法剐蹭开挖面积。横向刀链3分别布设于竖向刀链2的上方以及下方，具体的，本实施例中竖向刀链2的上方以及下方分别布设两个横向刀链3，两个横向刀链3之间的间隔与竖向刀链2的之间的间隔设置类似。旋转小刀盘4以及旋转小刀盘5散落布设于竖向刀链2以及横向刀链3在土舱壁板1上未覆盖的区域，旋转小刀盘4和旋转小刀盘5的直径不相同，使其能够将开挖面基本全覆盖，以免剩余过多无法接触到的开挖面积。
如图2-3所示，土体切削装置设置于盾构机的前部，竖向刀链2与横向刀链3均由履带机构7以及间隔设置在履带机构7表面的刀具8组成。刀具8可以是刮刀、滚刀中的一种或者两种组合，具体可根据待开挖地层情况在竖向刀链2与横向刀链3上安装不同数量的刮刀和滚刀，即：当待开挖区域地层较硬或者石头较多时，选择在竖向刀链2与横向刀链3上安装较多的滚刀，用于破岩，而刮刀数量则相对较少，用于切削泥土；当待开挖区域地层较软或者石头较少时，竖向刀链2与横向刀链3上安装较多的刮刀，而滚刀数量则相对较少。旋转小刀盘4以及旋转小刀盘5上同样安装有刀具用以切削开挖面。
如图2-3所示，竖向刀链2通过履带机构7的带动进行竖向转动，而竖向刀链2上安装有刀具8，从而带动刀具8持续地对开挖面地层进行剐蹭实现开挖。同理，横向刀链3可进行横向转动，带动刀具8持续地对开挖面地层进行剐蹭，而旋转小刀盘4以及旋转小刀盘5可绕其轴心做旋转，在旋转过程中其上安装的刀具也对开挖接触面进行剐蹭。上述三种剐蹭方式同时进行，切削出来的渣土通过螺旋输送机9送至土舱内，用以调节开挖土质层土舱压力或直接输送出去。由于刀链切削地层的能力强，使盾构机的土体切削装置具备强劲的开挖能力，不仅能减少刀具的更换，还可以加快盾构机掘进的速度、缩短施工周期。
基于上述盾构机的土体切削装置，本实施例提供一种盾构机土体切削装置的应用方法，该方法包括以下步骤：在盾构机的掘进过程中，通过控制竖向刀链2和/或横向刀链3的转动方向来调整盾构机的掘进姿态。具体控制方法主要分以下几种情况（本实施例中所指的盾构机的偏移均以盾构机的前进方向为参考方向）：
（1）当盾构机的掘进姿态发生向上偏移时，通过控制各组竖向刀链2的转动方向，以在总体上增加开挖面土体对竖向刀链2迎土面的向下作用力，使盾构机向下运动，从而盾构机的掘进姿态得以调整恢复正常；
（2）当盾构机的掘进姿态发生向下偏移时，通过控制各组竖向刀链2的转动方向，以在总体上增加开挖面土体对竖向刀链2迎土面的向上作用力，使盾构机向上运动，从而盾构机的掘进姿态得以调整恢复正常；
（3）当盾构机的掘进姿态发生向左偏移时，通过控制各组横向刀链3的转动方向，以在总体上增加开挖面土体对横向刀链3迎土面的向右作用力，使盾构机向右运动，从而盾构机的掘进姿态得以调整恢复正常；
（4）当盾构机的掘进姿态发生向右偏移时，通过控制各组横向刀链3的转动方向，以在总体上增加开挖面土体对横向刀链3迎土面的向左作用力，使盾构机向左运动，从而盾构机的掘进姿态得以调整恢复正常；
（5）当盾构机的掘进姿态发生向左上方偏移时，通过控制竖向刀链2的转动方向，使竖向刀链2的迎土面受到开挖地层施加向下的反作用力；同时控制控制横向刀链3的转动方向，使横向刀链3的迎土面受到开挖地层施加向右的反作用力，两个反作用力共同作用于盾构机使其向右下方运动，从而盾构机的掘进姿态得以调整；
（6）当盾构机的掘进姿态发生向右上方偏移时，通过控制竖向刀链2的转动方向，使竖向刀链2受到开挖地层施加向下的反作用力；同时控制控制横向刀链3的的转动方向，使横向刀链3受到开挖地层施加向左的反作用力，两个反作用力共同作用于盾构机使其向左下方运动，从而盾构机的掘进姿态得以调整；
（7）当盾构机的掘进姿态发生向左下方偏移时，控制竖向刀链2的转动方向，使竖向刀链2受到开挖地层施加向上的反作用力；同时控制控制横向刀链3的转动方向，使横向刀链3受到开挖地层施加向右的反作用力，两个反作用力共同作用于盾构机使其向右上方运动，从而盾构机的掘进姿态得以调整；
（8）当盾构机的掘进姿态发生向右下方偏移时，控制竖向刀链2的转动方向，使竖向刀链2受到开挖地层施加向上的反作用力；同时控制控制横向刀链3的转动方向，使横向刀链3受到开挖地层施加向左的反作用力，两个反作用力共同作用于盾构机使其向左上方运动，从而盾构机的掘进姿态得以调整；
（9）当盾构机以正常的姿态掘进施工时，对于竖向刀链2应采取如下的控制措施：控制上半部分的各竖向刀链2的迎土面全部向同一个方向进行转动，同时控制下半部分的各竖向刀链2的迎土面全部向相反的方向进行转动，从而使上、下部分的竖向刀链2受到开挖地层的反作用力大小相等、方向相反，两者相互抵消，在总体上受力处于平衡状态，从而使盾构机在竖直方向上的姿态保持稳定不变；
而对于横向刀链3应采取如下的控制措施：位于土舱壁板1上部的横向刀链3的数量为2，分列于左、右并相互对称，控制左、右两侧的横向刀链3以相反的方向进行转动，从而使两者受到开挖地层的反作用力大小相等、方向相反，两者相互抵消，在总体上受力处于平衡状态，从而使盾构机在水平方向上的姿态保持稳定不变；位于土舱壁板1下部的两组横向刀链3以同样的方式进行控制。
本应用方法在施工过程中可对盾构机的掘进姿态进行有效的控制，调整操作灵活简便，调整时间短，从盾构机发生偏移到完成纠偏所需的距离短，从而保证盾构机的掘进路线偏离值不会超出施工要求。
本实施例的有益效果是：通过控制土舱壁板上刀链的转向，可灵活控制盾构机的掘进姿态，防止掘进过程中出现偏移现象；刀链的设置增强了切削地层的能力，可加快盾构机掘进速度，缩短施工周期，减少刀具更换。