一种盾构用多刀头滚刀刀圈的制作方法

本发明涉及盾构施工刀盘上使用的滚刀，特别涉及一种盾构用多刀头滚刀刀圈。

背景技术：

在盾构施工过程中，盾构机刀盘上刀具是否适应掘进地层至关重要。一般情况下，在软岩地层中刀盘上配置撕裂刀和刮刀，在一般硬岩地层中配置双刃滚刀和刮刀，在硬度较高岩石地层中刀盘配置单刃滚刀和刮刀。由于刀盘开口率和刀具数量的影响，一般刀盘正面单刃滚刀的刃间距为100mm，刀刃材料是经调质淬火的中碳合金钢，刀刃硬度一般为56～58hrc。如图1所示，随着盾构推进油缸推力和刀盘的旋转，刀盘上的滚刀刀圈直接作用在开挖掌子面上，通过对岩石的挤压破碎前进。如图2和图3所示，但在掘进致密性非常好的高硬度的花岗岩等类似硬岩地层时，由于岩石间致密性非常高，刀刃挤压岩石过程中，相邻挤压面距离大，很难对岩石产生挤压破碎，刀刃只是对岩石面进行切削，相临刀刃开挖面间的岩石依然存在。由于切削槽之间岩石未被挤压破碎，刀刃与岩石接触面积过大，一把滚刀所承受的推力由于滚刀轴承承载力(一般不超过250kn)的要求限制，导致刀刃对岩石作用压强低，对于高硬度岩石刀刃切削量非常小。最终导致盾构掘进此地层时，掘进速度缓慢，有时只能达到1～3mm/min，而且刀刃磨损严重，换刀频繁，盾构施工进度慢，施工成本极高。现阶段盾构施工过程中遇到此地层，还未找到很好的解决措施。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种盾构用多刀头滚刀刀圈，以有效提高盾构掘进致密性非常高的硬岩地层的掘进速度，且降低刀具磨损，避免频繁换刀。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的一种盾构用多刀头滚刀刀圈，其特征是：由刀圈体和刀头构成，所述刀圈体呈环状，其展开面上呈梅花型设置安装孔；所述刀头下部为圆柱体，上部为半椭圆形体，各刀头的下部压入安装孔内与之成过盈配合，将刀头嵌固安装在刀圈体上。

本发明的有益效果是，在滚刀刀圈上呈梅花型布设安装硬质合金柱刀头，降低刀头间的间距，通过多刀头对岩石进行挤压和切削，有效提高盾构掘进致密性非常高的硬岩地层的掘进速度，且降低刀具磨损，避免频繁换刀，极大地提高了施工效率。

附图说明

本说明书包括如下八幅附图：

图1是现有单刃滚刀刀圈挤压岩石破碎示意图；

图2是现有单刃滚刀对致密性好的岩石挤压不破碎示意图；

图3是现有单刃滚刀对致密性好的岩石挤压不破碎示意图；

图4是本发明一种盾构用多刀头滚刀刀圈的纵断面图；

图5是本发明一种盾构用多刀头滚刀刀圈的横断面图；

图6是本发明一种盾构用多刀头滚刀刀圈中刀圈体的展开图；

图7是本发明一种盾构用多刀头滚刀刀圈中刀头的结构示意图；

图8是本发明一种盾构用多刀头滚刀刀圈挤压岩石破碎示意图。

图中示出构件和对应的标记：岩石10、挤压裂纹11、刀头20、滚刀刀圈21、刀圈体22、安装孔23。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

参照图1，现有盾构刀盘布置单刃滚刀一般刀刃宽19.8mm，相邻刀刃间距为100mm。随着刀盘的旋转，盾构以一定速度向前推进，滚刀刀圈21以一定的贯入度挤压入岩石10，滚刀刀刃周边岩石被滚刀刀圈21挤压，形成挤压裂纹11，进而岩石破碎掉落。一把滚刀刀刃轨迹线是以刀盘中心为圆心，滚刀刀刃至刀盘中心为半径，同时以刀盘贯入度为螺距的螺旋线。滚刀刀刃刃间距之间的岩石都是挤压破碎。由于滚刀在刀盘上均匀布置，因此滚刀刀刃并不是同时作用在以刀盘中心为圆心点的同一直径线上。

如附图2、图3所示，当滚刀掘进致密性非常好的岩石层，刚开始掘进平面岩石层时，单刃滚刀挤压岩面，由于刀刃对岩石10的压强大，滚刀刀刃周边有稍许的裂纹，但由于致密性好，裂纹延伸距离小，不能将滚刀刀刃间的岩石破碎。随着滚刀刀刃进一步切削进入岩石里，在岩石上形成一道道的岩石切削槽，一把滚刀刀刃与岩石的接触面积变大，由于单把滚刀(17英寸)轴承只能承受250kn，滚刀刀刃对岩石10的压强变小，岩石10的抗压强度又高，滚刀刀刃不能有效切入岩石，导致盾构掘进速度慢，有时只能达到1～3mm/min，从而造成滚刀磨损严重，换刀频繁等问题。

参照4和图5，本发明的一种盾构用多刀头滚刀刀圈由刀圈体22和刀头20构成。参照图6，所述刀圈体22呈环状，其展开面上呈梅花型设置安装孔23。参照图7，所述刀头20下部为圆柱体，上部为半椭圆形体。参照图5，各刀头20的下部压入安装孔23内与与之形成过盈配合，将刀头20嵌固安装在刀圈体22上。

参照4和图5，所述刀圈体22上沿刀盘旋转方向布置8排安装孔23，沿滚刀旋转方向每排布置28个安装孔23，共224个安装孔23。所述刀圈体22由合金钢材料制成，其调质淬火硬度值为45hrc。所述刀头20下部直径为15mm，嵌入刀圈体22的深度为30mm，顶部高出刀圈体22表面15mm。所述刀头20由钨钴硬质合金制成，硬度值为75hrc。

参照图8，当盾构刀盘上全部安装上多刀头滚刀掘进时，单把滚刀刀圈上同时有4个刀头20(刀盘贯入度小于5.5mm/r)或8个刀头20(刀盘贯入度大于或等于5.5mm/r)作用在岩石面上，相邻刀头20的刀头中心距离为28.5mm，刀头间距小，相邻刀头20同时对岩石10进行挤压，岩石10无变形空间，这就导致相邻刀头20很容易造成岩石10的挤压破碎。刀头20呈梅花型布置，8排刀头20在沿刀盘旋转过程中，刀盘直径范围内开挖面全覆盖。如果刀头20对岩石10没有任何的挤压破碎，只能切削破碎，刀盘上一个圆周内的轨迹经多个刀头20多次切削，也能对刀盘上一个圆周内的轨迹线做到全覆盖。

采用本发明多刀头滚刀掘进时，如果间距小的多刀头能够对致致密性好的岩石进行挤压破碎，刀盘贯入度应控制在10mm/r以内。如果间距小的多刀头只能通过挤压进行切削，不能破碎时，刀盘贯入度理论上不能超过3mm/r。为降低刀头冲击、降低刀盘贯入度、减小刀具磨损、提高盾构掘进进度，应尽量提高刀盘转速。

以上所述只是用图解说明本发明一种盾构用多刀头滚刀刀圈的一些原理，并非是要将本发明局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。

技术特征：

技术总结
一种盾构用多刀头滚刀刀圈，以有效提高盾构掘进致密性非常高的硬岩地层的掘进速度，且降低刀具磨损，避免频繁换刀。由刀圈体和刀头构成，所述刀圈体呈环状，其展开面上呈梅花型设置安装孔。所述刀头下部为圆柱体，上部为半椭圆形体，各刀头的下部压入安装孔内与之成过盈配合，将刀头嵌固安装在刀圈体上。

技术研发人员：王国义;王婷雯;孟庆明;叶至盛;李彦
受保护的技术使用者：中国电建集团铁路建设有限公司;西华大学;中电建成都建设投资有限公司
技术研发日：2018.11.18
技术公布日：2019.02.15