一种啮合式多刀盘开挖装置及包括该装置的掘进机的制作方法

本发明涉及隧道施工设备技术领域，特别是指一种啮合式多刀盘开挖装置及包括该装置的掘进机。

背景技术：

在目前隧道施工中，盾构技术以其自动化程度高、施工安全度高、施工进度快、污染小、成本低等优势，逐步得到广泛应用。其中，盾构机是一种采用盾构法的集机械、电子、液压、激光和控制等技术于一体的高度机械化和自动化的掘进衬砌成套设备。

国内公路铁路等山岭隧道常为马蹄形断面，其隧道开挖通常使用全断面钻爆法、台阶法、cd法、crd法、双侧壁导坑法等传统工法，为实现人员更安全、施工条件更环保、工期更加短、成本控制更低廉等需求，国内外专业技术人员对马蹄形隧道采用盾构法施工的进行了大量研究，其实现开挖的机械形式多种多样，如：《一种泥水平衡式马蹄形盾构机》利用一个大圆形刀盘和异形刀盘（偏心摆动）组成的刀盘切削出马蹄形隧道，利用泥水平衡模式保持开挖面稳定性；《一种超大断面马蹄形盾构机》利用土压平衡原理，采用数个前后分布的圆形刀盘进行开挖，以最新一环拼装完毕的管片为支撑基础进行整机的推进，该机型已在蒙华铁路白城隧道拥有成功应用案例；《一种用于马蹄形断面隧道的可现浇支护的盾构机》采用土压平衡原理进行掘进，以距离主机很远的拼装完毕的管片为撑紧基础，依靠摩擦提供的反力，并通过杠杆+球铰传力进行整机的推进，其开挖采用在同一平面上的三个圆刀盘和三个偏心回转刀盘组合而成；《异形断面隧道用盾构掘进机》（日立造船株式会社）通过利用挖掘控制装置并根据刀盘的转角和仿形切刀的进退量，控制各刀盘轮辐的进退量，在仿形切刀后退时用刀盘轮辐挖掘短径部分，并在仿形切刀突出时挖掘长径部分，能够容易的挖掘异形断面隧道；《一种矩形盾构的刀盘装置及其同步控制方法》（上海隧道），按设定角度设置与前段壳体的第一刀盘和第二刀盘、位于第一刀盘和第二刀盘后方的偏心多轴异形刀盘、用于驱动第一刀盘作圆周运动的第一刀盘驱动、用于驱动第二刀盘作圆周运动的第二刀盘驱动、用于驱动偏心多轴异形刀盘作偏心回转运动的偏心多轴异形刀盘驱动，第一刀盘与第二刀盘均为x形辐条式结构刀盘，设定角度差为80-100度，第一刀盘与第二刀盘的中心距小于第一刀盘与第二刀盘的半径之和。第一刀盘和第二刀盘互相不发生碰撞并在第一工作面进行挖掘，偏心多轴异形刀盘在第二工作面记性切削，整个刀盘装置在矩形断面中切削最大面积，使整个开挖面呈矩形，达到全面切削等等。

综上所知，国内外针对异形隧道开挖的技术多种多样，各具特色。国内当前存在大量v级软岩软土地质的山岭隧道项目，且多为双线高铁项目，马蹄形隧道断面极大，在国际隧道施工案例中也不多见，考虑到整个施工成本和安全性，首选采用土压平衡模式盾构掘进。为了解决设备费用造价巨大、马蹄形断面超宽所带来的被切削土体流动性更高的需求，需要一种施工可靠性很高、造价相对低廉的、渣土改良更好的开挖系统方案。

技术实现要素：

本发明提出一种啮合式多刀盘开挖装置及包括该装置的掘进机，解决了现有掘进机造价巨大，不适应超宽马蹄形断面切削土体流动性需求高的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种啮合式多刀盘开挖装置，包括刀盘装置，所述的刀盘装置包括安装在同一断面的侧部刀盘和端部刀盘，侧部刀盘位于断面的左右两侧并对称设置，侧部刀盘与端部刀盘啮合。

所述的断面为马蹄形。

所述的侧部刀盘包括刀盘二、刀盘三、刀盘四和刀盘五，刀盘二、刀盘三位于刀盘断面下部的左右两侧，刀盘二、刀盘三均与下端部刀盘啮合，刀盘四、刀盘五位于刀盘断面上部的左右两侧，刀盘二与刀盘四啮合，刀盘三与刀盘五啮合，刀盘四、刀盘五均与上端部刀盘啮合。

所述的端部刀盘包括上端部刀盘和下端部刀盘，上端部刀盘与侧部刀盘的上侧啮合，下端部刀盘与侧部刀盘的下侧啮合。

所述的上端部刀盘包括刀盘六，刀盘六位于断面中部的上侧，刀盘六与侧部刀盘的上侧啮合，下端部刀盘包括刀盘一，刀盘一位于刀盘断面中部的下侧，刀盘一与侧部刀盘的下侧啮合。

所述的端部刀盘包括刀盘一和刀盘六，侧部刀盘包括刀盘二、刀盘三、刀盘四和刀盘五，刀盘一位于刀盘断面中部的下侧，刀盘二、刀盘三位于刀盘断面下部的左右两侧，刀盘二、刀盘三均与刀盘一啮合，刀盘四、刀盘五位于刀盘断面上部的左右两侧，刀盘二与刀盘四啮合，刀盘三与刀盘五啮合，刀盘六位于断面中部的上侧，刀盘四、刀盘五分别与刀盘六啮合。

还包括安装在同一断面的辅助刀盘。

所述的辅助刀盘包括位于断面周边的辅助刀盘。

所述的辅助刀盘包括位于断面中心的辅助刀盘。

所述的侧部刀盘和端部刀盘均包括中心鱼尾刀、刀梁、主轴套筒和切刀，中心鱼尾刀安装在主轴套筒的中部，刀梁呈辐条状安装在主轴套筒上，切刀安装在刀梁上。

所述的刀梁呈x形布置。

一种包括上述啮合式多刀盘开挖装置的掘进机。

本发明的优点：适应于黄土、硬土、粉质粘土、流砂、全风化岩等地质，所有刀盘都在同一平面上，便于对从掌子面剥离的渣土进行改良，且对土舱内渣土搅拌充分，减少了开挖掌子面时大土块的产生，利于土压平衡模式掘进；同时，这种刀盘布置使得驱动在盾体上分布独特，造成合理的分块构造，利于长距离运输和减少了现场组装带来的风险等。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明刀盘装置结构示意图。

图2为本发明x形刀盘结构示意图。

图3为本发明掘进机结构示意图。

图中：1.刀盘装置，101.刀盘一，102.刀盘二，103.刀盘三，104.刀盘四，105.刀盘五，106.刀盘六，2.驱动系统，3.盾体，4.螺旋输送机，5.拼装机，101a.中心鱼尾刀，101b.刀梁，101c.主轴套筒，101d.切刀，101e.圈梁。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1-2所示，一种啮合式多刀盘开挖装置，包括刀盘装置1，刀盘装置1包括安装在同一马蹄形断面的刀盘一101、刀盘二102、刀盘三103、刀盘四104、刀盘五105、刀盘六106和辅助刀盘。刀盘一101位于刀盘断面中部的下侧，刀盘二102、刀盘三103位于刀盘断面下部的左右两侧，刀盘二102、刀盘三103均与刀盘一101啮合，刀盘四104、刀盘五105位于刀盘断面上部的左右两侧，刀盘二102与刀盘四104啮合，刀盘三103与刀盘五105啮合，刀盘六106位于断面中部的上侧，刀盘四104、刀盘五105分别与刀盘六106啮合。辅助刀盘包括断面周边和中心的辅助刀盘，用于对刀盘之间的空隙进行补充。

刀盘一至六均为x形刀盘，包括中心鱼尾刀101a、刀梁101b、主轴套筒101c、切刀101d、圈梁101e和加强梁101f，中心鱼尾刀101a安装在主轴套筒101c的中部，刀梁101b呈x形辐条状安装在主轴套筒101c上，切刀101d安装在刀梁101b上，x形相对一侧相近的两刀梁101b之间设有圈梁101e和加强梁101f。

本实施例的工作流程如下：

参照图1中的刀盘装置，假设刀盘一采用两刀梁所夹锐角中心线初相指向6点方向为起始基准逆时针旋转，以逆时针旋转为正，首先，刀盘二与刀盘一初相角度为-115°，刀盘三与刀盘一初相角度为-65°，当刀盘一逆时针旋转时，刀盘二和刀盘三均顺时针旋转并交替与之“啮合”，相互独立、同步旋转且互不干涉；同理，刀盘五（逆时针旋转）比刀盘一（逆时针旋转）超前5°，刀盘四（逆时针旋转）与刀盘一（逆时针旋转）超前-5°，刀盘五（逆时针旋转）与刀盘三（顺时针旋转）啮合，刀盘四（逆时针旋转）与刀盘二（顺时针旋转）啮合；刀盘六与刀盘一旋转方向和初相相同，并分别于x形刀盘四（逆时针旋转）、x形刀盘五（逆时针旋转）相啮合。六个刀盘均在同一平面内旋转，每个刀盘之间相互独立，互不干涉，旋转联合同步，这样，六个刀盘共同拟合开挖出马蹄形断面，其余面积布置数个小直径辐条式刀盘补充辅助开挖。

实施例2

如图3所示，一种啮合式多刀盘开挖装置的掘进机，包括实施例1所述的刀盘装置1、驱动系统2、盾体3、螺旋输送机4和拼装机5，刀盘装置1安装在盾体3的前端，盾体3内的驱动系统2驱动刀盘装置1中的刀盘旋转，刀盘装置1的每一个刀盘均配置一驱动系统2，螺旋输送机4位于刀盘的背部用于输送渣土，拼装机5位于盾体3的尾部用于对预制的管片进行拼装。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。