本发明涉及盾构隧道施工技术领域，特别涉及一种盾构机盾壳背土去除装置及使用方法。
背景技术：
盾构机在泥岩地层施工时，由于泥土的粘性以及巨大的压力下，泥土紧粘在盾构机盾壳外部而形成背土现象。由于形状原因，盾构机常在圆形盾壳1顶部产生背土2，如图1和图2所示。当盾构机推进时，如果背土无法脱离盾壳而随盾构机一同前进，则会导致周围土层严重扰动，引起地表隆起或塌陷；同时由于泥土粘在盾壳上，导致盾构机阻力增大，严重时推进油缸无法克服所受到的阻力，使盾构机出现卡死情况。因此背土现象无论对施工，还是设备都会带来巨大的危害。
现有技术中一般都采用注减摩浆的方法减少背土效应，通过注浆使得盾构机盾壳与土体之间形成一层隔膜，增加润滑，起到防背土的作用。但是该方法的缺点是由于浆液流动的不可靠性，盾壳周围形成隔膜常达不到理想状况，因而无法彻底解决盾构机盾壳背土问题。
技术实现要素：
本发明目的在于：针对在盾构隧道施工时，现有技术中采用注减摩浆方法未能有效解决盾构机盾壳背土，背土使得盾构机阻力增大，严重时影响设备正常运行的问题，提供一种盾构机盾壳背土去除装置，该装置通过机械方法将盾壳体上方的大体积背土刮离，因而能够有效减少盾构机盾壳顶部背土现象，保证盾构机的正常运行。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种盾构机盾壳背土去除装置，包括设于盾壳内的回转部件和设于盾壳外的滑移部件，所述回转部件至少有两个，且在回转部件上缠绕有牵引绳，所述牵引绳穿过盾壳后与滑移部件相连，当所述回转部件转动带动牵引绳收放时，所述滑移部件沿盾壳外壁周向滑动。
本发明通过在盾壳内外分别设置回转部件和滑移部件，并在回转部件上缠绕牵引绳，且牵引绳穿过盾壳与滑移部件两侧相连，使用时通过回转部件转动带动牵引绳收放，使滑移部件沿盾壳外壁周向滑动，从而实现对盾壳外壁背土进行刮除，该装置通过机械方法将盾壳体上方的大体积背土刮离，因而能够有效减少盾构机盾壳顶部背土现象，保证盾构机的正常运行。
作为本发明的优选方案，所述盾壳外壁上设有至少一条滑槽，所述滑槽从盾壳顶部向两侧环形对称延伸，且在滑槽末端分别设有径向贯穿盾壳壁的传动孔。该滑槽和传动孔用于布置弹性绳，使得回转部件转动时，弹性绳沿滑槽和传动孔运动，从而控制滑移部件做环向运动。
作为本发明的优选方案，所述滑移部件上设有至少一个固定块，所述固定块随滑移部件沿滑槽运动。通过在滑移部件上设置固定块，当弹性绳牵引滑移部件运动时，该固定块在滑槽内运动，从而控制滑移部件沿盾壳外壁周向运动。
作为本发明的优选方案，所述固定块的截面形状与滑槽相对应。当弹性绳牵引滑移部件运动时，由于固定块的截面形状与滑槽相对应，可以使固定块在滑槽内的滑动更加流畅稳定。
作为本发明的优选方案，所述固定块两侧分别设有用于连接牵引绳的连接螺母，所述连接螺母上设有螺母孔，且在连接螺母上还设有至少一个延伸至螺母孔内的锁紧螺栓。通过在固定块两侧设置连接螺母，并在连接螺母上设置锁紧螺栓，将牵引绳穿入螺母孔并由锁紧螺栓进行顶紧，从而实现牵引绳与滑移部件的连接，且连接方式快速可靠以及拆卸方便。
作为本发明的优选方案，所述回转部件包括设于盾壳内壁的电机和与电机相连的牵引绳绕轴。通过设置电机和牵引绳绕轴，由电机带动牵引绳绕轴旋转，从而实现对牵引绳的收放，实现方式简单且易于进行自动控制。
作为本发明的优选方案，所述滑移部件为刮土板，且刮土板为与盾壳外壁相适配的弧线形板状结构。通过将刮土板设置为与盾壳外壁相适配的弧线形板状结构，便于刮土板沿盾壳外壁周向进行运动，且利于将盾壳背土刮除干净。
作为本发明的优选方案，所述刮土板上沿盾壳周向的两个侧面为斜面，且斜面与板底的夹角为锐角。通过将刮土板上沿盾壳周向的两个侧面设置为锐角斜面，该斜面尖端能够伸入背土内，对背土形成楔形作用力，从而大大减小背土刮除阻力。
作为本发明的优选方案，所述传动孔内还设有密封阀。该密封阀可以保证牵引绳穿过传动孔后的盾构密封性能。
本发明还提供一种盾构机盾壳背土去除装置使用方法，包括以下步骤：
a、未进行除土作业时将滑移部件置于盾壳拱顶位置；
b、当需进行除土作业时，启动回转部件，通过回转部件进行牵引绳收放，使滑移部件向盾壳一侧滑动而将背土刮除；
c、当盾壳一侧背土刮除完毕后，调整回转部件的回转方向，使滑移部件沿盾壳外壁反向运动，从而对盾壳另一侧背土刮除；
d、当盾壳另一侧背土刮除完毕后，再次调整回转部件的回转方向，使滑移部件沿盾壳外壁返回至拱顶位置。
通过将滑移部件置于盾壳拱顶位置，当需进行除土作业时，启动回转部件，通过调整回转部件进行牵引绳收放，使滑移部件依次向盾壳两侧运动而将背土刮除，该方法能够将盾壳上方的背土刮离，因而能够有效减少盾构机盾壳顶部背土现象，保证盾构机的正常运行，且操作步骤简单，易实现自动化控制。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明通过在盾壳内外分别设置回转部件和滑移部件，并在回转部件上缠绕牵引绳，且牵引绳穿过盾壳与滑移部件两侧相连，使用时通过回转部件转动带动牵引绳收放，使滑移部件沿盾壳外壁周向滑动，从而实现对盾壳外壁背土进行刮除，该装置通过机械方法将盾壳体上方的大体积背土刮离，因而能够有效减少盾构机盾壳顶部背土现象，保证盾构机的正常运行；
2、本发明通过设置滑槽和传动孔用于布置弹性绳，使得回转部件转动时，弹性绳沿滑槽和传动孔运动，并通过在滑移部件上设置固定块，从而控制滑移部件做环向运动；
3、本发明通过在固定块两侧设置连接螺母，并在连接螺母上设置锁紧螺栓，将牵引绳穿入螺母孔并由锁紧螺栓进行顶紧，从而实现牵引绳与滑移部件的连接，且连接方式快速可靠以及拆卸方便；
4、本发明通过将刮土板上沿盾壳周向的两个侧面设置为锐角斜面，该斜面尖端能够伸入背土内，对背土形成楔形作用力，从而大大减小背土刮除阻力；
5、本发明通过将滑移部件置于盾壳拱顶位置，当需要进行除土作业时，启动回转部件，通过反复调整回转部件进行牵引绳收放，使滑移部件依次向盾壳两侧运动而将背土刮除，该方法能够将盾壳上方的背土刮离，因而能够有效减少盾构机盾壳顶部背土现象，保证盾构机的正常运行，且操作步骤简单，易实现自动化控制。
附图说明
图1是盾壳背土侧视图；
图2是图1中的a-a剖视图；
图3是本发明中的盾构机盾壳背土去除装置正视图；
图4是图3中的局部放大图；
图5是本发明中的盾构机盾壳背土去除装置侧视图；
图6是图5中的局部放大图；
图7是本发明中的盾构机盾壳背土去除装置位置三维示意图；
图8是图7中的局部放大图；
图9是本发明中的刮土板结构示意图；
图10是本发明中的固定块结构示意图；
图11是本发明中的连接螺母结构示意图。
图中标记：1-盾壳，11-传动孔，12-密封阀，13-滑槽，2-背土，3-电机，31-牵引绳绕轴，32-牵引绳，4-刮土板，41-固定块，411-固定孔，42-连接螺母，421-螺母孔，422-锁紧螺栓。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供一种盾构机盾壳背土去除装置；
如图3-图11所示，本实施例中的盾构机盾壳背土去除装置，包括分别设于盾壳1内外的回转部件和滑移部件，所述回转部件至少有两个，且在回转部件上分别缠绕有牵引绳32，所述牵引绳分别穿过盾壳与滑移部件两侧相连，当所述回转部件转动带动牵引绳收放时，所述滑移部件沿盾壳外壁周向滑动。
本实施例中，所述盾壳1外壁上设有至少一条滑槽13，每条滑槽从盾壳顶部开始向两侧呈环形对称延伸，且在每条滑槽末端分别设有径向贯穿盾壳壁的传动孔11，使用时牵引绳从回转部件上引出后，通过传动孔、滑槽与滑移部件两侧相连接。该滑槽和传动孔用于布置弹性绳，使得回转部件转动时，弹性绳沿滑槽和传动孔运动，从而控制滑移部件做环向运动，为保证滑移部件环向运动稳定、减小纵向运动。本实施例中滑槽的数量为三条，滑槽长度依据背土范围来确定；传动孔的数量对应为六个，左右各三个，对称布置在盾壳壁上。
本实施例中，所述滑移部件上设有至少一个固定块41，所述固定块随滑移部件沿滑槽运动，且在固定块41上还设有用于穿过牵引绳的固定孔411。通过在滑移部件上设置固定块，当弹性绳牵引滑移部件运动时，该固定块在滑槽内运动，从而控制滑移部件沿盾壳外壁周向运动。本实施例中固定块的数量为六个，左右各三个，对称布置在滑移部件上，且固定块位置分布与滑槽相对应。
本实施例中，所述固定块的截面形状与滑槽相对应，两者均为倒三角截面。当弹性绳牵引滑移部件运动时，由于固定块的截面形状与滑槽相对应，可以使固定块在滑槽内的滑动更加流畅稳定。
本实施例中，所述固定块41两侧分别设有用于连接牵引绳的连接螺母42，所述连接螺母42上设有螺母孔421，且在连接螺母42上还设有至少一个延伸至螺母孔421内的锁紧螺栓422。通过在固定块两侧设置连接螺母，并在连接螺母上设置锁紧螺栓，当牵引绳穿入螺母孔并由锁紧螺栓进行顶紧，从而实现牵引绳与滑移部件的连接，且连接方式快速可靠以及拆卸方便。本实施例中连接螺母的数量为十二个，在每个连接螺母上对称设置有两个锁紧螺栓。
本实施例中，所述回转部件包括安装于盾壳1内壁的电机3和与电机相连的牵引绳绕轴31，且电机3和牵引绳绕轴31分别对称布置在盾壳1内。本实施例中共有六个电机，左右各三个，电机具体设置位置与滑槽相对应，且每个电机上连有牵引绳绕轴。通过设置电机和牵引绳绕轴，由电机带动牵引绳绕轴旋转，从而实现对牵引绳的收放，实现方式简单且易于进行自动控制。
本实施例中，所述滑移部件为刮土板4，且刮土板4为与盾壳1外壁相适配的弧线形板状结构，并且盾壳外径加上刮土板厚度要小于盾构刀盘外径限界。通过将刮土板设置为与盾壳外壁相适配的弧线形板状结构，便于刮土板沿盾壳外壁周向进行运动，且利于将盾壳背土刮除干净。
本实施例中，所述刮土板4上沿盾壳周向的两个侧面为斜面，且斜面与板底的夹角为锐角。通过将刮土板上沿盾壳周向的两个侧面设置为锐角斜面，该斜面尖端能够伸入背土内，对背土形成楔形作用力，大大减小背土刮除阻力。
本实施例中，所述传动孔11内还设有密封阀12，该密封阀可以保证牵引绳穿过传动孔后的盾构密封性能。
使用时先将牵引绳绕轴31上的牵引绳32从传动孔11引出至盾壳1外，并沿滑槽13布置，然后穿过连接螺母42上的螺母孔421、固定块41上的固定孔411，并通过连接螺母42上的锁紧螺栓422将牵引绳32牢固地与刮土板4进行连接。本实施例中通过在盾壳内外分别设置回转部件和滑移部件，并在回转部件上分别缠绕牵引绳，且牵引绳分别穿过盾壳与滑移部件两侧相连，使用时通过回转部件转动带动牵引绳收放，使滑移部件沿盾壳外壁周向滑动，从而实现对盾壳外壁背土进行刮除，该装置通过机械方法将盾壳体上方的大体积背土刮离，因而能够有效减少盾构机盾壳顶部背土现象，保证盾构机的正常运行。
实施例2
本实施例提供一种盾构机盾壳背土去除装置使用方法；
一种盾构机盾壳背土去除装置使用方法，包括以下步骤：
a、未进行除土作业时将滑移部件置于盾壳拱顶位置；
b、当需进行除土作业时，启动回转部件，通过回转部件进行牵引绳收放，使滑移部件向盾壳一侧滑动而将背土刮除；
c、当盾壳一侧背土刮除完毕后，调整回转部件的回转方向，使滑移部件沿盾壳外壁反向运动，从而对盾壳另一侧背土刮除；
d、当盾壳另一侧背土刮除完毕后，再次调整回转部件的回转方向，使滑移部件沿盾壳外壁返回至拱顶位置。
通过将滑移部件置于盾壳拱顶位置，当需进行除土作业时，启动回转部件，通过调整回转部件进行牵引绳收放，使滑移部件依次向盾壳两侧运动而将背土刮除，该方法能够将盾壳上方的背土刮离，因而能够有效减少盾构机盾壳顶部背土现象，保证盾构机的正常运行，且操作步骤简单，易实现自动化控制。
当盾构机停止推进，施工人员通过盾壳1上背土探孔探查到背土2较厚时，按如下具体操作进行除土作业：
首先，启动盾壳1内壁左右两侧的电机3，左侧的电机3带动左侧的牵引绳绕轴31进行收牵引绳32转动，右侧的电机3带动右侧的牵引绳绕轴31进行放牵引绳32转动，牵引绳32沿盾壳1上的滑槽13逆时针运动，带动刮土板4沿盾壳1上的滑槽13逆时针运动，刮土板4清除盾壳1左侧背土；
其次，当刮土板4行走到左侧的传动孔11处即完成左侧刮土行程后，左侧的电机3带动左侧的牵引绳绕轴31进行放牵引绳32转动，右侧的电机3带动右侧的牵引绳绕轴31进行收牵引绳32转动，牵引绳32沿盾壳1上的滑槽13顺时针运动，带动刮土板4沿盾壳1上的滑槽13顺时针运动，刮土板4运动到拱顶后继续顺时针运动，进行刮除盾壳1右侧背土；
最后，当刮土板4行走到右侧的传动孔11处即完成右侧刮土行程后，左侧的电机3带动左侧的牵引绳绕轴31进行收牵引绳32转动，右侧的电机3带动右侧的牵引绳绕轴31进行放牵引绳32转动，牵引绳32沿盾壳1上滑槽13逆时针运动，带动刮土板4沿盾壳1上的滑槽13逆时针运动，当刮土板4运动到拱顶后完成一个循环除土作业。
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，凡在本发明的原理之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。