盾构刀盘固定转动方向的掘进施工方法与流程

本发明涉及盾构工程技术领域，特指一种盾构刀盘固定转动方向的掘进施工方法。

背景技术：

随着国内高速公路、高速铁路、城市轨道交通建设的飞速发展，越来越多采用大直径盾构隧道穿越大江大河，涌现了一大批14m级以上的超大直径盾构施工项目。在盾构隧道长距离掘进施工中，当刀具严重磨损时，盾构机的掘进速度将下降，效率降低，需要及时检查和更换刀具。同时，随着穿越江河湖海的隧道单次盾构掘进里程不断加长、埋深和盾构直径不断加大，刀具磨损速率和损坏程度相应大幅升高，各种刀具的更换施工将成为一种常态。盾构一般采用正、反转交替掘进，当需要进行更换刀具作业时，对称布置在刀臂两侧的刀具均需更换，存在换刀周期长的问题，严重影响盾构施工效率。当切削下的渣土黏性大、流动性较差时，先行刀切削下的渣土易在刀盘面板上淤积形成泥饼，导致排泥不畅，进而导致刀盘扭矩和挤压力增大，严重影响推进速度；对称布置在主刀臂两侧的可常压更换刮刀，当刀盘正转时，左侧刮刀切削面切土，使泥土直接流进开口，由于实际开挖面并非如刀具布置型式一般整齐，故右侧刮刀背部合金也与土接触，造成不必要的损耗，尤其是在富含砾石、卵石、漂石的复合地层中，右侧刮刀背部合金易出现崩齿，这极大降低了切削效率，严重时将导致刀盘面板损伤，必要时需停机处理，延误工期，反转情况类似。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种盾构刀盘固定转动方向的掘进施工方法，解决现有换刀作业时刀臂两侧均更换导致换刀周期长，进而严重影响施工效率的问题，还用于解决切削下的渣土在刀盘面板上淤积导致排泥不畅，进而快速影响推进参数的问题，还用于解决刀盘旋转时一侧的刮刀切土，另一侧刮刀的背部合金与土接触而易出现崩齿，严重时造成刀盘面板受损而需停机处理导致延误工期的问题。

实现上述目的的技术方案是：

本发明提供了一种盾构刀盘固定转动方向的掘进施工方法，包括如下步骤：

盾构机掘进施工时，令所述盾构机的刀盘沿第一方向转动设定环数，在所述刀盘沿所述第一方向转动时，所述刀盘上位于辐条板第一侧的刮刀的切削面切削土体；

令所述盾构机的刀盘沿与所述第一方向相反的第二方向转动设定环数，在所述刀盘沿所述第二方向转动时，所述刀盘上位于辐条板第二侧的刮刀的切削面切削土体；

在更换刮刀时，更换位于所述辐条板第一侧的刮刀，而后令所述刀盘沿所述第一方向转动；在下一次更换刮刀时，更换位于所述辐条板第二侧的刮刀，而后令所述盾构机的刀盘沿所述第二方向转动；重复该步骤，进行交替地更换位于所述辐条板第一侧和位于所述辐条板第二侧的刮刀，直至盾构机完成掘进施工。

本发明的刀盘采用固定转动方向的方式进行旋转，使得与转动方向对应的一侧的刮刀能够被充分利用，在经过设定环数的切削作业后，该刮刀因磨损而高度降低，这样刀盘反转时，另一侧的刮刀进行切削作业，因磨损而高度降低的刮刀在刀盘反转时避免了与土接触，从而避免了刀具背部合金切土时容易掉齿、崩齿的情况，有效减少了刮刀的非正常损耗。且因磨损而高度降低的刮刀，还能使得先行刀切削下来的渣土更容易进入刀盘的开口，降低的刮刀减弱了对渣土的阻挡效果，有效避免了渣土的淤积。本发明采用交替进行刮刀更换作业和使用的方式，使得每把刀具能够使用充分，较现有同时更换两侧刮刀提升了较多的使用环数，降低了刀具的使用总成本，且单侧换刀具有更换数量小，换刀周期少，较大程度上节省了施工工期。

本发明盾构刀盘固定转动方向的掘进施工方法的进一步改进在于，还包括：

在盾构机掘进施工的过程中，监控所述盾构机的滚动角，当所述滚动角达到设定值时，令所述盾构机的刀盘反向转动数环直至所述滚动角小于所述设定值。

本发明盾构刀盘固定转动方向的掘进施工方法的进一步改进在于，还包括：

在更换位于所述辐条板第一侧的刮刀时，将所述盾构机盾尾处两侧部中与所述辐条板第一侧相对应的一侧的推进油缸上位于底部的支撑油缸垫高，使得对应的推进油缸呈沿掘进方向向下倾斜状设置，且通过倾斜的推进油缸对所述盾构机施加与刀盘作用扭矩方向相反的抵消扭矩；

在更换位于所述辐条板第二侧的刮刀时，将所述盾构机盾尾处两侧部中与所述辐条板第二侧相对应的一侧的推进油缸上位于底部的支撑油缸垫高，使得对应的推进油缸呈掘进方向向下倾斜状设置，且通过倾斜的推进油缸对所述盾构机施加与刀盘作用扭矩方向相反的抵消扭矩。

本发明盾构刀盘固定转动方向的掘进施工方法的进一步改进在于，还包括：

在垫高所述盾构机盾尾处两侧部中的一侧的推进油缸上位于底部的支撑油缸时，将所述盾构机盾尾处两侧部中的另一侧的推进油缸上位于底部的支撑油缸恢复原位。

本发明盾构刀盘固定转动方向的掘进施工方法的进一步改进在于，将支撑油缸垫高，包括：

提供垫板，将所述垫板垫设于所述支撑油缸和盾构机的连接处。

本发明盾构刀盘固定转动方向的掘进施工方法的进一步改进在于，所述垫板的厚度取30mm至35mm之间。

本发明盾构刀盘固定转动方向的掘进施工方法的进一步改进在于，将所述盾构机盾尾处两侧部中的另一侧的推进油缸上位于底部的支撑油缸恢复原位，包括：

将垫设于所述支撑油缸和所述盾构机间的垫板拆除。

本发明盾构刀盘固定转动方向的掘进施工方法的进一步改进在于，依据所述刮刀的磨损程度选择设定环数。

本发明盾构刀盘固定转动方向的掘进施工方法的进一步改进在于，依据所述刮刀的磨损程度确定是否需要更换刮刀。

附图说明

图1为本发明盾构刀盘固定转动方向的掘进施工方法的流程图。

图2为本发明盾构刀盘固定转动方向的掘进施工方法中刀盘的结构示意图。

图3为本发明盾构刀盘固定转动方向的掘进施工方法中刀盘的辐条板处沿环向的剖视图。

图4为本发明盾构刀盘固定转动方向的掘进施工方法中盾构机盾尾处沿掘进方向的部分剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

参阅图1，本发明提供了一种盾构刀盘固定转动方向的掘进施工方法，刀盘采用固定转动方向掘进施工，使得与转动方向对应的一侧的刮刀能够得到充分的利用，在经过设定环数的切削作业后，该刮刀因磨损而高度降低，进而在刀盘反向转动时，该高度降低的刮刀一方面能够避免与土接触，避免了刮刀背部合金切土时容易掉齿、崩齿的情况，有效减少了刮刀的非正常损耗。高度降低的刮刀另一方面使得先行刀切削下的渣土更容易进入刀臂辐条开口，降低的刮刀减弱了对渣土的阻挡效果，有效避免渣土淤积。本发明采用交替更换刮刀的方式，使得刀具使用环数有所提升，刀具能够使用充分，明显降低刀具使用的总成本，且单次更换刀具的数量大幅减少，缩短换刀周期，能够在较大程度上节省工期。下面结合附图对本发明盾构刀盘固定转动方向的掘进施工方法进行说明。

首先对现有盾构刀盘施工中存在的问题进行说明，现有的盾构机施工时，为控制盾构机的滚动角，通常采用正、反转交替的方式掘进施工，这样使得盾构机施工时，一直存在刮刀背部压入土体的情况。在盾构机的刀盘上设计布置为每个轨迹的刮刀分左右两把，分别位于刀盘的辐条板的两侧。盾构机掘进时，同一轨迹上的两把刮刀按各自的螺线运动，两根螺线之间的螺距可根据盾构推进速度、刀盘转速和刮刀与先行刀角度差计算。此时，无论刀盘向哪个方向旋转，刀刃相对的、布置在同一轨迹上的两把刮刀，总有一把刮刀用刀刃正面破岩，另一把刮刀用刀刃背面压入开挖面。刮刀背面压入开挖面的深度即为两根螺线间的螺距，可表示为：

为解决上述问题，本发明提供了一种盾构刀盘固定转动方向的掘进施工方法。参阅图1，显示了本发明盾构刀盘固定转动方向的掘进施工方法的流程图。下面结合图1，对本发明盾构刀盘固定转动方向的掘进施工方法进行说明。

如图1所示，本发明的一种盾构刀盘固定转动方向的掘进施工方法，包括如下步骤：

执行步骤s101，令刀盘沿第一方向转动设定环数，利用辐条板第一侧的刮刀切削土体；如图1和图2所示，盾构机掘进施工时，令盾构机的刀盘11沿第一方向转动设定环数，在刀盘11沿第一方向转动时，刀盘11上位于辐条板111第一侧1111的刮刀22的切削面切削土体；接着执行步骤s102。

执行步骤s102，令刀盘沿第二方向转动设定环数，利用辐条板第二侧的刮刀切削土体；令盾构机的刀盘11沿与第一方向相反的第二方向转动设定环数，在刀盘11沿第二方向转动时，刀盘11上位于辐条板111第二侧1112的刮刀22的切削面切削土体；接着执行步骤s103。

执行步骤s103，更换刮刀，交替更换第一侧和第二侧的刮刀，在更换后令刀盘沿第一或第二方向转动利用新换的刮刀进行切削土体；在更换刮刀22时，更换位于辐条板111第一侧1111的刮刀22，而后令刀盘11沿第一方向转动，较佳地可令刀盘11沿第一方向转动设定环数；在下一次更换刮刀22时，更换位于辐条板111第二侧1112的刮刀，而后令盾构机的刀盘11沿第二方向转动，较佳地可令刀盘11沿第二方向转动设定环数；重复该步骤，进行交替地更换位于辐条板111第一侧1111和位于辐条板111第二侧1112的刮刀22，直至盾构机完成掘进施工。

其中的第一方向可以为顺时针，也可以为逆时针。当第一方向为顺时针时，第二方向为逆时针，当第一方向为逆时针时，第二方向为顺时针。辐条板111的第一侧1111和第二侧1112也与第一方向和第二方向相对应，当第一方向为顺时针时，第一侧1111为左侧，第二侧1112为右侧，此时利用第一侧1111的刮刀22切削土体，第一侧1111的刮刀22的刀刃正面破岩，该左侧和右侧为站在盾尾处沿掘进方向看刀盘11时所对应的左侧和右侧。当第一方向为逆时针时，第一侧1111为右侧，第二侧1112为左侧，此时利用第一侧1111的刮刀22切削土体，第一侧1111的刮刀22的刀刃正面破岩，该右侧和左侧仍是以站在盾尾处沿掘进方向看刀盘11时所对应的左侧和右侧。

本发明的刀盘采用固定转动方向进行掘进施工，使得位于辐条板两侧的刮刀均能够得到充分的利用，且采用单侧刀具更换的方式进行换刀，相比于双侧更换的方式刀具的更换数量减少三分之一，换刀周期减少三分之一，较大程度上节省工期。每把刮刀的充分使用，使得每把刀具较双侧更换的方式使用环数提升，更换下来的刀具磨损均在30mm以上，刀具的使用充分，明显降低刀具使用总成本。

在某一转动方向下施工时，使得对应的一侧的刮刀能够因磨损而高度降低，当两侧刮刀均因磨损而高度降低时，更换一侧的刮刀，接着利用该刮刀进行切削土作业，另一侧的刮刀高度降低，不会与开挖面接触，能够避免刮刀的背部合金与开挖面接触，避免了掉齿、崩齿的情况，有效减少了刮刀的非正常损耗。另外该刮刀高度降低，还能够使得先行刀切削的渣土更容易进入到刀盘的开口，降低的刮刀减弱了对渣土的阻挡效果，有效避免了渣土淤积。

如图2所示，本发明的刀盘11包括多个辐条板111和刀盘架，多个辐条板安装于刀盘架内，多个辐条板111的一端相互连接，另一端沿刀盘11的外缘均匀布设。多个辐条板111相互连接的一端位于刀盘11的中心部位，形成了中心区域，在中心区域布设有多个先行刀21。位于辐条板111上的先行刀21沿辐条板111的中部设置，而刮刀22设于辐条板111的相对两侧，即刮刀22位于对应的先行刀21的两侧。结合图3所示，位于辐条板111两侧的刮刀22的切削面相背对设置，所以在刀盘11沿着第一方向转动时，位于辐条板111的第一侧1111的刮刀22的切削面进行切削作业，在刀盘11沿着第二方向转动时，位于辐条板111的第二侧1112的刮刀22的切削面进行切削作业。初始时，位于辐条板111两侧的刮刀22的高度相同，在经过设定环数的切削作业后，两刮刀的高度会因磨损而降低，在两侧的刮刀的高度均降低的情况下，本发明采用交替式的换刀操作，能够解决现有同时换刀存在的问题。

作为本发明的一较佳实施方式，本发明的施工方法还包括：

在盾构机掘进施工的过程中，监控盾构机的滚动角，当滚动角达到设定值时，令盾构机的刀盘反向转动数环直至滚动角小于设定值。

在推进施工的过程中，控制滚动角的变化，当滚动角达到设定值时，通过反方向转动刀盘两至三环，使滚动角小于设定值，控制滚动角在正常值的范围内，在施工时可根据滚动角的正常值来选定设定值。

作为本发明的另一较佳实施方式，还包括：

如图3和图4所示，在更换位于辐条板111第一侧1111的刮刀22时，将盾构机40盾尾41处两侧部中与辐条板111第一侧1111相对的一侧的推进油缸42上位于底部的支撑油缸43垫高，使得对应的推进油缸42呈沿掘进方向向下倾斜状设置，且通过倾斜的推进油缸对盾构机40施加与刀盘作用扭矩方向相反的抵消扭矩，利用抵消扭矩可抵消部分刀盘作用扭矩；

在更换位于辐条板111第二侧1112的刮刀22时，将盾构机40盾尾41处两侧部中与辐条板111第二侧1112相对的一侧的推进油缸42上位于底部的支撑油缸43垫高，使得对应的推进油缸42呈沿掘进方向向下倾斜状设置，且通过倾斜的推进油缸对盾构机40施加与刀盘作用扭矩方向相反的抵消扭矩，利用抵消扭矩可抵消部分刀盘扭矩。

在盾构机40的后部设置有多个推进油缸42，推进油缸42一端与盾构机40固定连接，另一端埋设于盾构机40的盾构21内，推进油缸42的设置方向与盾构机40的掘进方向相一致，通过推进油缸42的推动而使得盾构机40向前掘进，当盾构机40掘进一段后，通常是掘进一个管节31的长度，缩回推进油缸42，从而使得推进油缸42和其后方的管节31之间有一个新的管节31的拼装空间，在该拼装空间处安装新的管节31，而后推进油缸42与新的管节31的端面相抵靠。推进油缸42的设置在沿着管节31的环向端面均匀布设的，以面向盾尾41的方向站立时，盾尾41处设置的推进油缸42包括位于左侧、右侧、上侧和下侧的推进油缸42。每一推进油缸42上均设置有上下相对夹持该推进油缸42的支撑油缸43。支撑油缸43一端固定在盾构机40上，另一端抵靠在推进油缸42上，利用设于推进油缸42顶部和底部的支撑油缸43顶紧推进油缸42，能够提高推进油缸42的稳定性。

在第一方向为顺时针时，第一侧1111为站立在盾尾处沿掘进方向看刀盘11时的左侧，盾尾41处两侧部中与第一侧1111相对的一侧为左侧，左侧的推进油缸42是指站在盾尾41面向掘进方向时的左侧；在更换第一侧1111的刮刀22时，将盾尾41处左侧的推进油缸42底部的支撑油缸43垫高，使得该左侧的推进油缸42呈倾斜状设置，推进油缸42与盾尾41连接的一端高于其与盾构机40前部连接的一端，使得推进油缸产生一个向下的竖向倾角，这样在推进油缸42施加推进力时，该作用力呈倾斜状，从而对盾构机施加了向下倾斜的作用力，该作用力能够产生一个向下的分力，从而左侧的几个推进油缸42的向下分力有一个顺时针的扭矩，该扭矩能够抵消一部分刀盘扭矩，使得盾构机转动延缓，从而延缓滚动角增大，防止了滚动角快速达到设定值。

相应地，第二侧1112为站在盾尾处沿掘进方向看刀盘11时所对应的右侧，盾尾41处两侧部中与第二侧1112相对的一侧为右侧，右侧的推进油缸42是指站在盾尾41面向掘进方向时的右侧；在更换第二侧1112的刮刀22时，将盾尾41处右侧的推进油缸42底部的支撑油缸43垫高，使得该右侧的推进油缸42呈倾斜状设置，推进油缸42与盾尾41连接的一端高于其与盾构机40前部连接的一端，使得推进油缸产生一个向下的竖向倾角，这样在推进油缸42施加推进力时，该作用力呈倾斜状，从而对盾构机施加了向下倾斜的作用力，该作用力能够产生一个向下的分力，从而右侧的几个推进油缸42的向下分力有一个逆时针的扭矩，该扭矩能够抵消一部分刀盘扭矩，使得盾构机转动延缓，从而延缓滚动角增大，防止了滚动角快速达到额定值。

进一步地，本发明的施工方法还包括：

在垫高盾构机40盾尾41处两侧部中的一侧的推进油缸42上位于底部的支撑油缸43时，将盾构机40盾尾41处两侧部中的另一侧的推进油缸42上位于底部的支撑油缸43恢复原位。即拆除另一侧推进油缸42底部的支撑油缸43的垫高结构，令该另一侧的推进油缸42恢复原状。

再进一步地，将支撑油缸43垫高，包括：

提供垫板，将垫板垫设于支撑油缸和盾构机的连接处。利用垫设垫板的方式实现垫高支撑油缸，实施方便。

依据推进中滚动角变化速率计算竖向倾角，进而选择适合厚度的垫板，垫板的厚度较佳取30mm至35mm之间(包括端值)。

又进一步地，将盾构机盾尾处两侧部中的另一侧的推进油缸上位于底部的支撑油缸恢复原位，包括：

将垫设于支撑油缸43和盾构机40间的垫板拆除。

作为本发明的又一较佳实施方式，依据刮刀的磨损程度选择设定环数。

选择设定环数时，可根据刮刀的磨损程度进行选择，比如可在刮刀磨损到需要更换时所对应的环数作为设定环数，这样在沿固定的方向转动经过设定环数后，对应的刮刀即为需要更换的刮刀。在反向转动经过设定环数后，对应的刮刀也为需要更换的刮刀，这样可更换一侧的刮刀，并以该侧刮刀进行切削作业，在经过设定环数后，就更换另一侧的刮刀，依次反复，直至盾构机掘进施工完成。这样的方式省略了更换刮刀后，刀盘需交替的进行转动方向的切换，刀盘只需要在更换刮刀后沿一个转动方向转动到设定环数即可更换另一侧的刮刀。

较佳地，设定环数为30环。

作为本发明的再一较佳实施方式，依据刮刀的磨损程度确定是否需要更换刮刀。根据刮刀的磨损程度来确定换刀的次数及时间。

比如可在刮刀磨损30mm时，确认该刮刀需要更换。

在刀盘交替地沿第一方向和第二方向进行转动时，若两侧的刮刀均未达到需要更换的磨损程度时，可继续进行切削作业，即刀盘继续交替地沿第一方向和第二方向进行转动。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。