一种具备大扩挖能力的TBM刀盘的制作方法

本实用新型涉及盾构机技术领域，特别是指一种具备大扩挖能力的tbm刀盘。

背景技术：

全断面隧道掘进机（tbm）是一种集机械、电子、液压、激光等技术于一体的大型隧道掘进装备，在山岭隧道、引水工程及城市地铁的建设中发挥着重要作用。tbm有多种类型，能够完成多种复杂地质的隧道掘进任务。但是随着我国高速铁路的发展，一大批诸如川藏铁路、西延高铁、成昆高铁等国家级工程陆续实施，这些高铁项目工程意义大，隧桥占比高，施工难度大。要求隧道质量好，施工成本低，建设工期短。各种不良的地质的隧道建设都需要有不同的应对措施，对一些隧道埋深大、地应力高的工程，极易发生围岩收敛，甚至岩爆。对于岩爆问题，可以采用对洞壁进行喷水、钻孔等方式释放应力；也可以采用及时的初期支护措施或管片支护，保护施工人员和设备安全；也可以采用降低掘进速度的方式减少对围岩的扰动，预留出应力释放的时间。这些措施的综合使用，能够应对大部分的岩爆问题。但是针对围岩收敛地层，现有的方式是增大扭矩和推力，在围岩收敛卡住刀盘或盾体时，通过强大的扭矩和推力，强行推动设备脱困，这种措施的效果是有限的，因为推力和扭矩不可能无限的增大、结构设计的强度和刚度也不是无限大，所以这种方式是备用措施；另一种方式就是增大洞壁与盾体之间的间隙，以空间换时间，在收敛围岩抱住盾体之前，tbm迅速掘进通过。这种方式得到行内专家的一致认可。

要增加洞壁与盾体之间的间隙，目前有两种方式，一是设计可伸缩盾体，盾体为分块式设计，在遇到收敛地层时，盾体收回，可有效避免盾体被卡住。但是由于盾体内结构设计及部件配置的要求，回收的距离有限，在大变形地层中，这种措施就失去作用。二是增大刀盘开挖直径。也有两种方式，一是更换刀盘，或者更换分块刀盘的边块，这种措施操作起来非常困难，涉及刀盘运输、空间、吊装等一系列的问题，耗费时间长，费用高，需有条件才能实施；另一种就是刀盘本身具备扩挖能力，无需对刀盘进行大的改动，即可实现刀盘开挖直径的增大。

常规的全断面硬岩掘进机刀盘的扩挖是增加边刀垫块，就是将刀盘外侧边滚刀继续向外偏移，这样能够增大刀盘的开挖直径，这种方式有三个缺陷，一是每一把边刀外移，都需要定制不同的刀具垫块，且一套垫块确定以后，刀盘开挖直径的增大值是固定的，洞径的扩大值由垫块的厚度决定，因此采用这种方式得到的扩挖洞径一般是阶梯状，无法实现一定范围内的实时变径；二是每一把边滚刀增加垫块的操作均费时费力。安装刀具垫块时，需要将这把边刀所在位置的隧道洞壁进行人工开挖，为边滚刀的外移提供空间，在有多把边刀需要增加垫块的情况下，扩挖的准备工作耗时较长；三是在刀盘具备扩挖能力后，还要同步的更换刀盘的刮板，刮板必须与刀盘直径相匹配，才能保证刀盘能够及时的排出扩挖产生的石渣，避免刀盘的重复磨损。

技术实现要素：

针对上述背景技术中的不足，本实用新型提出一种具备大扩挖能力的tbm刀盘，解决了现有技术中大盘扩挖效率低，操作不灵活的问题。

本实用新型的技术方案是这样实现的：一种具备大扩挖能力的tbm刀盘，包括刀盘本体和耐磨环，刀盘本体的面板上设有刀具，耐磨环设置在刀盘本体上且位于面板的后方，所述刀盘本体上设有沿径向设置的扩挖装置，耐磨环上设有供扩挖装置伸缩运动的开口槽，刀盘本体的面板上设有刮渣口。

所述扩挖装置包括伸缩油缸、铣挖头和刮板组件，所述伸缩油缸的一端与刀盘本体相连接、另一端设有支撑座，支撑座上设有液压马达，液压马达的输出端连接有铣挖头，刮板组件连接在支撑座的一侧，且与支撑座进行同步运动。

所述刮板组件包括异形连接件和刮板座，所述刮板座上设有刮板，异形连接件的一端与支撑座固定连接、另一端固定有刮板座，异形连接件与刀盘本体铰接。

所述异形连接件为l形连接件，l形连接件的短臂部与刮板座固定连接，刮板座与l形连接件的长臂部平行。

所述伸缩油缸沿刀盘本体径向伸缩带动刮板座绕铰接点转动。

所述刀盘本体上对称设有两个扩挖装置，耐磨环上对称设有两个开口槽，两个扩挖装置分别与两个开口槽相对应。

本实用新型克服了常规扩挖的缺点，能够实现刀盘直径的实时扩挖，无需人工辅助，无需更换刀盘刮板。本实用新型利用刀盘在轴向的厚度，设置两处液压控制的铣挖头，铣挖头与刮板座之间采用异形结构件连接，能够时间铣挖头与刮板之间的联动；在刀盘的旋转破岩的过程中，铣挖头旋转切削，由油缸控制伸出量，实现刀盘洞径方向上的扩挖，且扩径后，刮板能够及时收集掌子面底部的石渣，提高掘进效率。该刀盘能够实现的最大扩挖量为半径方向30cm，能够较好的适应收敛地层中tbm掘进，能够确保tbm护盾不会被收敛围岩卡住，增强了tbm在软岩大变形地层的适应能力。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，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为本实用新型整体主视结构示意图。

图2为本实用新型整体俯视结构示意图

图3为扩挖装置收回状态示意图。

图4为扩挖装置完全伸出状态示意。

图5为扩挖装置主视结构示意图。

图6为扩挖装置侧视结构示意图。

图7为实施例2中扩挖装置在刀盘上布置示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1和2所示，实施例1，一种具备大扩挖能力的tbm刀盘，包括刀盘本体1和耐磨环3，耐磨环3可采用四个同中心轴线设置的加强环，用于保护刀盘背部盘体。刀盘本体1的面板上设有刀具12，即正滚刀和刀盘盘体边缘的边滚刀组合破岩，边滚刀在刀盘边缘均匀布置。本实用新型专利采用开放式刀盘，刀盘面板采用常规设计，具备正常掘进和出渣功能。耐磨环3设置在刀盘本体1上且位于面板的后方，用于保护刀盘背部盘体，避免在转动过程中的磨损。所述刀盘本体1上设有沿径向设置的扩挖装置2，耐磨环3上设有供扩挖装置2伸缩运动的开口槽13，且开口槽13不会影响刀盘耐磨环对刀盘本体的保护。在刀盘正常的旋转开挖时，铣挖头收回到刀盘的轮廓以内即开口槽13内。在需要扩挖时，扩挖装置的铣挖头在油缸的控制下按照一定的速度伸出，铣挖头本身旋转，并随着刀盘的旋转切削岩石，此时，铣挖头与其他滚刀同时切削破岩。刀盘本体1的面板上设有刮渣口11，便于渣土的快速排出。

进一步，如图3和4所示，所述扩挖装置2包括伸缩油缸4、铣挖头6和刮板组件，所述伸缩油缸4的一端与刀盘本体1相连接、另一端设有支撑座14，支撑座14上设有液压马达5，液压马达5的输出端连接有铣挖头6，液压马达带动铣挖头转动，实现铣挖头的自转。刮板组件连接在支撑座14的一侧，且与支撑座14进行同步运动。其工作的过程就是液压马达5控制铣挖头6旋转，在控制铣挖头伸缩油缸4伸出，带动铣挖头6和刮板组件的刮板伸出切削岩石并对渣土进行收集，便于出渣。

进一步，所述刮板组件包括异形连接件9和刮板座8，所述刮板座8上固定设有刮板7，异形连接件9的一端与支撑座14固定连接、另一端焊接有刮板座8，异形连接件9与刀盘本体1铰接。在伸缩油缸的作用下，异形连接件带动刮板座绕铰接点转动，实现刮板伸出有否。所述异形连接件9为l形连接件，l形连接件的短臂部与刮板座8固定连接，刮板座8与l形连接件的长臂部平行。伸缩油缸带动铣挖头伸出时，带动异形连接件9和刮板座8摆动，带动刮板7同步伸出，确保扩挖的石渣能够刮起收集起来。

扩挖装置与其他的滚刀10组合进行扩挖作业，且除了扩挖装置外，还有多处的能够适应正常开挖直径的刮渣口，目的是：需要扩挖，尤其是大扩挖的洞段占整个隧道的比例较低（若比例高，在设计之初就会考虑增大开挖直径），正常开挖还是会占绝大部分，因此，要保证绝大部分情况下正常开挖的出渣需求。

如图7所示，实施例2，一种具备大扩挖能力的tbm刀盘，所述异形连接件9也可为v形、或其他形状连接件，连接件绕铰接轴转动时带动刮板座和刮板同步摆动，即所述伸缩油缸4沿刀盘本体径向伸缩带动刮板座8绕铰接点转动，实现刮板伸出刀盘本体进行刮渣作业。

在无需扩挖的洞段，如图3所示，扩挖装置2收回刀盘的内部，不影响开挖，也不会被石渣损坏。如图4所示扩挖装置2全部伸出状态，此时刀盘扩挖能力达到最大，经过理论模拟，半径方向达到30cm。即铣挖头伸出刀盘本体的最大长度为30cm，30cm的扩挖量应对软岩大变形地层，能够确保tbm护盾不会被收敛围岩卡住，增强了tbm在软岩大变形地层的适应能力。这两个状态为刀盘能够开挖的最小直径和最大直径，所有这个范围内的直径，均可通过控制扩挖装置2的伸缩量实现，真正实现连续、实时扩挖。

进一步，所述刀盘本体1上对称设有两个扩挖装置2，耐磨环3上对称设有两个开口槽13，两个扩挖装置2分别与两个开口槽13相对应。为了保证开挖的效率，两组铣挖头联合工作，同步伸缩。在铣挖头伸出去的同时两个刮板同步伸出，及时排除掌子面与刀盘之间的石渣，避免刀盘和刀具的重复磨损，提高开挖效率。

其他结构与实施例1相同。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。