一种适应多结构土壤的盾构刀盘的制作方法

本发明是申请号为201910811247.4，申请日为2019年08月29日，申请类型为发明，申请名称为一种基于地质超前探测的盾构机的盾构刀盘的分案申请。

本发明涉及施工机械领域，尤其涉及一种适应多结构土壤的盾构机的盾构刀盘。

背景技术：

盾构施工法是在地下修筑地下隧道、上水道、下水道及电力电缆管道等的施工法之一，其施工过程的主要设备是盾构机。盾构机是一种全封闭的隧道掘进机，属于一种用于挖掘隧道等通道的机械设备，其是一种既能支承地层的压力、又能在地层中掘进的施工机具，驱动元件抵靠在挖掘的通道内安装的衬砌管片并伸长以为盾构刀盘提供向前掘进反力。用盾构机进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理。

近年来，国内城市轨道交通发展极为迅速，盾构施工的应用也越来越广泛。现代隧道建设工程中，越来越多地遇到复合地层问题。常规的盾构施工法适合在较为单一的软土地层、软岩地层及砂层中进行施工。但是，由于掘进方向上的地质情况不可能完全是单一形式的，难免会遇到复合地层，隧道建设过程中，如果对盾构掘进掌子面前方的地质情况不能准确判断，会很大程度地影响施工进度。比如，在我国的广东、深圳等东南沿海地区为花岗岩分布广泛的区域，多为复合地层。在这类区域内采用盾构法施工建设隧道时常遇到硬岩及上软下硬的复合地层，给施工带来很大困难，需要一种探测盾构掘进线路前方的地质情况的技术，给盾构施工带来一定的参考。

对于地质情况探测，现有技术的常用做法有三种：

第一种是传统钻孔取芯勘探技术，该技术由于布孔间距大，对隧道地层的探测比较粗糙，与实际情况的偏差较大，使盾构施工过程中对掌子面前方不良地层的掌握情况不精确，给施工带来很大困难，若加密布孔勘探，成本高，耗时长，

第二种是tsp(tunnelseismicprediction，隧道地震勘探)技术，该技术为在隧道掌子面后方边墙远方打1个1.5～2m深钻孔，在其中灌水并放置一个三分量检波器，向掌子面方向，均匀布置钻深约1.5m的钻孔，灌水后放入高能炸药，然后依次爆破，由三分量检波器接收爆破产生的弹性波。弹性波向检波器一方直接传播由检波器接收，向另一方传播后穿过掌子面向前方，遇到岩体中不同波阻抗而形成反射，反射波先后返回到各检波器被接收，经数据处理制图，然后经对图像的判释，得出地质结论。tsp隧道地震勘探技术需钻孔爆破，产生地震弹性波，通过一点激振，多点接收(或多点激振，一点接收)预测不良地质，tsp技术预测范围一般为百米左右，为提高精度，减少误差，需在百米内做若干次爆破激振，其准备工序复杂，耗时长。

第三种是在盾构刀盘上安装用于探测地质情况的探测元件进行探测，以能快速地反馈探测结果，常见的有力学元件测量和声波测量等方式。其中，力学元件测量的方式例如公告号为cn104863602b的中国专利文献公开的一种土质盾构隧道施工病害超前预报方法。在盾构机前方设置超前探测装置，利用超前探头可以探测到土层的侧阻力、端阻力及孔隙水压力，以确定土层性质，然后将结果输送到盾构施工控制中心，形成土层分布和性质三维模型，并自动生成更大范围内不断修正的土层分布和性质预测三维模型，由此判断前方土体工程性质，及时修订施工方案和采取安全措施，节省工程成本，保证施工质量、避免发生重大安全事故。该发明可预知施工环境，优化施工方案、采取安全措施，安全、方便、节省材料、可适用于不同性质的土层，是盾构施工中一种准确经济的土质盾构隧道施工病害超前预报方法。但是，由于刀盘上的可安装空间是受限的，直接影响了可伸缩探头的尺寸大小，导致可伸缩探头的伸出长度有限，测量范围非常局限。声波测量的方式例如中铁西南科学研究院在“hsp水平声波剖面法”基础上进行技术改进，提出了“hsp声波反射法”，利用发射波的反弹回传来探知前方岩层信息，经过多年研究发展，相关技术已经成功应用于实际工程。声波测量的方式又例如授权公告号为cn205297591u的中国专利文献公开了一种盾构机前置超声波地质探测设备，包括一超声波探测器，超声波探测器固定在一盾构机上，超声波探测器包括超声波发生器和超声波接收器，超声波发生器和超声波接收器均与一微型处理器系统连接，盾构机包括一刀盘，刀盘上设有数组刀片，刀盘通过一传动装置与电动机连接，电动机与微型处理器系统连接。该实用新型通过超声波检测能够使微型处理器系统地质进行判断，为电动机驱使刀盘进入工作状态提供依据，实现自动化开启和关闭，减少了成本，提高了工作效率。但是，该实用新型未考虑如何能为探测元件提供一个可靠的安装环境，其壳体表面与刀盘表面齐平，即使其采用了了耐磨壳体，但是，由于刀盘的中心部位在旋转掘进的过程中要承受周围土体或岩体等的外力，其不仅容易损坏，而且与刀盘表面齐平的壳体表面也弱化了刀盘本身的掘进能力。因此，有必要对现有技术进行改进。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

技术实现要素：

针对现有技术之不足，本发明提供了一种基于地质超前探测的盾构机的盾构刀盘，尤其涉及一种盾构刀盘，该盾构刀盘包括：用于安装刀具的刀盘本体、中心刀和用于地质超前探测的探测装置，刀盘本体的正面中部位置设有用于安装所述中心刀的第一安装部，所述中心刀包括与所述第一安装部适配的安装座，所述中心刀在第一安装部处安装到位时所述安装座的至少部分嵌装在所述第一安装部内，刀盘本体的背面的与所述安装座相对的区域设有用于安装所述探测装置以为探测装置提供安装空间的第二安装部，第一安装部和第二安装部之间未连通。

根据一个优选实施方式，所述第一安装部包括圆柱形的中心槽和从中心槽向中心槽的径向延伸的两个第一防旋槽，所述安装座包括两个第一防旋凸台和两个连接板，所述第一防旋凸台卡在所述第一防旋槽内，所述连接板通过螺栓连接在所述刀盘本体上以固定中心刀，在盾构刀盘进行盾构作业时，前方土体施加给中心刀的外力能通过卡在第一防旋槽内的第一防旋凸台直接施加给刀盘本体。

根据一个优选实施方式，第一安装部和第二安装部之间未连通是指第一安装部和第二安装部之间在从刀盘本体的正面到背面的方向上彼此由刀盘本体的部分材料完全隔离，使得第一安装部和第二安装部之间彼此互不流通且也阻隔了工作状态下来自刀盘本体的正面的至少部分的动态变化的应力，隔离第一安装部和第二安装部的刀盘本体的部分材料在从刀盘本体的正面到背面的方向上的厚度是20～30mm，所述第一安装部包括圆柱形的中心槽、从中心槽沿中心槽的径向向外延伸的两个第一防旋槽和第二防旋槽，所述刀盘本体上设有沿辐条的延伸方向间隔布置的用于安装滚刀的若干滚刀安装位，所述滚刀安装位为从刀盘本体的正面贯穿到刀盘本体的背面的通孔，第二防旋槽的相对靠近中心槽的一端与第一防旋槽相连通，第二防旋槽的相对远离中心槽的另一端与辐条上离中心槽最近的一个滚刀安装位相连通，所述连接板通过螺栓连接在所述刀盘本体上以固定中心刀，固定中心刀的螺栓能以垂直于或者大致垂直于刀盘本体的旋转轴线的方式隐藏地安装在辐条上离中心槽最近的一个滚刀安装位中，所述安装座包括两个第一防旋凸台和两个连接板；其中，在中心刀在第一安装部处安装到位之时，所述第一防旋凸台嵌入式卡在所述第一防旋槽以让所述第一防旋凸台的侧壁和第一防旋槽彼此抵靠形成第一传力结构，并且所述连接板嵌入式地卡所述第二防旋槽中以让连接板的侧壁和第二防旋槽彼此抵靠形成第二传力结构，在盾构刀盘进行盾构作业时，前方土体施加给中心刀的动态变化的外力至少能通过在刀盘本体的径向上分别形成的离刀盘本体的中心距离彼此不同的第一传力结构和第二传力结构从刀盘本体的不同位置直接分散施加在刀盘本体的结构上；其中，在垂直于刀盘本体的旋转轴线的方向的投影面上，第一安装部的外轮廓投影线完全将第二安装部的外轮廓投影线包围在内，第一安装部的中心槽的投影面积是第二安装部的投影面积的9～25倍，使得中心刀施加给隔离第一安装部和第二安装部的刀盘本体的部分材料外力时第二安装部会在第一安装部的后方整体后移以减少设置在第二安装部内的探测装置损坏的可能性。

根据一个优选实施方式，所述探测装置包括控制模块、超声波探头和第一无线通信模块，所述超声波探头包括成矩阵形式排布的若干压电换能器，所述控制模块被配置为控制所述超声波探头通过其中任意一个压电换能器发送超声波，然后控制模块获取超声波探头的未作为发送超声波的压电换能器中至少三个压电换能器接收的前方土体反射的超声波回波产生的超声波回波信号，所述控制模块获取所述超声波回波信号后通过无线通信模块传输给安装在盾构刀盘旋转时相对于盾构机的控制室处于非旋转状态的部位上的第二无线通信模块。

根据一个优选实施方式，控制模块能够至少部分地基于对至少三个压电换能器接收的超声波回波信号处理来生成三维成像数据，其中，控制模块能够至少部分地基于对至少三个压电换能器接收的超声波回波信号处理来生成三维成像数据是通过对至少三个压电换能器接收的超声波回波信号进行孔径合成以生成三维成像数据，所述三维成像数据用于指示盾构刀盘前方不同深度的区域的地质情况。

根据一个优选实施方式，所述超声波探测模块包括呈矩阵形式排布的至少十六个压电换能器，所述控制模块能够让多个压电换能器中的任意一个产生超声波，然后控制模块能够选择性地获取超声波探头的未作为发送超声波的压电换能器中九个压电换能器接收的前方土体反射的超声波回波产生的超声波回波信号，其中，控制模块随机将至少九个压电换能器分为至少三组，每组包括三个压电换能器，控制模块基于每组的三个压电换能器采集的超声波回波信号分别生成一个待验证的三维成像数据以产生至少三组三维成像数据，控制模块基于至少三组三维成像数据的进行对比以识别至少三组三维成像数据对应的三维图像在相同区域存在的共有特征部分，并对共有特征部分在至少三组三维成像数据中的出现次数进行标记以能反映相应共有特征部分的置信度。

根据一个优选实施方式，所述刀盘本体包括彼此成夹角设置的两根辐条，每根辐条的两侧沿辐条的辐射方向间隔设置有至少两个刀座，所述刀座用于安装切刀，并且两根辐条上的刀座离刀盘本体的旋转中心的距离各不相同以使得安装在两根辐条上的切刀共同配合切割前方土体，不同辐条上的切刀的切割范围彼此互补以减少切割死角。

根据一个优选实施方式，所述刀座设于刀盘本体的正面且刀座朝盾构刀盘的掘进方向伸出，所述刀座上设有对刀槽，所述切刀包括与所述对刀槽匹配的对刀沿，所述对刀槽包括立面和倾斜的承力面，所述立面与所述承力面彼此成锐角设置以在所述切刀安装时让所述对刀沿与所述对刀槽彼此咬合，从而通过立面和承力面中的一个将切刀受到的沿盾构刀盘的周向的外力至少部分地传递到刀盘本体上。

根据一个优选实施方式，所述承力面上设有至少一个卡槽，所述切刀的与所述承力面接触的部位对应地设有与所述卡槽彼此配合的卡块，所述切刀通过彼此配合的卡块和卡槽将所述切刀受到的沿盾构刀盘的径向的外力至少部分地传递到刀盘本体上。

根据一个优选实施方式，所述第二安装部的至少部分为设置在刀盘本体的背面的安装孔，盾构刀盘还包括采用绝缘材料制作密封盖，所述密封盖通过螺纹连接于安装孔以在密封盖和安装孔之间形成第二安装部，所述密封盖安装到位后，所述密封盖的至少一部分抵靠在探测装置的壳体上以和安装孔共同夹持探测装置以减少探测装置的晃动。

根据一个优选实施方式，一种基于地质超前探测的盾构机的盾构施工方法，该方法采用本发明中记载的优选实施方式之一所述的盾构刀盘进行盾构施工，并且在盾构施工的过程中，采用盾构刀盘上的探测装置对前方的地质情况进行超前探测。

本发明提供一种基于地质超前探测的盾构机的盾构刀盘至少具有如下优势：

第一，将探测装置安装在刀盘本体的背面，避免探测装置安装在正面而受到较大外力导致损坏的可能性；

第二，探测装置是嵌入安装在刀盘本体的凹槽内，且在刀盘本体的中心部位还对应地设有嵌装在第一安装部内的安装座，由此，对探测装置形成了两层保护；

第三，由于中心刀可以更换，在中心刀被磨耗到一定程度时，可以及时更换，使得第一层保护每次随中心刀的更换得到更新，以让探测装置在长期的使用过程中依然能得到可靠的保护。

附图说明

图1是本发明的一个优选实施方式的简化示意图；

图2是本发明的一个优选实施方式的正面示意图；

图3是本发明的一个优选实施方式的结构示意图；

图4是本发明的一个优选实施方式的另一个视角的结构示意图；

图5是本发明的一个优选实施方式的局部示意图；

图6是中心刀的一个优选实施方式的结构示意图；

图7是刀座和切刀的一个优选实施方式的示意图；

图8是刀座和切刀的一个优选实施方式的结构示意图；

图9是刀座和切刀的一个优选实施方式的局部结构示意图；

图10是探测装置的一个优选实施方式的模块示意图；

图11是压电换能器的一个优选布置方式的示意图；

图12是本发明的一个优选实施方式的侧切面结构示意图；和

图13是本发明的另一个优选实施方式的侧切面结构示意图。

附图标记列表

100：刀盘本体110：第一安装部111：中心槽

112：第一防旋槽113：第三防旋槽114：第二防旋槽

120：第二安装部121：安装孔130：辐条

140：刀座141：对刀槽1411：立面

1412：承力面1413：卡槽150：弧形加强肋

160：刀盘连接器161：连接盘162：连接杆

170：滚刀安装位180：薄壁区域200：探测装置

210：控制模块

220：超声波探头(221)：压电换能器230：第一无线通信模块

240：方向传感器300：中心刀310：安装座

311：第一防旋凸台312：第二防旋凸台313：连接板

400：切刀410：对刀沿411：卡块

600：密封盖700：相对非旋转安装体

800：止转杆

k1：第一传力结构k2：第二传力结构

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。本文所用的词语“模块”描述任一种硬件、软件或软硬件组合，其能够执行与“模块”相关联的功能。

实施例1

根据一个优选实施方式，本实施例公开了一种基于地质超前探测的盾构机的盾构刀盘，或者说一种盾构刀盘。在不造成冲突或者矛盾的情况下，其他实施例的优选实施方式的整体和/或部分内容可以作为本实施例的补充。

根据一个优选实施方式，参见图1、2、3、4和6，该盾构刀盘可以包括刀盘本体100、中心刀300和探测装置200中的至少一个。该盾构刀盘可以包括用于安装刀具的刀盘本体100、中心刀300和用于地质超前探测的探测装置200中的至少一个。刀盘本体100的正面中部位置可以设有用于安装中心刀300的第一安装部110。中心刀300可以包括与第一安装部110适配的安装座310。中心刀300在第一安装部110处安装到位时安装座310的至少部分可以嵌装在第一安装部110内。由此，以通过安装座310对探测装置200形成第一层保护。刀盘本体100的背面的与安装座310相对的区域可以设有用于安装探测装置200以为探测装置200提供安装空间的第二安装部120。第二安装部120可以在刀盘本体100上以凹槽的形式设置。安装座310在第一安装部110上安装到位后，安装座310的朝盾构掘进的方向的一面与刀盘本体100的正面齐平。第一安装部110和第二安装部120之间可以未连通。由此，以通过刀盘本体100对探测装置200形成第二层保护。本发明采用此方式至少能够实现以下有益技术效果：第一，将探测装置200安装在刀盘本体100的背面，避免探测装置200安装在正面而受到较大外力导致损坏的可能性；第二，探测装置200是嵌入安装在刀盘本体100的凹槽内，且在刀盘本体100的中心部位还对应地设有嵌装在第一安装部110内的安装座310，由此，对探测装置200形成了两层保护；第三，由于中心刀300可以更换，在中心刀300被磨耗到一定程度时，可以及时更换，使得第一层保护每次随中心刀300的更换得到更新，以让探测装置200得到可靠的保护。

根据一个优选实施方式，参见图12，第二安装部120朝向第一安装部110的一侧可以通过显著增强了弹性的薄壁区域180与第一安装部110彼此隔开。由此，使得在第二安装部120的远离刀盘本体100的正面的一侧固定探测装置200的情况下，由超声波探头220的矩阵形式排布的至少三个压电换能器(221)采集的数据能够大体上仅受到与来自刀盘连接器160的驱动力相关的干扰。

根据一个优选实施方式，第一安装部110可以包括圆柱形的中心槽111和从中心槽111向中心槽111的径向延伸的两个第一防旋槽112。安装座310可以包括两个第一防旋凸台311和两个连接板313。第一防旋凸台311可以卡在第一防旋槽112内。连接板313可以通过螺栓连接在刀盘本体100上以固定中心刀300。在盾构刀盘进行盾构作业时，前方土体施加给中心刀300的外力可以通过卡在第一防旋槽112内的第一防旋凸台311直接施加给刀盘本体100。第一安装部110可以包括从中心槽111向中心槽111的径向延伸的两个第三防旋槽113。两个第三防旋槽113的几何中心的连线可以垂直于两个第一防旋槽112的几何中心的连线。安装座310可以包括两个第二防旋凸台312。第二防旋凸台312可以嵌入地设在在第三防旋槽113内。但是，第二防旋凸台312的侧壁和第三防旋槽113之间可以留有间隙。当中心刀300受到的外力使得中心刀300的安装座310相对于刀盘本体100转动了2°以上时第二防旋凸台312的侧壁才抵靠在第三防旋槽113上以阻止安装座310的进一步旋转。由此，以使得第二防旋凸台312和第三防旋槽113平常几乎不受力，但是在安装座310相对于刀盘本体100转动了较大角度，继续转动可能会导致螺栓或者安装座损坏时起辅助保护作用。由于不安装探测装置200的刀盘本体100的中心可以直接设为通孔的以便通过刀箱来安装中心刀300，但本发明由于要在中心设置探测装置200，而为了给探测装置200进行良好的保护，中部设为了非通孔，而在这种情况下，不得不改进中心刀300的安装方式，同时，也要避免给螺栓施加较大的剪切力导致螺栓变形或者损坏而导致中心刀300难于拆卸的问题。本发明采用此方式至少能够实现以下有益技术效果：前方土体施加给中心刀300的外力能通过卡在防旋槽内的防旋凸台直接施加给刀盘本体100，从而极大避免了外力直接施加在螺栓上，减少连接板313上的螺栓受到的剪切应力，降低出现因螺栓变形或者损坏后导致中心刀300难于拆卸的问题出现。

根据一个优选实施方式，第一安装部110和第二安装部120之间未连通可以是指第一安装部110和第二安装部120之间在从刀盘本体100的正面到背面的方向上彼此由刀盘本体100的部分材料完全隔离。由此，使得第一安装部110和第二安装部120之间彼此互不流通且也阻隔了工作状态下来自刀盘本体100的正面的至少部分的动态变化的应力。优选地，隔离第一安装部110和第二安装部120的刀盘本体100的部分材料在从刀盘本体100的正面到背面的方向上的厚度可以是20～30mm。第一安装部110可以包括圆柱形的中心槽111、从中心槽111沿中心槽111的径向向外延伸的两个第一防旋槽112和/或两个第二防旋槽114。刀盘本体100上可以设有沿辐条130的延伸方向间隔布置的用于安装滚刀的若干滚刀安装位170。滚刀安装位170可以为从刀盘本体100的正面贯穿到刀盘本体100的背面的通孔。第二防旋槽114的相对靠近中心槽111的一端可以与第一防旋槽112相连通。第二防旋槽114的相对远离中心槽111的另一端可以与辐条130上离中心槽111最近的一个滚刀安装位170相连通。连接板313可以通过螺栓连接在刀盘本体100上以固定中心刀300。固定中心刀300的螺栓可以以垂直于或者大致垂直于刀盘本体100的旋转轴线的方式隐藏地安装在辐条130上离中心槽111最近的一个滚刀安装位170中。图6中连接板313上的四个孔是用于穿过安装座310的螺栓的孔。安装座310可以包括两个第一防旋凸台311和两个连接板313。在中心刀300在第一安装部110处安装到位之时，第一防旋凸台311可以嵌入式卡在第一防旋槽112以让第一防旋凸台311的侧壁和第一防旋槽112彼此抵靠形成第一传力结构k1。在中心刀300在第一安装部110处安装到位之时，连接板313嵌入式地卡第二防旋槽114中以让连接板313的侧壁和第二防旋槽114彼此抵靠形成第二传力结构k2。在盾构刀盘进行盾构作业时，前方土体施加给中心刀300的动态变化的外力至少能通过在刀盘本体100的径向上分别形成的离刀盘本体100的中心距离彼此不同的第一传力结构k1和第二传力结构k2从刀盘本体100的不同位置直接分散施加在刀盘本体100的结构上。在垂直于刀盘本体100的旋转轴线的方向的投影面上，第一安装部110的外轮廓投影线可以完全将第二安装部120的外轮廓投影线包围在内。第一安装部110的中心槽111的投影面积可以是第二安装部120的投影面积的9～25倍，使得中心刀300施加给隔离第一安装部110和第二安装部120的刀盘本体100的部分材料外力时第二安装部120会在第一安装部110的后方整体后移以减少设置在第二安装部120内的探测装置200损坏的可能性。滚刀安装位170可以是图2中所示的矩形孔，滚刀可以带有一个与矩形孔适配的滚刀刀座，滚刀刀座嵌入式安装在滚刀安装位170中后通过螺栓固定滚刀刀座以完成滚刀的安装。滚刀和滚刀刀座并未在图2中示出，滚刀和滚刀刀座的安装方式是本领域现有技术，本发明未做改进，故不进行进一步叙述。本发明采用此方式至少能够实现以下有益技术效果：前方土体施加给中心刀300的外力能通过第一传力结构k1和第二传力结构k2直接分散从离刀盘本体100的中心距离彼此不同的位置施加给刀盘本体100，让力分散施加给刀盘本体100，布景避免了刀盘本体100的局部地方出现较大应力的可能，提高刀盘本体100的使用寿命，而且还极大避免了外力直接施加在螺栓上，减少连接板313上的螺栓受到的剪切应力，降低出现因螺栓变形或者损坏后导致中心刀300难于拆卸的问题出现；第二，用于安装连接板313的第二防旋槽114是直接连通到了辐条130上离中心槽111最近的一个滚刀安装位170，使得可以使得螺栓隐藏地安装在辐条130上离中心槽111最近的一个滚刀安装位170中，让螺栓进一步得到可靠的保护；第三，第一安装部110的外轮廓投影线可以完全将第二安装部120的外轮廓投影线包围在，使得中心刀300施加给隔离第一安装部110和第二安装部120的刀盘本体100的部分材料外力时第二安装部120会在第一安装部110的后方整体后移以减少设置在第二安装部120内的探测装置200损坏的可能性，由于刀盘本体100整体是铸造或者焊接的钢结构，具有较大的结构强度，大部分的外力又已经被中心刀300的安装座310分散到了第二安装部120周围的结构部位上，在第二安装部120在第一安装部110的后方整体移动的过程中的形变也是较小的，使得探测装置200受到的外力较小，探测装置200可以得到良好的保护。

根据一个优选实施方式，参见图10，探测装置200可以包括控制模块210、超声波探头220和第一无线通信模块230中的至少一个。参见图11，超声波探头220可以包括成矩阵形式排布的若干压电换能器(221)。控制模块210可以被配置为控制超声波探头220通过其中任意一个压电换能器(221)发送超声波。控制模块210可以获取超声波探头220的未作为发送超声波的压电换能器(221)中至少三个压电换能器(221)接收的前方土体反射的超声波回波产生的超声波回波信号。控制模块210可以获取超声波回波信号后通过无线通信模块传输给安装在盾构刀盘旋转时相对于盾构机的控制室处于非旋转状态的部位上的第二无线通信模块。优选地，超声波探头220包括至少四个压电换能器(221)。优选地，由于盾构机在掘进的过程中，是通过盾构刀盘后方的驱动机构驱动，盾构机的盾构刀盘旋转的过程中，盾构机的控制室是不旋转的。因此，盾构刀盘上采集到的数据不能通过有线连接方式传输到盾构刀盘后方的通信部件。优选地，每个盾构刀盘可以包括一个探测装置。或者，每个盾构刀盘可以包括至少两个探测装置。由此，以对探测装置冗余备份。至少两个探测装置彼此通信以使得在同一时刻有且仅有一个探测装置能够进行地质超前探测。优选地，在进行地质超前探测时，盾构刀盘可以是静止的，以提高数据的准确性。即，在发送超声波和接收超声波回波信号时，盾构刀盘可以是静止的。优选地，探测装置200可以包括方向传感器240。方向传感器240可以通信连接于控制模块210。盾构刀盘静止后进行地质超前探测生成图像之前，控制模块210从方向传感器240获取表示刀盘本体100的转动角度的定向数据。控制模块210根据定向数据判断图像的调整角度，根据调整角度旋转形成图像的角度以使刀盘本体100处于任何转动角度下形成的图像的方位均与刀盘本体100前方物体的实际方位相匹配。方向传感器240可以包括陀螺仪和/或地磁传感器。优选地，探测装置200虽然安装在刀盘本体100内，如果采用雷达探测方式，则其信号被屏蔽或者减弱，导致难于或者无法实现超前探测，因此，本发明采用的是超声波来进行探测，虽然其结构本身会反射一部分超声波，比如，隔离第一安装部110和第二安装部120的刀盘本体100的部分材料和中心刀300会反射一部分超声波，但是，在成像过程中，可以把这一部分当做前方的施工土体一并进行计算，成像时生成图像可以一同生成，在操作手册上可以告知操作者这部分是结构自身的成像，以便操作者处理。或者，在成像过程中采用图像处理方式使得隔离第一安装部110和第二安装部120的刀盘本体100的部分材料和中心刀300在最终的图像上不显示。优选地，第一无线通信模块230和/或第二无线通信模块例如可以是wifi模块和/或zigbee模块。优选地，第二无线通信模块获取超声波回波信号后可以传输给计算设备由计算设备对超声波回波信号进行处理以获取前方地质情况。

根据一个优选实施方式，探测装置200的控制模块210也可以对超声波回波信号进行处理后再发送给第二无线通信模块。控制模块210可以至少部分地基于对至少三个压电换能器(221)接收的超声波回波信号处理来生成三维成像数据。优选地，控制模块210可以至少部分地基于对至少三个压电换能器(221)接收的超声波回波信号处理来生成三维成像数据可以是通过对至少三个压电换能器(221)接收的超声波回波信号进行孔径合成以生成三维成像数据。三维成像数据可以用于指示盾构刀盘前方不同深度的区域的地质情况。优选地，控制模块210将三维成像数据可以通过第一无线通信模块230发送给第二无线通信模块。优选地，同一个探测装置200内的至少三个压电换能器(221)安装在同一块pcb板上且具有已知的相对位置关系，控制模块22通过至少三个压电换能器(221)的已知的相对位置关系的换算来抵消pcb板的振动对测量的超声波回波信号的干扰。

根据一个优选实施方式，超声波探测模块可以包括呈矩阵形式排布的至少十六个压电换能器(221)。控制模块210可以让多个压电换能器(221)中的任意一个产生超声波。控制模块210可以选择性地获取超声波探头220的未作为发送超声波的压电换能器(221)中九个压电换能器(221)接收的前方土体反射的超声波回波产生的超声波回波信号。控制模块210可以随机将至少九个压电换能器(221)分为至少三组。每组可以包括三个压电换能器(221)。控制模块210可以基于每组的三个压电换能器(221)采集的超声波回波信号分别生成一个待验证的三维成像数据以产生至少三组三维成像数据。控制模块210可以基于至少三组三维成像数据的进行对比以识别至少三组三维成像数据对应的三维图像在相同区域存在的共有特征部分。控制模块210可以对共有特征部分在至少三组三维成像数据中的出现次数进行标记。由此，以反映相应共有特征部分的置信度。优选地，共有特征可以是指三个三维图像中的至少两个三维图像所共同拥有的特征，比如岩石或者空洞等特征。本发明采用此方式至少能够实现以下有益技术效果：控制模块210选择性地获取至少九个压电换能器(221)接收的超声波回波信号来形成至少三组三维成像数据，并由此识别至少三组三维成像数据对应的三维图像在相同区域存在的共有特征部分，并对共有特征部分在至少三组三维成像数据中的出现次数进行标记以能反映相应共有特征部分的置信度，在后期显示成像时，计算设备可以在显示器显示的三维图像上通过不同颜色来区别具有不同出现次数的共有特征部分，以反映这部分特征存在的置信度，比如，假设其中两个不同深度的位置均存在共有特征部分，可能为岩石，其中一个共有特征部分共出现了两次，另一个共有特征部分共出现了三次，则在三维成像时，非共有特征为灰色，将出现了两次的共有特征部分在三维图像上标记为蓝色，将出现了三次的共有特征部分在三维图像上标记为红色，以向相应的人员展示相应特征的置信度。

根据一个优选实施方式，刀盘本体100可以包括彼此成夹角设置的两根辐条130。每根辐条130的两侧可以沿辐条130的辐射方向间隔设置有至少两个刀座140。刀座140可以用于安装切刀400。两根辐条130上的刀座140离刀盘本体100的旋转中心的距离可以各不相同以使得安装在两根辐条130上的切刀400共同配合切割前方土体。不同辐条130上的切刀400的切割范围可以彼此互补以减少切割死角。优选地，同一辐条130上的两侧距离刀盘本体100的旋转中心相同的距离上各设有一个刀座140。本发明采用此方式至少能够实现以下有益技术效果：不同辐条130上的切刀400的切割范围彼此互补，以减少切割死角。

根据一个优选实施方式，参见图3、7和8，刀座140可以设于刀盘本体100的正面且刀座140朝盾构刀盘的掘进方向伸出。刀座140上可以设有对刀槽141。切刀400可以包括与对刀槽141匹配的对刀沿410。对刀槽141可以包括立面1411和倾斜的承力面1412。立面1411与承力面1412可以彼此成锐角设置以在切刀400安装时让对刀沿410与对刀槽141彼此咬合。由此，切刀400可以通过立面1411和承力面1412中的一个将切刀400受到的沿盾构刀盘的周向的外力至少部分地传递到刀盘本体100上。刀座140的宽度可以等于切刀400的宽度。比如，以图7为例，假设此时切刀400的瞬时速度是朝图示的右侧，则此时两个切刀400会受到切割的土体施加的向左的外力，处于右边的切刀400可以通过立面1411将向左的外力传递给刀盘本体100，而由对刀沿410与对刀槽141彼此咬合，处于左边的切刀400可以通过承力面1412将向左的外力传递给刀盘本体100。优选地，参见图8，切刀400可以通过至少一个螺栓安装在刀盘本体100上。本发明采用此方式至少能够实现以下有益技术效果：第一，刀座140朝盾构刀盘的掘进方向伸出，使得刀座140处于凸出的状态，凸出的刀座140可以便于后期维护；第二，外力的至少部分可以通过立面1411和承力面1412中的一个将切刀400受到的沿盾构刀盘的周向的外力至少部分地传递到刀盘本体100上，由此，减少直接施加在用于安装切刀400的螺栓上的力，减少出现螺栓变形或者损坏后导致切刀400难于拆卸的情况；第三，由于盾构刀盘在掘进的过程中，还会受到盾构刀盘的后方的结构施加一个向前的推力，以使盾构刀盘旋转向前推进，因此，作用到切刀400上的力还包括指向盾尾的外力，以图7为例，即切刀400还会受到一个向图示的下方的外力，而这个外力也可以通过立面1411和/或承力面1412直接传递给刀盘本体100，由此，减少直接施加在用于安装切刀400的螺栓上的力，减少出现螺栓变形或者损坏后导致切刀400难于拆卸的情况；第四，刀座140的宽度等于切刀400的宽度以便在安装切刀时先将切刀400的对刀沿咬合在对刀槽上，然后通过手动对齐刀座140和切刀400的侧边以使切刀上的螺栓孔与刀盘本体上的螺孔快速对齐，减少安装切刀时的难度和劳动强度。

根据一个优选实施方式，参见图9，承力面1412上可以设有至少一个卡槽1413。切刀400的与承力面1412接触的部位可以对应地设有与卡槽1413彼此配合的卡块411。切刀400可以通过彼此配合的卡块411和卡槽1413将切刀400受到的沿盾构刀盘的径向的外力至少部分地传递到刀盘本体100上。本发明采用此方式至少能够实现以下有益技术效果：由于在径向上切刀400也会受到变化的外力，这部分外力如果不直接转移到刀盘本体100上，也会施加给用于安装切刀400的螺栓上，导致螺栓变形或者损坏，而本发明采用此方式可以进一步减少直接施加在用于安装切刀400的螺栓上的力，从而减少出现螺栓变形或者损坏后导致切刀400难于拆卸的情况。

根据一个优选实施方式，第二安装部120的至少部分为可以设置在刀盘本体100的背面的安装孔121。或者说，第二安装部120本身可以是安装孔121或者，第二安装部120之内或者之上可以设有安装孔121。参见图5，盾构刀盘可以包括采用绝缘材料制作密封盖600。密封盖600可以通过螺纹连接于安装孔121以在密封盖600和安装孔121之间形成第二安装部120。密封盖600安装到位后，密封盖600的至少一部分可以抵靠在探测装置200的壳体上以减少探测装置200的晃动。刀盘本体100可以包括弧形加强肋150和刀盘连接器160。弧形加强肋150可以固接在两根辐条130之间以形成对两根辐条130的周向支撑。刀盘连接器160可以包括连接盘161和/或至少两根连接杆162。连接盘161可以通过彼此间隔设置至少两根连接杆162架空连接于弧形加强肋150。由此，以在刀盘背面预留安装和/或维护探测装置200的操作空间。优选地，密封盖600的至少一部分可以抵靠在探测装置200的壳体上以和安装孔121共同夹持探测装置200以减少探测装置200的晃动。本发明采用此方式至少能够实现以下有益技术效果：刀盘的连接盘161架空设置以便相应的人员安装和/或维护探测装置200，而无需将盾构刀盘的连接盘161卸下。

优选地，在本发明中，刀盘本体100的正面可以是指刀盘本体100的朝向掘进方向的一面。优选地，在本发明中，刀盘本体100的背面可以是指与盾构刀盘的正面相背的一面。换言之，刀盘本体100的背面可以是指刀盘本体100的朝向掘进方向的相反方向的一面。

根据一个优选实施方式，盾构刀盘在进行地质超前探测之时可以是静止的或者旋转的。

根据一个可选的优选实施方式，参见图1，盾构刀盘可以不包括相对非旋转安装体700。即，探测装置200可以是直接固定安装在盾构刀盘的第二安装部120内。这种情况下，探测装置200在盾构刀盘旋转的情况下会随盾构刀盘同步旋转。探测装置200内的超声波探头220也在随之旋转，如果要在这种情况下进行超前探测，解算图像要考虑转速、相对位置变化等等一系列因素，导致难度变得较大。所以，在这种情况下，在要进行超前探测时，可以先停止盾构施工作业，然后在盾构刀盘静止的状态下进行地质超前探测。

根据另一个可选的优选实施方式，参见图13，盾构刀盘可以包括相对非旋转安装体700。探测装置200可以是通过相对非旋转安装体700间接设于第二安装部120内。连接盘161可以由安装在盾构机的机架上的驱动机构驱动以相对于盾构机的机架做旋转运动。相对非旋转安装体700可以由盾构机的机架上伸出的止转杆800实现与盾构机的机架相对固定连接。比如，盾构刀盘可以通过由驱动机构驱动的空心轴驱动。止转杆800从空心轴的中空部分穿过，其一端固定连接在盾构机的机架上，其另一端固定连接在非旋转安装700上。固定连接可以是焊接、铆接、卡接和螺栓连接中的至少一种。在盾构刀盘受驱动机构驱动使得盾构刀盘相对于盾构机的机架处于旋转的状态之时，相对非旋转安装体700在止转杆800的作用下可以处于相对于盾构机的机架处于非旋转的状态。由此，使得设置在相对非旋转安装体700内的探测装置200可以在盾构刀盘处于旋转的工况下在刀盘本体100的正面与背面之间的位置空间以相对于盾构机的机架处于非旋转的状态进行地质超前探测。探测装置200若装在盾构机的机架上，虽然也能够进行地质超前探测，但是在盾构刀盘运动的情况下，盾构刀盘上所有的运动部件会对超声波信号进行多次干扰，导致图像解算困难。本发明采用此方式至少能够实现以下有益技术效果：本发明通过相对非旋转安装体700将探测装置200间接设于第二安装部120内，使之能在盾构刀盘处于旋转的工况下在刀盘本体100的正面与背面之间的位置空间以相对于盾构机的机架处于非旋转的状态进行地质超前探测，不仅让探测装置200受到了充分的保护，还让探测装置200不会完全处于盾构刀盘的后方让运动的盾构刀盘对超声波回波信号造成过多的干扰，降低图像解算难度，提高成像精度。

根据一个优选实施方式，本发明选用的压电换能器(221)发射超声波的频率可以为100khz～500khz。尤其优选300～400khz。控制模块210获取超声波探头220接收的前方土体反射的超声波回波产生的超声波回波信号后对超声波回波信号中的测量频率比压电换能器(221)发射超声波的频率差异超过预设阈值的超声波回波信号予以去除以消除或者大致消除盾构刀盘切割土地产生的噪声，得到最终的超声波回波信号。优选地，压电换能器(221)发射的超声波的频率可以在至少两个彼此不同的特定频率切换。由此，以在测量的超声波回波信号中有用信号的频率与噪声频率难以区分时切换压电换能器(221)发射的超声波的频率，以在切换压电换能器(221)发射的超声波的频率后测量的超声波回波信号中有用信号的频率与噪声频率能够被区分。本发明采用此方式至少能够实现以下有益技术效果：在盾构刀盘运动时进行地质超前探测，盾构刀盘会产生噪声，因此，采用上述频率的超声波进行探测，可以较好地区分噪声和测量信号，得到优质的图像。

实施例2

本实施例公开了一种基于地质超前探测的盾构机的盾构施工方法，或者说一种盾构施工方法。在不造成冲突或者矛盾的情况下，其他实施例的优选实施方式的整体和/或部分内容可以作为本实施例的补充。

根据一个优选实施方式，该方法采用安装了本发明的盾构刀盘的盾构机进行盾构施工，并且在盾构施工的过程中，采用盾构刀盘上的探测装置200对前方的地质情况进行超前探测。

根据一个优选实施方式，该方法采用安装了本发明的盾构刀盘的盾构机进行盾构施工，并且在盾构施工的过程中，采用盾构刀盘上的探测装置对前方的地质情况进行超前探测。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。