一种自旋式水射流盾构刀盘泥饼防治系统的制作方法

本发明涉及盾构掘进，更具体地说，它涉及一种自旋式水射流盾构刀盘泥饼防治系统。

背景技术：

1、随着城市地下轨道交通建设需求的持续增加，盾构施工技术在城市轨道交通建设中的应用也愈加广泛，给地下施工技术带来了极大便利。然而在盾构机于粘土地层、风化岩石地层的掘进开挖过程中，由于粘土质沙土地层、全风化岩层和花岗岩残积土层中富含粘土矿物颗粒，在盾构机刀盘及道具的切削和强冲击作用下，碎屑粉状的粘土颗粒逐步在刀盘面上富集、形成附着在盾构机刀盘上的泥饼。泥饼形成后不利于盾构机对地面沉降的控制，泥饼堵塞刀盘开口、降低了盾构机刀盘的掘进能力；并且泥饼与盾构机土仓隔板长时间摩擦会导致土仓等位置的异常升温，加剧了泥饼的形成，也加剧了盾构机刀盘和刀具的负荷，常常使得掘进参数出现突变、大大降低了施工效率。

2、现有的盾构机刀盘泥饼解决措施包括：合理设置盾构机掘进参数、对渣土进行改良或者对泥浆性能进行改良等，以上措施可以有效的减小泥饼产生的概率，但对于泥饼产生之后的清理及预防，暂时没有较为显著的实施手段。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提出一种自旋式水射流盾构刀盘泥饼防治系统。

2、本发明提供了如下技术方案：一种自旋式水射流盾构刀盘泥饼防治系统，主要由水射流喷头、转接机构、水泵和水箱构成，水射流喷头用于设置在刀盘上，刀盘区域包括位于刀盘中心的刀盘中心区和若干均布在刀盘中心区周围的刀盘正面区，刀盘中心区设有中心滚刀，刀盘正面区设置辐条、出渣口和一组边滚刀，水射流喷头包括设置在刀盘中心区的中心水射流喷头和设置在刀盘正面区的周围水射流喷头，中心水射流喷头均匀布置在中心滚刀周围，周围水射流喷头均匀布置在边滚刀、辐条和出渣口之间；水射流喷头主要由喷头外壳体和转动安装在喷头外壳体前端的喷嘴构成，喷嘴通过轴承和密封圈与喷头外壳体转动密封连接，所述喷嘴侧部设置喷出孔，所述喷出孔为圆锥收敛型，喷出孔中心线与喷嘴法线之间具有30°-45°的夹角；转接机构包括动密封水尾和电磁式多孔转接头，水泵用于依次通过动密封水尾、电磁式多孔转接头将水箱中液体泵送给水射流喷头，通过水射流喷头喷射自旋式水射流。

3、进一步的，中心滚刀设置2个，每个刀盘正面区设置5个边滚刀，中心水射流喷头设置有2-3个，每个刀盘正面区内的周围水射流喷头设置3-5个，水射流喷头与中心滚刀或边滚刀之间的距离为50-500mm，水射流喷头凸出于刀盘表面30-50mm，所述喷嘴直径为50-80mm，喷出孔直径为0.8-2.0mm，喷出孔喷出自旋式水射流的扩散角为5°-10°，喷嘴材料为yg硬质合金。

4、进一步的，自旋式水射流盾构刀盘泥饼防治系统还包括用于向水箱添加渣土改良剂的配料箱，渣土改良剂包括六偏磷酸钠和聚丙烯酸钠，水箱中渣土改良剂与水添加占比为10-30％。

5、进一步的，自旋式水射流盾构刀盘泥饼防治系统还包括用于控制电磁式多孔转接头动作的转头控制器、用于控制水泵动作的控制柜。

6、进一步的，自旋式水射流盾构刀盘泥饼防治系统还包括堵头，水射流喷头安装在刀盘上的开孔内，开孔内设置有与电磁式多孔转接头连通的连接头，连接头用于与喷头外壳体螺纹连接或快速销接，堵头用于在水射流喷头拆下时封堵开孔。

7、有益效果：本自旋式水射流盾构刀盘泥饼防治系统使用过程如下：

8、s1.在刀盘上布置水射流喷头并设置转接机构、水泵、水箱等其他系统设备；

9、s2.向配料箱内添加渣土改良剂，在水箱内按比例添加水和渣土改良剂，并搅拌均匀；

10、s3.根据刀盘和渣土仓温度传感器、刀盘转速、刀盘扭矩、总推力及渣土除渣量异常变化趋势判断泥饼产生情况，渣土温度传感器超过正常掘进温度30％、刀盘扭矩及总推力超过正常掘进30-50％、渣土出渣量下降20％时，判定刀盘产生泥饼；

11、s4.驱动转头控制器打开电磁式多孔转接头，通过控制柜驱动水泵，水泵将添加有渣土改良剂的水加压输送给水射流喷头，通过喷出孔喷射自旋式水射流，水射流自动旋转清除刀盘泥饼，泥饼受到自旋式水射流强冲击作用脱落，同时改良渣土；当地层为非粘土地层、无结泥饼隐患时，可拆下水射流喷头使用堵头封堵开孔；

12、综合以上使用过程，本发明具有以下显著的有益效果：

13、1.利用水射流的强冲击作用高效剥离刀盘上泥饼；粘土地层掘进过程中矿物颗粒聚集在刀盘滚刀周围，由于掘进过程中施载压力挤压土体、形成较为坚固的刀盘泥饼，常规的水流浸泡无法快速消解刀具附近泥饼，水射流喷出后具有强大的冲击能力，指向性好、影响范围广，对于以水射流喷射点为中心、以喷射距离为半径的圆形区域渣土具有强烈的冲击剥离效果；

14、2.全覆盖清除刀盘泥饼；将水射流喷头按照区域合理分布在刀盘上，中心水射流喷头清理范围为中心滚刀及部分边滚刀处泥饼，周围水射流喷头清理范围为附近边滚刀、出渣口及辐条处的泥饼，全面覆盖刀盘滚刀所在区域，泥饼清理干净、无死角；

15、3.渣土改良；向水箱中添加渣土改良剂，在自旋式水射流喷射水流冲击渣土的同时，渣土改良剂随之均匀渗透至剥离的渣土中，同时在水射流冲击方向朝下时，射流对下部渣土形成主动渗透，渗透效果、渗透和渣土改良范围与能力都更佳；

16、4.滚刀表面结饼二次预防处理；水射流冲击剥离渣土后，水射流包含的渣土改良剂进一步覆盖滚刀表面、形成保护涂层，有效防止滚刀短期内再次结泥饼，起到二次预防作用；5.渣土降温作用；滚刀及刀盘对前方土体具有强大的挤压冲击，为了形成良好的泥膜、用以控制盾构机前面地层的沉降，不可避免的挤压土体、加剧了土体内摩擦，导致土体温度升高、从而加剧刀盘泥饼的形成，水射流喷射时可有效增加冲击区域及渗透区域地层的水分，降低区域地层的温度，继而起到缓解泥饼生成的作用；

17、6.渣土搅拌作用；水射流喷头喷射出自旋式水射流、冲击下方土体，在接触土体到离开土体的过程中水射流对下方地层土体形成了小范围的射流搅拌，增大射流冲击涂层的松软程度；

18、7.延长刀具使用寿命；刀盘泥饼的形成会导致刀具发生偏磨、严重影响刀具的正常使用寿命，水射流在清除刀具周围泥饼的同时，形成防泥饼涂层、有效降低刀具及周围土体的温度，并改善渣土粘度，有效延长刀具的使用寿命，具有降本增效的功用。

技术特征：

1.一种自旋式水射流盾构刀盘泥饼防治系统，其特征是，主要由水射流喷头、转接机构、水泵和水箱构成，水射流喷头用于设置在刀盘上，刀盘区域包括位于刀盘中心的刀盘中心区和若干均布在刀盘中心区周围的刀盘正面区，刀盘中心区设有中心滚刀，刀盘正面区设置辐条、出渣口和一组边滚刀，水射流喷头包括设置在刀盘中心区的中心水射流喷头和设置在刀盘正面区的周围水射流喷头，中心水射流喷头均匀布置在中心滚刀周围，周围水射流喷头均匀布置在边滚刀、辐条和出渣口之间；水射流喷头主要由喷头外壳体和转动安装在喷头外壳体前端的喷嘴构成，喷嘴通过轴承和密封圈与喷头外壳体转动密封连接，所述喷嘴侧部设置喷出孔，所述喷出孔为圆锥收敛型，喷出孔中心线与喷嘴法线之间具有30°-45°的夹角；转接机构包括动密封水尾和电磁式多孔转接头，水泵用于依次通过动密封水尾、电磁式多孔转接头将水箱中液体泵送给水射流喷头，通过水射流喷头喷射自旋式水射流。

2.如权利要求1所述的一种自旋式水射流盾构刀盘泥饼防治系统，其特征是，中心滚刀设置2个，每个刀盘正面区设置5个边滚刀，中心水射流喷头设置有2-3个，每个刀盘正面区内的周围水射流喷头设置3-5个，水射流喷头与中心滚刀或边滚刀之间的距离为50-500mm，水射流喷头凸出于刀盘表面30-50mm，所述喷嘴直径为50-80mm，喷出孔直径为0.8-2.0mm，喷出孔喷出自旋式水射流的扩散角为5°-10°，喷嘴材料为yg硬质合金。

3.如权利要求1或2所述的一种自旋式水射流盾构刀盘泥饼防治系统，其特征是，还包括用于向水箱添加渣土改良剂的配料箱，渣土改良剂包括六偏磷酸钠和聚丙烯酸钠，水箱中渣土改良剂与水添加占比为10-30％。

4.如权利要求1或2所述的一种自旋式水射流盾构刀盘泥饼防治系统，其特征是，还包括用于控制电磁式多孔转接头动作的转头控制器、用于控制水泵动作的控制柜。

5.如权利要求1或2所述的一种自旋式水射流盾构刀盘泥饼防治系统，其特征是，还包括堵头，水射流喷头安装在刀盘上的开孔内，开孔内设置有与电磁式多孔转接头连通的连接头，连接头用于与喷头外壳体螺纹连接或快速销接，堵头用于在水射流喷头拆下时封堵开孔。

技术总结
本发明涉及一种自旋式水射流盾构刀盘泥饼防治系统，主要由水射流喷头、转接机构、水泵和水箱构成，水射流喷头用于设置在刀盘上，刀盘区域包括位于刀盘中心的刀盘中心区和若干均布在刀盘中心区周围的刀盘正面区，刀水射流喷头包括设置在刀盘中心区的中心水射流喷头和设置在刀盘正面区的周围水射流喷头；转接机构包括动密封水尾和电磁式多孔转接头，水泵用于依次通过动密封水尾、电磁式多孔转接头和连接头将水箱中液体泵送给水射流喷头、使水射流喷头喷射自旋式水射流。本发明利用自旋式水射流强大的冲击能力克服目前技术中渗透能力差、冲击作用与范围小的技术难点，在解决盾构过程中刀盘结泥饼清理问题的同时起到二次预防作用。

技术研发人员：张洋凯,卢高明,周建军,卢智勇,王锴,胡登文,许自文,杨延栋,范文超,刘超尹
受保护的技术使用者：盾构及掘进技术国家重点实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25