一种前挺鹰嘴式盾构刀的制作方法

本实用新型涉及地下隧道开挖施工技术领域，尤其涉及一种前挺鹰嘴式盾构刀。

背景技术：

随着城市地面交通日趋繁忙、拥挤，修建地下轨道交通的城市日益增加。盾构工法在轨道交通工程中被广泛采用，盾构施工中因地质条件和工程要求的不同，对选用的刀盘刀具的要求也不一样。目前隧道盾构掘进开挖采用的盾构刀种类很多，但主要有两类，一类是滚刀，适用于岩石类，另一类是刮削刀，适用于土体。刮削刀具是在盾构刀盘推进旋转作用下，利用刀刃前部对土体施加压力，在土体中产生剪切力，会使土体达到极限破坏，并以土屑的形式沿刀具前面挤压崩出，实现隧道开挖。但在盾构推进过程中，刀盘推进压力作用在掌子面上无意中增加了土的抗剪强度，由此增加了刀盘的扭矩力要求、设备动力要求。而被挤压崩出来的土体被刀盘覆盖，不能及时进入土仓，从而在刀盘面上极易结泥饼，给盾构掘进施工带来诸多不利，如增大盘扭矩和推力、甚至卡死刀盘，被迫停工，也会增加刀具磨损程度、加快刀具更换频率等，进一步影响施工进度。

而一种前挺鹰嘴式盾构刀，巧妙通过前挺杆将切削刀脱离盾构刀盘面，在刀具和刀盘面之间形成一定的空间，避免被切削土体面上产生压力，使得土体的抗剪强度大大减小，也克服了产生泥饼的问题。通过鹰嘴刀刀尖刺入土体和刀刃切割土体的方式，刀具可以顺利滑移进入切削土面，切割阻力大大减小。使得需要的推进力和扭矩也大大减少。由于鹰嘴式盾构刀底面始终在掘进过程中与土体接触，并可通过调节挡土板面积大小，形成足够大的挡土支护作用，可使得掌子面稳定性大大增强。因此，在盾构施工领域具有重大突破，可形成第三类刀型，形成完全不同于现行盾构刀的刮削土体掘进模式，在一般黏性土、砂性土地层中使用将可大大提高掘进进度，提高工效数倍~十几倍，具有广阔的应用市场和开发价值。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种前挺鹰嘴式盾构刀及其施工方法，能够提高盾构掘进施工效率。

为了实现本实用新型的目的,本实用新型采用的技术方案为：

本实用新型公开了一种前挺鹰嘴式盾构刀，包括鹰嘴式盾构刀单元，所述鹰嘴式盾构刀单元包括鹰嘴刀、固定块、前挺杆以及挡土板，所述鹰嘴刀包括两侧的刀刃、顶部的脊线、刀尖、底面、刀尾以及设置在刀尾上的凸榫，所述刀刃为曲线，所述脊线的水平投影线呈圆弧形，所述刀刃与脊线的一端相较于刀尖；所述挡土板的端部设有第二凸榫；所述固定块的两侧分别设有第一凹槽和第二凹槽，所述第一、第二凹槽的两侧内壁之间设有第一转轴和第二转轴，所述凸榫的侧壁上设有用于所述第一转轴穿过的轴孔，所述第二凸榫的侧壁上设有用于所述第二转轴穿过的第二轴孔；所述前挺杆的一端与所述固定块的顶部相连，另一端与盾构刀盘连接。

所述鹰嘴刀的脊线水平投影线为以所述盾构刀盘的轴心为中心的圆弧线。

所述挡土板和固定块的两侧面为以所述盾构刀盘的轴心为中心的圆弧面。

所述鹰嘴刀的底面为平面，当所述鹰嘴刀的刀尾与所述固定块的端面顶紧时，所述底面与所述前挺杆轴线相垂直的平面之间的夹角θ为0~45°。

所述挡土板的挡土板底面、鹰嘴刀的底面与前挺杆轴线垂直的平面的初始夹角α为45^o~80^o。

所述脊线的长度与所述刀尾的宽度的比为1：1~0.5。

所述挡土板的顶部内侧固定有呈截面为直角三角形的支撑块，当所述支撑块的内侧壁与所述固定块的端面顶紧时，所述挡土板的底面与所述固定块底面和所述鹰嘴刀的底面处于同一平面内。

所述挡土板的横截面积可达到所述盾构刀盘横截面积的四分之三。

沿着所述盾构刀盘的周向和径向设置有一个或若干个所述鹰嘴式盾构刀单元。

所述固定块上由若干鹰嘴刀呈锯齿状排列构成锯齿状鹰嘴式盾构刀单元，所述锯齿状鹰嘴式盾构刀单元以所述盾构刀盘的轴线为中心呈环形阵列设置。

所述前挺杆的一端与所述固定块的顶部通过螺纹相连，另一端与盾构刀盘内的电控液压千斤顶伸缩机构相连。

本实用新型的有益效果在于：

（1）本实用新型中随着刀盘旋转，带动鹰嘴刀通过刀尖刺人土体中不断破土，两侧刀刃不断切割土体。其中利用了两个基本力学原理，一是点压产生应力集中作用，大大超过土体抗压强度，从而轻松刺人土体中。二是刀刃在断面上看，亦如同一点作用，产生剪切应力集中效应，大大超过土体抗剪强度。这些都是过去所没有的，起到四两拨千斤的作用。

（2）由于刀具与刀盘之间存在一定空间，掌子面的土体表面没有压力作用，被切割的土体中剪切面上的抗剪强度大幅降低，土体非常容易被切割下来。并且沿刀面向上翻落。因此需要的扭矩大大减少，掘进速度可以大幅提高。真正实现了切割土，而不是刮土，因此本实用新型形成全新的掘进模式。过去的切土由于刀盘压力作用，无形中增加了土体中剪切面上的抗剪强度，自我增加了施工难度，本方法则克服了这个问题。

（3）在盾构掘进施工过程中，由于鹰嘴式盾构刀底面与土体始终接触，并且刀具与盾构刀盘之间存在一定空间，被切割的土体表面几乎没有受挤压作用，可以顺利通过鹰嘴刀两侧弧面流进土仓，减少泥饼形成的可能。

（4）在鹰嘴式盾构刀切割土体过程中，刀具底面始终与掌子面中的土体紧密接触，盾构机的推进力通过刀盘借助于前挺杆传递到刀具底面，形成作用于掌子面的压力，起到支撑掌子面土体、维持掌子面稳定性作用。由于鹰嘴刀面积有限，因此借助于挡土板调节支撑面积大小，起到更好的支撑效果。

（5）采用小型鹰嘴式盾构刀时，可以收藏于盾构刀盘面后，当遇到岩土强度很大的情况，例如地下连续墙混凝土板、岩石层，通过刀盘上的传统刀具掘进施工。当土体适用于采用鹰嘴刀施工时，可以将鹰嘴刀通过电动控制千斤顶向前引伸，切割土体，可以在不影响当前盾构刀盘刀具功能情况下，灵活采用，利于实施。

附图说明

图1是本实用新型中前挺鹰嘴刀整体示意图；

图2是本实用新型中前挺鹰嘴式盾构刀俯视图；

图3是本实用新型中鹰嘴刀俯视图；

图4是本实用新型中鹰嘴刀主视图；

图5是本实用新型中前挺鹰嘴式盾构刀示意图；

图6是本实用新型中挡土板和鹰嘴刀张开时的示意图。

图7是本实用新型中前挺鹰嘴式盾构刀收藏于刀盘面后示意图。

图8是鹰嘴式盾构刀沿刀盘环向布设示意图。

图9是鹰嘴式盾构刀沿刀盘径向布设示意图。

图10是大规格单把鹰嘴式盾构刀示意图。

图11是大规格鹰嘴式盾构刀环向布设示意图。

图12是锯齿状鹰嘴式盾构刀单元示意图。

在图中：1鹰嘴刀，2固定块，3前挺杆，4挡土板，5刀刃，6脊线，7刀尖，8刀尾，9凸榫，10第一转轴，11第二凸榫,12第二转轴，15盾构刀盘，16刀面，18底面，19与前挺杆轴线垂直的平面，20电控液压千斤顶伸缩机构，21支撑块，22刀盘面，23锯齿状鹰嘴式盾构刀单元。

具体实施方式

下面对本实用新型进一步说明：

请参阅图1-12，

本实用新型公开了一种前挺鹰嘴式盾构刀，包括鹰嘴式盾构刀单元，所述鹰嘴式盾构刀单元包括鹰嘴刀1、固定块2、前挺杆3以及挡土板4，

所述鹰嘴刀1包括两侧的刀刃5、顶部的脊线6、刀尖7、底面18、刀尾8以及设置在刀尾8上的凸榫9，所述刀刃5为曲线，所述脊线6的水平投影线呈圆弧形，所述刀刃5与脊线6的一端相较于刀尖7；

所述挡土板4的端部设有第二凸榫11，本实施例中挡土板4的端部设有两个第二凸榫11通过第二转轴12与固定块2连接；

所述固定块2的两侧分别设有第一凹槽和第二凹槽，所述第一、第二凹槽的两侧内壁之间设有第一转轴10和第二转轴12，所述凸榫9的侧壁上设有用于所述第一转轴10穿过的轴孔，所述第二凸榫11的侧壁上设有用于所述第二转轴12穿过的第二轴孔；

所述前挺杆3的一端与所述固定块2的顶部相连，另一端与盾构刀盘15连接，所述前挺杆3与盾构刀盘15联结方式可为刚性的或伸缩方式的。

所述鹰嘴刀1的脊线6水平投影线为以所述盾构刀盘15的轴心为中心的圆弧线，两侧刀刃5为曲线，例如圆弧线，抛物线，螺旋线，亦可为直线，曲线向上向下凹凸均可，两侧刀刃5与脊线6之间的刀面16为曲面。

所述挡土板4和固定块2的两侧面为以所述盾构刀盘15的轴心为中心的圆弧面，鹰嘴刀1的刀面16和固定块2的连接部位形成光滑曲面。

所述鹰嘴刀1的底面18为平面，当所述鹰嘴刀1的刀尾8与所述固定块2的端面顶紧时，所述底面18与所述前挺杆3轴线相垂直的平面19之间的夹角θ为0~45°，鹰嘴刀1的底面18与土体始终接触，并且鹰嘴式盾构刀单元与盾构刀盘15之间能够存在一定空间，被切割的土体表面几乎没有受挤压作用，可以顺利通过鹰嘴刀1两侧弧面流进土仓，减少泥饼形成的可能。

所述挡土板4的挡土板底面、鹰嘴刀1的底面18与前挺杆3轴线垂直的平面19的初始夹角α为45^o~80^o，便于电控液压千斤顶伸缩机构将鹰嘴式盾构刀单元收入盾构刀盘15的刀盘面22后。

所述脊线6的长度与所述刀尾8的宽度的比为1：1~0.5，刀尾8的厚度在20mm以上；所述鹰嘴刀1采用合金材料制造。

所述挡土块4的顶部内侧固定有呈截面为直角三角形的支撑块21，当所述支撑块21的内侧壁与所述固定块2的端面顶紧时，所述挡土板4的底面与所述固定块2底面和所述鹰嘴刀1的底面18处于同一平面内，形成鹰嘴式盾构刀单元的平底面；所述挡土板4的横截面积不大于所述盾构刀盘15横截面积的四分之三，可为钢质材料或其他材料；在鹰嘴式盾构刀单元切割土体过程中，鹰嘴刀1的底面18始终与掌子面中的土体紧密接触，盾构机的推进力通过盾构刀盘15借助于前挺杆3传递到鹰嘴刀1的底面18，形成作用于掌子面的压力，起到支撑掌子面土体、维持掌子面稳定性作用；由于鹰嘴刀1面积有限，因此借助于挡土板4调节支撑面积大小，起到更好的支撑效果。

沿着所述盾构刀盘15的周向和径向设置有一个或若干个所述鹰嘴式盾构刀单元，可根据旋转掘进的开挖面积确定鹰嘴式盾构刀单元的大小规格。

所述固定块2上由若干鹰嘴刀1呈锯齿状排列构成锯齿状鹰嘴式盾构刀单元23，所述锯齿状鹰嘴式盾构刀单元23以所述盾构刀盘15的轴线为中心呈环形阵列设置，采用大规格鹰嘴式盾构刀或多把鹰嘴式盾构刀布设进行盾构开挖掘进施工，可提高鹰嘴式盾构刀开挖掘进施工效率和增大刀盘一次掘进的开挖面积。

所述前挺杆3的一端与所述固定块2的顶部通过螺纹相连，另一端与盾构刀盘15内的电控液压千斤顶伸缩机构20相连，所述鹰嘴式盾构刀单元可以通过液压千斤顶伸缩机构20前挺于盾构刀盘15的前方，使之与盾构刀盘15面间有一定间距；也可以通过电控液压千斤顶伸缩机构20将鹰嘴式盾构刀单元抽回到盾构刀盘15的刀盘面22后，不影响施工；采用小型鹰嘴式盾构刀单元时，可以收藏于盾构刀盘15的刀盘面22后，当遇到岩土强度很大的情况，例如地下连续墙混凝土板、岩石层，通过盾构刀盘上的传统刀具掘进施工；当土体适用于采用鹰嘴刀施工时，可以将鹰嘴刀通过电控千斤顶伸缩机构20向前引伸，切割土体，可以在不影响当前盾构刀盘刀具功能情况下，灵活采用，利于实施。

本实用新型的施工方法，包括如下步骤：

实施例一：

第一步，鹰嘴刀1、固定块2、前挺杆3、挡土板4组成鹰嘴式盾构刀单元；

第二步，通过前挺杆3将鹰嘴式盾构刀单元与盾构刀盘在设置的点位处进行连接；

第三步，随着盾构刀盘15推进与旋转，鹰嘴刀尖7逐渐刺入土体一定深度，两侧刀刃5切割土体，被切割的土体向上翻起，鹰嘴式盾构刀底面18与土体紧密接触。

实施例二：

第一步，将固定块2的两侧分别与挡土板4、鹰嘴刀1连接，挡土板4的底面、鹰嘴刀1的底面18与前挺杆3轴线垂直的平面19之间的起初夹角α为45^o~80^o；

第二步，通过前挺杆3将固定块2与盾构刀盘15在设置的点位处进行连接；

第三步，随着盾构刀盘15推进，挡土板4、鹰嘴刀1前顶土体撑张开，直至支撑块21与固定块2接触，挡土板底面与鹰嘴刀1的底面18处于同一平面上，形成鹰嘴式盾构刀单元平底面；

第四步，随着盾构刀盘15推进与旋转，鹰嘴刀1的刀尖7逐渐刺入土体一定深度，两侧刀刃5切割土体，被切割的土体向上翻起，鹰嘴式盾构刀单元底面与土体紧密接触；

第五步，在不使用鹰嘴式盾构刀单元时，通过电控液压千斤顶伸缩机构20收于盾构刀盘15的刀盘面22后，不影响现行刀盘掘进施工。

具体使用方式：

安装完后，盾构刀盘前推使鹰嘴式盾构刀接触掌子面土体，随着刀盘的旋转和盾构推进，鹰嘴刀的刀尖刺入土体，鹰嘴刀刀刃切割土体，被切割的土体通过鹰嘴刀弧面滑落土仓。如果是收藏于盾构刀盘面后，事先通过电动控制千斤顶向前引伸，使得鹰嘴刀超出刀盘面一定距离，与开挖面接触。当不需要用到鹰嘴刀开挖时，再通过千斤顶收缩，将鹰嘴刀藏于刀盘面后面。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等同变换或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。