用于掘进装备的刀盘及具有其的掘进装备的制作方法

1.本发明涉及地下工程技术领域，具体而言，涉及一种用于掘进装备的刀盘及具有其的掘进装备。


背景技术：

2.根据《地铁设计规范》规定：两条单线区间隧道之间，当隧道连贯长度大于600m时，应设联络通道。地铁隧道及市政公路隧道的联络通道大都采用矿山法。例如在地下水较为丰富的区域，通常采用冻结法加固，然后采用矿山法进行联络通道开挖施工。然而，冻结法施工容易导致冻胀、融沉等不良后果，通常会引起一定的地面沉降，地面沉降较大时甚至发生垮塌危险，这对地质条件复杂、环境保护要求高的城市核心区域尤其难以适应。并且这一施工方法建设工期长，通常需要超过100天的冰冻，然后才能开始开挖，使建设工期经常长达4-6个月。另外，对于有砂层和承压水的地层，冻结法效果并不好，容易出事故，对环境影响大、风险很高。
3.近些年提出了采用拼装式联络通道结构，并采用机械法联络通道施工的方法，因此需要使用掘进装备对主隧道的管片进行切削作业。在切削作业时，希望使掘进装备在大致联络通道中心的位置最先接触管片，使其切削轨迹从中心向周边扩展，与联络通道的径向外侧对应的管片最后切削。而传统的掘进装备大多适于对平面的作业面进行切削。使用传统的掘进装备进行切削时，由于主隧道管片的弧形结构，其与联络通道的径向外侧对应的部分最先与掘进装备接触，因而首先被切削，进而导致中间部分向前塌落。
4.因此，希望提供一种改进的掘进装备，能够适用于机械法联络通道施工过程中对主隧道管片的切削作业。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，提供一种掘进装备的刀盘，以适应机械法联络通道施工过程中对主隧道管片的切削作业。
6.根据本发明的一个方面，所述刀盘包括：
7.基座，所述基座能够围绕沿着所述掘进装备的掘进方向的旋转轴线旋转；和
8.刀具，所述刀具安装在所述基座上，包括沿着相对于所述旋转轴线定义的周向间隔设置的多个滚刀组，每个所述滚刀组包括从所述旋转轴线开始沿着相对于所述旋转轴线定义的径向排布的多个滚刀；
9.其中，在每个滚刀组中，每个滚刀围绕垂直于所述旋转轴线的滚刀旋转轴线可旋转地设置，并且每个滚刀相对于位于径向内侧的相邻的滚刀沿所述掘进方向后退预定距离，使得每个滚刀组中所有滚刀的前端能够位于同一条拟合圆弧上。
10.在部分实施方式中，每个滚刀安装在单独的刀箱中并相对于所述刀箱的前端面向前突出，其中，所述刀具还包括位于所述刀箱的径向外侧边缘并相对于所述刀箱向前突出的撕裂刀。
11.在部分实施方式中，所述撕裂刀相对于所述刀箱的前端面的突出距离小于所述滚刀的突出距离。
12.在部分实施方式中，所述撕裂刀平行于所述旋转轴线向前突出。
13.在部分实施方式中，所述滚刀组的径向外侧设置有附加撕裂刀，所述附加撕裂刀以相对于所述旋转轴线向外侧倾斜的方式向前突出。
14.在部分实施方式中，所述刀具还包括刮刀组，所述刮刀组沿所述基座的旋转方向设置在所述滚刀组的后侧，包括沿所述径向排布的多个刮刀。
15.在部分实施方式中，所述滚刀组的径向两侧均设置有所述刮刀组。
16.在部分实施方式中，所述刮刀相对于所述刀箱的前端面的突出距离小于所述滚刀的突出距离。
17.在部分实施方式中，所述刀具还包括设置在所述基座的旋转中心并沿所述径向延伸的中心刀，所述中心刀构造为由多个刀层形成的夹层结构，所述多个刀层的排布方向与所述中心刀的延伸方向垂直。
18.在部分实施方式中，所述中心刀包括呈十字形交叉布置的两组。
19.在部分实施方式中，所述中心刀的前缘形成为向内凹入的弧形结构。
20.在部分实施方式中，所述刀具还包括设置在所述基座的周侧并相对于周侧表面突出的保护刀。
21.在部分实施方式中，每个滚刀组具有相对于所述旋转轴线呈180
°
布置的对向滚刀组。
22.根据本发明的另一个方面，还提供一种掘进装备，所述掘进装备具有如上所述的刀盘。
23.根据本发明的刀盘及掘进装备具有如下有益的技术效果：
24.1、滚刀的旋转轴线相对于刀盘的旋转轴线垂直设置，可以使滚刀轴在切削过程中受力均匀，避免产生偏磨，有利于延长滚刀的使用寿命，尤其是对于距离刀盘的旋转轴线越远的滚刀，其有益效果越明显。
25.2、不同位置的滚刀可以互换，提高了维护效率，降低了维护成本。
26.3、滚刀形成按照中心至周边逐阶降低的形式排布，以此方式，滚刀组中多个滚刀的前端可以形成圆弧仿形拟合曲线，能够良好地适应主隧道管片的弧形结构，适用于机械法联络通道施工过程中对主隧道管片的切削作业。
附图说明
27.为了更好地理解本发明的上述及其他目的、特征、优点和功能，可以参考附图中所示的优选实施方式。附图中相同的附图标记指代相同的部件。本领域技术人员应该理解，附图旨在示意性地阐明本发明的优选实施方式，对本发明的范围没有任何限制作用，图中各个部件并非按比例绘制。其中，
28.图1为根据本发明的刀盘的一种优选实施方式的立体图；
29.图2为图1所示的刀盘的侧面视图；
30.图3为图1所示的刀盘的正面视图；
31.图4为图1所示的刀盘的中心刀的夹层结构的示意图；以及
32.图5为图1所示的刀盘与管片贴合的示意图。
具体实施方式
33.现在参考附图，详细描述本发明的具体实施方式。这里所描述的仅仅是根据本发明的优选实施方式，本领域技术人员可以在所述优选实施方式的基础上想到能够实现本发明的其他方式，所述其他方式同样落入本发明的范围。
34.为了实现地下空间网络互通，需要建设大量的t字型连接隧道。比如：地铁、公路区间联络通道、地铁出入口及风井、市政管廊检修井、长隧道中间风井、水务隧道连接线等等。最近提出了利用机械法进行隧道群t型联络通道施工的方法。针对该施工方法，本发明提供了一种掘进装备的刀盘，能够在免拆的基础上针对原有的主隧道进行机械法开挖，对具有空间曲面的主隧道管片具有良好的适应性。其中，掘进装备的一个示例可以是盾构机。
35.如图1所示，根据本发明的一种优选实施方式的刀盘1具有大致构造为圆形的基座10。在安装至掘进装备的状态下，基座10能够在掘进装备的驱动下围绕安装轴旋转。其中，安装轴定义了基座10的旋转轴线ax1(见图2)。基座10上安装有刀具20。在进行切削作业时，刀盘1通过刀具20与作业表面(例如，联络通道的断面)接触，并在掘进装备受到的顶推力的作用下挤压作业表面，利用刀具20将作业表面破坏，实现切削掘进。其中，刀具20大致包括滚刀21、撕裂刀22、刮刀23、中心刀24以及周边保护刀25。下面结合附图进行详细介绍。
36.滚刀21安装在基座10上并且能够围绕自身的滚刀旋转轴线ax2旋转。其中，滚刀旋转轴线ax2大致沿基座10的径向方向(该径向方向可以通过旋转轴线ax1定义)延伸，也即与基座10的旋转方向垂直。在切削掘进的过程中，掘进装备受到沿掘进方向f的顶推力，使得滚刀21挤压在作业表面上，随着基座10绕旋转轴线ax1旋转，滚刀21在基座10的带动下绕自身的滚刀旋转轴线ax2旋转并在作业表面上行走，形成切削轨迹。以此方式，滚刀21的边缘挤压入作业表面，使岩层或土层破坏崩落，实现切削掘进。为了完成对整个作业表面的同时切削，刀盘1设置有多个滚刀组。其中，每个滚刀组包括大致沿着基座10的径向布置的多个滚刀21。优选地，多个滚刀组沿着基座10的周向(该周向可以通过旋转轴线ax1定义)均匀间隔布置。优选地，为了避免切削时出现滚刀滚不动(由于间距太大)，导致输送切削碎屑的螺旋机堵塞而出现切削不利的情况，同时确保滚刀组更好更均匀地受力，降低刀具损坏率，并实现更好的切削效果，每个滚刀组具有相对于旋转轴线ax1呈180
°
布置的对向滚刀组。取决于滚刀的排布方式，两个对向滚刀组上滚刀的数量可以相同，也可以不同。
37.为了实现对整个作业表面的切削，在一种排布方式中，滚刀21在基座10上大致按照螺旋线轨迹的方式布置。例如，刀盘1设置有n个滚刀组，可以预先确定其中一组滚刀为起始滚刀组。对于每个滚刀组，距离旋转轴线ax1最近的滚刀21可以称为1阶滚刀，沿径向向外依次为2阶滚刀、3阶滚刀
……
m阶滚刀。可以理解，对于不同的滚刀组，滚刀数量m可以相同，也可以不同。其中，沿顺时针方向(或逆时针方向)，从起始滚刀组的下一组滚刀组开始，位于下游的滚刀组的每一阶滚刀与旋转轴线ax1的径向距离，比相邻的上游滚刀组的同一阶滚刀与旋转轴线ax1的径向距离更大，直至第n组滚刀组。并且起始滚刀组的第m+1阶滚刀与旋转轴线ax1的径向距离，比相邻的上游滚刀组的第m阶滚刀与旋转轴线ax1的径向距离更大。使得从起始滚刀组的1阶滚刀开始，沿顺时针(或逆时针)顺次连接不同滚刀组中同一阶滚刀，并且连接起始滚刀组的m+1阶滚刀与相邻的上游滚刀组的m阶滚刀，所形成的连线，大
致形成为螺旋线的轨迹。根据作业表面的面积大小、岩土层的坚硬程度(其影响滚刀的磨损快慢)以及所需滚刀的数量等，滚刀可以形成为单螺旋线布置或双螺旋线布置。
38.在另外的排布方式中，还可以将不同滚刀组中的同一阶滚刀设置为与旋转轴线ax1的径向距离相等，即将同一阶滚刀进行连线，不同阶滚刀的连线大致形成为同心圆的轨迹。其中，对于不同的滚刀组，滚刀数量可以相同，也可以不同。
39.根据本发明，在每个滚刀组中，每个滚刀21的滚刀旋转轴线ax2均设置为与基座10的旋转轴线ax1垂直。可以理解，掘进装备受到的顶推力f决定了其掘进方向，而旋转轴线ax1是沿着掘进方向定义的。因此，顶推力f的方向也即旋转轴线ax1的方向。同理，滚刀21受到的掘进装备与工作表面之间的挤压力是沿着旋转轴线ax1的方向。由于滚刀旋转轴线ax2是垂直于旋转轴线ax1设置，因此滚刀21的滚刀轴(其定义滚刀旋转轴线ax2)所受到的压力基本上是垂直于其长度方向的，而很少有其他方向的分力。这样的设置可以使滚刀21在切削过程中受力均匀，避免产生偏磨，有利于延长滚刀21的使用寿命，尤其是对于距离旋转轴线ax1越远的滚刀21，其有益效果越明显。
40.进一步地，为了在始发掘进时更好地拟合主隧道的管片，滚刀21以如下方式布置：在每个滚刀组中，每个滚刀21相对于位于其径向内侧的相邻的滚刀21沿掘进方向后退预定距离，使得该滚刀组中所有滚刀21的前端能够位于同一条拟合圆弧上(参考图5可见)。例如图2所示，滚刀21b相比位于其径向内侧的相邻的滚刀21a后退预定距离，而滚刀21c相比位于其径向内侧的相邻的滚刀21b后退另一预定距离。优选地，在径向上距离旋转轴线ax1越远的滚刀21，其相对于径向内侧的相邻滚刀21后退的距离越大，如此可以更好地拟合圆弧的形状。
41.这样的布置在确保滚刀21的滚刀旋转轴线ax2与基座10的旋转轴线ax1垂直的前提下，使滚刀21形成了按照中心至周边逐阶降低的形式排布，以此方式，滚刀组中多个滚刀21的前端可以形成圆弧仿形拟合曲线，能够实现多个滚刀21同时与主隧道管片2接触，确保了不同位置可以同步切削。另外，这样的布置提高了不同位置(尤其是不同径向位置)处的滚刀21的互换性。因为所有的滚刀21均以滚刀旋转轴线ax2与基座10的旋转轴线ax1垂直的方式布置，不需要考虑滚刀轴相对于基座10的旋转轴线ax1的偏斜角度，因而不同位置的滚刀21可以具有相同的规格。当某个滚刀21损坏时，可以快速地使用任何一个备用滚刀21进行更换。
42.在实际生产过程中，每个滚刀21通过滚刀轴安装在单独的刀箱211中，并相对于刀箱211的前端面向外突出。刀箱211固定至基座10的预定位置，形成滚刀组。可以理解，拟合点越多，点之间的距离越近，所形成的拟合曲线越平滑，拟合度越高。因此，为了实现利用滚刀21的上述布置拟合管片弧度，需要沿径向布置尽量多的滚刀21，并且相邻滚刀21之间的距离非常紧凑。在这种情况下，相邻的刀箱211沿径向并排摆放，很难有空间再去布置其他零部件。然而，由于位于径向外侧的刀箱211相比径向内侧的刀箱211后退布置，径向内侧刀箱211的径向外侧的前端是暴露在外的。在对弧面进行切削的过程中，该刀箱211的外侧前端容易与工作表面接触而造成磨损，甚至使刀箱211被破坏而导致滚刀21失效。可以理解，这一问题是对弧面切削导致的，当切削平面时并不会产生这样的问题。
43.优选地，如图1和图2所示，在刀箱211的径向外侧的边缘的位置设置有撕裂刀22。该撕裂刀22相对于刀箱211的前端面向前突出，也即撕裂刀22的最高点高于刀箱211的前端
面。以此方式，撕裂刀22先于刀箱211的外侧前端与工作表面接触，并且能够对工作表面切削进行破坏，从而避免了刀箱211与工作表面接触而导致的磨损，起到了良好的保护作用。优选地，撕裂刀22以平行于旋转轴线ax1(即大致垂直于刀箱211的前端面)的方式向前突出。进一步优选地，撕裂刀22向前突出的距离小于滚刀21向前突出的距离，使得滚刀21先于其径向外侧的撕裂刀22与工作表面接触。参考图1，在部分滚刀组的径向外侧，还设置有附加撕裂刀22a。区别于设置在刀箱211的外侧边缘的撕裂刀22，附加撕裂刀22a相对于旋转轴线ax1向外侧成角度地倾斜延伸。
44.另外，在滚刀21的刀箱211的沿径向方向的两侧，还设置有刮刀23，其相对于刀箱211的前端面向前突出。多个刮刀23沿径向排布，形成刮刀组。当滚刀21随着基座10的旋转将工作表面的岩层或土层压碎破坏之后，刮刀23可以将松散的岩块或土块刮下，使新的待切削的工作表面暴露出来，方便进行后续的切削工作。因此，实际上，只有沿着基座10的旋转方向位于滚刀21后方的刮刀23能够起到作用。优选地，刮刀23相对于刀箱211的前端面向前突出的距离小于滚刀21向前突出的距离。优选地，滚刀组的径向两侧均设置有刮刀组。以此方式，当刀盘1分别以顺时针转动和逆时针转动两种转动方向工作时，滚刀组的后侧总是存在相应的刮刀组可以起到将松散的岩块或土块刮下的作用。
45.参考图1至图3，在基座10的旋转中心的区域，设置有中心刀24。该中心刀24形成为大致沿径向方向延伸的条状结构。在图示的实施方式中，中心刀24包括两组，并且该两组中心刀24呈十字形交叉布置。优选地，如图4所示，中心刀24构造为夹层结构，例如其可以由具有不同强度和韧性的刀层(例如不同的合金刀片)以三明治的形式夹合而成，在提高其切削能力的同时还可以增加耐磨性，延长使用寿命。进一步优选地，刀层的排布方向设置为与中心刀24的延伸方向垂直。换言之，中心刀24与工作表面接触，当基座10旋转时，工作表面对中心刀24产生的力沿着中心刀24的旋转方向r，也即与各刀层的排布方向一致。因而刀层的排布方向可以有效地抵抗工作表面对中心刀24产生的作用力，可以降低其损坏率。
46.优选地，参考图1，中心刀24的前缘构造为向内凹入的弧形结构。相比前缘向前突出的结构，中心刀24的前缘向内凹入，使得当中心刀24在凹入的弧形结构两端的两个位置与工作表面产生最初的接触，有利于中心刀24更好地“抓住”工作表面，也即相对于工作表面固定，避免中心刀24在工作表面上产生偏移。这在中心刀24初始切削接收端朝向掘进装备凸出的主隧道管片时尤为有利。
47.如图1至图3所示，基座10的周侧还设置有保护刀25。具体地，多个保护刀25沿周向间隔设置，并相对于周侧表面向外突出。以此方式，在刀盘1旋转时，保护刀25先于基座10与周侧的土层或岩层接触，避免基座10直接与土层或岩层接触摩擦而导致磨损。
48.此外，根据本发明的另一个方面，还提供一种掘进装备，其可以具有上述刀盘。掘进装备具体可以是例如盾构机。
49.本发明的多种实施方式的以上描述出于描述的目的提供给相关领域的一个普通技术人员。不意图将本发明排他或局限于单个公开的实施方式。如上，在本领域中的普通技术人员将明白本发明的多种替代和变型。因此，虽然具体描述了一些替代实施方式，本领域普通技术人员将明白或相对容易地开发其他实施方式。本发明旨在包括这里描述的本发明的所有替代、改型和变型，以及落入以上描述的本发明的精神和范围内的其他实施方式。