CN101936168B - 一种拓展epb盾构机刀盘适应软弱地层的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种拓展EPB盾构机刀盘适应软弱地层的装置，包括一圆柱形刀盘和沿刀盘周向分布安装刀具的数根刀梁，每相邻的两刀梁之间形成有供泥土流入的扇形开口，在刀盘圆周侧面位于扇形开口处设有防止软弱土体失稳的支撑器，所述支撑器通过刀梁上安装边缘刮刀的现有螺栓孔与两侧刀梁螺栓连接。在软弱地层中施工时，拆掉本发明EPB盾构机的边缘刮刀，安装所述支撑器，这样不仅减小了盾构机的开口率，而且可使盾构机在掘进时进入土仓的泥土只能从刀盘柱面的扇形处入土仓，增强了EPB盾构机在软弱地层掘进时的适应性，有效保障了EPB盾构机在不加固软弱地层掘进时的可靠性和安全性。

Description

一种拓展EPB盾构机刀盘适应软弱地层的装置

技术领域

本发明涉及EPB(土压平衡)盾构机，具体说是一种通过拓展EPB盾构机刀盘以适应软弱地层的装置。

背景技术

在盾构法施工过程中，刀盘开口率是盾构机一个非常重要的技术指标之一。所谓开口率是指盾构机刀盘开口面积与刀盘面积的比值，刀盘开口面积不仅包括刀盘正面开口面积也包括侧面开口面积。刀盘开口必须根据地质条件、开挖面的稳定性和开挖效率来决定其形状、尺寸和配置。在现有技术中，尽管存在开口率可变的EPB盾构机，如专利号为ZL200410010048的《一种盾构机中能调节开口率的装置》，当EPB盾构机的开口率改变后，仍然无法使EPB盾构机适应在软弱地层(如富水砂层)中工作。

目前，对于软弱地层，若采用EPB盾构机施工，则须对掘进影响区范围内的地层实施土体加固，否则是难于或无法控制因掘进施工而导致地表的剧烈沉降，造成地表构(建)筑物(铁路、管线、桥、房屋等)破坏的恶性安全重大事故的发生。实践证明EPB盾构机，对软弱地层的适应能力远远低于泥水平衡式盾构机的适应能力。虽然泥水平衡式盾构机能适应和确保在软弱地层的掘进时地表的安全，但由于泥水盾构机与土压平衡盾构机相比其设备造价高，每延米运行成本和管理成本高，造浆系统、泥浆处理系统占地面积大，造成施工征地费用高。为此，盾构承包商在对盾构机进行选型时，只要软弱地层累计长度不超过隧洞长度10％时，都选用EPB盾构机。随后在掘进前，在地面上对软弱地层的地段实施加固措施，但往往有时存在地表因有重要构(建)筑物，而无法实施加固的情况，此时承包商只能冒险掘进，其后果就可想而知了。是否能通过对EPB盾构机刀盘进行必要改造，增大其对软弱地层的适应性，同时又能满足在软硬岩掘进时适应性的需要。如何改变刀盘的形式，使EPB盾构机在不加固的软弱地层中掘进时基本具备泥水盾构机的可靠性和安全性，是当今EPB盾构机施工的难点。

发明内容

针对上述EPB盾构机对软弱地层适应性极差的弱点，本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单的拓展EPB盾构机刀盘适应软弱地层的装置，其可大大增强EPB盾构机在软弱地层掘进时的适应性，从而提高它的可靠性和安全性。

本发明是这样实现的：一种拓展EPB盾构机刀盘适应软弱地层的装置，包括一圆柱形刀盘和沿刀盘周向分布安装刀具的数根刀梁，每相邻的两刀梁之间形成有供泥土流入的扇形开口，在刀盘圆周侧面位于扇形开口处设有防止软弱土体失稳的支撑器，利用已更换下来的边缘刮刀的安装紧固螺栓孔，采用高强度螺栓将该装置紧固在刀盘圆周上，从而就改变了刀盘的开口面积，即改变刀盘的开口率。

本发明还具有如下附加技术特征：

每一刀梁上设有安装边缘刮刀的螺栓孔，所述支撑器通过螺栓与两侧刀梁上的螺栓孔对应连接。

所述支撑器包括沿刀盘周向设置的挡板和沿刀盘径向设置与挡板固接的两侧板，所述两侧板分别安装在其两侧刀梁上。

所述挡板由相固结的两平板组成，两平板之间形成大于90°的夹角。

所述挡板截面呈弧形。

本发明提供的一种拓展EPB盾构机刀盘适应软弱地层的装置与现有技术相比具有如下优点：本发明中在刀盘圆周侧面位于扇形开口处设有防止软弱土体失稳的支撑器，所述支撑器通过刀梁上安装边缘刮刀的现有螺栓孔紧固在所述刀盘上，操作过程既方便又简单。在软弱地层中施工时，拆掉本发明EPB盾构机的边缘刮刀，安装所述支撑器，这样不仅减小了刀盘侧面扇形开口面积，即减小了盾构机的开口率，而且可减小甚至消除刀盘沿重力方向的开口，从而有效地切断了隧道拱顶软弱土体在失稳时进入土仓的通道，迫使盾构机在掘进时进入土仓的泥土只能从刀盘的正面开口处进入土仓，即使隧道拱顶的软弱土体失稳后，在重力的作用下也无法造成土体的颗粒流失，能有效约束隧道拱顶土体的位移，从而有效的控制地表的前、后期沉降，实现了EPB盾构机在软弱地层中的掘进，增强了EPB盾构机在软弱地层掘进时的适应性，有效保障了EPB盾构机在不加固软弱地层掘进时的可靠性和安全性。

附图说明

图1是EPB盾构机刀盘上安装有边缘刮刀的结构示意图；

图2是本发明中刀盘上安装有支撑器的结构示意图；

图3是图1中A向局部放大示意图；

图4是本发明中支撑器的透视图；

图5是本发明中支撑器的侧视图。

具体实施方式

参见图1至图5，示出本发明一种拓展EPB盾构机刀盘适应软弱地层的装置的一种优选方式，其包括一圆柱形刀盘1和沿刀盘周向分布安装刀具的数根刀梁2，每相邻的两刀梁之间形成有供泥土流进的扇形开口3，在刀盘圆周侧面位于扇形开口处设有防止软弱土体失稳的支撑器4。本发明中的刀盘上共设有八根刀梁，其中四根相互间隔的刀梁安装滚刀21，另外四根相互间隔的刀梁安装刮刀22，在每根刀梁的边缘两侧可安装边缘刮刀23。八根刀梁之间形成有八个扇形开口3，拆掉边缘刮刀后，可在刀盘圆周侧面位于每个扇形开口处安装具有足够刚度的支撑器4，所述支撑器利用刀梁上安装边缘刮刀的现有螺栓孔，通过高强度螺栓与两侧刀梁上的螺栓孔连接，更换过程既简单又方便。本发明的EPB盾构机在掘进的过程中，如遇到土质软弱地层时，在刀盘圆周侧面的扇形开口处的隧道拱顶的泥土被支撑器支撑，泥土无法向下脱落，不会引起地面塌陷，从而保证掘进过程顺利进行；如遇到土质较好地层(土、软岩、硬岩)时，只需拧下联接螺栓，将本装置拆卸，更换成边缘刮刀，以增加盾构机开口率，恢复盾构机在软硬岩掘进时的适应性。

目前，国内外EPB盾构机在软弱地层掘进时都没有安装该装置，也没有拆除边缘刮刀，使得土仓的压力波动直接波及到隧道拱顶的围岩体，并对围岩体产生较大扰动，易造成隧道拱顶范围内的土体失稳。只要土仓容积瞬时变化，大量的隧道拱顶的土体就会涌向土仓，而且边缘刮刀可对隧道拱顶土体产生附加扰动，成为隧道拱顶土体进入土仓的助推器。由于不加装本发明中的支撑器，EPB盾构机在不加固的软弱地层掘进时，对地表沉降的控制是无法保障的，故至今也没有成功的案例。

在本实施方式中，所述支撑器4包括沿刀盘周向设置的挡板41和沿刀盘径向设置与挡板固接的两侧板42，所述两侧板分别安装在其两侧刀梁上。由于在刀盘圆周侧面位于扇形开口处设有挡板，挡板占据了开口的部分面积，使得刀盘开口面积减小，这不仅减小了盾构机的开口率，而且挡板可支撑圆周侧面的扇形开口上方的土体，从而有效地切断了隧道拱顶软弱土体在失稳时进入土仓的通道，迫使盾构机在掘进时进入土仓的泥土只能从刀盘的正面开口处进入土仓，即泥土只能刀盘柱面的扇形开口处进入土仓，从而实现了EPB盾构机在软弱地层中的掘进，增强EPB盾构机在软弱地层掘进时的适应性。采用本发明的支撑器，能有效克服EPB盾构机在软弱地层掘进的弱点，大大减小掘进时土仓的压力波动对隧道拱顶土体的扰动，因为土仓的压力波动传递至挡板时，被挡板吸收，无法传递至隧道拱顶的土体，从而有效保障EPB盾构机在不加固软弱地层掘进时的可靠性和安全性。当盾构机进入土体自稳性较好的地层(土、软岩、硬岩)时，只需拧下支撑器安装在刀盘上的螺栓，将支撑器拆卸，更换成边缘刮刀，刀盘就可恢复其在软、硬岩掘进时的适应性。在实施过程中，所述挡板由相固结的两平板组成，两平板之间形成大于90°的夹角，此夹角可与刀盘边缘的弧度相适配，当然挡板也可以设置成一弧形挡板，其截面形状的弧度与刀盘边缘的弧度相适配。

上述实施例仅供说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也应属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由各权利要求限定。

Claims (3)

1.一种拓展EPB盾构机刀盘适应软弱地层的装置，包括一圆柱形刀盘(1)和沿刀盘周向分布安装刀具的数根刀梁(2)，每相邻的两刀梁之间形成有供泥土流入的扇形开口(3)，其特征在于：在刀盘圆周侧面位于扇形开口处设有防止软弱土体失稳的支撑器(4)，每一刀梁上设有安装边缘刮刀(23)的螺栓孔，所述支撑器(4)通过螺栓与两侧刀梁上的螺栓孔对应连接，所述支撑器(4)包括沿刀盘周向设置的挡板(41)和沿刀盘径向设置与挡板固接的两侧板(42)，所述两侧板分别安装在其两侧刀梁上。

2.根据权利要求1所述的一种拓展EPB盾构机刀盘适应软弱地层的装置，其特征在于：所述挡板(41)由相固结的两平板组成，两平板之间形成大于90°的夹角。

3.根据权利要求1所述的一种拓展EPB盾构机刀盘适应软弱地层的装置，其特征在于：所述挡板(41)截面呈弧形。

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