一种用于软硬不均复合地层的镶齿-光圆型TBM滚刀的制作方法

本发明涉及一种用于软硬不均复合地层的镶齿-光圆型tbm滚刀，属于挖掘施工。

背景技术：

1、我国已是世界上隧道与地下空间建设规模最大的国家，正在和即将建设大量的长距离大直径 tbm 隧道工程。随着 tbm 隧道掘进距离逐渐增长，地质条件由相对均质地层逐渐转变为软硬不均复合地层。在软硬交替的复杂地层中进行长距离掘进，tbm 滚刀过度磨损和频繁检修更换问题尤为突出。例如，深圳地铁 9 号线鹿丹村-向西村站隧道穿越粉质黏土-变质砂岩复合地层换刀 15 次，tbm 滚刀更换数量累计超过 154 把；武汉地铁 8号线越江隧道穿越粉细砂-风化砾岩复合地层换刀 30 余次，tbm 滚刀更换数量累计超过1000 把；南京和燕路过江通道穿越中粗砂-角砾岩-风化灰岩地层换刀 100 余次，tbm 滚刀更换数量累计超过 2000把。如何提升 tbm 滚刀的地质适应性以降低刀具消耗和换刀频率，已经成为软硬不均复合地层 tbm 隧道安全高效掘进亟需解决的关键技术难题。

2、为了提升软硬不均复合地层中 tbm 滚刀的切削距离寿命，国内学者已经针对tbm 滚刀的地质适应性问题开展了大量研究，但大多集中在优化滚刀材质、刀齿结构、布置方式等方面。

3、例如，中国专利 cn117187497a提出了一种用于盾构机掘进的高韧耐磨滚刀刀圈的复合改性工艺，运用渗碳渗氮等热处理工艺和超声冲击改性，构造梯度结构滚刀刀圈，使得滚刀刀圈兼具高的耐磨性、抗缓冲能力和冲击韧性。然而，该方法无法解决复合地层软硬交替过程中刀齿无法及时调整而导致的滚刀磨损加剧问题。

4、再如，中国专利 cn213980799 u 提出了一种盾构机用复合地层合金扁齿滚刀，通过在刀圈边缘嵌入形状为楔形、尺寸为 φ22*40、埋深为 36mm 的合金扁齿提升了滚刀在复合地层软岩段的适应性和使用寿命。但是，当tbm机进入复合地层硬岩段时，滚刀容易因合金扁齿在剧烈的挤压和冲击作用下断裂而迅速失效。

5、再如，中国专利 cn116006203 a 提出了一种滚刀刀圈及掘进机，将外周滚刀的刀刃构成立体空间状的旋切面，形成了涡轮叶片式的切削轨迹，使刀圈具有向前掘进的趋势，具有更高的破岩效率和使用寿命。该方法虽然可以降低 tbm 滚刀磨损和换刀频率，但仍无法满足tbm掘进地层由软(硬)至硬(软)变化过程中需要无(有)刀齿滚刀的实际需求。

6、综上所述，现有的刀具地质适应性设计方法大多集中在优化滚刀材质、刀齿结构、布置方式等方面，然而在复合地层软硬交替过程中，刀齿仍存在因无法及时调整而导致的滚刀磨损加剧的问题，刀具在地质适应性较差的情况下仍易发生异常磨损，从而使工作人员需要频繁更换刀齿，进而导致tbm机的掘进效率低下，项目施工成本显著提升。

7、因此需要提出一种新的方案来解决这个问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于：提供一种用于软硬不均复合地层的镶齿-光圆型tbm滚刀，它解决了现有技术中刀具在地质适应性较差的情况下仍易发生异常磨损，导致tbm 掘进效率和项目施工成本将会显著提升的问题。

2、本发明所要解决的技术问题采取以下技术方案来实现：一种用于软硬不均复合地层的镶齿-光圆型tbm滚刀，包括：

3、刀体，

4、刀轴，设置于刀体中心处，且外接驱动源以驱动刀体转动，

5、刀圈，设置于刀体外周部，

6、若干刀齿，均沿径向滑动于刀圈外周壁上且均由碳化钨硬质合金制成，

7、其中，刀圈外周壁上开设有若干用于容纳刀齿的凹槽，凹槽内滑动有与刀齿相连的活塞板，刀齿为通过螺纹结构螺纹连接于活塞板顶部，螺纹结构包括设置于活塞板顶部的螺柱以及设于刀齿底部且与螺柱匹配的螺孔，活塞板与凹槽底壁之间设置有弹性件，弹性件为压簧。

8、此外，本tbm滚刀还包括锁止结构，当刀齿回退至凹槽内后，锁止结构用于限制刀齿脱离凹槽。

9、通过采用上述技术方案，在tbm机从软土地层掘进至硬岩地层时，刀齿的受力逐渐增大，从而逐渐退入凹槽内并带动活塞板下降，弹性件逐渐被压缩，此时通过锁止结构限制刀齿脱离凹槽，即可使本tbm滚刀因刀齿完全缩回至刀圈内部而转变为光圆滚刀，从而提高本tbm滚刀在复合地层中的适应性，使刀齿能针对不同地层的情况而及时调整，即软质底层中使用刀齿，硬岩地层中使用光圆滚刀，避免刀齿发生异常磨损，从而避免滚刀磨损加剧，进而无需频繁更换刀齿，有效延长了刀齿的使用寿命，大大提高了tbm 掘进效率，降低了项目施工成本。

10、本发明进一步设置为：锁止结构包括转动设置于凹槽两侧的限位块，限位块一端沿朝向凹槽底壁的方向倾斜并抵接于刀齿表面，刀齿两侧均倾斜设置有限位销，且限位销远离刀齿的一端向上倾斜，限位块与凹槽内壁的连接处还设有复位件，复位件用于提供限制限位块转动的弹性作用力。

11、通过采用上述技术方案，当 tbm 机从软土地层掘进至硬岩地层时，刀齿的受力逐渐增大从而退入凹槽内，活塞板随之下压并使弹性件产生弹力，限位销随之下降并抵接限位块，而随着刀齿的继续下降，限位块会随之带动限位销转动，从而带动复位件扭转并产生弹力，此时，当限位块向下越过限位销的转动范围后，在复位件的弹力作用下，限位销会随之复位并抵接于刀齿侧壁，而在弹性件的弹力作用下，活塞板随之上升并带动刀齿上升，直至限位块抵接倾斜的限位销，在限位销的限位作用下，使得刀齿无法向上移动，从而使刀齿能完全没入刀圈内部，使本tbm滚刀能形成光圆滚刀以适应硬岩地层。

12、本发明进一步设置为：锁止结构包括设置于刀轴内部的进油管线和排油管线，刀圈内部沿圆周方向一圈设有一级油路，一级油路上设有若干二级油路，进油管线、一级油路、二级油路、排油管线相互连通，活塞板与凹槽内壁之间形成有与二级油路连通的注油腔，进油管线和排油管线上均设置有压力-流量传感器以实时监控液压油的压力和流量大小。

13、通过采用上述技术方案，当tbm 机从硬岩地层掘进至软土地层时，通过减小液压油的注入量并增大流出量以减小注油腔内的油压，从而能使活塞板回退并回缩刀齿，从而使本tbm滚刀能形成光圆滚刀以有效适应硬岩地层。

14、本发明进一步设置为：一级油路为沿刀圈轴线的圆周方向设置于刀圈内部

15、通过采用上述技术方案，使得二级油路到刀圈上各个注油腔的位置均相同，从而在一级油路和二级油路内均注满液压油的情况下，有效保证了刀齿在伸缩时的同步度。

16、本发明进一步设置为：二级油路通过位于凹槽底壁的中心处的注油孔与注油腔连通。

17、通过采用上述技术方案，从而使得在自注油腔内注射液压油时，液压油能对准活塞板的中心处涌入，从而使活塞板滑动不易产生歪斜，更为稳定。

18、本发明的有益效果是：有助于解决地层软硬交替过程中刀齿无法调整导致滚刀磨损加剧的问题，提高了复合地层中tbm滚刀的适应性。

技术特征：

1.一种用于软硬不均复合地层的镶齿-光圆型tbm滚刀，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种用于软硬不均复合地层的镶齿-光圆型tbm滚刀，其特征在于：所述锁止结构包括转动设置于凹槽（19）两侧的限位块（13），所述限位块（13）一端沿朝向凹槽（19）底壁的方向倾斜并抵接于刀齿（5）表面，所述刀齿（5）两侧均设置有限位销（15）。

3.根据权利要求1所述的一种用于软硬不均复合地层的镶齿-光圆型tbm滚刀，其特征在于：所述锁止结构包括设置于刀轴（2）内部的进油管线（6）和排油管线（7），所述活塞板（12）与凹槽（19）内壁之间形成有注油腔（16），所述进油管线（6）和排油管线（7）通过油路结构与注油腔（16）连通。

4.根据权利要求1所述的，一种用于软硬不均复合地层的镶齿-光圆型tbm滚刀，其特征在于：所述刀齿（5）为螺纹连接于活塞板（12）顶部。

5.根据权利要求2所述的一种用于软硬不均复合地层的镶齿-光圆型tbm滚刀，其特征在于：所述限位块（13）与凹槽（19）内壁的连接处还设有复位件，所述复位件用于提供限制限位块（13）转动的弹性作用力。

6.根据权利要求3所述的一种用于软硬不均复合地层的镶齿-光圆型tbm滚刀，其特征在于：所述进油管线（6）和排油管线（7）上均设置有压力-流量传感器（8）。

7.根据权利要求3所述的一种用于软硬不均复合地层的镶齿-光圆型tbm滚刀，其特征在于：所述油路结构包括设置于刀圈（4）内部的一级油路（9），所述一级油路（9）上设有若干与注油腔（16）连通的二级油路（10），所述进油管线（6）、一级油路（9）、二级油路（10）、排油管线（7）相互连通。

8.根据权利要求7所述的一种用于软硬不均复合地层的镶齿-光圆型tbm滚刀，其特征在于：所述一级油路（9）为沿刀圈（4）轴线的圆周方向设置于刀圈（4）内部。

9.根据权利要求1所述的一种用于软硬不均复合地层的镶齿-光圆型tbm滚刀，其特征在于：所述刀齿（5）两侧与凹槽（19）内壁之间均设置有预留缝（17）。

10.根据权利要求7所述的一种用于软硬不均复合地层的镶齿-光圆型tbm滚刀，其特征在于：所述二级油路（10）通过注油孔（18）与注油腔（16）连通，所述注油孔（18）位于凹槽（19）底壁的中心处。

技术总结本发明公开了一种用于软硬不均复合地层的镶齿‑光圆型TBM滚刀，属于挖掘施工技术领域。包括：刀体；刀轴，设置于刀体中心处；刀圈，设置于刀体外周部；若干刀齿，均沿径向滑动于刀圈外周壁上且均由碳化钨硬质合金制成；其中，刀圈外周壁上开设有若干用于容纳刀齿的凹槽，凹槽内滑动有与刀齿相连的活塞板，刀齿为通过螺纹结构螺纹连接于活塞板顶部，活塞板与凹槽底壁之间设置有弹性件。通过本发明,提高了本TBM滚刀在复合地层中的适应性，使刀齿能针对不同地层的情况而及时调整，避免刀齿发生异常磨损，从而避免滚刀磨损加剧，进而无需频繁更换刀齿，有效延长了刀齿的使用寿命，大大提高了TBM掘进效率，降低了项目施工成本。技术研发人员：吴坚,钟伟斌,黄雷,曾志全,杨彪,王永明,邬志,缪宁,翁凯,苗双平,李东杰,刘佼,宋少勇受保护的技术使用者：杭州华东地下工程智能装备研究院有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/9