本发明公开一种土压平衡盾构机刀盘，刀盘盘面上包括中心区、正面区、边缘区；中心区1#-8#刀座布置的双刃齿刀包括两个刀体和固连在刀体上的两个刀头，每个刀头顶面从两侧面向中部逐渐隆起形成中间高、两侧低的结构；刀头两侧面的上部为一外扩的斜面；顶面中部固连有条状硬质合金，条状硬质合金两侧的顶面固连有对称分布的四排硬质合金柱齿；硬质合金柱齿的顶部分别与条状硬质合金的顶部依次形成高度差；条状硬质合金、硬质合金柱齿周围的顶面与两侧面上固连有耐磨堆焊层。采用本发明结构的刀盘，能在富水砂卵石地层情况下提高掘进速度，降低刀具磨损，提高刀具使用寿命，降低掘进成本。
1.一种土压平衡盾构机刀盘，刀盘盘面上包括中心区、正面区、边缘区；中心区设置1#-8#刀座；正面区设置9#-31#刀座和41#-68#刀座；边缘区设置32-40#刀座以及
69#-76#刀座；其特征在于：所述中心区1#-8#刀座布置的刀具为双刃齿刀，所述双刃齿刀包括两个刀体和固连在刀体上的两个刀头，每个刀头顶面从两侧面向中部逐渐隆起形成中间高、两侧低的结构；刀头两侧面的上部为一外扩的斜面；所述顶面中部固连有条状硬质合金，条状硬质合金两侧的顶面固连有对称分布的四排硬质合金柱齿；所述第一排、第二排硬质合金柱齿的顶部与条状硬质合金的顶部依次形成高度差，同时第四排、第三排硬质合金柱齿的顶部与条状硬质合金的顶部依次形成高度差；所述条状硬质合金、硬质合金柱齿周围的顶面与两侧面上固连有耐磨堆焊层。
2.如权利要求1所述的土压平衡盾构机刀盘，其特征在于：所述每个双刃齿刀刀头的内外面固连有网状耐磨堆焊层。
3.如权利要求1所述的土压平衡盾构机刀盘，其特征在于：所述双刃齿刀刀体的高度为277mm；两个刀头外面之间的距离为254mm，两个刀头内面之间的距离为70mm；每个刀头长度为187mm，宽度为92mm；刀头顶面至刀体底部的高度为384-394mm；所述刀头两侧面上部与垂面的斜角为145度；所述堆焊层的厚度为5-10mm.
4.如权利要求3所述的土压平衡盾构机刀盘，其特征在于：所述双刃齿刀顶面中部沿刀头宽度方向，并排嵌固有3片方条状合金，每片方条状合金宽度为16mm，高度为32mm，其嵌固在顶面内的高度为18mm，每片合金之间的间距为9mm；所述每排硬质合金柱齿包括沿刀头宽度方向紧密排列的4片合金柱齿，每片合金柱齿的圆柱体直径为23mm，高度为32mm，嵌固在顶面内的高度为21mm。
5.如权利要求1-4任一项所述的土压平衡盾构机刀盘，其特征在于：所述正面区
9#-22#刀座布置单刃齿刀，23#-31#刀座布置双刃滚刀，41#-68#刀座布置小刮刀；所述边缘区32-40#刀座布置双刃滚刀，69#-76#刀座布置边刮刀。
6.如权利要求1-4任一项所述的土压平衡盾构机刀盘，其特征在于：所述正面区
10#-14#刀座以及16#-19#刀座布置单刃齿刀，9#、15#、20#-31#刀座布置双刃滚刀，
41#-68#刀座布置小刮刀；所述边缘区32-40#刀座布置双刃滚刀，69#-76#刀座布置边刮刀。
7.如权利要求5所述的土压平衡盾构机刀盘，其特征在于，所述单刃齿刀的刀头顶面和侧面嵌焊有硬质合金柱齿；顶面两端部各倾斜嵌焊有一排条状硬质合金，在顶面的硬质合金柱齿和条状硬质合金周围以及侧面的硬质合金柱齿的周围固连耐磨堆焊层。
8.如权利要求7所述的土压平衡盾构机刀盘，其特征在于，所述单刃齿刀的顶面硬质合金柱齿为4排，两侧面的单刃齿刀的硬质合金柱齿各为2排；沿刀头宽度方向，每排硬质合金柱齿由3片硬质合金柱齿组成，每片硬质合金柱齿的高度为32mm，柱齿的直径为18mm；
所述顶面两端的条状硬质合金由3片条状合金组成，每片条状硬质合金的高度为32mm，其宽度为15mm。所述刀头前后面固连有网状耐磨堆焊层，堆焊层的高度为125-135mm，厚度为
9.如权利要求8所述的土压平衡盾构机刀盘，其特征在于，所述双刃滚刀的刀体上固连有两圈滚刀，所述滚刀的外径为531.3mm，两圈滚刀的中心距为100mm；刀体心部套连轴承；所述滚刀的刃口沿轴向向两边延伸为一加宽的刃口，所述刃口的宽度为23-27mm。
10.如权利要求6所述的土压平衡盾构机刀盘，其特征在于，所述单刃齿刀的刀头顶面和侧面嵌焊有硬质合金柱齿，顶面两端部各倾斜嵌焊有一排条状硬质合金，在顶面的硬质合金柱齿和条状硬质合金周围以及侧面的硬质合金柱齿的周围固连耐磨堆焊层，刀头前后面固连有网状耐磨堆焊层，网状耐磨堆焊层的高度为125-135mm，耐磨堆焊层和网状耐磨堆焊层的厚度为5-10mm；所述单刃齿刀顶面硬质合金柱齿为4排，两侧面的硬质合金柱齿各为2排，沿刀头宽度方向，每排硬质合金柱齿由3片硬质合金柱齿组成，每片硬质合金柱齿的高度为32mm，柱齿的直径为18mm；单刃齿刀顶面两端的条状硬质合金由3片条状合金组成，每片条状硬质合金的高度为32mm，其宽度为15mm；所述双刃滚刀的刀体上固连有两圈滚刀，所述滚刀的外径为531.3mm，两圈滚刀中心距离为100mm；刀体心部套连轴承；所述滚刀的刃口沿轴向向两边延伸为一加宽的刃口，所述刃口的宽度为23-27mm。
土压平衡盾构机刀盘
技术领域
[0001] 本发明涉及一种土压平衡盾构机的刀盘，尤其是刀盘上的刀具配置。 背景技术
[0002] 盾构施工以其安全、快速、高效在城市基础设施——城市地铁、市政公用管路、输油/气地下管道等各类地下工程建设中得到越来越广泛的应用。现有盾构机的刀盘盘面上包括位于刀盘纵或横十字线两侧45度角条幅内以刀盘中心为原点旋转半径为0～705mm的中心区，位于刀盘纵或横十字线两侧45度角条幅内以及条幅间靠近槽口处的旋转半径705mm～2782mm正面区，位于刀盘纵十字线一侧30°、45°、60°、120°、150°角条幅、刀盘纵十字线另一侧的30°、60°、120°、150°角条幅内、旋转半径2782mm～3140mm的边缘区。中心区内设置有1#-8#刀座以及对应的共8把双刃滚刀。正面区设置有9#-31#以及
41#-68#刀座，其中9#-31#刀座对应22把单刃滚刀，41#-68#刀座对应28把小刮刀。边缘区设置32-40#刀座以及对应的9把双刃滚刀，69#-76#刀座以及对应的7把边刮刀。 [0003] 当使用上述结构刀盘的土压平衡盾构机在富水砂卵石地段、以及富水砂卵石与泥岩复合地层掘进时，刀盘上的刀具磨耗非常严重，平均120～150m就需全部或大部分更换一次刀具。当砂卵石地层含有强风化泥岩时，如果全盘采用滚刀会降低掘进效率；而齿刀过多，一方面刮削阻力过大加重了刀盘马达的负荷，容易造成刀盘马达过度磨损；另一方面，由于泥岩相对砂卵石地层更紧密、更硬，齿刀磨损非常厉害。
[0004] 在如此环境下，为了提高掘进速度，降低掘进成本，需要采用适合于富水 砂卵石地层或富水砂卵石与泥岩复合地层的刀盘刀具。通过寻找刀具合理完善的配置的盾构刀盘是隧道施工过程中极需解决的一道技术难题。
发明内容
[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种适用于富水砂卵石地层以及富水砂卵石与泥岩复合地层掘进的土压平衡盾构机刀盘，它能在富水砂卵石地层情况下提高掘进速度，降低刀具磨损，提高刀具使用寿命，降低掘进成本。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明的土压平衡盾构机刀盘，其中心区1#-8#刀座布置的刀具为双刃齿刀，所述双刃齿刀包括两个刀体和固连在刀体上的两个刀头；每个刀头顶面从两侧面向中部逐渐隆起形成中间高、两侧低的结构；刀头两侧面的上部为一外扩的斜面；所述顶面中部固连有条状硬质合金，条状硬质合金两侧的顶面固连有对称分布的四排硬质合金柱齿；所述第一排、第二排硬质合金柱齿的顶部与条状硬质合金的顶部依次形成高度差，同时第四排、第三排硬质合金柱齿的顶部与条状硬质合金的顶部依次形成高度差；所述条状硬质合金、硬质合金柱齿周围的顶面与两侧面上固连有耐磨堆焊层。 [0007] 采用上述结构的刀盘，其中心区刀座采用的双刃齿刀，由于刀头顶面至刀体底部的高度增加，使双刃齿刀刀头顶面中部的最高点高出刀盘表面较多，有利于中心部分碴土先行开挖，然后由点及面的依次破损其他部分的碴土，可以减少开挖地层对刀具的冲击性能。两侧面的上部为一外扩的斜面，可以扩大刀头顶面的面积，并减少对下部的磨损。顶面中部的条状合金适宜对碴土的破碎，柱齿合金在对碴土破碎的同时，非常耐磨。上述合金嵌固在顶面内，抗冲击性能好。可使用更高硬度的合金，提高刀头的耐磨损性能。通过合理设置双刃刀头的距离和每个刀头的尺寸，并在刀头顶面增加了硬度更高、耐磨性更好的合金尤其是硬质合金，而且在刀头顶面的条状合金、合金柱齿周围与两侧面上固 连有耐磨堆焊层，刀头前后面固连有网状耐磨堆焊层。使刀头顶面、前后面和侧面的抗磨损性能极大提高，特别适宜对紧密、硬度高的地层的开挖。使其在富水砂卵石地层情况下提高掘进速度，降低掘进成本。
[0008] 更进一步的改进是，所述正面区9#-22#刀座布置单刃齿刀，23#-31#刀座布置双刃滚刀，41#-68#刀座布置小刮刀；所述边缘区32-40#刀座布置双刃滚刀，69#-76#刀座布置边刮刀。
[0009] 上述正面区和边缘区还可以采用另一种结构的刀具布置方式，即正面区10#-14#刀座以及16#-19#刀座布置单刃齿刀，9#、15#、20#-31#刀座布置双刃滚刀，41#-68#刀座布置小刮刀；所述边缘区32-40#刀座布置双刃滚刀，69#-76#刀座布置边刮刀。
[0010] 刀盘内部刀具线速度小，磨损量小，刀盘内侧以齿刀为主，并且单刃齿刀由于在刀头的顶面和侧面增加了硬度更高、耐磨性更好的合金，使刀头顶面和侧面的抗磨损性能极大提高；中间间隔安装双刃滚刀，以便将泥岩挤裂以便齿刀刮削泥岩。而由于刀盘外部位置刀具线速度大，磨损严重，采用耐磨性能高的双刃滚刀。双刃滚刀比单刃型滚刀既耐磨又提高掘进效率，而且由于刃口加宽，使滚刀的抗磨损性能提高，从而提高刀具使用寿命。 [0011] 更进一步的改进是，所述双刃齿刀刀体的高度为277mm；两个刀头外面之间的距离为254mm，两个刀头内面之间的距离为70mm；每个刀头长度为187mm，宽度为92mm；刀头顶面至刀体底部的高度为384-394mm；所述刀头两侧面上部与垂面的斜角为145度。 [0012] 更进一步的改进是，所述双刃齿刀顶面中部沿刀头宽度方向，并排嵌固有3片方条状合金，每片方条状合金宽度为16mm，高度为32mm，其嵌固在顶面内的高度为18mm，每片合金之间的间距为9mm；所述每排硬质合金柱齿包括沿刀 头宽度方向紧密排列的4片合金柱齿，每片合金柱齿的圆柱体直径为23mm，高度为32mm，嵌固在顶面内的高度为21mm。 [0013] 更进一步的改进是，所述单刃齿刀的刀头顶面和侧面嵌焊有硬质合金柱齿；顶面两端部各倾斜嵌焊有一排条状硬质合金，在顶面的硬质合金柱齿和条状硬质合金周围以及侧面的硬质合金柱齿的周围固连耐磨堆焊层。
[0014] 更进一步的改进是，所述顶面硬质合金柱齿为4排，两侧面的硬质合金柱齿各为2排；沿刀头宽度方向，每排硬质合金柱齿由3片硬质合金柱齿组成，每片硬质合金柱齿的高度为32mm，柱齿的直径为18mm；所述顶面两端的条状硬质合金由3片条状合金组成，每片条状硬质合金的高度为32mm，其宽度为15mm。所述刀头前后面固连有网状耐磨堆焊层，堆焊层的高度为125-135mm。
[0015] 更进一步的改进是，所述双刃滚刀的刀体上固连有两圈滚刀，所述滚刀的外径为531.3mm，两圈滚刀的中心距为100mm；刀体心部套连轴承；所述滚刀的刃口沿轴向向两边延伸为一加宽的刃口，所述刃口的宽度为23-27mm。
附图说明
[0016] 本发明将通过实施例并参照附图的方式说明：
[0017] 图1是本发明结构示意图。
[0018] 图2是图1的中心区所用的双刃齿刀的主视图。
[0019] 图3是图2的刀头上部的局部放大图。
[0020] 图4是图2的俯视图。
[0021] 图5是图2的左视图。
[0022] 图6是图1的正面区所用的单刃齿刀的主视图。
[0023] 图7是图6的左视图。
[0024] 图8是图1中的双刃滚刀的主视图。
具体实施方式
[0025] 本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征以外，均可以以任何方式组合。本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
[0026] 实施例1
[0027] 如图1所示的土压平衡盾构机刀盘，刀盘布局可分为中心区、正面区和边缘区。 [0028] 中心区：设置1#-8#刀座，刀座内对应设置双刃齿刀；以刀盘中心为原点，1#-8#双刃齿刀旋转半径分别为120mm，170mm，280mm，340mm，468mm，542mm，628mm，705mm。 [0029] 正面区：以刀盘纵十字线101为中线左右侧(±)45°角条幅内的9#-31#刀座内布置单刃齿刀与双刃滚刀；刀盘纵横(0°，90°)十字线(101，102)条幅靠近槽口处的41#-68#刀座布置小刮刀。以刀盘中心为原点，9#-22#单刃齿刀的旋转半径分别为800mm，
900mm，1000mm，1100mm，1200mm，1300mm，1400mm，1500mm，1600mm，1700mm，1800mm，1900mm，
2000mm，2100mm，23#-31#双刃滚刀的旋转半径分别为2200mm，2300mm，2390mm，2470mm，
2550mm，2610mm，2670mm，2722mm，2782mm。
[0030] 边缘区：其69#-76#刀座布置边刮刀。以刀盘纵十字线为中线左侧(+)30°、45°、60°角条幅内分别布置32#、35#、33#双刃滚刀，中线右侧(-)30°、60°角条幅内分别布置
40#、38#双刃滚刀，以刀盘纵十字线为中线左侧(+)120°、150°角条幅内分别布置37#、
39#双刃滚刀，以刀盘纵十字线为中线右侧(-)120°、150°角条幅内分别布置34#、36#双刃滚刀。以刀盘中心为原 点，32#-40#双刃滚刀旋转半径分别为2841mm，2897mm，2953mm，
3001mm，3047mm，3082mm，3111mm，3130mm，3140mm。
[0031] 实施例2
[0032] 与实施例1不同的是：
[0033] 正面区10#-14#刀座以及16#-19#刀座布置单刃齿刀，9#、15#、20#-31#刀座布置双刃滚刀；
[0034] 边缘区32-40#刀座布置双刃滚刀，69#-76#刀座布置边刮刀。
[0035] 上述实施例1和2所述的双刃齿刀如图2-5所示，其两个刀头122下部通过插销110分别与对应的刀体121紧密配合后焊固，以强化刀头与刀体的连接强度。刀体固连在刀座内。刀体高度H1为277mm。两个刀头的外面111之间的距离B为254mm，其内面124之间的距离B2为70mm；每个刀头长度A为187mm，宽度B1为92mm，刀头顶面112从两侧面
118向中部逐渐隆起形成中间高、两侧低的结构，其刀头顶面中部最高点到刀体底部的高度H为389mm。刀头两侧面118的上部为一外扩的斜面，斜面与垂面的夹角α为145度。顶面中部嵌焊固连有沿刀头宽度方向并排设置的3片方条状硬质合金117，每片方条状合金宽度A3为16mm，高度H2为32mm，其嵌固在顶面内的高度为18mm，每片合金的间距为9mm。
在方条状硬质合金两侧的顶面，倾斜、嵌焊固连有对称分布的4排硬质合金柱齿，其中第一排硬质合金柱齿113与第四排硬质合金柱齿116心部距离A1为180mm，第二排硬质合金柱齿114与第三排硬质合金柱齿115心部的距离A2为86mm。第一排硬质合金柱齿113与第二排硬质合金柱齿114的顶部以及第四排116、第三排硬质合金柱齿115的顶部分别与方条状硬质合金7的顶部依次形成高度差。每排合金柱齿由4片并排、紧密排列的合金柱齿123组成，合金柱齿倾斜的角度与同侧的侧面的斜面斜度相适配。每片合金柱齿的圆 柱体直径D为23mm，高度H3为32mm，嵌固在顶面内的高度为21mm。刀头顶面的硬质合金柱齿、方条状硬质合金的硬度HRA大于86.5。方条状硬质合金、硬质合金柱齿周围的顶面与两侧面上有硬质合金耐磨堆焊层119。刀头内外面(111，124)有网状耐磨堆焊层，其HRC大于60。 [0036] 上述实施例1和2所述的单刃齿刀如图6-7所示，其刀头宽度B20为100mm，刀头上部是一层高度H20为130mm的网状耐磨堆焊层201，刀头顶面嵌焊固连有4排硬质合金柱齿202，刀头两侧面设置有2排硬质合金柱齿202，每排合金柱齿由三片合金柱齿组成，每片柱齿的高度为32mm，柱齿的直径为18mm；刀头顶面两端部各倾斜嵌固有一排条状硬质合金
204，倾斜角度为45度。每排条状硬质合金由三片条状硬质合金组成，每片条状合金的高度为32mm，其宽度为15mm。在顶面的硬质合金柱齿、条状硬质合金周围以及侧面的硬质合金柱齿的周围固连耐磨堆焊层203。刀头前后面205堆焊的网状耐磨堆焊层HRC大于60，硬质合金柱齿、条状硬质合金的硬度HRA大于86.5。
[0037] 上述实施例1和2所述的双刃滚刀，如图8所示，刀体303上固连有两圈滚刀302，滚刀的外径D30为531.3mm，两圈滚刀的中心距B31为100mm。刀体心部套连轴承304，所述两圈滚刀的刃口301沿轴向向两边延伸加宽，刀口的宽度B30为23-27mm，尤其是25mm时较佳。
[0038] 上述实施例1和2所述的单刃齿刀和双刃齿刀中堆焊的耐磨堆焊层以及网状耐磨堆焊层与堆焊基体表面(如刀头顶面、前后面、侧面)的厚度按常规工艺，一般为5-10mm，较佳为6-8mm。
[0039] 申请人建设的成都地铁1号线天府广场站～省体育馆站区间隧道，位于人民南路沿线，道路两侧高楼林立，交通繁忙，道路下市政管线众多，全长4078m，该段区间盾构隧道主要穿越卵石土，盾构顶覆土主要为人工填土、粉细砂、卵 石土，盾构底主要为卵石土、强风化泥岩。穿越的卵石土的比重为19～23kn/m3。地下水位埋深为3.9～9.0m，地层的渗透系数为12～27m/d，全段盾构隧道顶埋深为7.0～14.0m。采用实施例1所述的刀盘刀具配置尤其适宜富水砂卵石地层的掘进，采用实施例2所述的刀盘刀具尤其适宜富水砂卵石及泥岩复合地层的掘进。上述配置提高了盾构掘进速度，由原来的2～3cm/s提高到4～6cm/s；提高了刀具更换距离，每盘刀具跟换从原来的120～150m提高到300～350m；效率高，施工周期短，施工费用低。使掘进速度成倍提高，降低了掘进成本。
[0040] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
