阅读说明：本技术 一种能有效减小围岩扰动的盾头系统 (Shield head system capable of effectively reducing surrounding rock disturbance ) 是由 朱思宇 于洋 赵祥岍 陈定超 韩雨珩 陈成 卢建飞 于 2020-07-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种能有效减小围岩扰动的盾头系统,进行掘进时通过压力检测装置将实时检测的地应力反馈给地面控制系统,同时GIS定位系统对盾构机的实时位置进行定位,并将定位数据反馈给地面控制系统,地面控制系统将实时定位数据结合实时地应力数据对两个气囊进行校准调整,进而通过两个气囊实时调整盾构机的推进动力,使盾构机保持稳定的推进速度；另外防水浆液通过注浆孔排放至盾壳Ⅰ和盾壳Ⅱ连接处,此时渣土与防水浆液接触混合形成渣土防水混合物,并经过盾壳Ⅱ外部对其进行挤压,使其压实固定在盾构机掘进后形成的隧道采空区表面；从而提高了隧道采空区表面的土体强度及防水处理,达到了防止地表沉降的效果,并且平整了帮面及减少了渗水路径。(The invention discloses a shield head system capable of effectively reducing surrounding rock disturbance, wherein ground stress detected in real time is fed back to a ground control system through a pressure detection device during tunneling, a GIS positioning system positions the real-time position of a shield machine and feeds back positioning data to the ground control system, the ground control system combines the real-time positioning data with the real-time ground stress data to calibrate and adjust two air bags, and then the propelling power of the shield machine is adjusted in real time through the two air bags, so that the shield machine keeps stable propelling speed; in addition, the waterproof slurry is discharged to the joint of the shield shell I and the shield shell II through the grouting holes, the muck and the waterproof slurry are contacted and mixed to form a muck waterproof mixture, and the muck waterproof mixture is extruded outside the shield shell II to be compacted and fixed on the surface of a tunnel goaf formed after the shield machine tunnels; therefore, the strength and the waterproof treatment of the soil body on the surface of the tunnel goaf are improved, the effect of preventing the ground surface from settling is achieved, the upper surface is leveled, and the water seepage path is reduced.)

一种能有效减小围岩扰动的盾头系统

技术领域

本发明涉及一种盾头系统，具体是一种能有效减小围岩扰动的盾头系统。

背景技术

目前通过提高地下空间的利用程度，能有效缓解地面交通拥堵等情况。在对地下空间进行施工的过程中，由于受到施工场地、道路交通等城市环境因素的限制，传统的施工方法难以普遍适用。考虑到用盾构机进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等特点。基于上述优点，目前盾构机已经广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。但是由于普通盾构机刀盘在掘进过程中会对管片周围土体产生较大的扰动，从而导致其发生地表降沉；现有的壳外注浆技术通过注浆混合渣土，能提高隧道支护强度；但是其需要在盾构机掘进后再进行处理，导致效率较低；目前还没有一种盾头系统能在盾构机掘进过程中进行注浆，使防水浆液和掘进过程中产生的部分渣土在盾壳外搅拌混合挤压后在管片外形成一层防水层，既能提高隧道支护结构的防水能力，也能减少施工过程中向地表运输的渣土量，从而减小对周围岩体的扰动情况，因此该盾头系统是本行业的研究方向。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种能有效减小围岩扰动的盾头系统，能在盾构机掘进过程中进行注浆，既能提高隧道支护结构的防水能力，防止地表沉降；也能减少施工过程中向地表运输的渣土量，降低施工成本，并保护生态环境。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种能有效减小围岩扰动的盾头系统，包括刀盘总体、盾壳Ⅰ、盾壳Ⅱ、壳外注浆管、压力检测装置和输送主管，所述刀盘总体装在盾壳Ⅰ的前端，盾壳Ⅰ的后端与盾壳Ⅱ的前端同轴固定连接；

所述刀盘总体包括一次开挖面、切割面和二次开挖面，所述一次开挖面和二次开挖面相互平行，一次开挖面和二次开挖面均为圆环形、且二次开挖面的圆环外径小于一次开挖面的圆环内径；一次开挖面的外沿设有进土口，且使进土口处于盾壳Ⅰ外部；切割面设置在一次开挖面和二次开挖面之间，所述切割面为两端开口的圆锥形，切割面的大端口与一次开挖面的圆环内壁活动连接，切割面的小端口与二次开挖面的圆环外沿活动连接；所述切割面上装有多个切刀；

所述压力检测装置包括两个气囊和气囊式驱动，气囊式驱动固定在刀盘总体后部，两个气囊对称固定在气囊式驱动；两个气囊与气囊式驱动相配合用于检测盾头前方的地应力；

所述盾壳Ⅰ的后端与盾壳Ⅱ的前端连接处设有一圈注浆孔，各个注浆孔之间的孔距相等，输送主管和多个壳外注浆管设置在盾壳Ⅱ内，壳外注浆管的数量与注浆孔相同，多个壳外注浆管一端均与输送主管连通，多个壳外注浆管另一端分别与各个注浆孔连通，用于向壳外输出防水浆液。

进一步，还包括地面控制系统和GIS定位系统，GIS定位系统设置在盾头内，压力检测装置和GIS定位系统均与地面控制系统连接。

进一步，所述一次开挖面占刀盘总体面积的50％～70％。

进一步，所述各个注浆孔之间的孔距为5cm；各个注浆孔的孔径为3cm。

进一步，所述多个切刀在切割面上倾斜设置，且倾斜角度呈顺时针15°～30°。

进一步，所述切割面的深度为0.8m～1.1m。

与现有技术相比，本发明采用刀盘总体、盾壳Ⅰ、盾壳Ⅱ、壳外注浆管、压力检测装置和输送主管相结合方式，进行掘进时通过压力检测装置对盾头前方的地应力进行实时检测，压力检测装置将实时检测的地应力反馈给地面控制系统，同时GIS定位系统对盾构机的实时位置进行定位，并将定位数据反馈给地面控制系统，地面控制系统将实时定位数据结合实时地应力数据对两个气囊进行校准调整，进而通过两个气囊实时调整盾构机的推进动力，使盾构机保持稳定的推进速度；在掘进过程中，使渣土通过进土口达到盾壳Ⅰ和盾壳Ⅱ外部，防水浆液通过注浆孔排放至盾壳Ⅰ和盾壳Ⅱ连接处，此时渣土与防水浆液接触混合，并且两者搅拌混合形成渣土防水混合物进入盾壳Ⅱ外部，盾壳Ⅱ外部对渣土防水混合物进行挤压，使其压实固定在盾构机掘进后形成的隧道采空区表面；提高了隧道采空区表面的土体强度，从而实现在安装管片前，在隧道掘进同时进行初步支护与防水，达到了防止地表沉降的效果，减小对周围岩体的扰动情况，并且平整了帮面，使帮面与管片外壁紧密贴合，并减少了渗水路径；同时采用渣土进行防水固定，也减少了施工过程中向地表运输的渣土量，降低施工成本，并保护生态环境。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中气囊和气囊式驱动的结构示意图。

图中：1、刀盘总体，2、气囊式驱动，3、壳外注浆管，4、气囊，5、一次开挖面，6、二次开挖面，7、输送主管，8、注浆孔，9、进土口，10、切割面。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，本发明包括刀盘总体1、盾壳Ⅰ、盾壳Ⅱ、壳外注浆管3、压力检测装置和输送主管7，所述刀盘总体1装在盾壳Ⅰ的前端，盾壳Ⅰ的后端与盾壳Ⅱ的前端同轴固定连接；

所述刀盘总体1包括一次开挖面5、切割面10和二次开挖面6，所述一次开挖面5和二次开挖面6相互平行，一次开挖面5和二次开挖面6均为圆环形、且二次开挖面6的圆环外径小于一次开挖面5的圆环内径；一次开挖面5的外沿设有进土口9，且使进土口9处于盾壳Ⅰ外部；切割面10设置在一次开挖面5和二次开挖面6之间，所述切割面10为两端开口的圆锥形，切割面10的大端口与一次开挖面5的圆环内壁活动连接，切割面10的小端口与二次开挖面6的圆环外沿活动连接；所述切割面10上装有多个切刀；

所述压力检测装置包括两个气囊4和气囊式驱动2，气囊式驱动2固定在刀盘总体1后部，两个气囊4对称固定在气囊式驱动2；两个气囊4与气囊式驱动2相配合用于检测盾头前方的地应力，进而根据地应力调整盾构机的推进动力；

所述盾壳Ⅰ的后端与盾壳Ⅱ的前端连接处设有一圈注浆孔8，各个注浆孔8之间的孔距相等，输送主管7和多个壳外注浆管3设置在盾壳Ⅱ内，壳外注浆管3的数量与注浆孔8相同，多个壳外注浆管3一端均与输送主管7连通，多个壳外注浆管3另一端分别与各个注浆孔8连通，用于向壳外输出防水浆液。

进一步，还包括地面控制系统和GIS定位系统，GIS定位系统设置在盾头内，压力检测装置和GIS定位系统均与地面控制系统连接。

进一步，所述一次开挖面5占刀盘总体1面积的50％～70％；所述多个切刀在切割面10上倾斜设置，且倾斜角度呈顺时针15°～30°；所述切割面10的深度为0.8m～1.1m。采用这种结构设置在盾构机进行掘进时能将岩土中心体保留，保证中部核心土对盾顶土体的支撑，减少外侧环境对盾构机外表损坏，又可减少工作推进阻力。

进一步，所述各个注浆孔8之间的孔距为5cm；各个注浆孔8的孔径为3cm。采用这种尺寸最佳，如果注浆孔8的孔距过大则无法起到搅拌渣土与防水浆液混合充分，注浆孔8的孔距过小则影响渣土通过；且孔径需要与盾构机出入量相匹配。

将本发明安装到盾构机上，且使一次开挖面5处于盾构机最前方(最外侧)，在盾构机掘进过程中，一次开挖面5接触土体，周围受到压力，通过二次开挖面6传到压力检测装置，压力检测装置中的气囊4和气囊式驱动2相配合用于检测盾头前方的地应力，压力检测装置将实时检测的地应力反馈给地面控制系统，同时GIS定位系统对盾构机的实时位置进行定位，并将定位数据反馈给地面控制系统，地面控制系统将实时定位数据结合实时地应力数据对两个气囊进行校准调整，进而通过两个气囊实时调整盾构机的推进动力；如地应力较大，则增大盾构机的推进动力，如地应力较小，则降低盾构机的推进动力，使得盾构机能在掘进过程中速度保持稳定；在隧道掘进过程中，盾头开挖形成的渣土从进土口9进入盾壳Ⅰ外部与周围岩土体之间，并随着掘进的进行，渣土向盾壳Ⅱ外部移动，同时从输送主管7端部向内部注入防水浆液，防水浆液分别通过各个壳外注浆管3从各个注浆孔8排出，然后当在渣土到达盾壳Ⅰ和盾壳Ⅱ的连接处时，渣土与防水浆液接触混合，并且随着盾头继续掘进旋转，使得两者搅拌混合后进入盾壳Ⅱ外部，盾壳Ⅱ外部对渣土浆液混合物进行挤压，使其压实固定在盾构机掘进后形成的隧道采空区表面；提高了隧道采空区表面的土体强度，从而实现在安装管片前，在隧道掘进同时进行初步支护与防水，达到了防止地表沉降的效果，并且平整了帮面，使帮面与管片外壁紧密贴合，并减少了渗水路径；同时采用渣土进行防水固定，也减少了施工过程中向地表运输的渣土量，降低施工成本，并保护生态环境。