一种盾构机用退刀装置
阅读说明：本技术 一种盾构机用退刀装置 (Cutter retracting device for shield machine ) 是由 胡俊 姚凯 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种盾构机用退刀装置,包括盾构机主体、刀盘、化冰机构、推动机构以及上位机,化冰机构包括圆筒壁、第一旋转电机、化冰管、高温盐水桶以及位移机构,推动机构包括千斤顶、反力机构以及钢垫板,在刀盘发生冻结时,首先将钢垫板安装到洞口周围的土体上,然后将千斤顶连接反力机构和钢垫板,完成推动机构的安装准备,通过位移机构将化冰管向刀盘方向推动,并使化冰管从刀盘的穿行孔中穿出到外部,并使化冰管位于冻结的土体一侧,由高温盐水桶向化冰管中通入高温盐水进行化冰,在化冰的过程中,千斤顶推动盾构机主体后退,实现刀盘退刀,通过化冰和外力脱困相结合的方式,可以减少化冰的时长,防止化冰过度导致洞口坍塌事故。(The invention provides a cutter withdrawing device for a shield machine, which comprises a shield machine main body, a cutter head, an ice melting mechanism, a pushing mechanism and an upper computer, wherein the ice melting mechanism comprises a cylindrical wall, a first rotating motor, an ice melting pipe, a high-temperature brine barrel and a displacement mechanism, the pushing mechanism comprises a jack, a counter-force mechanism and a steel backing plate, when the cutter head is frozen, the steel backing plate is firstly installed on soil around a hole, then the jack is connected with the counter-force mechanism and the steel backing plate to complete the installation preparation of the pushing mechanism, the ice melting pipe is pushed towards the cutter head direction by the displacement mechanism, the ice melting pipe penetrates out of a penetrating hole of the cutter head, the ice melting pipe is positioned at one side of the frozen soil, high-temperature brine is introduced into the ice melting pipe by the high-temperature brine barrel to melt ice, the cutter head is pushed to withdraw by the jack in the ice melting process, the cutter head withdrawal is realized, and the ice melting and the external force removal are combined, the time for melting ice can be reduced, and the accident of cave opening collapse caused by excessive melting ice can be prevented.)
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，特别涉及一种盾构机用退刀装置。
背景技术
盾构隧道端头常用的加固方式有深层搅拌法、高压旋喷法、SMW工法、人工冻结法、注浆法、素混凝土灌注桩法和降水法等，土体加固可以采用一种工法或多种工法相结合的加固手段，在沿海软土地区，特别是盾构隧道端头地层为富含水砂层时，采用常规的化学加固手段很难达到工程要求，在化学加固后探孔时常常会发现有严重漏水漏砂现象，此时，为提高盾构隧道端头土体强度和充分止水，保证盾构进出洞安全，在富含水砂层端头常采用人工冻结法来进行端头土体加固，常规的人工冻结技术有在端头地面打入垂直冻结管实施垂直冻结加固，或在工作井内开挖洞门处打入水平冻结管实施水平冻结加固。
应用冻结法进行加固后，盾构机在切削端头冻土帷幕时，盾构机刀盘很容易被冻住，在冻土帷幕中，通常刀盘停止转动超过20分钟就可能被冻住，而盾构机拼装一环管片的时间一般会超过20分钟，并且一旦盾构机发生故障，一停就是两三个小时，所以盾构机在端头冻土帷幕中刀盘极有可能被冻住。
目前刀盘被冻住后常规的处理措施是对刀盘部分的冻土帷幕进行化冻，这样会造成盾构在端头停止掘进时间过长，而往往这时洞门部分的围护结构(如地下连续墙)已经破除，再加上化冻程度控制不好，过渡化冻会造成洞门涌水、涌砂甚至坍塌，引发安全问题。
发明内容
鉴以此，本发明提出一种盾构机用退刀装置，采用化冻和外力脱困的方式实现退刀，可以缩短退刀使用的时间，避免过度化冰导致洞门坍塌。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种盾构机用退刀装置，包括盾构机主体、刀盘、化冰机构、推动机构以及上位机，所述刀盘设置在盾构机主体掘进方向的前端，所述化冰机构以及上位机设置在盾构机主体内部，所述推动机构设置在盾构机主体外部，用于推动盾构机主体向刀盘的反方向移动；所述推动机构包括千斤顶、反力机构以及钢垫板，所述反力机构对称设置在盾构机主体两侧，其包括水平反力支座以及倾斜反力支座，所述水平反力支座设置在盾构机主体外侧壁中部，所述倾斜反力支座对称设置在水平反力支座上下的盾构机主体外侧壁上，所述钢垫板设置在挖掘洞口外侧的土体上，所述千斤顶设置在钢垫板上，其输出轴与水平反力支座以及倾斜反力支座侧壁连接；所述刀盘外壳上设置有穿行孔，所述穿行孔与盾构机主体内部连通，所述化冰机构包括圆筒壁、化冰管、高温盐水桶以及位移机构，所述圆筒壁与盾构机主体内壁转动连接，所述化冰管设置在圆筒壁端面，所述化冰管位于穿行孔一侧，所述高温盐水桶设置在圆筒壁内侧壁上，其通过水泵与化冰管连接，所述位移机构驱动化冰管沿穿行孔水平方向移动，所述上位机分别与位移机构以及水泵电连接。
优选的，所述化冰机构还包括旋转机构，所述圆筒壁包括同心设置的第一环体以及第二环体，所述第一环体包覆在第二环体外部，其外侧壁与盾构机主体内壁转动连接，所述第二环体外侧壁与第一环体内侧壁滑动连接，所述化冰管设置在第二环体端面，所述高温盐水桶设置在第二环体内侧壁上，所述位移机构驱动第二环体沿着第一环体内侧壁移动，所述旋转机构驱动第一环体和第二环体转动。
优选的，所述第一环体内侧壁设置有滑槽，所述第二环体外侧壁设置有滑块，所述滑块位于滑槽中。
优选的，所述位移机构包括液压杆，所述液压杆设置在第一环体内侧壁上，其输出轴与第二环体连接，所述上位机与液压杆电连接。
优选的，所述盾构机主体内壁设置有环形槽，所述第一环体嵌入到环形槽中。
优选的，所述化冰机构还包括第一旋转电机、套管、伸缩管以及伸缩机构，所述第一旋转电机设置在第二环体侧壁内部，其输出轴伸出到第二环体外部与化冰管连接，所述套管与第二环体端面连接，并套设在化冰管外部，所述套管位于穿行孔一侧，所述伸缩管分布在化冰管外壁上，所述套管上设置有若干供伸缩管伸出的通孔，所述通孔位于伸缩管的转动路径上，所述伸缩机构驱动伸缩管沿着通孔伸缩，所述上位机与伸缩机构以及第一旋转电机电连接。
优选的，所述伸缩管包括波纹伸缩段以及受力段，所述波纹伸缩段一端与化冰管连接，另一端与受力段连接，所述伸缩机构包括金属板、伸缩弹簧以及电磁铁，所述金属板设置在受力段外表面，所述伸缩弹簧连接化冰管外壁以及金属板，所述电磁铁设置在化冰管外表面，并位于金属板一侧，所述上位机与电磁铁电连接。
优选的，所述化冰机构还包括定位机构，所述定位机构包括环形反射面以及红外对管，所述环形反射面设置在刀盘外壳靠近盾构机主体的侧面上，其中心到刀盘中心的距离等于穿行孔中心到刀盘中心的距离，所述红外对管对称设置在套管远离第二环体的一端上，其包括对称设置的红外发射管以及红外接收管，所述红外发射管和红外接收管朝向对方倾斜，所述红外发射管和红外接收管距离套管端面中心的距离相同，所述上位机分别与红外发射管以及红外接收管电连接。
优选的，所述旋转机构包括第二旋转电机、主动齿轮以及齿条，所述齿条设置在第一环体内侧壁上，并呈环形分布，所述第二旋转电机设置在盾构机主体内部，其输出轴与主动齿轮连接，所述主动齿轮与齿条啮合，所述上位机与第二旋转电机电连接。
优选的，所述化冰机构还包括管道系统，所述管道系统包括进水管以及出水管，所述进水管一端与水泵连接，另一端经化冰管内部伸入到伸缩管中，并与受力段内壁连接，所述出水管一端与化冰管连接，另一端与高温盐水桶连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种盾构机用退刀装置，在刀盘发生冻结时，先将钢垫板安装好后，将千斤顶的两端分别与钢垫板和反力支座连接，然后通过位移机构带动化冰管穿过穿行孔，并移动到刀盘的外部，水泵可以将高温盐水输送到化冰管内部，化冰管可以进行热量的传递，使刀盘周围冻结的土体化冰，在化冰的过程中，千斤顶带动盾构机主体后退实现退刀，将化冰以及外力脱困方式结合在一起，可以减少退刀的时间，防止化冰过度导致洞口坍塌等事故的发生，保证盾构挖掘过程可以正常进行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的优选实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种盾构机用退刀装置的结构示意图；
图2为本发明的一种盾构机用退刀装置的内部结构示意图；
图3为本发明的一种盾构机用退刀装置的化冰管与套管的连接结构示意图；
图4为本发明的一种盾构机用退刀装置的红外对管与套管的连接结构示意图；
图中，1为盾构机主体，2为刀盘，3为上位机，4为千斤顶，5为钢垫板，6为水平反力支座，7为倾斜反力支座，8为穿行孔，9为圆筒壁，10为第一旋转电机，11为化冰管，12为高温盐水桶，13为水泵，14为第一环体，15为第二环体，16为滑槽，17为滑块，18为液压杆，19为环形槽，20为套管，21为伸缩管，22为通孔，23为波纹伸缩段，24为受力段，25为金属板，26为伸缩弹簧，27为电磁铁，28为环形反射面，29为红外发射管，30为红外接收管，31为第二旋转电机，32为主动齿轮，33为齿条，34为进水管，35为出水管。
具体实施方式
为了更好理解本发明技术内容，下面提供一具体实施例，并结合附图对本发明做进一步的说明。
参见图1至图4，本发明提供的一种盾构机用退刀装置，包括盾构机主体1、刀盘2、化冰机构、推动机构以及上位机3，所述刀盘2设置在盾构机主体1掘进方向的前端，所述化冰机构以及上位机3设置在盾构机主体1内部，所述推动机构设置在盾构机主体1外部，用于推动盾构机主体1向刀盘2的反方向移动；所述推动机构包括千斤顶4、反力机构以及钢垫板5，所述反力机构对称设置在盾构机主体1两侧，其包括水平反力支座6以及倾斜反力支座7，所述水平反力支座6设置在盾构机主体1外侧壁中部，所述倾斜反力支座7对称设置在水平反力支座6上下的盾构机主体1外侧壁上，所述钢垫板5设置在挖掘洞口外侧的土体上，所述千斤顶4设置在钢垫板5上，其输出轴与水平反力支座6以及倾斜反力支座7侧壁连接；所述刀盘2外壳上设置有穿行孔8，所述穿行孔8与盾构机主体1内部连通，所述化冰机构包括圆筒壁9、化冰管11、高温盐水桶12以及位移机构，所述圆筒壁9与盾构机主体1内壁转动连接，所述化冰管11设置在圆筒壁9端面，所述化冰管11位于穿行孔8一侧，所述高温盐水桶12设置在圆筒壁9内侧壁上，其通过水泵13与化冰管11连接，所述位移机构驱动化冰管11沿穿行孔8水平方向移动，所述上位机3分别与位移机构以及水泵13电连接。
本发明的一种盾构机用退刀装置，用于在盾构机刀盘2发生冻结时进行的应急处理，包括化冰机构和推动机构，在刀盘2发生冻结时，安装好推动机构，然后通过化冰机构对被冻结刀盘2周围的土体进行化冰，在化冰到一定程度后，由推动机构带动盾构机主体1后退，实现刀盘2的退刀，本发明将化冰和外力脱困两种方式结合在一起，不需要对土体进行长时间的化冰，防止洞口发生坍塌事故，保证盾构挖掘可以正常进行。
对于推动机构而言，主要通过千斤顶4来实现，在盾构机主体1的外表面两侧上分别设置反力机构，反力机构包括一块水平反力支座6以及两块倾斜反力支座7，水平反力支座6与水平线平行设置，倾斜反力支座7位于水平反力支座6上下侧，并与水平反力支座6形成30度夹角，在挖掘的洞口周围土体上安装好钢垫板5后，将千斤顶4设置的钢垫板5上，其输出轴与水平反力支座6以及倾斜反力支座7连接，即千斤顶4的数量为为6个，通过千斤顶4的推动作用可以带动盾构机主体1以及刀盘2整体后退，实现退刀，对于千斤顶4而言，采用液压驱动方式，在盾构机主体1内设置了液压站，上位机3通过对液压站的控制来实现千斤顶4的驱动控制。
对于化冰机构而言，其包括圆筒壁9，圆筒壁9设置在盾构机主体1内部，作为化冰管11的承载机构，在刀盘2发生冻结时，工作人员在盾构机主体1内部通过上位机3控制位移机构带动化冰管11向刀盘2方向移动，在刀盘2上设置了穿行孔8，化冰管11在移动的过程中会从穿行孔8中穿出到外部，并位于冻结的土体一侧，此时通过控制水泵13将高温盐水桶12中的高温盐水输送到化冰管11中，实现对土体的化冰，在解冻化冰的过程中，通过推动机构可以带动盾构机主体1的后退。
优选的，所述化冰机构还包括旋转机构，所述圆筒壁9包括同心设置的第一环体14以及第二环体15，所述第一环体14包覆在第二环体15外部，其外侧壁与盾构机主体1内壁转动连接，所述第二环体15外侧壁与第一环体14内侧壁滑动连接，所述化冰管11设置在第二环体15端面，所述高温盐水桶12设置在第二环体15内侧壁上，所述位移机构驱动第二环体15沿着第一环体14内侧壁移动，所述旋转机构驱动第一环体14和第二环体15转动。
将圆筒壁9分成两个环体，其中第一环体14用于进行旋转运动，第二环体15用于进行直线运动，由于盾构机在发生冻结时具有随机性，其上设置的穿行孔8的位置是随机的，因此需要调节化冰管11的位置，将化冰管11设置在第二环体15端面上后，带动第一环体14以及第二环体15整体旋转，使化冰管11与穿行孔8相对后，通过位移机构带动第二环体15进行直线运动，使化冰管11从穿行孔8中穿过。
优选的，所述第一环体14内侧壁设置有滑槽16，所述第二环体15外侧壁设置有滑块17，所述滑块17位于滑槽16中。
位移机构驱动第二环体15做直线运动时，滑块17可以沿着滑槽16进行滑动，同时在驱动第一环体14旋转时，由于滑块17设置在滑槽16中，第一环体14会带动第二环体15发生同步旋转。
优选的，所述位移机构包括液压杆18，所述液压杆18设置在第一环体14内侧壁上，其输出轴与第二环体15连接，所述上位机3与液压杆18电连接。
所设置的液压杆18可以推动第二环体15进行直线运动。
优选的，所述盾构机主体1内壁设置有环形槽19，所述第一环体14嵌入到环形槽19中。
通过环形槽19的设置可以使第一环体14与盾构机主体1内壁紧密接触，方便旋转机构带动第一环体14和第二环体15旋转。
优选的，所述化冰机构还包括第一旋转电机10、套管20、伸缩管21以及伸缩机构，所述第一旋转电机10设置在第二环体15侧壁内部，其输出轴伸出到第二环体15外部与化冰管11连接，所述套管20与第二环体15端面连接，并套设在化冰管11外部，所述套管20位于穿行孔8一侧，所述伸缩管21分布在化冰管11外壁上，所述套管20上设置有若干供伸缩管21伸出的通孔22，所述通孔22位于伸缩管21的转动路径上，所述伸缩机构驱动伸缩管21沿着通孔22伸缩，所述上位机3与伸缩机构以及第一旋转电机10电连接。
为提高化冰的效率，本发明在化冰管11外壁上设置有若干伸缩管21，伸缩管21初始状态下通过伸缩机构收纳在套管20内部，当需要进行化冰时，首先将套管20以及化冰管11穿过穿行孔8移动到刀盘2外部后，通过上位机3驱动第一旋转电机10带动化冰管11旋转，使伸缩管21转动到通孔22的位置处后，通过伸缩机构带动伸缩管21从通孔22伸出到套管20外部，高温盐水可以流入到化冰管11以及伸缩管21中，提高化冰的效率。
优选的，所述伸缩管21包括波纹伸缩段23以及受力段24，所述波纹伸缩段23一端与化冰管11连接，另一端与受力段24连接，所述伸缩机构包括金属板25、伸缩弹簧26以及电磁铁27，所述金属板25设置在受力段24外表面，所述伸缩弹簧26连接化冰管11外壁以及金属板25，所述电磁铁27设置在化冰管11外表面，并位于金属板25一侧，所述上位机3与电磁铁27电连接。
初始状态下，伸缩管21收纳在套管20内部，电磁铁27不通电，套管20内壁对伸缩管21进行抵接，当需要进行化冰时，第一旋转电机10可以带动化冰管11转动，使伸缩管21转动到通孔22处，在伸缩弹簧26的作用下，带动金属板25以及受力段24从通孔22处移动到套管20外部，并使波纹伸缩段23被拉长，当化冰完成后，通过上位机3控制电磁铁27通电，电磁铁27对金属板25进行磁吸，使受力段24从通孔22处移动到套管20内部，同时使波纹伸缩段23收缩，然后驱动第一旋转电机10带动化冰管11旋转，使伸缩管21离开通孔22处，完成伸缩管21的收纳，然后切断电磁铁27的供电，避免持续供电造成电能浪费，为保证电磁铁27的磁吸不对伸缩弹簧26造成影响，本发明的伸缩弹簧6选用非金属材料来制成，伸缩弹簧6的弹力小于电磁铁27的磁力。
优选的，所述化冰机构还包括定位机构，所述定位机构包括环形反射面28以及红外对管，所述环形反射面28设置在刀盘2外壳靠近盾构机主体1的侧面上，其中心到刀盘2中心的距离等于穿行孔8中心到刀盘2中心的距离，所述红外对管对称设置在套管20远离第二环体15的一端上，其包括对称设置的红外发射管29以及红外接收管30，所述红外发射管29和红外接收管30朝向对方倾斜，所述红外发射管29和红外接收管30距离套管20端面中心的距离相同，所述上位机3分别与红外发射管29以及红外接收管30电连接。
由于刀盘2的冻结是随机的，因此在进行化冰时，需要保证化冰管11与穿行孔8相对才可以实现化冰管11的移动，为此，本发明设置了定位机构，定位机构包括环形反射面28，环形反射面28设置在刀盘2侧壁上，其与通孔22位于同一圆周上，同时在每个套管20的端部设置了两组红外对管，红外对管位于套管20端部的边缘处，且对称设置，每一组红外对管包括红外发射管29和红外接收管30，所有的红外发射管29和红外接收管30均位于同一圆周上，当旋转机构带动第一环体14和第二环体15转动时，红外对管也会同步发生转动，当套管20未与穿行孔8对准时，红外发射管29发出的红外光经环形反射面28发射后被红外接收管30接收，此时判断为套管20未与穿行孔8对准，只有当套管20与穿行孔8对准时，红外发射管29发出的光会直接穿过穿行孔8而不被红外接收管30接收，并且只有两侧的红外对管均不被触发时，才可以判断为套管20与穿行孔8相对，此时可以通过液压杆18带动第二环体15进行移动，并使套管20穿过穿行槽。
优选的，所述旋转机构包括第二旋转电机31、主动齿轮32以及齿条33，所述齿条33设置在第一环体14内侧壁上，并呈环形分布，所述第二旋转电机31设置在盾构机主体1内部，其输出轴与主动齿轮32连接，所述主动齿轮32与齿条33啮合，所述上位机3与第二旋转电机31电连接。
在带动第一环体14和第二环体15旋转时，第二旋转电机31通过带动主动齿轮32转动，使主动齿轮32带动第一环体14旋转，从而第一环体14可以带动第二环体15转动。
优选的，所述化冰机构还包括管道系统，所述管道系统包括进水管34以及出水管35，所述进水管34一端与水泵13连接，另一端经化冰管11内部伸入到伸缩管21中，并与受力段24内壁连接，所述出水管35一端与化冰管11连接，另一端与高温盐水桶12连接。
高温盐水通过水泵13泵入到进水管34内，并输送到伸缩管21中，然后从伸缩管21中流出到化冰管11内部，并经出水管35重新回流到高温盐水桶12中，实现盐水的循环利用，将进水管34的一端固定在受力段24内壁上，进水管34可以跟随受力段24进行伸缩移动，保证高温盐水可以输送到受力段后再回流到化冰管11中。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。