水刀掘進式盾構(gòu)機的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及高壓水射流切割（以下簡稱水刀)技術(shù)及盾構(gòu)技術(shù)，具體而言，是將水 刀與盾構(gòu)機組合發(fā)明創(chuàng)造的一種利用水刀部分替換傳統(tǒng)合金刀具，切割隧道、礦山建設(shè)過 程中可能遇到的硬巖或不均勻地層，以減少磨損從而降低成本，并綜合利用掘進施工地層 所抽取地下水和掘進過程所產(chǎn)生廢渣的盾構(gòu)機。
【背景技術(shù)】
[0002] 用現(xiàn)有盾構(gòu)刀具施工時，會遇到各種復(fù)雜地層。均一硬巖地層只需滾刀，但地層不 均勻時必須安裝切刀，切刀在破硬巖過程中幾乎沒有作用，由于貫入角度和高度差的原因， 產(chǎn)生瞬間沖擊荷載，切刀會被磨平甚至崩斷。在巨礫地層中，有些礫石層中既有硬巖又有軟 巖，所以刀盤必須配備切刀和先行刀以對應(yīng)非硬巖的需要。同理，在軟巖和軟土地情況下， 本不需安裝滾刀，但在由于可能存在硬巖礫石，又必須安裝滾刀，導(dǎo)致滾刀嚴重損壞，失去 破巖功能。因此亟需一種減少刀具磨損的技術(shù)改進方案。
[0003] 當前，我國的水刀與盾構(gòu)技術(shù)日臻成熟。但由于現(xiàn)有土壓平衡、泥水平衡盾構(gòu)技術(shù) 建設(shè)成本高昂，如北京地鐵采用土壓平衡盾構(gòu)法施工的隧道區(qū)間，平均每建設(shè)一千米地鐵 隧道需要耗費約16億元人民幣。且傳統(tǒng)盾構(gòu)施工前必須大量抽取地下水，不但浪費嚴重，而 且增大了地表沉降的風(fēng)險。因此，必須設(shè)計一系列減少磨損，減少浪費，減少次生災(zāi)害風(fēng)險， 來降低盾構(gòu)技術(shù)成本的方案。
[0004] 若遇到巖溶發(fā)育區(qū)，則傳統(tǒng)的土壓平衡、泥水平衡盾構(gòu)技術(shù)涉及的盾構(gòu)機容易受 到突水事故的威脅，如宜萬鐵路施工時的一次巖溶突水事故，不但將盾構(gòu)機等設(shè)備大部分 沖毀，而且將原先敷設(shè)的隧道盾片及鐵軌全部沖毀，因此亟須一種減少突水事故的威脅的 盾構(gòu)方案，以及改進的盾構(gòu)機。
[0005] 當前僅有手掘式盾構(gòu)技術(shù)等機械化程度較低的盾構(gòu)技術(shù)運用于采礦，和傳統(tǒng)采礦 一樣會在地下留下巨大空間。與現(xiàn)有無底柱崩落法噴漿的采空區(qū)不同，機械化的盾構(gòu)技術(shù) 留下的空間是相對穩(wěn)定的，因此可以將采空部分建設(shè)礦井避難所，或者地下倉庫、人防設(shè) 施、地下居住場所、地下實驗室等，實現(xiàn)空間綜合利用。同時，機械化的盾構(gòu)技術(shù)等效于將盾 片構(gòu)成的空心筒間的礦石以近似78.5%的比例取出，可以獲取較無底柱崩落法等技術(shù)更多 且分選更好的礦石，減少炸藥使用。另外，寶玉石礦產(chǎn)開采的礦石塊度越大價值越高，需要 盡量保持礦石的完整性，必須盡量避免使用炸藥，而當前使用的礦山法使用炸藥較多，使用 盾構(gòu)技術(shù)無炸藥開采尚無先例。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明目的在于提供一種減少地下水浪費、刀具磨損、綜合利用廢渣，以降低成本 的盾構(gòu)機。此盾構(gòu)機的應(yīng)用范圍也應(yīng)較原有盾構(gòu)機更為廣泛，如應(yīng)用于巖溶區(qū)的隧道建設(shè)， 減少突水風(fēng)險;應(yīng)用于礦山開采，以減少礦山熱害、透水事故風(fēng)險，提高回采率與礦石質(zhì)量。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供水刀掘進式盾構(gòu)機，即一種采用水刀掘進的盾構(gòu)機， 基本組成包括:掘進設(shè)備，其特征在于將現(xiàn)有盾構(gòu)機部分或全部合金刀具替換為水刀，置于 盾構(gòu)機最前端;環(huán)形(或外壁)保持設(shè)備，其特征在于截面形狀和所需隧道外壁形狀相同，呈 短管狀，與已有盾構(gòu)機的環(huán)形保持裝置相比增設(shè)縱向的千斤頂和防突水擋板槽，具有保持 隧道形狀穩(wěn)定、拼裝板片、固定和保護掘進設(shè)備的作用；砂水循環(huán)利用設(shè)備，抽取盾構(gòu)機掘 進過程中產(chǎn)生的巖肩、渣土和地層下滲的地下水，經(jīng)分選后，抽取的地下水被掘進設(shè)備的水 刀再利用，抽取的巖肩、渣土一部分作為加砂水刀的磨砂再利用，一部分與混凝土混合作為 盾構(gòu)的板片原料;運載設(shè)備，包括軌道、牽引機械、切割設(shè)備，拖曳、切斷、運移切下的巖石圓 柱，并運載所需的其它設(shè)備就位；
[0008] 控制室，控制盾構(gòu)機各部分的運動，收集并處理傳感器數(shù)據(jù)，為人員提供安全工作 的空間。
[0009] 優(yōu)選地，所述的水刀掘進式盾構(gòu)機，其掘進設(shè)備包括:水刀，替代原有盾構(gòu)機的部 分或全部合金刀具，當巖石不均勻、較硬或易產(chǎn)生有害粉塵時使用，每個水刀有獨立的傳感 器并可被單獨控制，可拆卸替換;合金刀具，部分或全部被水刀替代，當巖石均勻且較軟(小 于200Mpa)時使用；刀環(huán)，分為轉(zhuǎn)動型和非轉(zhuǎn)動型兩種，圓環(huán)形盾構(gòu)采用轉(zhuǎn)動型，異形盾構(gòu)采 用非轉(zhuǎn)動型;水刀探頭，所述水刀探頭為前端具有水刀，后端具有壓力傳感器的可伸縮的金 屬桿，位于巖石圓柱底面圓心或刀環(huán)的幾何中心向盾構(gòu)機前進方向推進;傳感器，以通過壓 敏電阻、熱敏電阻、電極的電流變化反映其位置的壓力、溫度、地下水溶解鹽類濃度等性質(zhì) 變化;推進裝置，由控制室控制的多個水平、斜向方向的千斤頂組成，每個千斤頂相互獨立；
[0010] 切斷裝置，所述切斷裝置包括刀盤、傳送帶、垂直千斤頂，破碎、切割、運送巖石圓 柱離開掌子面；
[0011] 底座，所述底座沿隧道內(nèi)軌道前端切線方向，至少包括兩根相互平行的狹長組件， 引導(dǎo)軌道敷設(shè)。
[0012] 優(yōu)選地，其中掘進設(shè)備特征在于:所述掘進設(shè)備截面形狀和所需隧道外壁形狀相 同，將原有盾構(gòu)機的刀盤變換為刀環(huán)，或與異形盾構(gòu)的隧道外壁形狀的閉合環(huán)形，即刀具分 布于閉合環(huán)形平面區(qū)域，掘進時只直接破碎巖石（圓）柱側(cè)面的巖石。
[0013] 優(yōu)選地，其中環(huán)形(或外壁)保持設(shè)備特征在于:所述環(huán)形(或外壁)保持裝置為圓 筒形或異形，其中圓筒形者可繞軸轉(zhuǎn)動，軸的投影位于環(huán)形保持裝置的圓心，與水刀探頭共 處一條直線，采用六角、八角或十二角放射形支架連接轉(zhuǎn)軸中心或環(huán)形保持裝置圓形截面 三個三等分點進行轉(zhuǎn)動，支架與巖石圓柱之間用可向前進方向后端折疊的擋板隔開，其推 進器為均勻分布的液壓千斤頂，置于環(huán)形保持裝置外圍后端，筒形環(huán)形保持裝置內(nèi)壁具有 環(huán)形的垂直于掘進方向的凹槽，異形環(huán)形保持裝置內(nèi)壁具有垂直于掘進方向的兩條凹槽， 凹槽前端具有攪拌器與抽泥栗，用于攪拌地下水和泥漿并通過抽水抽砂管導(dǎo)向砂水循環(huán)利 用設(shè)備的沉淀槽。
[0014] 優(yōu)選地，其中切斷裝置特征在于:所述切斷裝置為切斷或分割巖石圓柱的裝置，其 位于環(huán)形保持裝置豎直下方的并牌兩列共底座的垂直千斤頂，以及巖石圓柱后方的刀盤； 可憑借垂直千斤頂?shù)纳?，利用巖石圓柱自身重力使之自行斷裂，或憑借巖石圓柱后方的 刀盤直接切削。
[0015] 優(yōu)選地，其中砂水循環(huán)利用設(shè)備特征在于：
[0016] 所述砂水循環(huán)利用設(shè)備包括：
[0017] 攪拌器，在刀環(huán)底端被動攪拌盾構(gòu)機掘進過程中產(chǎn)生的巖肩、渣土和地層下滲的 地下水；
[0018] 抽泥栗，所述抽泥栗連通抽水抽砂管，為抽取盾構(gòu)機掘進過程中產(chǎn)生的巖肩、渣土 和地層下滲的地下水提供動力；
[0019] 抽水抽砂管，所述抽水抽砂管為抽取盾構(gòu)機掘進過程中產(chǎn)生的巖肩、渣土和地層 下滲的地下水過程中的通道；
[0020] 過濾網(wǎng)，所述過濾網(wǎng)為具孔的雙層傳送帶，篩孔單向可變，截面瓣膜狀，選取'Ο-? 50 目的 巖石碎 肩送入沉淀槽 ，其至少兩個傳動滾筒旋轉(zhuǎn)軸互相平行， 傾斜于水平面放置， 當過濾網(wǎng)的傳動滾筒為兩個大小不等的傳動滾筒時，遠離掘進端的傳動滾筒半徑大于另一 傳動滾筒半徑的3倍，當過濾網(wǎng)的傳動滾筒為三個大小相等的傳動滾筒時，較遠離掘進端的 兩個傳動滾筒所夾斜面與水平面夾角為銳角，當過濾網(wǎng)的傳動滾筒為三個大小相等的傳動 滾筒時，較遠離掘進端的三個傳動滾筒所夾兩個斜面與過濾網(wǎng)其他部分閉合夾成燕尾形， 兩個斜面較低者與水平面夾角為銳角，較高者夾角為鈍角；
[0021] 沉淀槽，所述沉淀槽浸沒過濾網(wǎng)的部分分為三層，與未浸沒過濾網(wǎng)的部分以具漏 斗狀連通管的擋板隔開，分層部分上層中層暫存加砂水刀所需的水與砂，并浸沒過濾網(wǎng)，下 層暫存污泥；
[0022] 加壓艙，所述加壓艙同時屬于加壓設(shè)備，將沉淀槽內(nèi)的上清液與經(jīng)過濾網(wǎng)的巖石 碎肩分離地加壓，并送入加砂水刀執(zhí)行射流；
[0023] 排渣口，所述排渣口位于沉淀槽底端過濾網(wǎng)傾斜向下一側(cè)的底面或豎直側(cè)面，大 小可調(diào)節(jié)，以排出顆粒過小的污泥與顆粒過大的礫石。
[0024] 優(yōu)選地，其中運載設(shè)備特征在于:所述運載設(shè)備放置于軌道上的部分，由雙層盤形 可轉(zhuǎn)動機車平臺牽引和運載;上盤與下盤間以至少六根水平和豎直方向的等大插銷固定， 插銷插入后憑借螺母與插銷一端的螺絲擰緊固定;