[发明专利]砂卵石地层盾构楔犁刀及其设计方法

说明书

本发明公开了一种砂卵石地层盾构楔犁刀及其设计方法。楔犁刀包括刀刃和刀身，以及刀刃耐磨合金块和刀身耐磨合金块；刀刃为哑铃型结构；刀刃耐磨合金块包括在左右两端部对称布置的第一刀刃硬质合金块，以及在中间部刀刃母材左右两侧对称布置的第二刀刃硬质合金块；刀身为梯形结构；刀身耐磨合金块包括在梯形结构前后以及左右对称布置的多块第一刀身硬质合金块、第二刀身硬质合金块。本发明通过对砂卵石地层盾构楔犁刀刀刃及其合金块、刀身及其合金块进行设计，使其在保持常规楔犁刀具切削地层能力、耐摩擦能力、耐冲击能力的前提下，显著降低刀具切削阻力，提高刀具侧面的耐摩擦能力，可降低掘进能耗，延长刀具在砂卵石地层中的使用寿命。

技术领域

本发明涉及盾构施工技术领域，尤其是盾构施工中的刀盘刀具设计，具体是一种砂卵石地层盾构楔犁刀及其设计方法。

背景技术

盾构法因其开挖速度快、安全性高、对地面交通影响小等优势而普遍应用，已经成为我国城市地铁区间隧道建设的主要方法，在地铁隧道中使用占比越来越高。砂卵石地层在北京、沈阳、兰州、成都等地区分布较广，盾构在砂卵石地层掘进，刀具磨损十分严重，盾构技术面临巨大挑战。

现有针对刀具切削地层的研究多为刮刀切削软土地层或滚刀破岩，而砂卵石地层具有磨蚀性强及离散型强的特点，刮刀、滚刀这两种刀具在这种特殊地层中并不适用。实际工程中，砂卵石地层盾构所使用的刀具通常为先行刀及刮刀组合布置，专利：一种基于楔犁刀松动剥落砂卵石地层的盾构优化设计方法ZL202111248986.0及专利：一种盾构刀具的三维大梯次空间布置方法ZL202111248977.1给出了楔犁刀楔犁松动砂卵石地层的受力计算方法及其梯次布置方法，但其刀具形状与常用先行刀基本一致，采用此种刀具掘进，虽然可以克服磨损大的问题，但盾构推进能耗大。

因此需要研发一种新型的楔犁刀结构及设计方法，保证切削效率及使用寿命，降低能耗。

发明内容

为解决上述问题，本发明首先提出一种砂卵石地层盾构楔犁刀及其设计方法，通过对刀刃形状、刀刃合金块、刀身形状、刀身合金块进行特殊设计，使其在保持常规楔犁刀具切削地层能力、耐摩擦能力、耐冲击能力的前提下，显著降低刀具切削阻力，提高刀具侧面的耐摩擦能力，可降低掘进能耗，延长刀具在砂卵石地层中的使用寿命。

本发明是这样实现的：

本发明首先提供一种砂卵石地层盾构楔犁刀，包括刀刃和刀身，以及刀刃耐磨合金块和刀身耐磨合金块，其中：

所述刀刃为哑铃型结构，具有左右两端部和中间部，左右两端部厚度相同且大于中间部厚度，中间部为刀刃母材；

所述刀刃耐磨合金块包括在哑铃型结构左右两端部对称布置的两块第一刀刃硬质合金块，以及在中间部刀刃母材左右两侧对称布置的两块第二刀刃硬质合金块；

所述刀身为梯形结构，刀身与刀刃连接处宽度大于刀刃宽度，刀身与刀盘连接处宽度大于刀身与刀刃连接处宽度；

所述刀身耐磨合金块包括在梯形结构前后对称布置的多块第一刀身硬质合金块，以及在梯形结构左右对称布置的两块第二刀身硬质合金块。

在一些实施例中，所述刀刃左右两端部厚度为60mm~70mm，中间部厚度为30mm~40mm，所述第一刀刃硬质合金块宽度为30mm~45mm，前后两侧均倒30°~40°棱角，左右两端采用大圆角过渡，同时棱边倒圆角。

在一些实施例中，所述第一刀刃硬质合金块较刀刃母材向下延伸20mm，延伸段嵌入刀身母材中。

在一些实施例中，所述刀身与刀刃连接处宽度较刀刃宽度大10mm，左右两端各伸出5mm，刀身厚度较刀刃最厚处厚度大10mm，前后两侧各伸出5mm。

在一些实施例中，所述刀身前后各镶嵌5块第一刀身硬质合金块，左右各镶嵌1块第二刀身硬质合金块，每块硬质合金块高30mm，宽20mm，厚10mm，硬质合金块顶部距刀身顶部不小于30mm。