CN105298505A - 一种具有冻结功能的土压平衡盾构机及其换刀方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有冻结功能的土压平衡盾构机及其换刀方法，单独配置或在土压平衡盾构机后配套系统中增加冷冻机组、储藏槽、加热装置，在刀盘结构内部或侧面、盾体内部或侧面增设冻结循环管路及利用结构自身形成或加工的腔体，以此形成循环冻结系统，使得盾构机能对刀盘周围、土仓、盾体周围一定区域范围内的液态、半液态及固态介质进行冻结处理；在隔板处安装加热管路，通过加热装置将高温导热液分别输入加热管路和冻结管路，用以保护主驱单元、中心回转接头和融解冻结区域。本发明能避免土压平衡盾构机在维护过程中存在的换刀风险大、耗时长、费用高等问题。

Description

一种具有冻结功能的土压平衡盾构机及其换刀方法

技术领域

本发明涉及一种盾构机，特别是涉及一种具有冻结功能的土压平衡盾构机。本发明还涉及该具有冻结功能的土压平衡盾构机的换刀方法。

背景技术

土压平衡盾构机，适用于砂、粉砂和黏土等软土地层的大型隧道工程开挖，其工作原理为利用土仓内的土压或加注辅助材料产生的压力来平衡开挖面的土压及地下水压力。与泥水平衡盾构相比，土压平衡盾构掌子面上的刀具以及盾体与土壤层直接接触摩擦力较大，故其刀具、刀盘的寿命会比泥水盾构短，因而在较短周期内需要对其进行维护。相比于泥水盾构的带压进仓维护，土压平衡盾构机刀盘刀具的维护一般是在刀盘前方50cm处钻孔灌注桩，然后常压开仓维护，在施工过程中该种方法会受到地理位置等因素的限制，且施工过程中安全性与可靠性低；在土壤含水量较高时，为避免刀盘掌子面前端的水土压力，维护过程中还会采用人工土冻结法，该种冻结法在实践过程中存在着耗时长、费用高、占用空间大等问题。

目前采用的换刀方式主要有常压换刀和气压换刀，常压换刀需在盾构机停机位置地层自稳能力好的情况下进行，而气压换刀需盾构机停机位置地层保气能力好的地层下进行，故当盾构机停机位置地层无法满足上述换刀方法所需前提时，将难以对盾构机刀具进行更换。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种刀盘刀具维护过程中的安全、省时、费用低、占用空间小的具有冻结功能的土压平衡盾构机。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种安全、省时、费用低、占用空间小地对该具有冻结功能的土压平衡盾构机的换刀方法。

为了解决上述第一个技术问题，本发明所采用的具有冻结功能的土压平衡盾构机，包括螺旋输送机、刀盘、刀盘支撑臂、人舱、土仓、盾体、主驱动单元、隔板和加泥系统，在所述的刀盘和盾体上布置有冻结循环管路；包括有对所述的主驱动单元加热的加热管路；还包括冷冻机组、储藏槽和加热装置，所述的冻结循环管路通过进液管、回液管与所述的冷冻机组和储藏槽相连，所述的加热装置通过进液管、回液管与所述的加热管路和所述的冻结循环管路相连。

所述的刀盘的背面设有第一盖板，所述的冻结循环管路布置于所述的第一盖板与所述的刀盘之间。

所述的冻结循环管路以间断圆环形式布置于所述的第一盖板上。

所述的盾体周向安装有圆环盖板，所述的冻结循环管路布置于所述的圆环盖板与所述的盾体之间。

所述的冻结循环管路以螺旋线形式固定于所述的盾体外侧或内侧。

所述的冻结循环管路布置于所述的刀盘内部。

所述的加热管路布置于所述的隔板靠后配套系统一侧，所述的加热管路上方装有第二盖板。

为了解决上述第二个技术问题，本发明提供的一种具有冻结功能的土压平衡盾构机的换刀方法,包括以下步骤：

步骤一、土仓置换填充：盾构机停止工作，采用螺旋输送机和与螺旋输送机同步工作的加泥系统对土仓进行土仓置换填充，所述螺旋输送机安装在隔板下部，所述加泥系统安装在隔板上部；土仓置换填充时，通过螺旋输送机将土仓内的所有泥土由下至上从土仓内排出，与此同时，通过加泥系统由上至下同步对泥土排出后的土仓内部空腔进行填充，直至将土仓内的所有泥土全部替换为均匀混合了无机盐的膨润土；土仓置换填充过程中，对土仓内部压力进行实时监测，并将土仓内压力控制在1.5bar～3.0bar之间；

步骤二、盾体周围土体冻结：步骤一中土仓置换填充结束后，采用冻结循环管路对刀盘和盾体的盾体周围土体进行冻结，在盾体周围土体冻结过程中，往刀盘和盾体周围区域的冻结循环管路中注入冷媒，主驱动单元处加热管路中注入导热液，以防止主驱动单元在盾体周围土体冻结过程中温度过低而造成损伤；在冻结过程中需要对土仓内的压力和盾体周围土体温度进行实时监测，并将土仓内部压力控制在1.5bar～3.0bar之间，盾体周围土体温度控制在-5℃以下；

步骤三、开凿与同步换刀：待步骤二盾体周围土体冻结完毕后，在常压下对土仓进行开仓，此时冻结循环管路继续工作，保证盾体周围土体的温度控制在-5℃以下；采用开凿工具对所需换刀位置的冻结体进行人工开凿与清理，待开凿空间达到刀具更换要求时，停止开凿并对该处刀具进行更换；当一处刀具更换结束后，再对下一个换刀位置进行开凿、清理及换刀，直至所有需更换刀具全部更换完成；

步骤四、解冻及恢复工作：待步骤三完成后，通过加泥系统往土仓内填充膨润土，直至土仓内充满膨润土，并控制土仓内压力和盾构机停机位置水土压力基本保持一致；土仓填充完成后，通过往冻结循环管路内注入导热液的方式对盾体周围土体进行解冻；待解冻结束后，恢复盾构机的正常工作。

步骤三所述对土仓进行常压开仓之前，对盾体周围土体的冻结状况进行检查，使用钢钎通过隔板上方预留孔洞对盾体周围土体的冻结体打孔，观察孔洞内有无浆液喷涌现象，若无喷涌现象且掌子面情况稳定，则盾体周围土体冻结成型；此时在常压下进行开仓，随后进行土仓的开凿和同步换刀作业。

步骤四所述对盾体周围土体进行解冻之前，先对加泥系统进行加热与清理，待清理结束后，利用加泥系统对开凿过的区域进行膨润土填充；通过往步骤二所述的冻结循环管路中注入导热液对盾体周围土体进行解冻，整个过程中对土仓内的压力进行实时监控，保证压力稳定且控制在1.5bar～3.0bar之间。

所述技术方案同样适用于主机结构与土压平衡盾构机类似的其他类型盾构机(如直接控制式泥水平衡盾构机)、顶管机、顶管盾构机和其他设备。

进一步的：

所述的冻结循环管路以多进液管、多供液管连接或单进液管、单供液管连接。

所述的加热管路具有一个进液管与回液管。

所述的加热装置中使用到的导热液是水、油、蒸汽等具有传热性质的介质。

所述的储藏槽使用到的冷媒是液氮、液态二氧化碳等。

所述的冷冻机组其使用冷媒是盐水、液氨、液态二氧化碳，其中盐水选自氯化钠、氯化钙、亚硝酸钠、碳酸钾硝酸盐钙中的任意一种或任意几种的混合物，冷媒依据实际需求而定。

本发明的有益效果如下：

1)节约成本：现有土压平衡盾构机维护过程中需要占用较大的工作空间，耗费较多的人力资源，而具有冻结功能的土压平衡盾构机能有效地减少人力、物力的消耗。

2)降低施工难度：传统的常压开仓维护过程中需要在土压平衡盾构机前端一定距离处钻孔灌注桩，这会对地理环境、土壤介质提出一定的要求，而具有冻结功能的土压平衡盾构机能消除地理条件和土壤介质对于施工的不良影响。

3)节省工时：现有土压平衡盾构机维护方法需要在施工前做一定的准备工作，而具有冻结功能的土压平衡盾构机只需花费一定时间用于冻结目标区域，能有效地缩短工时。

本发明的换刀施工方法，其操作方便、成本低、安全性高，能有效解决土压平衡盾构机在恶劣条件下换刀时易发生涌水涌砂、掌子面塌方的问题。

综上所述，本发明是一种维护过程中的安全、省时、费用低、占用空间小的具有冻结功能的土压平衡盾构机及其换刀方法。

附图说明

图1具有冻结功能土压平衡盾构机结构示意图。

图2为刀盘背面盖板冻结循环管路布置图(多进液管、多回液管)。

图3为刀盘背面盖板冻结循环管路布置图(单进液管、单回液管)。

图4为隔板加热管路布置图。

图5是本发明的施工工艺图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参见图1、图2、图3和图4，具有冻结功能的土压平衡盾构机，包括螺旋输送机15、刀盘7、刀具8、刀盘支撑臂11、人舱5、土仓6、盾体1、主驱动单元14、中心回转接头17、隔板16和预留口4，人舱5和预留口4安装于隔板16上，在所述的刀盘7和盾体1上布置于有冻结循环管路2；包括有对所述的主驱动单元14加热的加热管路12；还包括冷冻机组20、储藏槽19和加热装置18，冻结循环管路2通过进液管21、回液管22、中心回转接头17与冷冻机组20、储藏槽19和加热装置18相连，加热装置18通过进液管21、回液管22与加热管路12相连。冷冻机组20、储藏槽19、安放于后配套系统。

如图1、图2和图3所示，刀盘7的背面冻结循环管路2布置方式为：冻结循环管路2置于刀盘7背面与第一盖板9之间。冻结循环管路2以间断环状形式固定于第一盖板9上，冻结循环管路2也可采取其他布置形式。第一盖板9由四块板材构成，第一盖板9在设计过程中需要避免冻结循环管路2布置对刀具8以及刀盘7开口造成不良的影响，第一盖板9对应刀盘支撑臂11位置需要留有槽口，这样便于将第一盖板9焊接到刀盘支撑臂11上。如图2所示，冻结循环管路2的进液管21、回液管22分别布置在第一盖板9竖直与水平方向，冻结循环管路2通过刀盘支撑臂11空腔和中心回转接头17延伸出来。冻结循环管路2连接方式也可如图3中所示，冻结循环管路2只有一个进液端与出液端，端口置于第一盖板9竖直方向。另外，还可将冻结循环管路2布置在刀盘7内部筋板空腔中，此时不需增设盖板，冻结循环管路2由刀盘支撑臂11空腔和中心回转接头17延伸出来。

如图1和图4所示隔板加热管路布置方式为：加热管路12以环状圆均布在隔板16端面，加热管路12有一个进液端与出液端，在加热管路12上方添加第二盖板13用以保护加热管路12和防止人员烫伤，第二盖板13为圆环状通过筋板固定在隔板16上方。

如图1所示盾体1周向管路布置方式为：冻结循环管路2置于盾体1与圆环盖板3之间，冻结循环管路2以螺旋线形式一体化绕置在盾体1周向，冻结循环管路2通过筋板固定位置，回液管22从前、后隔板形成的腔室中延伸出来，进液管21从后盾处盾体延伸到冷冻机组20。冻结循环管路2可以采取其他布置形式，另外冻结循环管路2还可以布置在盾体1内部与内侧，冻结循环管路2延伸方式与前面类似。

如图1中所示的储藏槽19，其用于储藏冻结过程中所需的冷媒，当需要对土仓6、盾体1周向区域冻结时，冷媒由储藏槽19进入冻结循环管路2中，通过冻结循环管路2的回液管22排至空气中，当冻结区域成形后停止冷媒供给。

参见图1、图2、图3、图4和图5，一种具有冻结功能的土压平衡盾构机的换刀方法,包括以下步骤：

步骤一、土仓置换填充：盾构机停止工作，采用螺旋输送机15和与螺旋输送机15同步工作的预留口4对土仓6进行土仓6置换填充，螺旋输送机15安装在隔板16下部，预留口4安装在隔板16上部；土仓6置换填充时，通过螺旋输送机15将土仓6内的所有泥土由下至上从土仓6内排出，与此同时，通过预留口4由上至下同步对泥土排出后的土仓6内部空腔进行填充，直至将土仓6内的所有泥土全部替换为均匀混合了无机盐的膨润土；土仓6置换填充过程中，对土仓6内部压力进行实时监测，并将土仓6内压力控制在1.5bar～3.0bar之间；

步骤二、盾体周围土体冻结：步骤一中土仓6置换填充结束后，采用冻结循环管路2对刀盘7和盾体1的盾体周围土体10进行冻结，在盾体周围土体10冻结过程中，往刀盘7和盾体1周围区域的冻结循环管路2中注入冷媒，主驱动单元14处加热管路12中注入导热液，以防止主驱动单元14在盾体周围土体10冻结过程中温度过低而造成损伤；在冻结过程中需要对土仓6内的压力和盾体周围土体10温度进行实时监测，并将土仓6内部压力控制在1.5bar～3.0bar之间，盾体周围土体10温度控制在-5℃以下；

步骤三、开凿与同步换刀：待步骤二盾体周围土体10冻结完毕后，在常压下对土仓6进行开仓，此时冻结循环管路2继续工作，保证盾体周围土体10的温度控制在-5℃以下；采用开凿工具对所需换刀位置的冻结体进行人工开凿与清理，待开凿空间达到刀具8更换要求时，停止开凿并对该处刀具8进行更换；当一处刀具8更换结束后，再对下一个换刀位置进行开凿、清理及换刀，直至所有需更换刀具全部更换完成；

步骤四、解冻及恢复工作：待步骤三完成后，通过预留口4往土仓6内填充膨润土，直至土仓6内充满膨润土，并控制土仓6内压力和盾构机停机位置水土压力基本保持一致；土仓6填充完成后，通过往冻结循环管路2内注入导热液的方式对盾体周围土体10进行解冻；待解冻结束后，恢复盾构机的正常工作。

具体地，步骤三所述对土仓6进行常压开仓之前，对盾体周围土体10的冻结状况进行检查，使用钢钎通过隔板上方预留孔洞对盾体周围土体10的冻结体打孔，观察孔洞内有无浆液喷涌现象，若无喷涌现象且掌子面情况稳定，则盾体周围土体10冻结成型；此时在常压下进行开仓，随后进行土仓6的开凿和同步换刀作业。

具体地，步骤四所述对盾体周围土体10进行解冻之前，先对预留口4进行加热与清理，待清理结束后，利用预留口4对开凿过的区域进行膨润土填充；通过往步骤二冻结循环管路2中注入导热液对盾体周围土体10进行解冻，整个过程中对土仓6内的压力进行实时监控，保证压力稳定且控制在1.5bar～3.0bar之间。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、施工方法和换刀步骤简单方便，实现方便；

2、整个换刀过程中处于常压状态，安全系数高，换刀效率高且实施成本低，能够在不影响工期的情况下快速、有效的完成换刀。

3、设计合理，实际换刀过程主要包括土仓置换填充、盾体周围土体冻结、开凿与同步换刀和解冻及恢复工作四个步骤。在盾体周围土体冻结过程之前，通过将土仓内的泥土置换成与无机盐均匀混合的膨润土的方式，防止土仓在盾体周围土体冻结过程中冻结，降低了土仓开凿的难度。

4、实用价值高且适用面广，能够有效解决土压平衡盾构机位于地质松散、掌子面自稳能力差的位置时换刀难度大、风险高的实际问题，且本发明换刀时无任何前提条件，能够适用于任何地质情况。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种具有冻结功能的土压平衡盾构机，包括螺旋输送机(15)、刀盘(7)、刀盘支撑臂(11)、人舱(5)、土仓(6)、盾体(1)、主驱动单元(14)、中心回转接头(17)、隔板(16)和预留口(4)，其特征在于：在所述的刀盘(7)和盾体(1)上布置于有冻结循环管路(2)；包括有对所述的主驱动单元(14)加热的加热管路(12)；还包括冷冻机组(20)、储藏槽(19)和加热装置(18)，所述的冻结循环管路(2)通过进液管(21)、回液管(22)与所述的冷冻机组(20)、储藏槽(19)和加热装置(18)相连，所述的加热管路(12)通过进液管(21)、回液管(22)与所述的加热装置(18)相连。

2.根据权利要求1所述的具有冻结功能的土压平衡盾构机，其特征在于：所述的刀盘(7)的背面设有第一盖板(9)，所述的冻结循环管路(2)以间断圆环形式布置于所述的第一盖板(9)与所述的刀盘(7)之间。

3.根据权利要求1所述的具有冻结功能的土压平衡盾构机，其特征在于：所述的盾体(1)周向安装有圆环盖板(3)，所述的冻结循环管路(2)布置于所述的圆环盖板(3)与所述的盾体(1)之间。

4.根据权利要求1所述的具有冻结功能的土压平衡盾构机，其特征在于：所述的冻结循环管路(2)以螺旋线形式固定于所述的盾体外侧、或内侧。

5.根据权利要求1所述的具有冻结功能的土压平衡盾构机，其特征在于：所述的冻结循环管路(2)布置于所述的刀盘(7)内部。

6.根据权利要求1所述的具有冻结功能的土压平衡盾构机，其特征在于：所述的加热管路(12)布置于所述的隔板(16)靠后配套系统一侧，所述的加热管路(12)上方装有第二盖板(13)。

7.一种具有冻结功能的土压平衡盾构机的换刀方法,其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、土仓置换填充：盾构机停止工作，采用螺旋输送机(15)和与螺旋输送机同步工作的加泥系统对土仓(6)进行土仓置换填充，所述螺旋输送机(15)安装在隔板(16)下部，所述预留口(4)安装在隔板(16)上部；土仓置换填充时，通过螺旋输送机(15)将土仓(6)内的所有泥土由下至上从土仓(6)内排出，与此同时，通过加泥系统由上至下同步对泥土排出后的土仓(6)内部空腔进行填充，直至将土仓(6)内的所有泥土全部替换为均匀混合了无机盐的膨润土；土仓置换填充过程中，对土仓(6)内部压力进行实时监测，并将土仓(6)内压力控制在1.5bar～3.0bar之间；

步骤二、盾体周围土体冻结：步骤一中土仓置换填充结束后，采用冻结循环管路(2)对刀盘(7)和盾体(1)的周围土体(10)进行冻结，在盾体周围土体冻结过程中，往刀盘(7)和盾体(1)周围区域的冻结循环管路(2)中注入冷媒，中心回转接头(17)处加热管路(12)中注入导热液，以防止回转轴承在盾体周围土体(10)冻结过程中因温度过低而造成损伤；在冻结过程中需要对土仓(6)内的压力和盾体周围土体(10)温度进行实时监测，并将土仓(6)内部压力控制在1.5bar～3.0bar之间，盾体周围土体(10)温度控制在-5℃以下；

步骤三、开凿与同步换刀：待步骤二盾体周围土体(10)冻结完毕后，在常压下对土仓(6)进行开仓，此时冻结循环管路(2)继续工作，保证盾体周围土体(10)的温度控制在-5℃以下；采用开凿工具对所需换刀位置的冻结体进行人工开凿与清理，待开凿空间达到刀具(8)更换要求时，停止开凿并对该处刀具进行更换；当一处刀具更换结束后，再对下一个换刀位置进行开凿、清理及换刀，直至所有需更换刀具全部更换完成；

步骤四、解冻及恢复工作：待步骤三完成后，通过预留口(4)往土仓内填充膨润土，直至土仓(6)内充满膨润土，并控制土仓(6)内压力和盾构机停机位置水土压力基本保持一致；土仓(6)填充完成后，往冻结循环管路(2)内注入导热液的方式对盾体周围土体(10)进行解冻；待解冻结束后，恢复盾构机的正常工作。

8.根据权利要求8所述的具有冻结功能的土压平衡盾构机的换刀方法，其特征在于：步骤三所述对土仓(6)进行常压开仓之前，对盾体周围土体(10)的冻结状况进行检查，使用钢钎通过隔板上方预留孔洞对盾体周围土体(10)的冻结体打孔，观察孔洞内有无浆液喷涌现象，若无喷涌现象且掌子面情况稳定，则盾体周围土体(10)冻结成型；此时在常压下进行开仓，随后进行土仓(6)的开凿和同步换刀作业。

9.根据权利要求1所述的具有冻结功能的土压平衡盾构机的换刀方法，其特征在于：步骤四所述对盾体周围土体(10)进行解冻之前，先对预留口(4)进行加热与清理，待清理结束后，利用预留口(4)对开凿过的区域进行膨润土填充；通过往步骤二所述的冻结循环管路(2)中注入导热液对盾体周围土体(10)进行解冻，整个过程中对土仓(6)内的压力进行实时监控，保证压力稳定且控制在1.5bar～3.0bar之间。