CN106437742A - 一种富水围岩中土压平衡盾构施工突涌防治装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种富水围岩中土压平衡盾构施工突涌防治装置及方法，包括过滤系统、高压喷射系统、阀门系统以及泥浆泵送系统，其中：过滤系统连接安装于土压平衡盾构机土仓隔板内壁，并位于螺旋输送机的正上方；高压喷射系统分布于过滤系统边缘；阀门系统安装于于土压平衡盾构机土仓隔板上、过滤系统的后侧，并与过滤系统相连；泥浆泵送系统位于螺旋输送机上侧、阀门系统后侧，与阀门系统连接；高压喷射系统以及泥浆泵送系统均设有设备架以保证正常工作；所述方法基于所述装置。运用本发明可防止土压平衡盾构突涌现象，保持开挖面土压平衡，防止土压失衡，保障盾构推进安全，提高土压平衡盾构在富水围岩中的施工效率及可靠性。

Description

一种富水围岩中土压平衡盾构施工突涌防治装置及方法

技术领域

本发明涉及一种建筑工程技术领域，具体地，涉及一种富水围岩中土压平衡盾构施工突涌防治装置及方法。

背景技术

盾构法具有自动化程度高、安全系数高和施工速度快等优点，被广泛应用于城市地铁隧道施工。盾构法中常用的盾构机主要包括泥水加压平衡盾构机和土压平衡盾构机。泥水加压平衡盾构机通过泥水加压，平衡开挖面外部压力，依靠泥浆泵将泥浆泵送到地面并分离净化，因而适用于含水砂层、粘土层和地下水位较高的软弱地层，而不适用于不易破碎的围岩地层。土压平衡盾构机通过刀盘切削岩土体，依靠土仓内的渣土来平衡开挖面水土压力，通过螺旋输送机向外排土，对地层适应性强，同时也适用于岩石地层的隧道开挖工程。但在富水围岩地层中使用土压平衡盾构机施工时，土仓内含水量过高，土压难以控制，出渣时易出现突涌现象，存在安全隐患；渣土与水混合，流动性增强，在皮带输送机运送渣土时易引发漏泥掉泥现象，需要人工对隧道漏泥进行清理，费时耗力；由于渣土流动性较高，出渣效果差、效率低，影响施工速率与进度。因此改进出土方式，对泥浆单独进行输送，对于土仓内水土平衡及提高运渣效率很有必要。

经对现有技术文献的检索发现，中国专利号为201410612020.4，专利公开号为：104373131A，专利名称为：一种利用土压平衡盾构机渣土保压泵送装置的施工方法，该专利自述为：“一种利用土压平衡盾构机渣土保压泵送装置的施工方法，通过在土压平衡盾构机掘进到透水性强或沉降控制要求高的地层之前，将其出土口与保压泵送装置连接，同时在泵送过程中向土仓内添加用于防止喷涌现象发生的膨润土或泡沫等进行渣土改良，可通过对泵送装置流量的控制，有效控制土压平衡盾构机土仓内压力，避免喷涌或沉降控制不佳等状况发生，使土压平衡盾构机可兼具土压盾构和泥水盾构的功能。”上述专利中所述渣土保压泵送装置在使用过程中需使土压平衡盾构机停止掘进，影响施工效率，同时还需要关闭出土口，拆除皮带机，固定机架，安装保压泵送装置，并安装破碎机及排渣管，拆除和安装器械过多，施工工序较复杂，拆装工作在隧道内进行，工作空间不足；所述破碎机对岩石进行二次破碎，增加了渣土处理的时间，耗时耗能。因此上述专利存在成本较高、施工效率低和安全隐患等缺点。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种富水围岩中土压平衡盾构施工突涌防治装置及装置，利用泥浆泵和排吸泥浆法兰胶管单独排送泥浆，通过降低渣土含水量以及喷射少量土体改良剂来改善渣土质量，从而提高出渣效果，保持开挖面土压平衡，防治突涌现象，提高土压平衡盾构施工效率及可靠性。

根据本发明的一个方面，提供一种富水围岩中土压平衡盾构施工突涌防治装置，包括：过滤系统、高压喷射系统、阀门系统以及泥浆泵送系统，其中：

所述高压喷射系统分布于所述过滤系统边缘，用于在过滤系统过滤泥水前向过滤系统周围高速喷射土体改良剂以防止泥饼的形成；

所述过滤系统连接安装于土压平衡盾构机土仓隔板内壁，泥水经过所述过滤系统过滤后进入泥浆泵送系统；

所述阀门系统安装于土压平衡盾构机土仓隔板上，并与所述过滤系统相连，所述阀门系统用于防止土仓中的水及渣土在压力作用下进入泥浆泵送系统，导致土仓内水土压力失衡；

所述泥浆泵送系统与所述阀门系统连接，用于将经过所述过滤系统过滤后的泥水向外泵送。

优选地，所述过滤系统由内圈曲面筛网和外圈圆环组成，其中：

所述内圈曲面筛网直径大于300mm，为曲面，厚度大于10mm，曲率可取适当值，所述内圈曲面筛网上有滤孔，滤孔直径为5-10mm，任意相邻滤孔圆心距为5-10mm。

所述外圈圆环的外直径大于360mm；外圈圆环环向设置等间距螺栓孔，并通过螺栓固定于土压平衡盾构机土仓隔板内壁。

优选地，所述高压喷射系统由依次连接的高压注浆泵、喷杆、喷头组成，高压喷射系统通过高压注浆泵泵送土体改良剂，土体改良剂经喷杆泵送至喷头，由喷头喷射搅动过滤系统附近的渣土。

更优选地，所述高压注浆泵根据需要对射流压力以及间歇时间进行调节。

更优选地，所述喷杆为三根单通道钢管，所述钢管均为折线形，钢管折线上部分轴线沿垂线方向，钢管折线下部分轴线垂直于土压平衡盾构机土仓隔板；三根钢管均匀排列于过滤系统边缘，各钢管折线下部分截面圆心与过滤系统的内圈曲面筛网圆心连线之间互成120°角，且其中一根钢管位于内圈曲面筛网正上方。

更优选地，所述喷头位于喷杆末端；喷头与土仓隔板内壁成一角度朝向所述过滤系统。

更优选地，所述喷头的直径为1-5mm、总长为15-100mm；所述喷头的直线部分长度为3-10mm，窄角为12-15°。

优选地，所述阀门系统由泥浆出土口、蓄能器式蝶阀组成，其中：

所述泥浆出土口为在土压平衡盾构机土仓隔板上的圆孔，并位于螺旋输送机的正上方；

所述蓄能器式蝶阀通过螺栓与过滤系统以及泥浆泵送系统相连；蓄能器式蝶阀在土压平衡盾构机正常工作时处于打开状态，在紧急情况下及时关闭，用于防止土仓中的水及渣土在压力作用下进入泥浆泵送系统而导致土仓内水土压力失衡。

更优选地，所述蓄能器式蝶阀与过滤系统以及泥浆泵送系统连接处采用橡胶垫片作为连接密封件。

更优选地，所述蓄能器式蝶阀的直径、泥浆出土口的直径等于内圈曲面筛网的直径。

优选地，所述泥浆泵送系统由泥浆泵和输送管道组成，输送管道与泥浆泵相连；其中：

所述泥浆泵根据土仓内土压力改变泥浆流量，使土仓内水土压力保持平衡；

所述输送管道为一根排吸泥浆法兰胶管，排吸泥浆法兰胶管沿螺旋输送机以及皮带输送机方向布置，其长度大于泥浆泵至渣土车距离的1.2倍。

更优选地，所述排吸泥浆法兰胶管的内径等于内圈曲面筛网的直径。

根据本发明的另一个方面，提供一种富水围岩中土压平衡盾构施工突涌防治的方法，所述方法包括如下步骤：

第一步、在土压平衡盾构机推进过程中，刀盘切削下的渣土进入土仓中，渣土在土仓中流动形成泥浆；为防止过滤系统前产生泥饼导致泥浆无法通过过滤系统，在过滤系统前安装高压喷射系统，高压喷射系统通过高压注浆泵泵送土体改良剂，经喷杆泵送至喷头，然后喷射搅动过滤系统附近的渣土，形成高速喷射流，向过滤系统周围渣土喷射土体改良剂，通过高速射流的动压作用、冲击力作用以及楔入效应，对土体产生破坏作用，从而阻止泥饼的产生，同时喷射的土体改良剂可改良过滤系统周围的渣土，进一步防止泥饼的形成；

第二步、泥浆经过过滤系统中的内圈曲面筛网过滤，泥水进入过滤系统内，碎石则留在土仓中并通过螺旋输送机向外运送；

第三步、进入过滤系统内的泥水经过泥浆泵送系统，通过泥浆泵向外泵送，并经由输送管道传输至渣土车中；

第四步、阀门系统在土压平衡盾构机正常工作时处于打开状态；在紧急情况下通过蓄能器式蝶阀自动关闭阀门，以防止紧急情况导致土仓中的水及渣土在压力作用下进入泥浆泵送系统导致土仓内水土压力失衡；

第五步、根据已有土压传感器测得的土压力，通过泥浆泵对泥浆流量进行调节，以达到平衡土仓内水土压力、防止突涌的目的。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明综合考虑富水围岩中土体含水量高，结合了土压平衡盾构及泥水加压平衡盾构的优点，使用所述过滤系统以及所述泥浆泵送系统，通过排出一定量的泥浆来改良土仓内渣土性质，利用已有土压力传感器数据来调节泥浆流量，防止土压失衡以及螺旋输送机突涌现象，防止皮带输送机出土喷涌导致的隧道漏泥；使用所述高压喷射系统小范围喷射土体改良剂，通过高速射流的破坏作用以及土体改良剂的作用，可有效防止泥饼形成，且可改良部分渣土，由于喷射范围小，且为间歇性喷射，所以土体改良剂用量小，有效降低了成本。因此，采用本发明可防止土压平衡盾构突涌现象，保持开挖面土压平衡，防止土压失衡，保障盾构推进安全，提高土压平衡盾构在富水围岩中的施工效率及可靠性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一优选实施例的装置立面装配图；

图2为本发明一优选实施例的装置细节装配图；

图3为本发明一优选实施例的装置的喷头布置图；

图4为本发明一优选实施例的装置的喷头结构示意图；

图中：

1为过滤系统、2为高压喷射系统、3为阀门系统、4为泥浆泵送系统、5为土仓、6为螺旋输送机、7为皮带输送机。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1、图2、图3、图4所示，一种富水围岩中土压平衡盾构施工突涌防治装置，包括：过滤系统1、高压喷射系统2、阀门系统3以及泥浆泵送系统4；其中：

所述高压喷射系统2分布于所述过滤系统1边缘，用于在过滤系统过滤泥水前向过滤系统周围高速喷射土体改良剂以防止泥饼的形成；

所述过滤系统1连接安装于土压平衡盾构机土仓隔板内壁，泥水经过所述过滤系统1过滤后进入泥浆泵送系统4；

所述阀门系统3安装于土压平衡盾构机土仓隔板上，并与所述过滤系统1相连，所述阀门系统用于防止土仓中的水及渣土在压力作用下进入泥浆泵送系统，导致土仓内水土压力失衡；

所述泥浆泵送系统4与所述阀门系统3连接，用于将经过所述过滤系统过滤后的泥水向外泵送。

具体的，所述过滤系统1采用螺栓连接安装于土压平衡盾构机土仓5隔板内壁，并与所述阀门系统3相连，位于螺旋输送机6正上方；所述阀门系统3用螺栓安装于土仓5隔板上、所述过滤系统1后侧；所述泥浆泵送系统4位于螺旋输送机6上侧、所述阀门系统3后侧，与所述阀门系统3通过法兰连接，用橡胶垫片在连接处作密封处理。

进一步的，所述高压喷射系统2以及所述泥浆泵送系统4均有设备架保证各设备的正常工作。

作为一优选的实施方式，如图3所示，所述过滤系统1由内圈曲面筛网和外圈圆环组成。具体的：

所述内圈曲面筛网的直径为300mm，曲率为60°，厚度为10mm，滤孔为圆孔，滤孔直径为5mm，任意相邻滤孔圆心距为7mm；内圈曲面筛网用于滤过泥浆，而将直径大于5mm的渣土留在土仓5中；

所述外圈圆环的外直径为360mm；在外圈圆环环向设置有等间距螺栓孔，并采用螺栓固定于土仓5隔板内壁。

作为一优选的实施方式，所述高压喷射系统2由依次连接的高压注浆泵、喷杆、喷头组成，所述高压喷射系统2通过高压注浆泵泵送土体改良剂，经喷杆泵送至喷头，然后喷射搅动所述过滤系统1附近的渣土；高压注浆泵可根据需要对射流压力以及间歇时间进行调节。

进一步地，所述喷杆为三根单通道钢管，钢管内直径为6mm，外直径为10mm，钢管为折线形，钢管折线上部分轴线沿垂线方向，钢管折线下部分轴线垂直于土仓5隔板。三根钢管均匀排列于所述过滤系统1边缘，各个钢管折线下部分截面圆心与筛网圆心的连线之间互成120°角，距离为300mm，且其中一根钢管位于筛网正上方；

所述喷头位于所述喷杆末端，所述喷头与土仓5隔板内壁成60°角，朝向所述过滤系统1；喷头直径为2mm，喷头总长为30mm，直线部分长度为6mm，窄角为15°，可向外喷射土体改良剂。

作为一优选的实施方式，所述阀门系统3由泥浆出土口、蓄能器式蝶阀组成，具体的：

所述泥浆出土口是在土仓5隔板上直径为300mm的圆孔，并位于螺旋输送机6正上方；

所述蓄能器式蝶阀采用法兰连接，用螺栓与所述过滤系统1以及所述泥浆泵送系统4相连，采用橡胶垫片作为连接密封件；蓄能器式蝶阀在土压平衡盾构机正常工作时处于打开状态，在临时断电等紧急情况下会及时关闭，可防止土仓5中的水及渣土在压力作用下进入所述泥浆泵送系统4而导致的土仓5内水土压力失衡。

进一步地，所述蓄能器式蝶阀直径为300mm。

作为一优选的实施方式，所述泥浆泵送系统4由泥浆泵和输送管道组成，输送管道与泥浆泵相连；具体的：

所述泥浆泵根据土仓5内土压力改变泥浆流量，使土仓5内水土压力保持平衡；

所述输送管道为一根排吸泥浆法兰胶管，排吸泥浆法兰胶管的外径为340mm、内径为300mm；所述排吸泥浆法兰胶管沿螺旋输送机6以及皮带输送机7方向，其长度为所述泥浆泵至渣土车距离的1.2倍。

一种富水围岩中土压平衡盾构施工突涌防治方法，所述方法过程如下：

在土压平衡盾构机推进过程中，刀盘切削下的渣土进入土仓5中，渣土在土仓5中流动，泥水进入所述过滤系统1内，通过所述泥浆泵向外泵送，碎石则留在土仓5中，通过螺旋输送机6向外运送；为防止所述过滤系统1前产生泥饼导致泥浆无法通过所述过滤系统1，在所述过滤系统1前安装所述高压喷射系统2，形成高速喷射流，向所述过滤系统1周围渣土喷射土体改良剂，通过高速射流的动压作用、冲击力作用以及楔入效应，对土体产生破坏作用，从而阻止泥饼的产生，同时喷射的土体改良剂可改良所述过滤系统1周围的渣土，进一步防止泥饼的形成；在所述泥浆泵送系统4工作下，泥浆传输至渣土车中，根据已有土压传感器测得的土压力，通过所述泥浆泵对泥浆流量进行调节，以达到平衡土仓5内水土压力、防止突涌的目的；所述阀门系统3在临时断电情况下可通过蓄能器式蝶阀自动关闭阀门，可防止临时断电导致土仓5中的水及渣土在压力作用下进入所述泥浆泵送系统4导致土仓5内水土压力失衡。

本发明综合考虑富水围岩中土体含水量高，结合了土压平衡盾构及泥水加压平衡盾构的优点，使用所述过滤系统1以及所述泥浆泵送系统4，通过排出一定量的泥浆来改良土仓5内渣土性质，利用已有土压力传感器数据来调节泥浆流量，防止土压失衡以及螺旋输送机6突涌现象，防止皮带输送机7出土喷涌导致的隧道漏泥；使用所述高压喷射系统2小范围喷射土体改良剂，通过高速射流的破坏作用以及土体改良剂的作用，可有效防止泥饼形成，且可改良部分渣土，由于喷射范围小，且为间歇性喷射，所以土体改良剂用量小，有效降低了成本。因此，采用本发明可防止土压平衡盾构突涌现象，保持开挖面土压平衡，防止土压失衡，保障盾构推进安全，提高土压平衡盾构在富水围岩中的施工效率及可靠性。

以上对本发明的具体实施例进行描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种富水围岩中土压平衡盾构施工突涌防治装置，其特征在于，包括：过滤系统、高压喷射系统、阀门系统以及泥浆泵送系统，其中：

所述高压喷射系统分布于所述过滤系统边缘，用于在过滤系统过滤泥水前向过滤系统周围高速喷射土体改良剂以防止泥饼的形成；

所述过滤系统连接安装于土压平衡盾构机土仓隔板内壁，泥水经过所述过滤系统过滤后进入泥浆泵送系统；

所述阀门系统安装于土压平衡盾构机土仓隔板上，并与所述过滤系统相连，所述阀门系统用于防止土仓中的水及渣土在压力作用下进入泥浆泵送系统，导致土仓内水土压力失衡；

所述泥浆泵送系统与所述阀门系统连接，用于将经过所述过滤系统过滤后的泥水向外泵送。

2.根据权利要求1所述的一种富水围岩中土压平衡盾构施工突涌防治装置，其特征在于，所述内圈曲面筛网直径大于300mm，为曲面，厚度大于10mm，所述内圈曲面筛网上有滤孔，滤孔直径为5-10mm，任意相邻滤孔圆心距为5-10mm；

所述外圈圆环的外直径大于360mm；外圈圆环环向设置等间距螺栓孔，并通过螺栓固定于土压平衡盾构机土仓隔板内壁。

3.根据权利要求1所述的一种富水围岩中土压平衡盾构施工突涌防治装置，其特征在于，所述高压喷射系统由依次连接的高压注浆泵、喷杆、喷头组成，高压喷射系统通过高压注浆泵泵送土体改良剂，土体改良剂经喷杆泵送至喷头，由喷头喷射搅动过滤系统附近的渣土。

4.根据权利要求3所述的一种富水围岩中土压平衡盾构施工突涌防治装置，其特征在于，所述喷杆为三根单通道钢管，所述钢管均为折线形，钢管折线上部分轴线沿垂线方向，钢管折线下部分轴线垂直于土压平衡盾构机土仓隔板；三根钢管均匀排列于过滤系统边缘，各钢管折线下部分截面圆心与过滤系统的内圈曲面筛网圆心连线之间互成120°角，且其中一根钢管位于内圈曲面筛网正上方。

5.根据权利要求3所述的一种富水围岩中土压平衡盾构施工突涌防治装置，其特征在于，所述喷头位于喷杆末端；喷头与土仓隔板内壁成一角度朝向所述过滤系统。

6.根据权利要求3所述的一种富水围岩中土压平衡盾构施工突涌防治装置，其特征在于，所述喷头的直径为1-5mm、总长为15-100mm；所述喷头的直线部分长度为3-10mm，窄角为12-15°。

7.根据权利要求1所述的一种富水围岩中土压平衡盾构施工突涌防治装置，其特征在于，所述阀门系统由泥浆出土口、蓄能器式蝶阀组成，其中：

所述泥浆出土口为土压平衡盾构机土仓隔板上的圆孔，并位于螺旋输送机的正上方；

所述蓄能器式蝶阀通过螺栓与过滤系统以及泥浆泵送系统相连；蓄能器式蝶阀在土压平衡盾构机正常工作时处于打开状态，在紧急情况下及时关闭，用于防止土仓中的水及渣土在压力作用下进入泥浆泵送系统而导致土仓内水土压力失衡。

8.根据权利要求7所述的一种富水围岩中土压平衡盾构施工突涌防治装置，其特征在于，所述蓄能器式蝶阀与过滤系统以及泥浆泵送系统连接处设有连接密封件。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种富水围岩中土压平衡盾构施工突涌防治装置，其特征在于，所述泥浆泵送系统由泥浆泵和输送管道组成，输送管道与泥浆泵相连；其中：

所述泥浆泵根据土仓内土压力改变泥浆流量，使土仓内水土压力保持平衡；

所述输送管道为一根排吸泥浆法兰胶管，排吸泥浆法兰胶管沿螺旋输送机以及皮带输送机方向布置，其长度大于泥浆泵至渣土车距离的1.2倍。

10.一种基于权利要求1-9任一项所述装置的富水围岩中土压平衡盾构施工突涌防治的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

第一步、在土压平衡盾构机推进过程中，刀盘切削下的渣土进入土仓中，渣土在土仓中流动形成泥浆；为防止过滤系统前产生泥饼导致泥浆无法通过过滤系统，在过滤系统前安装高压喷射系统，高压喷射系统通过高压注浆泵泵送土体改良剂，经喷杆泵送至喷头，然后喷射搅动过滤系统附近的渣土，形成高速喷射流，向过滤系统周围渣土喷射土体改良剂，通过高速射流的动压作用、冲击力作用以及楔入效应，对土体产生破坏作用，从而阻止泥饼的产生，同时喷射的土体改良剂能改良过滤系统周围的渣土，进一步防止泥饼的形成；

第二步、泥浆经过过滤系统中的内圈曲面筛网过滤，泥水进入过滤系统内，碎石则留在土仓中并通过螺旋输送机向外运送；

第三步、进入过滤系统内的泥水经过泥浆泵送系统，通过泥浆泵向外泵送，并经由输送管道传输至渣土车中；

第四步、阀门系统在土压平衡盾构机正常工作时处于打开状态；在紧急情况下通过蓄能器式蝶阀自动关闭阀门，以防止紧急情况导致土仓中的水及渣土在压力作用下进入泥浆泵送系统导致土仓内水土压力失衡；

第五步、根据已有土压传感器测得的土压力，通过泥浆泵对泥浆流量进行调节，以达到平衡土仓内水土压力、防止突涌的目的。