CN107576477B - 泥水盾构机环流系统试验装置及配套试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种泥水盾构机环流系统试验装置及配套试验方法。旨在克服现阶段实验装置泥水环流系统试验能力有限、难以模拟复杂地质条件的缺陷的问题。本发明包括带有搅拌室的刀盘系统、向搅拌室内输送物料的土体配送系统、向搅拌室内输送液体物料的泥水环流系统；刀盘系统包括安装在箱体内的旋转刀盘，泥水环流系统包括液料储料池和与所述储料池连接的进泥管、排泥管，进泥管、排泥管上设有阀门以控制管路内的流量和流向。优点在于：通过搭建泥水盾构环流系统结构，可以对掘进过程中影响环流系统的泥水携渣性能、排渣性能、系统压力稳定性能等进行试验，实现了模拟包括软硬不均地层在内的多种地层掘进过程中环流系统的工作情况。
Description
技术领域
本发明涉及盾构施工测试技术领域，特别涉及一种泥水盾构机环流系统试验装置及配套试验方法。
背景技术
泥水平衡盾构机是将一定浓度的泥浆泵入泥水盾构的泥水舱中，随着刀盘切削下来的土渣与地下水顺着刀槽流入泥水舱，泥水舱中压力和泥浆浓度逐渐增大，并与开挖面的泥土压力和水压力达到平衡状态，在开挖面形成不透水的泥膜对开挖面进行稳定挖掘。为控制开挖面的稳定，需要控制进入泥水舱的泥水量和渣土量与从泥水舱中排出的泥浆量平衡，盾构机的泥水环流系统是实现这一功能的关键系统。环流系统的性能直接影响着掘进过程的稳定性，因此，有必要设计一种泥水盾构机环流系统试验装置，对影响环流系统功能的相关参数进行研究，以提升泥水盾构机的整体性能。
目前，国内研制的泥水盾构试验装置多以盾构施工的开挖过程为研究对象，尚无专门针对环流系统性能进行研究的实验装置。而传统的试验装置一般由土箱、盾构机简化模型、进排泥管及辅助设备组成，通过采用盾构机简化模型向土箱内掘进的工作方式完成模拟，此类试验台较好的模拟了泥水盾构掘进中掌子面的开挖过程，但是存在以下几点局限：
1、对环流系统研究能力有限。此类试验台侧重于掘进中掌子面开挖过程的研究，而环流系统结构简单，只是实现了泥浆的进、排功能，与真实盾构环流系统结构存在有较大差异，难以实现环流系统携渣、排渣等关键性能的实验；
2、可模拟的地层类型有限。由于试验台结构性能所限，简化刀盘切削能力较弱，一般只能模拟沙土地层的掘进，难以进行软硬不均地层或砂卵石地层的掘进试验，因而难以测试环流系统排出含有岩渣或卵石泥浆的能力；
3、难以模拟高水压泥水盾构施工。由于此类试验台需要模拟推进及刀盘切削过程，存在较多的相对运动部件，导致试验装置整体密封性能有限，对过江隧道、海底隧道等存在高水压条件的盾构施工难以模拟。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中实验装置泥水环流系统试验能力有限、难以模拟复杂地质条件的缺陷的问题。
本发明的具体方案是：
设计一种泥水盾构机环流系统试验装置，包括带有搅拌室的刀盘系统、向所述搅拌室内输送物料的土体配送系统、向所述搅拌室内输送液体物料的泥水环流系统；所述刀盘系统包括安装在箱体内的旋转刀盘，所述旋转刀盘上安装有传动主轴，所述传动主轴的另一端安装带动其旋转的动力源，所述箱体内安装有环形挡板，所述环形挡板与所述旋转刀盘相邻以将所述搅拌室区划为固料腔和液料腔；所述土体配送系统包括储存罐，所述储存罐的底部设有出料口，所述出料口连通螺旋输送机的入料口，所述螺旋输送机的出料口处于与所述固料腔内，所述搅拌室与所述储存罐间设有压力平衡调节元件；所述泥水环流系统包括液料储料池和与所述储料池连接的进泥管、排泥管，所述进泥管、排泥管上设有阀门以控制管路内的流量和流向。
优选的，所述液料储料池包括调浆池和沉淀池；所述进泥管自所述调浆池起，经由进泥泵和主阀门F1后，连接若干支路管道至与所述液料腔相连通，在所述支路管道上设有阀门；所述排泥管自所述液料腔起、经由主阀门F2后连通沉淀池；在所述泥水环流系统的进泥管和排泥管间还设有转向回路，所述转向回路包括第一旁通管和第二旁通管，所述第一旁通管的进口连接阀门F1的邻近支路管道的一端，出口连接阀门F2邻近沉淀池的一端，所述第二旁通管的进口连接阀门F1的邻近调浆池的一端，出口连接阀门F2邻近液料腔的一端，所述第一旁通管上安装有阀门F3，所述第二旁通管上安装有阀门F4。
优选的，所述排泥管上设有排泥泵。
优选的，所述压力平衡调节元件包括连通所述搅拌室和储存室的连通器，在所述连通器上设有阀门F10。
优选的，所述螺旋输送机与水平面间呈小于45度的安装角度。
优选的，在所述沉淀池和调浆池下方安装有称重台。
优选的，所述传动主轴为空心轴，空心轴的内孔一端经由管道连通泥水环流系统，另一端穿过所述旋转刀盘连通所述搅拌室，所述管道上设有阀门F7。
本发明还包括电控系统，所述电控系统与各阀门间电路连接，以控制对应管道的启闭。
使用本发明中试验装置的一种泥水盾构机环流系统试验方法，包括如下步骤：
（1）物料调质：固体物料经螺旋输送机搅拌调质至模拟盾构机现场的物料强度粒度，所述固体物料粒度不得超过排泥管内径的1/2，泥浆在泥浆池内按比重大于1.1g/cm3，粘度宜大于15s调质后，物体物料定量流入搅拌室旋转刀片一侧，泥浆经由环流系统流入搅拌室中旋转刀片的另一侧；
（2）搅拌模拟：控制旋转刀盘的转速与盾构机刀盘转速相对应，打开主管道，所述旋转刀盘两侧的物料在刀盘旋转的过程中混合，物料由排泥管排出，至沉淀池沉淀，利用称重台监测沉淀池重量随时间的变换量，对比不同泥浆配比或者不同地层该变化量的差异，得出相应的排渣效率；
（3）管路测量：打开全路管道阀门，对刀盘、泥水舱的重点部位进行1.2MPa～2.5MPa高压冲洗，测量各冲洗管压力变化，以评估不同泥浆配比、压力、流速对滞排岩块的处理能力；
（4）变向冲洗：利用旁通管路结合相关阀门改变管道流向，使环流系统逆行，以清除管路及泥水舱的堵塞和沉积，测量不同泥浆配比、流速时可排出的岩块含量与大小，以及对泥浆压力和泥浆泵的影响。
所述泥浆原料包括粘土、膨润土、无水碳酸钠中的至少任两种材料。
本发明的有益效果在于：
该装置由渣土配送系统、刀盘系统、泥水环流系统组成。所述渣土配送系统连接刀盘系统箱体，可将渣土储存箱中配比好的渣土输送到刀盘前部，刀盘在刀盘驱动系统的驱动下旋转，将泥水舱中的泥水和渣土配送系统输入的渣土混合，渣土通过环流系统循环排出至沉淀池。该装置通过搭建泥水盾构环流系统结构，可以对掘进过程中影响环流系统的泥水携渣性能、排渣性能、系统压力稳定性能等进行试验，并通过预先配置接近实际地层切削土体的渣土，实现了模拟包括软硬不均地层在内的多种地层掘进过程中环流系统的工作情况。
附图说明
图1是本发明结构的主视图；
图2是本发明初始工作状态管路流向示意图；
图3是本发明另一工作状态管路流向示意图；
图4是本发明清理状态管路流向示意图；
图中各部件名称：1.沉淀池；2.称重台；3.调浆池；4.进泥泵；5.进泥管；6.排泥管；7.排泥泵；8.刀盘驱动装置；9.传动主轴；10.球阀；11.旁通管；12.箱体；13.搅拌室；14.刀盘；15.连通器；16.储存罐；17.螺旋输送机。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种泥水盾构机环流系统试验装置，参见图1至图4，包括带有搅拌室13的刀盘14系统、向搅拌室13内输送物料的土体配送系统、向搅拌室13内输送液体物料的泥水环流系统；刀盘14系统包括安装在箱体12内的旋转刀盘14，旋转刀盘14上安装有传动主轴9，传动主轴9的另一端安装带动其旋转的动力源，箱体12内安装有环形挡板，环形挡板与旋转刀盘14相邻以将搅拌室13区划为固料腔和液料腔；土体配送系统包括储存罐16，储存罐16的底部设有出料口，出料口连通螺旋输送机17的入料口，螺旋输送机17的出料口处于与固料腔内，搅拌室13与储存罐16间设有压力平衡调节元件；泥水环流系统包括液料储料池和与储料池连接的进泥管5、排泥管6，进泥管5、排泥管6上设有阀门以控制管路内的流量和流向。
液料储料池包括调浆池3和沉淀池1；进泥管5自调浆池3起，经由进泥泵4和主阀门F1后，连接若干支路管道至与液料腔相连通，在支路管道上设有阀门；排泥管6自液料腔起、经由主阀门F2后连通沉淀池1；在泥水环流系统的进泥管5和排泥管6间还设有转向回路，转向回路包括第一旁通管和第二旁通管，第一旁通管的进口连接阀门F1的邻近支路管道的一端，出口连接阀门F2邻近沉淀池1的一端，第二旁通管的进口连接阀门F1的邻近调浆池3的一端，出口连接阀门F2邻近液料腔的一端，第一旁通管上安装有阀门F3，第二旁通管上安装有阀门F4。
排泥管6上设有排泥泵7。
压力平衡调节元件包括连通搅拌室13和储存室的连通器15，在连通器15上设有阀门F10。
螺旋输送机17与水平面间呈小于45度的安装角度。
在沉淀池1和调浆池3下方安装有称重台2。
传动主轴为空心轴，空心轴的内孔一端经由管道连通泥水环流系统，另一端穿过旋转刀盘14连通搅拌室13，管道上设有阀门F7。
还包括电控系统，电控系统与各阀门间电路连接，以控制对应管道的启闭。
结合本发明的试验方法，包括如下步骤：
（1）物料调质：固体物料经螺旋输送机17搅拌调质至模拟盾构机现场的物料强度粒度，所述固体物料粒度不得超过排泥管内径的1/2，泥浆在泥浆池内按比重大于1.1g/cm3，粘度宜大于15s调质后，物体物料定量流入搅拌室13旋转刀片一侧，泥浆经由环流系统流入搅拌室13中旋转刀片的另一侧；
（2）搅拌模拟：控制旋转刀盘14的转速与盾构机刀盘转速相对应，打开主管道，旋转刀盘14两侧的物料在刀盘14旋转的过程中混合，物料由排泥管6排出，至沉淀池1沉淀，利用称重台2监测沉淀池1重量随时间的变换量，对比不同泥浆配比或者不同地层该变化量的差异，得出相应的排渣效率；
（3）管路测量：打开全路管道阀门，对刀盘14、泥水舱的重点部位进行1.2MPa～2.5MPa高压冲洗，测量各冲洗管压力变化，评估不同泥浆配比、压力、流速对滞排岩块的处理能力；
（4）变向冲洗：利用旁通管路结合相关阀门改变管道流向，使环流系统逆行，以清除管路及泥水舱的堵塞和沉积，测量不同泥浆配比、流速时可排出的岩块含量与大小，以及对泥浆压力和泥浆泵的影响。
所述泥浆原料包括粘土、膨润土、无水碳酸钠中的至少任两种材料。
本发明中，土体配送系统由渣土储存罐16、螺旋输送机17、连通器15和球阀F10组成。螺旋输送机17进土口连接渣土储存罐16排土口连接刀盘14前部箱体12，通过螺旋输送机17，可以将渣土储存罐16中配比好的渣土按照需求定速定量的输送至刀盘14前部，连通器15的作用在于保持渣土储存罐16和泥水舱压力的一致，使渣土能力顺利输入刀盘14前部空间。刀盘14系统由刀盘驱动装置8、传动主轴9、箱体12、刀盘14组成，刀盘驱动装置8通过传动主轴9驱动刀盘14转动，将土体配送系统输入的土体在泥水舱内与泥水混合。泥水环流系统由沉淀池1、泥水分离器、调浆池3、进泥泵4、进泥管5、排泥管6、排泥泵7、球阀10以及旁通管组成，泥水循环系统通过泥浆将渣土连续携带运输至沉淀池1，协同土体配送系统使泥水舱内泥浆保持动态平衡状态。
试验前，根据针对地层的地质情况，配置合适的试验渣土，并加入适当的膨润土搅拌均匀后加入渣土储存罐16，以保证螺旋输送机17运行顺畅，然后将渣土储存罐16密封。试验时，先启动环流系统及刀盘14驱动，然后启动螺旋输送机17，试验台实现环流系统的循环运行。
试验台运行时，如图1，打开阀门F1、F2、F5、F6，关闭阀门F3、F4、F7-F9，可以模拟正常掘进时环流系统工作情况。在此期间，实时监测沉淀池1重量随时间的变换量，对比不同泥浆配比或者不同地层该变化量的差异，可以得出相应的排渣效率；
运行过程中，如图2，打开阀门F1、F5-F9，关闭阀门F3、F4，使用设置在刀盘14中心和泥水舱的冲洗管路，对刀盘14、泥水舱的重点部位进行高压冲洗，测量各冲洗管压力变化，评估不同泥浆配比、压力、流速对滞排岩块的处理能力；
整个工作过程结束后，如图3，关闭阀门F1、F2，打开其余阀门，使环流系统逆行，可以清除管路及泥水舱的堵塞和沉积。通过配制不同岩块含量与大小的渣土，模拟正常掘进时环流系统工作状态，测量不同泥浆配比、流速时可排出的岩块含量与大小，以及对泥浆压力和泥浆泵的影响。
工作过程中，对刀盘14、泥水舱的重点部位进行高压冲洗时，高压冲洗管冲洗压力可进行连续调节，以对比冲洗效果，压力变化范围为1.2MPa～2.5MPa。
固体原料粒度不得超过排泥管内径的1/2，泥浆原料宜根据固体原料排出情况采用粘土、膨润土、无水碳酸钠等添加剂按比例调配，泥浆原料比重宜大于1.1g/cm3，粘度宜大于15s，具体参数根据实验结果进行调整，以求达到最佳排渣效果。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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。
Claims (7)
1.一种泥水盾构机环流系统试验方法，其特征在于：包括带有搅拌室（13）的刀盘系统、向所述搅拌室（13）内输送物料的土体配送系统、向所述搅拌室（13）内输送液体物料的泥水环流系统；所述刀盘系统包括安装在箱体（12）内的旋转刀盘（14），所述旋转刀盘（14）上安装有传动主轴（9），所述传动主轴（9）的另一端安装带动其旋转的动力源，所述箱体（12）内安装有环形挡板，所述环形挡板与所述旋转刀盘（14）相邻以将所述搅拌室（13）区划为固料腔和液料腔；所述土体配送系统包括储存罐（16），所述储存罐（16）的底部设有出料口，所述出料口连通螺旋输送机（17）的入料口，所述螺旋输送机（17）的出料口处于与所述固料腔内，所述搅拌室（13）与所述储存罐（16）间设有压力平衡调节元件；所述泥水环流系统包括液料储料池和与所述储料池连接的进泥管（5）、排泥管（6），所述进泥管（5）、排泥管（6）上设有阀门以控制管路内的流量和流向；
所述液料储料池包括调浆池（3）和沉淀池（1）；所述进泥管（5）自所述调浆池（3）起，经由进泥泵（4）和主阀门F1后，连接若干支路管道至与所述液料腔相连通，在所述支路管道上设有阀门；所述排泥管（6）自所述液料腔起、经由主阀门F2后连通沉淀池（1）；在所述泥水环流系统的进泥管（5）和排泥管（6）间还设有转向回路，所述转向回路包括第一旁通管和第二旁通管，所述第一旁通管的进口连接阀门F1的邻近支路管道的一端，出口连接阀门F2邻近沉淀池（1）的一端，所述第二旁通管的进口连接阀门F1的邻近调浆池（3）的一端，出口连接阀门F2邻近液料腔的一端，所述第一旁通管上安装有阀门F3，所述第二旁通管上安装有阀门F4；
所述压力平衡调节元件包括连通所述搅拌室（13）和储存室的连通器（15），在所述连通器（15）上设有阀门F10；
泥水盾构机环流系统试验方法包括如下步骤：
（1）物料调质：固体物料经螺旋输送机搅拌调质至模拟盾构机现场的物料强度粒度，所述物料强度粒度不得超过排泥管内径的1/2，泥浆在泥浆池内按比重大于1 .1g/cm3，粘度宜大于15s调质后，物体物料定量流入搅拌室旋转刀片一侧，泥浆经由环流系统流入搅拌室中旋转刀片的另一侧；
（2）搅拌模拟：控制旋转刀盘的转速与盾构机刀盘转速相对应，打开主管道，所述旋转刀盘两侧的物料在刀盘旋转的过程中混合，物料由排泥管排出，至沉淀池沉淀，利用称重台监测沉淀池重量随时间的变换量，对比不同泥浆配比或者不同地层该变换量的差异，得出相应的排渣效率；
（3）管路测量：打开全路管道阀门，对刀盘、泥水舱的重点部位进行1 .2MPa～2 .5MPa高压冲洗，测量各冲洗管压力变化，以评估不同泥浆配比、压力、流速对滞排岩块的处理能力；
（4）变向冲洗：利用旁通管路结合相关阀门改变管道流向，使环流系统逆行，以清除管路及泥水舱的堵塞和沉积，测量不同泥浆配比、流速时可排出的岩块含量与大小，以及对泥浆压力和泥浆泵的影响。
2.如权利要求1所述的泥水盾构机环流系统试验方法，其特征在于：所述排泥管（6）上设有排泥泵（7）。
3.如权利要求1所述的泥水盾构机环流系统试验方法，其特征在于：所述螺旋输送机（17）与水平面间呈小于45度的安装角度。
4.如权利要求1所述的泥水盾构机环流系统试验方法，其特征在于：在所述沉淀池（1）和调浆池（3）下方安装有称重台（2）。
5.如权利要求1所述的泥水盾构机环流系统试验方法，其特征在于：所述传动主轴为空心轴，空心轴的内孔一端经由管道连通泥水环流系统，另一端穿过所述旋转刀盘（14）连通所述搅拌室（13），所述管道上设有阀门F7。
6.如权利要求1所述的泥水盾构机环流系统试验方法，其特征在于：还包括电控系统，所述电控系统与各阀门间电路连接，以控制对应管道的启闭。
7.如权利要求1所述的泥水盾构机环流系统试验方法，其特征在于：所述泥浆原料包括粘土、膨润土、无水碳酸钠中的至少任两种材料。
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