CN108979649A - 盾构机盾尾应急冻结系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种盾构机盾尾应急冻结系统及方法，该系统包括：液氮罐，设置于与盾构机配套的电瓶车上；设置于盾构机台车上的液氮存储箱，所述液氮存储箱具有液氮入液口、液氮出液口、氮气入气口以及氮气排出口，所述液氮罐的出液口与所述液氮存储箱的液氮入液口连通，所述液氮存储箱的氮气排出口设置有排气阀；布设于盾构机盾尾的盾壳中的冻结管，所述冻结管的入口端与所述液氮存储箱的液氮出液口连通，所述冻结管的出口端与所述液氮存储箱的氮气入气口连通。本发明提供的系统，设计合理，简单易行，安全高效，能够迅速封堵渗漏水，减少周围地层颗粒流失，保证施工安全。

Description

盾构机盾尾应急冻结系统及方法

技术领域

本发明涉及市政工程施工领域，具体地，涉及隧道施工中的一种盾构机盾尾应急冻结系统以及一种盾构机盾尾应急冻结方法。

背景技术

随着我国城市轨道交通建设的迅猛发展，以及地下空间利用率的逐步提升，各大城市已经纷纷加入了地铁施工行列，盾构法隧道施工技术以其独有的智能、安全、快捷、高效等特点与优势，越来越得到广泛的推广及应用。

盾构施工仍然存在许多高风险环节，稍有不慎，可能造成极其严重的后果。传统的盾构机尾盾仅通过尾刷和盾尾油脂起到防止盾尾漏水的作用，止水效果差，若不及时进行处理，将会迅速的形成渗漏通道，进而造成地层颗粒损失，已成型隧道受力不均，管片内力增大，最终管片失稳、破坏，造成不可弥补的损失。

发明内容

针对现有技术中处理盾尾漏水的方法中，止水效果差，地层颗粒流失严重，容易导致隧道受力不均，管片失稳、破坏，造成施工安全事故的技术问题，本发明提供了一种盾构机盾尾应急冻结系统及方法，设计合理，简单易行，安全高效，能够迅速封堵渗漏水，减少周围地层颗粒流失，保证施工安全。

为实现上述目的，本发明第一方面提供一种盾构机盾尾应急冻结系统，包括：液氮罐，设置于与盾构机配套的电瓶车上；设置于盾构机台车上的液氮存储箱，所述液氮存储箱具有液氮入液口、液氮出液口、氮气入气口以及氮气排出口，所述液氮罐的出液口与所述液氮存储箱的液氮入液口连通，所述液氮存储箱的氮气排出口设置有排气阀；布设于盾构机盾尾的盾壳中的冻结管，所述冻结管的入口端与所述液氮存储箱的液氮出液口连通，所述冻结管的出口端与所述液氮存储箱的氮气入气口连通。

可选地，所述冻结管呈螺旋状布设于所述盾构机盾尾的盾壳中。

可选地，所述系统还包括冻结控制模块、低温循环泵、入口温度感应器以及出口温度感应器；所述低温循环泵设置于所述液氮存储箱与所述冻结管之间的连通管道上，用于控制所述液氮存储箱与所述冻结管之间的液氮输送；所述入口温度感应器设置于所述冻结管的入口端，用于检测所述入口端处的液氮温度并输出入口温度检测信号；所述出口温度感应器设置于所述冻结管的出口端，用于检测所述出口端处的液氮温度并输出出口温度检测信号；所述冻结控制模块分别与所述低温循环泵、所述入口温度感应及所述出口温度感应器电连接，用于：根据急冻启动信号开启所述低温循环泵；以及根据所述入口温度检测信号和所述出口温度检测信号获得所述冻结管的入口液氮温度和出口液氮温度，并根据所述入口液氮温度和所述出口液氮温度控制所述低温循环泵的液氮输送速率。

可选地，所述根据所述入口液氮温度和所述出口液氮温度控制所述低温循环泵的液氮输送速率，包括：在所述入口液氮温度与所述出口液氮温度的差值大于等于预设值的情况下，控制所述低温循环泵以第一输送速率输送液氮；在所述入口液氮温度与所述出口液氮温度的差值小于预设值的情况下，控制所述低温循环泵以第二输送速率输送所述液氮，其中所述第一输送速率大于所述第二输送速率。

可选地，所述系统还包括设置于所述低温循环泵与所述冻结管之间的连通管道上的稳压单向阀，所述稳压单向阀用于单向连通所述低温循环泵与所述冻结管。

可选地，所述系统还包括液量检测器、低温截止阀和补液控制模块；所述液量检测器设置于所述液氮存储箱内，用于检测所述液氮存储箱中的剩余液氮量并输出液量检测信号；所述低温截止阀设置于所述液氮罐与所述液氮存储箱之间的连通管道上；所述补液控制模块分别与所述低温截止阀和所述液量检测器电连接，所述补液控制模块用于：根据所述液量检测信号获得所述液氮存储箱中的剩余液氮量；以及在所述剩余液氮量小于预设液氮量的情况下，开启所述低温截止阀。

本发明第二方面提供一种应用于本发明的盾构机盾尾应急冻结系统的盾构机盾尾应急冻结方法，包括：利用冻结控制模块根据急冻启动信号开启低温循环泵；以及利用所述冻结控制模块根据所述冻结管的入口液氮温度和出口液氮温度控制所述低温循环泵的液氮输送速率。

可选地，所述冻结控制模块根据所述冻结管的入口液氮温度和出口液氮温度控制所述低温循环泵的液氮输送速率，包括：在所述入口液氮温度与所述出口液氮温度的差值大于等于预设值的情况下，控制所述低温循环泵以第一输送速率输送液氮；在所述入口液氮温度与所述出口液氮温度的差值小于预设值的情况下，控制所述低温循环泵以第二输送速率输送所述液氮，其中所述第一输送速率大于所述第二输送速率。

可选地，所述方法还包括：利用补液控制模块根据来自所述液量检测器的液量检测信号获得液氮存储箱中的剩余液氮量；以及在所述剩余液氮量小于预设液氮量的情况下，利用所述补液控制模块开启所述低温截止阀。

通过本发明提供的技术方案，本发明至少具有如下技术效果：

本发明的盾构机盾尾应急冻结系统充分利用盾尾金属盾壳的导热作用，通过在盾壳内布置冻结管，在盾尾渗漏水风险发生时利用液氮气化吸热的原理，迅速将尾盾与周围土体及尾盾与管片间的空隙中的渗漏水冻结，起到封堵渗漏水的作用，避免地层颗粒损失，保证施工安全，且本系统设计合理，简单易行，安全高效。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1为本发明提供的盾构机盾尾应急冻结系统的结构示意图；

图2为本发明提供的盾构机盾尾应急冻结方法的流程图。

附图标记说明

1液氮罐 2液氮存储箱

3冻结管4冻结控制模块

5低温循环泵 6入口温度感应器

7出口温度感应器 8低温截止阀

9补液控制模块 10稳压单向阀

21排气阀 22液量检测器

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的各部件相互位置关系描述用词。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

请参考图1，本发明实施例提供一种盾构机盾尾应急冻结系统，包括：液氮罐1，设置于与盾构机配套的电瓶车上；设置于盾构机台车上的液氮存储箱2，所述液氮存储箱2具有液氮入液口、液氮出液口、氮气入气口以及氮气排出口，所述液氮罐1的出液口与所述液氮存储箱2的液氮入液口连通，所述液氮存储箱2的氮气排出口设置有排气阀21；布设于盾构机盾尾的盾壳中的冻结管3，所述冻结管3的入口端与所述液氮存储箱2的液氮出液口连通，所述冻结管3的出口端与所述液氮存储箱2的氮气入气口连通。

具体地，液氮罐1平时存储于地面端头区域，当发生漏水情况时，施工人员立刻将液氮罐1安设到与盾构机配套的电瓶车上，靠近渗漏水发生区域，在安全距离外通过快接接头与液氮存储箱2连接。

液氮存储箱2中存储有一定量的液氮，当发生漏水情况时，由于液氮存储箱2的液氮出液口与冻结管3的入口端连接以及液氮存储箱2的氮气入气口与冻结管3的出口端连接，液氮存储箱2中的液氮流入布设于盾构机盾尾的盾壳中的冻结管3中。由于盾尾处的温度较高，冻结管3中液氮的温度逐渐升高，当达到气化温度时由液态转化为气态，吸收周围的热量，迅速将尾盾与周围土体及尾盾与管片间的空隙中的渗漏水冻结，起到封堵渗漏水的作用。

气化后的氮气从冻结管3的出口端流出，通过氮气入液口流入液氮存储箱2内。液氮存储箱2具有氮气排出口，在氮气排气口处设置有排气阀21，已经气化的氮气可以从排气阀21流出，以保持液氮存储箱2中的压力平衡。液氮罐1的出液口与所述液氮存储箱2的液氮入液口连通，可随时向液氮存储箱2补充液氮。

通过本申请实施例提供的盾构机盾尾应急冻结系统，能够迅速将尾盾与周围土体及尾盾与管片间的空隙中的渗漏水冻结，起到封堵渗漏水的作用，避免地层颗粒损失，保证施工安全，且本系统设计合理，简单易行，安全高效。

可选地，盾构机盾尾应急冻结系统还配置有一键启动开关，当发生渗漏水情况时，施工人员可立即按下一键启动开关，迅速启动该系统，自动连通液氮罐1与液氮存储箱2，以及连通液氮存储箱2与冻结管3。

当遇到渗漏水情况时，施工人员可立即停止盾构机掘进并通过一键启动开关启动盾构机盾尾应急冻结系统，对盾尾的渗漏水进行冻结。在盾尾处的渗漏水已冻结(即冻结管3入口端的温度与出口端的温度的差值小于预设值)的情况下，对盾尾处的土体进行二次注浆施工，然后恢复盾构机的掘进并关闭盾构机盾尾应急冻结系统，接着自然解冻盾尾处的土体，并对盾尾处的土体进行融沉注浆施工。

可选地，所述冻结管3呈螺旋状布设于所述盾构机盾尾的盾壳中。

具体地，冻结管3呈螺旋环状布设于盾尾的盾壳中，当液氮流通于盾壳中时，吸收周围的热量，盾壳温度降低，由于盾壳由金属材料制成，具有良好的导热作用，盾壳周围的温度也随之降低，使得盾壳与周围土体以及盾壳与管片间空隙中的渗漏水冻结，达到封堵渗漏水的效果。冻结管3呈螺旋环状布设于盾壳中能够增加冻结管3与盾壳的接触面积，迅速降低冻结管3周围的温度，提高封堵渗漏水的效果。

可选地，所述系统还包括冻结控制模块4、低温循环泵5、入口温度感应器6以及出口温度感应器7；所述低温循环泵5设置于所述液氮存储箱2与所述冻结管3之间的连通管道上，用于控制所述液氮存储箱2与所述冻结管3之间的液氮输送；所述入口温度感应器6设置于所述冻结管3的入口端，用于检测所述入口端处的液氮温度并输出入口温度检测信号；所述出口温度感应器7设置于所述冻结管3的出口端，用于检测所述出口端处的液氮温度并输出出口温度检测信号；所述冻结控制模块4分别与所述低温循环泵5、所述入口温度感应6及所述出口温度感应器7电连接，用于：根据急冻启动信号开启所述低温循环泵5；以及根据所述入口温度检测信号和所述出口温度检测信号获得所述冻结管3的入口液氮温度和出口液氮温度，并根据所述入口液氮温度和所述出口液氮温度控制所述低温循环泵5的液氮输送速率。

具体地，本申请实施例中，盾构机盾尾应急冻结系统还设置有冻结控制模块4、低温循环泵5、入口温度感应器6以及出口温度感应器7。当施工人员通过一键启动开关开启盾构机盾尾应急冻结系统时，触发急冻启动信号，并将急冻启动信号发送给冻结控制模块4，冻结控制模块4在接收到急冻启动信号时，开启低温循环泵5。入口温度感应器6设置于冻结管3的入口端，能够检测冻结管3的入口端的液氮温度，并将入口温度检测信号传输给冻结控制模块4。出口温度感应器7设置于冻结管3出口端，能够检测冻结管3的出口端的液氮温度，并将出口温度检测信号传输给冻结控制模块4。控制模块4在接收到入口温度检测信号和出口温度检测信号之后，确定冻结管3入口端以及出口端的液氮温度，能够根据入口液氮温度和出口液氮温度判断盾尾处的渗漏水的冻结情况，并根据冻结情况通过改变低温循环泵5的液氮输送速率，调整冻结管3中的液氮的流速，以调节对盾尾周围土体的冻结速率。

通过本申请实施例的盾构机盾尾应急冻结系统，能够根据盾尾处渗漏水的冻结情况调节液氮的输送速率，提高系统的智能化控制能力，而且能够节省液氮的消耗，减少施工费用。

可选地，所述根据所述入口液氮温度和所述出口液氮温度控制所述低温循环泵5的液氮输送速率，包括：在所述入口液氮温度与所述出口液氮温度的差值大于等于预设值的情况下，控制所述低温循环泵5以第一输送速率输送液氮；在所述入口液氮温度与所述出口液氮温度的差值小于预设值的情况下，控制所述低温循环泵5以第二输送速率输送所述液氮，其中所述第一输送速率大于所述第二输送速率。

具体地，本申请实施例中，可以根据入口液氮温度与出口液氮温度的差值确定出盾尾处的渗漏水的冻结情况，当入口液氮温度与出口液氮温度的差值大于等于预设值(例如5℃)时，入口液氮温度与出口液氮温度相差较大，表明盾尾处的渗漏水还未冻结，则以较快的输送速率即第一输送速率(比如15m/s)输送液氮，使得盾尾处的土体能够迅速冻结。当入口液氮温度与出口液氮温度的差值小于预设值(比如5℃)时，入口液氮温度与出口液氮温度相差较小，表明盾尾处的渗漏水已经冻结，则以较慢的输送速率即第二输送速率(比如3m/s)输送液氮，将盾尾处的土体维持在冻结状态。

通过本申请实施例的方法，能够根据盾尾处土体的冻结状态调节液氮的输送速率，冻结系统更加智能化，而且能够节省液氮的消耗，减少施工费用。

可选地，所述系统还包括设置于所述低温循环泵5与所述冻结管3之间的连通管道上的稳压单向阀10，所述稳压单向阀10用于单向连通所述低温循环泵5与所述冻结管3。

具体地，本申请实施例中的盾构机盾尾应急冻结系统还设置有稳压单向阀10，稳压单向阀10设置于低温循环泵5与冻结管3之间的连通管道上。低温循环泵5将液氮从液氮存储箱2中抽取出，通过稳压单向阀10单向输送给冻结管3，液氮在冻结管3中转化成氮气。稳压单向阀10能够防止液氮及氮气回流，稳定低温循环泵5和液氮存储箱2中的压力，避免对低温循环泵5和液氮存储箱2造成损坏，提高盾构机盾尾应急冻结系统的使用寿命，进一步保证施工安全。

可选地，所述系统还包括液量检测器22、低温截止阀8和补液控制模块9；所述液量检测器22设置于所述液氮存储箱2内，用于检测所述液氮存储箱2中的剩余液氮量并输出液量检测信号；所述低温截止阀8设置于所述液氮罐1与所述液氮存储箱2之间的连通管道上；所述补液控制模块9分别与所述低温截止阀8和所述液量检测器22电连接，所述补液控制模块9用于：根据所述液量检测信号获得所述液氮存储箱2中的剩余液氮量；以及在所述剩余液氮量小于预设液氮量的情况下，开启所述低温截止阀8。

具体地，本申请实施例中还设置有液量检测器22、低温截止阀8和补液控制模块9。液量检测器22可实时检测液氮存储箱2中的剩余液氮量，并将液量检测信号发送至补液控制模块9，补液控制模块9根据液量检测信号确定出液氮存储箱2中剩余的液氮量，当液氮存储箱2中的液氮量不足(即剩余液氮量小于预设液氮量)时，补液控制模块9开启设置于液氮罐1与液氮存储箱2之间的连通管道上的低温截止阀8，通过液氮罐1向液氮存储箱2补充液氮。

可选地，液量检测器22可以是重量检测器、距离检测器、压强检测器、压力检测器中的任意一种。

具体地，液量检测器22可以是安装于液氮存储箱2底部的重量检测器，重量检测器实时检测液氮存储箱2中的液氮的重量，当重量小于预设值时，补液控制模块9开启低温截止阀8。液量检测器22可以是安装于液氮存储箱2顶部的距离检测器，通过距离检测器实时检测液氮的液面与液量检测器22之间的距离，当液面与液量检测器22之间的距离大于预设距离时，即表明剩余液氮量小于预设液氮量，补液控制模块9开启低温截止阀8。液量检测器22可以是安装于液氮存储箱2底部的压力检测器，压力检测器实时检测液氮存储箱2中液氮底部的压力，当压力小于预设值时，补液控制模块9开启低温截止阀8。液量检测器22可以是安装于液氮存储箱2底部的压强检测器，压强检测器实时检测液氮存储箱2中液氮底部的压强，当压强小于预设值时，补液控制模块9开启低温截止阀8。

通过本申请实施例提供的盾构机盾尾应急冻结系统，能够达到智能化控制液氮补液，提高系统的智能化控制能力，节约人力监测成本。

请参考图2，本发明第二方面提供一种盾构机盾尾应急冻结方法，应用于上述盾构机盾尾应急冻结系统，其特征在于，所述方法包括：S101：利用冻结控制模块4根据急冻启动信号开启低温循环泵5；S102：利用所述冻结控制模块4根据所述冻结管3的入口液氮温度和出口液氮温度控制所述低温循环泵5的液氮输送速率。

可选地，所述冻结控制模块4根据所述冻结管3的入口液氮温度和出口液氮温度控制所述低温循环泵5的液氮输送速率，包括：在所述入口液氮温度与所述出口液氮温度的差值大于等于预设值的情况下，控制所述低温循环泵5以第一输送速率输送液氮；在所述入口液氮温度与所述出口液氮温度的差值小于预设值的情况下，控制所述低温循环泵5以第二输送速率输送所述液氮，其中所述第一输送速率大于所述第二输送速率。

可选地，所述方法还包括：利用补液控制模块9根据来自所述液量检测器22的液量检测信号获得液氮存储箱2中的剩余液氮量；以及在所述剩余液氮量小于预设液氮量的情况下，利用所述补液控制模块9开启所述低温截止阀8。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (9)

1.一种盾构机盾尾应急冻结系统，其特征在于，所述系统包括：

液氮罐(1)，设置于与盾构机配套的电瓶车上；

设置于盾构机台车上的液氮存储箱(2)，所述液氮存储箱(2)具有液氮入液口、液氮出液口、氮气入气口以及氮气排出口，所述液氮罐(1)的出液口与所述液氮存储箱(2)的液氮入液口连通，所述液氮存储箱(2)的氮气排出口设置有排气阀(21)；

布设于盾构机盾尾的盾壳中的冻结管(3)，所述冻结管(3)的入口端与所述液氮存储箱(2)的液氮出液口连通，所述冻结管(3)的出口端与所述液氮存储箱(2)的氮气入气口连通。

2.根据权利要1所述的系统，其特征在于，所述冻结管(3)呈螺旋状布设于所述盾构机盾尾的盾壳中。

3.根据权利要1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括冻结控制模块(4)、低温循环泵(5)、入口温度感应器(6)以及出口温度感应器(7)；

所述低温循环泵(5)设置于所述液氮存储箱(2)与所述冻结管(3)之间的连通管道上，用于控制所述液氮存储箱(2)与所述冻结管(3)之间的液氮输送；

所述入口温度感应器(6)设置于所述冻结管(3)的入口端，用于检测所述入口端处的液氮温度并输出入口温度检测信号；

所述出口温度感应器(7)设置于所述冻结管(3)的出口端，用于检测所述出口端处的液氮温度并输出出口温度检测信号；

所述冻结控制模块(4)分别与所述低温循环泵(5)、所述入口温度感应(6)及所述出口温度感应器(7)电连接，用于：

根据急冻启动信号开启所述低温循环泵(5)；以及

根据所述入口温度检测信号和所述出口温度检测信号获得所述冻结管(3)的入口液氮温度和出口液氮温度，并根据所述入口液氮温度和所述出口液氮温度控制所述低温循环泵(5)的液氮输送速率。

4.根据权利要3所述的系统，其特征在于，所述根据所述入口液氮温度和所述出口液氮温度控制所述低温循环泵(5)的液氮输送速率，包括：

在所述入口液氮温度与所述出口液氮温度的差值大于等于预设值的情况下，控制所述低温循环泵(5)以第一输送速率输送液氮；

在所述入口液氮温度与所述出口液氮温度的差值小于预设值的情况下，控制所述低温循环泵(5)以第二输送速率输送所述液氮，其中所述第一输送速率大于所述第二输送速率。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统还包括设置于所述低温循环泵(5)与所述冻结管(3)之间的连通管道上的稳压单向阀(10)，所述稳压单向阀(10)用于单向连通所述低温循环泵(5)与所述冻结管(3)。

6.根据权利要1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括液量检测器(22)、低温截止阀(8)和补液控制模块(9)；

所述液量检测器(22)设置于所述液氮存储箱(2)内，用于检测所述液氮存储箱(2)中的剩余液氮量并输出液量检测信号；

所述低温截止阀(8)设置于所述液氮罐(1)与所述液氮存储箱(2)之间的连通管道上；

所述补液控制模块(9)分别与所述低温截止阀(8)和所述液量检测器(22)电连接，所述补液控制模块(9)用于：

根据所述液量检测信号获得所述液氮存储箱(2)中的剩余液氮量；以及

在所述剩余液氮量小于预设液氮量的情况下，开启所述低温截止阀(8)。

7.一种盾构机盾尾应急冻结方法，应用于权利要求1-6中任一项所述的盾构机盾尾应急冻结系统，其特征在于，所述方法包括：

利用冻结控制模块(4)根据急冻启动信号开启低温循环泵(5)；以及

利用所述冻结控制模块(4)根据所述冻结管(3)的入口液氮温度和出口液氮温度控制所述低温循环泵(5)的液氮输送速率。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述冻结控制模块(4)根据所述冻结管(3)的入口液氮温度和出口液氮温度控制所述低温循环泵(5)的液氮输送速率，包括：

在所述入口液氮温度与所述出口液氮温度的差值大于等于预设值的情况下，控制所述低温循环泵(5)以第一输送速率输送液氮；

在所述入口液氮温度与所述出口液氮温度的差值小于预设值的情况下，控制所述低温循环泵(5)以第二输送速率输送所述液氮，其中所述第一输送速率大于所述第二输送速率。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

利用补液控制模块(9)根据来自所述液量检测器(22)的液量检测信号获得液氮存储箱(2)中的剩余液氮量；以及

在所述剩余液氮量小于预设液氮量的情况下，利用所述补液控制模块(9)开启所述低温截止阀(8)。