CN109281685A - 一种逐级减压式盾构机 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种逐级减压式盾构机，包括盾构主机、螺旋机、主进浆管道和主排浆管道，螺旋机、主进浆管道和主排浆管道设于盾构主机的护盾内部，主进浆管道与盾构主机前部的土仓连通，螺旋机入口与土仓连通，螺旋机的螺旋轴上的叶片沿轴向至少有一处分段间隔区，主排浆管道与螺旋机筒体连通，主排浆管道上设有第一阀门和第一泥浆泵，第一泥浆泵用于将螺旋机内的泥浆经主排浆管道排出，螺旋机的尾部设有卸渣口。本方案提供的盾构机，在泥水盾构掘进模式下，可有效减少了泥浆系统中大颗粒固体的含量，从而减小了管道输送泥浆的装机功率，降低了设备损耗和运行成本，螺旋机内的渣料经卸渣口排出，并可连续排出沉淀在螺旋机内的渣料，生产效率高。

Description

一种逐级减压式盾构机

技术领域

本发明属于盾构施工领域，具体涉及一种逐级减压式盾构机。

背景技术

盾构机全称为盾构隧道掘进机，是一种隧道掘进的专用工程机械，广泛用于铁路、公路、市政、地铁等隧道工程中。常用的盾构机分为土压平衡盾构机和泥水平衡盾构机。土压平衡式盾构机的工作原理是，刀盘切削土层，切削后的泥土进入土舱，土舱内的泥土与开挖面压力取得平衡的同时由土舱内的螺旋输送机排出渣土，排土口的排土装置在出土量与推进量取得平衡的状态下，进行连续出土；泥水平衡式盾构机的工作原理是，刀盘与其后隔板之间形成密封的泥水仓，向泥水仓内注入适当压力的泥浆使其在开挖面形成泥膜，支承正面土体，实现开挖面的稳定，刀盘切削土体，渣土与泥浆混合后形成高密度泥浆，用排泥泵及管道输送至地面处理。

以上两种盾构机掘进方式只能为土压平衡式或者泥水平衡式的其中一种。然而，土压平衡盾构机不能用于水压较大、地面沉降控制要求很高的场合；泥水盾构机排浆管道输送的泥浆流量很大，泥浆长距离、大流量输送，导致整个泥浆环流系统需要的装机功率很大，并且对管道及泥浆泵的磨损严重。因此，现有的盾构机适应地层变化的工作能力受到较大的限制。目前虽然也存在将土压平衡和泥水平衡两种掘进方式结合在一起的双模式盾构机，即在盾构机内同时布置螺旋机和泥浆管道，但由于该中双模式盾构机仅将两种盾构模式的出土出渣方式进行简单的组合，在泥水模式下运行时，泥浆内的大量固体仍需由高速、大流量泥浆携带并经过排浆管道输送，整个泥浆环流系统需要的装机功率很大，固体尤其是较大粒径的块状固体在管道内的高速运动，强烈摩擦、撞击泥浆管道和泥浆泵叶轮，严重磨蚀泥浆泵和泥浆管道，设备故障率和维修费居高不下。现有的双模式盾构机没有根本上解决泥水盾构模式下施工成本高的缺点。

因此，提供一种泥水盾构机或双模式盾构机，在泥水盾构掘进模式下，能有效减小排浆管道的装机功率，降低设备损耗和运行成本，是本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种盾构机，在泥水盾构掘进模式下，泥浆先通过螺旋机，大颗粒固体在螺旋机内发生沉积，有效减少了泥浆系统中大颗粒固体的含量，泥浆中固体沉淀分离效果好，从而减小了管道输送泥浆的装机功率，降低了设备损耗和运行成本，螺旋机内的渣料经卸渣口排出，并可连续排出渣料，生产效率高。

本发明提供的技术方案如下：

一种逐级减压式盾构机，包括盾构主机、螺旋机、主进浆管道和主排浆管道，所述螺旋机、所述主进浆管道和所述主排浆管道设于所述盾构主机的护盾内部，所述主进浆管道与所述盾构主机前部的土仓连通，所述螺旋机入口与所述土仓连通，所述螺旋机的螺旋轴上的叶片沿轴向至少有一处分段间隔区，所述主排浆管道与所述螺旋机筒体连通，所述主排浆管道上设有第一阀门和第一泥浆泵，所述第一泥浆泵用于将所述螺旋机内的泥浆经所述主排浆管道排出，所述螺旋机的尾部设有卸渣口。

进一步的，所述螺旋机筒体上设有至少一根泥浆管道，所述泥浆管道连通所述螺旋机的筒体和所述主排浆管道，所述泥浆管道上设有第二阀门和第二泥浆泵，所述第二泥浆泵用于将所述螺旋机内经沉淀后的泥浆通过所述泥浆管道排出至所述主排浆管道。

进一步的，所述螺旋机的筒体上设有压力检测器，所述压力检测器用于检测螺旋机内的泥浆压力。

进一步的，所述螺旋机筒体上与所述主排浆管道的连通处设有格栅。

进一步的，所述螺旋机筒体上与所述泥浆管道的连通处设有格栅。

进一步的，所述主进浆管道上设有第三阀门，所述主排浆管道上设有第四阀门，所述主进浆管道与所述主排浆管道通过第一管道连通，用于将所述主进浆管道内的泥浆直接从所述主排浆管道排出，所述第一管道上设有第五阀门。

进一步的，所述主进浆管道靠近所述土仓的一端连通有至少一根进浆支管，所述进浆支管上设有第六阀门。

进一步的，所述卸渣口的下方设有皮带机，所述皮带机用于将从卸渣口排出的渣土运出。

进一步的，所述卸渣口与所述皮带机的下方设有积水槽，所述积水槽用于收集从所述螺旋机尾部或所述皮带机上漏出的泥浆或渣土。

进一步的，所述积水槽侧壁设有高液位传感器和低液位传感器，所述积水槽下部连通有第二管道，所述第二管道上设有排浆泵，所述高液位传感器用于控制所述排浆泵开启，所述低液位传感器用于控制所述排浆泵关闭。

本发明提供的逐级减压式盾构机，具有泥水平衡盾构模式和泥土平衡盾构双模式。在泥水盾构掘进模式下，土舱内携带大量固体颗粒的泥浆从螺旋机入口进入螺旋机，泥浆在螺旋机筒体内流动性好，从而其较固体尤其是大颗粒块状固体更易于输送，由于泥浆与固体渣料之间存在速度差，在螺旋机筒体内，泥浆和固体渣料会逐步沿着螺旋机轴向发生离析，固体渣料在螺旋叶片间隔区沉淀堆积，泥浆与固体渣料分离效果好，降低了进入主排浆管道内泥浆的量，并能有效减少主排浆管道内泥浆中固体渣料的含量，从而减小了管道输送泥浆的装机功率，降低了设备的损耗和运行成本，沉淀在螺旋机内的渣料经螺旋机输送并从卸渣口排出，并可连续不断排出渣料，出渣过程中不需中断掘进，极大提高了设备运行效率，生产效率高。在泥土盾构模式下，只需关闭第一阀门，即可采用螺旋机排出渣土。该盾构机的两种盾构模式的切换操作简单，可自由切换两种盾构模式，无需拆装任何部件。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实施例提供的逐级减压式盾构机的结构示意图；

图2为本实施例提供的逐级减压式盾构机工作时的结构示意图；

图3为本实施例提供的逐级减压式盾构机的螺旋机结构示意图；

图4为本实施例提供的逐级减压式盾构机的螺旋机的工作原理图。

附图标记说明：螺旋机1；叶片101；分段间隔区102；压力传感器111；压力传感器112；主进浆管道2；进浆支管201；进浆支管202；第六阀门211；第六阀门212；主排浆管道3；单向阀301；土仓4；第一阀门5；第一泥浆泵6；卸渣口7；泥浆管道801；泥浆管道802；泥浆管道803；第二阀门811；第二阀门812；第二阀门813；第二泥浆泵821；第二泥浆泵822；第二泥浆泵823；单向阀831；单向阀832；单向阀833；第三阀门9；第四阀门10；第五阀门11；皮带机12；积水槽13；排浆泵14；刀盘15；第七阀门16；闸门17，第二压力传感器18；第八阀门19；栓塞固体20。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

首先需要说明的是，本申请中所述的螺旋机1的筒体的上部和下部是为了描述方便，以螺旋轴为中心，螺旋机1的筒体靠近地面的一侧为“下部”，以远离地面的一侧“上部”，并不对本方案进行限制。

盾构机的刀盘15切削土体，进行掘进。土压平衡盾构机采用螺旋机1排出渣土，可以携带较大粒径的固体颗粒，输送渣土的方式较为经济，但其不能用于水压较大、地面沉降控制要求很高的场合；泥水盾构机采用泥浆管道携渣和长距离运输渣料，开挖面稳定性较好，具有较广泛的地质适应性，但其需要配置泥浆分离系统和调制泥浆，且泥水盾构机设备造价较高，泥水盾构机施工成本较高，排浆管道运输的泥浆中含有大量的固体渣料，现有的解决方式是在泥水盾构机上设置采石箱，对泥浆管道中的固体进行沉淀、过滤，虽然这样能够一定程度缓解固体的破坏性，但采石箱一般容量有限，且箱内格栅容易堵塞，需要定期打开采石箱清空和处理固体渣料，造成施工中断甚至停机，极大影响了施工效率、增加了施工成本。

如图1至图4所示，本实施例提供的一种逐级减压式盾构机，包括盾构主机、螺旋机1、主进浆管道2和主排浆管道3，所述螺旋机1、所述主进浆管道2和所述主排浆管道3设于所述盾构主机的护盾内部，所述主进浆管道2与所述盾构主机前部的土仓4连通，所述螺旋机1入口与所述土仓4连通，其特征在于，所述主排浆管道3与所述螺旋机1筒体连通，所述主排浆管道3上设有第一阀门5和第一泥浆泵6，所述第一泥浆泵6用于将所述螺旋机1内的泥浆经所述主排浆管道3排出，所述螺旋机1的尾部设有卸渣口7。

本实施例提供的逐级减压式盾构机，具有泥水平衡盾构模式和泥土平衡盾构双模式，具备两种盾构模式的优点。在泥水盾构掘进模式下，土舱内携带大量固体颗粒的泥浆从螺旋机1入口进入螺旋机1，泥浆在螺旋机1筒体内流动性好，从而其较固体尤其是大颗粒块状固体更易于输送，由于泥浆与固体渣料之间存在速度差，在螺旋机1筒体内，泥浆与固体渣料会逐步沿着螺旋机1轴向发生离析，并且固体渣料沿螺旋机1轴向在螺旋叶片101间隔区沉淀堆积，泥浆与固体渣料分离效果好，降低了进入主排浆管道3内泥浆的量，并能有效减少主排浆管道3内泥浆中固体渣料的含量，从而减小了管道输送泥浆的装机功率，降低了设备的损耗和运行成本，沉淀在螺旋机1内的渣料经螺旋机1的螺旋轴转动输送至卸渣口7，并由卸渣口7排出螺旋机1，该盾构机可连续不断排出渣料，出渣过程中不需中断掘进，极大提高了设备运行效率，生产效率高。在泥土盾构模式下，只需关闭第一阀门5，即可采用螺旋机1排出渣土。该盾构机的两种盾构模式的切换操作简单，可自由切换两种盾构模式，无需拆装任何部件。

泥水盾构模式下，泥浆与固体渣料的分离原理及过程如下：

螺旋机1入口处设有第七阀门16。工作时，打开第七阀门16，携带大量固体颗粒的泥浆从土仓4经螺旋机1入口进入螺旋机1，在螺旋机1筒体内，固体渣料沿螺旋机1轴向在螺旋叶片101的分段间隔区102沉淀堆积，由于分段间隔区102堆积、压密的固体具有“阻塞”作用，大大增加了泥浆通过的阻力，筒体内前端逐步堆积形成一段阻力大、具有一定透水性的“栓塞固体”20。土舱内具有较大压力的泥浆经过一定长度和数量的栓塞固体20后，在泥浆泵的抽吸作用下，其压力越来越低，并在卸渣口7最终降至常压。这样，就实现了从高压泥浆到低压泥浆的逐级减压，同时也同步完成了大颗粒固体与泥浆的连续分离。卸渣口7在常压下进行渣料排出，从而不会发生卸螺旋机1内在渣口7处的压力较外部压力大，而导致渣料从卸渣口7喷射出来。经沉淀后的泥浆含的固体渣料较少，由第一泥浆泵6排入主排浆管道3；螺旋机1内的固体渣料在螺旋轴转动排渣和泥浆携渣双重作用下，向螺旋机1尾部移动，并由卸渣口7排出螺旋机1。卸渣口7处设有闸门17，根据排渣量和螺旋机1筒体内部固体压紧程度的需要，卸渣口7的大小可灵活调整。

具体的，叶片101沿螺旋轴轴向设置有多处分段间隔，在分段间隔区螺旋叶片101断开，断开距离至少为0.5倍螺距，每一分段之间的间隔具体可以根据实际情况确定，但不宜超过2倍螺距。螺旋叶片101分段间隔区102有利于固体渣料的沉淀堆积，在螺旋叶片101的分段间隔区内形成具有“阻塞”作用的“栓塞固体”20，既可以实现逐级减压，又有利于泥浆与固体料渣的分离，从而使泥浆中降低固体含量的效果更好。主排浆管道3的进口不宜设置在螺旋叶片101分段间隔区102，而是开设在螺旋叶片101连续布置的位置。在使用土压模式进行长距离隧道掘进时，还可将螺旋轴换装成螺旋叶片101连续布置(无分段间隔)的螺旋轴，可提高土压模式下的出渣效率。

主排浆管道3与螺旋机1筒体的连通处优选在螺旋机1筒体三分之一的前部位置，并且，因为泥浆中的固体渣料沿螺旋机1轴向沉积在螺旋机1筒体的下部，因此，主排浆管道3优选与螺旋机1筒体的上部连通，便于在排出泥浆的过程中尽可能减少固体渣料进入主排浆管道3。第一阀门5优选设置在主排浆管道3与螺旋机1筒体的连接处，在切换至泥土盾构模式下时，关闭第一阀门5后，防止渣土进入主排浆管道3。第一阀门5优选动力阀，可以是液压阀、气压阀或电动阀。

本实施例中，泥浆泵靠主排浆管道3出口的一侧还设有单向阀301，防止泥浆泵停止工作时，泥浆回流至泥浆泵中，对泥浆泵造成影响。

本实施例进一步优化方案，所述螺旋机1筒体上设有至少一根泥浆管道，所述泥浆管道连通所述螺旋机1的筒体和所述主排浆管道3，所述泥浆管道上设有第二阀门和第二泥浆泵，所述第二泥浆泵用于将所述螺旋机1内经沉淀后的泥浆通过所述泥浆管道排出至所述主排浆管道3。

泥浆管道与螺旋机1筒体的上部连通，泥浆管道的进口不宜设置在螺旋叶片101分段间隔区102，而是开设在螺旋叶片101连续布置的位置。第二阀门优选设置在泥浆管道与螺旋机1筒体的连接处，在切换至泥土盾构模式下时，关闭第二阀门后，渣土便不会进入泥浆管道。本实施例优选设置三根泥浆管道，主排浆管道3以及泥浆管道在筒体上的连通位置沿螺旋机1筒体的轴向布置。泥浆管道801、泥浆管道802和泥浆管道803上，分别设有第二阀门811、第二阀门812和第二阀门813，且三根泥浆管道上分别第二泥浆泵821、第二泥浆泵822和第二泥浆泵823，第二泥浆泵821、第二泥浆泵822和第二泥浆泵823靠近主排浆管道3的一侧分别设有单向阀831、单向阀832和单向阀833，泥浆泵停止工作时，单向阀能防止泥浆回流至第二泥浆泵中，避免对第二泥浆泵造成影响。设置三根泥浆管道，有助于进一步将螺旋机1中已沉淀固体渣料的泥浆排入主排浆管道3，泥浆与固体渣料的分离效果好。

本实施例进一步，螺旋机1筒体上设有压力检测器，所述压力检测器用于检测螺旋机1内的泥浆压力。压力检测器优选压力传感器，并且压力传感器优选设置在相邻泥浆管道之间的螺旋机1筒体上，用于检测螺旋机1内的泥浆压力，可根据泥浆压力对主排浆管道3及泥浆管道上的泥浆泵的流量进行调整。泥浆压力较大，说明泥浆固体含量大，可调小泥浆泵的流量，反之，将泥浆泵的流量调大。本实施例中，在泥浆管道801和泥浆管道802之间的螺旋机1筒体上设有压力传感器111，在泥浆管道802和泥浆管道803之间的螺旋机1筒体上设有压力传感器112。

本实施例中，所述螺旋机1的筒体上与所述主排浆管道3的连通处设有格栅。格栅优选钢格栅，格栅的孔径大小可根据实际需要来选择确定。格栅的设置，能有效防止螺旋机1内大块渣料固体进入主排浆管道3。

本实施例中，所述螺旋机1筒体上与所述泥浆管道的连通处设有格栅。格栅优选钢格栅，格栅的孔径大小可根据实际需要来选择确定。格栅的设置，能有效防止螺旋机1内大块渣料固体进入泥浆管道，从而进入主排浆管道3。

本实施例中进一步优化技术方案，所述主进浆管道2上设有第三阀门9，所述主排浆管道3上设有第四阀门10，所述主进浆管道2与所述主排浆管道3通过第一管道连通，用于将所述主进浆管道2内的泥浆直接从所述主排浆管道3排出，所述第一管道上设有第五阀门11。

具体的，第三阀门9、第四阀门10和第五阀门11均为动力阀，可以为液压阀、气压阀或电动阀。当泥浆不需要经过土仓4及螺旋机1时，只需要关闭第三阀门9和第四阀门10，并打开第五阀门11，主进浆管道2内的泥浆不需经过土仓4，便可直接从主排浆管道3排出。这个过程中，不需要对螺旋机1进行停机即可实现，减少了工作量，同时避免了频繁停机造成螺旋机1工作不稳定的情况，降低设备的损耗。

本实施例进一步对技术方案进行优化，所述主进浆管道2靠近所述土仓4的一端连通有至少一根进浆支管，所述进浆支管上设有第六阀门。本实施例中优选设置两根进浆支管，进浆支管201和进浆支管202上分别设有第六阀门211和第六阀门212，进浆支管可与土仓4的不同位置连通，从而可根据实际需要主进浆管道可从不同的位置向土仓4的输入泥浆。

本实施例中，所述卸渣口7的下方设有皮带机12，所述皮带机12用于将从卸渣口7排出的渣土或渣料运出。

更优化的，所述卸渣口7与所述皮带机12的下方设有积水槽13，所述积水槽13用于收集从所述螺旋机1尾部或所述皮带机12上漏出的泥浆或渣土。积水槽13的大小可根据实际情况来确定。积水槽13的设置，能有效防止漏水，从而避免了漏出的积水对工作环境的影响。

具体的，所述积水槽13侧壁设有高液位传感器和低液位传感器，所述积水槽13下部连通有第二管道，所述第二管道上设有排浆泵14，所述高液位传感器用于控制所述排浆泵14开启，所述低液位传感器用于控制所述排浆泵14关闭。当积水槽13内的泥浆液位达到高液位传感器位置时，排浆泵14启动，对积水槽13内的积水及泥浆进行排出；液位降至低位液位传感器时，排浆泵14停机。高液位传感器的设置，防止积水槽13内泥浆积水过多而从积水槽13内溢出。低液位传感器的设置，防止排浆泵14空排。所述积水槽13优选配有污水箱或污水管路，污水箱或污水管路用于存储或排出所述积水槽13内的泥浆。积水槽13与排浆泵14之间的第二管道上设有第八阀门19。积水槽13上设有第二压力传感器18，用于检测积水槽13内泥浆的压力，根据检测的压力从而便于对排浆泵14的排浆速率进行调节。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种逐级减压式盾构机，包括盾构主机、螺旋机(1)、主进浆管道(2)和主排浆管道(3)，所述螺旋机(1)、所述主进浆管道(2)和所述主排浆管道(3)设于所述盾构主机的护盾内部，所述主进浆管道(2)与所述盾构主机前部的土仓(4)连通，所述螺旋机(1)入口与所述土仓(4)连通，其特征在于，所述螺旋机(1)的螺旋轴上的叶片(101)沿轴向至少有一处分段间隔区(102)，所述主排浆管道(3)与所述螺旋机(1)筒体连通，所述主排浆管道(3)上设有第一阀门(5)和第一泥浆泵(6)，所述第一泥浆泵(6)用于将所述螺旋机(1)内的泥浆经所述主排浆管道(3)排出，所述螺旋机(1)的尾部设有卸渣口(7)。

2.根据权利要求1所述的逐级减压式盾构机，其特征在于，所述螺旋机(1)筒体上设有至少一根泥浆管道，所述泥浆管道连通所述螺旋机(1)的筒体和所述主排浆管道(3)，所述泥浆管道上设有第二阀门和第二泥浆泵，所述第二泥浆泵用于将所述螺旋机(1)内经沉淀后的泥浆通过所述泥浆管道排出至所述主排浆管道(3)。

3.根据权利要求1所述的逐级减压式盾构机，其特征在于，所述螺旋机(1)的筒体上设有压力检测器，所述压力检测器用于检测所述螺旋机(1)内的泥浆压力。

4.根据权利要求1所述的逐级减压式盾构机，其特征在于，所述螺旋机(1)筒体上与所述主排浆管道(3)的连通处设有格栅。

5.根据权利要求2所述的逐级减压式盾构机，其特征在于，所述螺旋机(1)筒体上与所述泥浆管道的连通处设有格栅。

6.根据权利要求1所述的逐级减压式盾构机，其特征在于，所述主进浆管道(2)上设有第三阀门(9)，所述主排浆管道(3)上设有第四阀门(10)，所述主进浆管道(2)与所述主排浆管道(3)通过第一管道连通，用于将所述主进浆管道(2)内的泥浆直接从所述主排浆管道(3)排出，所述第一管道上设有第五阀门(11)。

7.根据权利要求1所述的逐级减压式盾构机，其特征在于，所述主进浆管道(2)靠近所述土仓(4)的一端连通有至少一根进浆支管，所述进浆支管上设有第六阀门。

8.根据权利要求1所述的逐级减压式盾构机，其特征在于，所述卸渣口(7)的下方设有皮带机(12)，所述皮带机(12)用于将从所述卸渣口(7)排出的渣土或渣料运出。

9.根据权利要求8所述的逐级减压式盾构机，其特征在于，所述卸渣口(7)与所述皮带机(12)的下方设有积水槽(13)，所述积水槽(13)用于收集从所述螺旋机(1)尾部或所述皮带机(12)上漏出的泥浆或渣土。

10.根据权利要求8所述的逐级减压式盾构机，其特征在于，所述积水槽(13)侧壁设有高液位传感器和低液位传感器，所述积水槽(13)下部连通有第二管道，所述第二管道上设有排浆泵(14)，所述高液位传感器用于控制所述排浆泵(14)开启，所述低液位传感器用于控制所述排浆泵(14)关闭。