CN110306996B - 盾构机土压平衡的气压辅助装置 - Google Patents

盾构机土压平衡的气压辅助装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种盾构机土压平衡的气压辅助装置,包括与土仓相连接并能够向土仓中注入气体的空气系统、用于监测土仓内压力并控制空气系统是否向土仓中注入气体而使压力平衡的保压系统,空气系统包括空气压缩机、输入端与空气压缩机的输出端相连接的储气罐、输入端与储气罐的输出端相连接的冷干机,冷干机的输出端通过空气管路与土仓内部相连通;保压系统包括设置在空气管路上的控制阀、用于测量土仓内压力的压力变送器、与压力变送器和控制阀分别相连接并且控制控制阀开启和关闭的控制装置。本气压辅助装置能够减小盾构机掘进时的负载、通过气压逼退地下水、保证同步注浆质量、减低刀盘刀具磨损、避免刀盘结泥饼、提高掘进效率。

Description

盾构机土压平衡的气压辅助装置
技术领域
本发明涉及一种盾构机土压平衡的气压辅助装置,属于隧道施工的土压盾构机领域。
背景技术
对于在岩层裂隙发育、富水、大水压、气密性好的复合式地层掘进的纯土压平衡模式的盾构机,掘进时盾构机易发生喷涌、刀盘刀具磨损快、同步注浆质量无法保证、渣温易升高、导致掘进效率低等问题。
现有纯土压平衡模式的盾构机在自稳性较好的中、微风化岩层掘进时土仓渣量一般为土仓容积的1/2,在自稳性较差的强、全风化岩层及软土地层掘进时为了平衡掌子面控制地层沉降,盾构机掘进时土仓渣土量一般为满仓。土仓渣土量越多,前方掌子面上切削下来的渣土越不易进入土仓,同时刀盘的负载扭矩变大,刀盘与渣土反复摩擦使机械能大量转化为热能,渣温容易增高在某些如黏土、泥质砂岩等地层刀盘容易结泥饼,并且盾构机负载推力也会增大,影响掘进效率。
同时现有的纯土压平衡盾构机在防喷涌上的设计一般是将螺旋机出土口设置了双闸门减小喷涌压力,在螺旋机壳体及土仓隔板上设计了添加剂注入口,通过注入添加剂减小喷涌压力。但是上述防喷涌方法仅仅是减小了喷涌压力,地下水还是会进入到盾构机内部,在渗透性强的富水高水压地层无法根本上解决喷涌问题。并且富水地层管片与地层间填充的水分过多会稀释盾构机同步注浆时注入的浆液,降低了浆液的性能管片易发生错台影响工程质量。
发明内容
为解决上述问题,本发明的目的在于提供盾构机土压平衡的气压辅助装置。
为了达到以上目的,本发明采用的技术方案是:一种盾构机土压平衡的气压辅助装置,盾构机包括盾体、通过连接桥与盾体相连接的配套部分、连接在盾体前方的刀盘、位于刀盘与盾体之间的土仓,土仓与盾体之间设置有土仓隔板。气压辅助装置包括与土仓相连接并能够向土仓中注入气体的空气系统、用于监测土仓内压力并控制空气系统是否向土仓中注入气体而使压力平衡的保压系统,
空气系统包括空气压缩机、输入端与空气压缩机的输出端相连接的储气罐、输入端与储气罐的输出端相连接的冷干机,冷干机的输出端通过空气管路与土仓内部相连通;
保压系统包括设置在空气管路上的控制阀、用于测量土仓内压力的压力变送器、与压力变送器和控制阀分别相连接并且通过分析压力变送器的检测数据来控制控制阀开启和关闭的控制装置。
优选地,空气系统还包括与冷干机的输出端相连接的空气过滤器,该空气过滤器设置在空气管路上。
优选地,空气系统的输出端连接有泡沫管路,空气系统还用于通过该泡沫管路向刀盘的前方注入气体。
更优地,泡沫管路上连接有能够向泡沫管路中注入泡沫剂和液体的泡沫系统,当泡沫系统关闭时,空气系统通过泡沫管路向刀盘的前方注入气体,当泡沫系统开启时,空气系统通过泡沫管路向刀盘的前方注入混合物,该混合物包括气体、泡沫剂、液体的混合物。
优选地,土仓隔板上开设有与空气管道相连接的进气孔。
优选地,保压系统还包括气动三联件、安全阀以及连接在空气系统与控制阀之间的减压阀。
更优选地,控制阀、压力变送器、安全阀安装在土仓隔板上,减压阀、控制装置、气动三联件安装在连接桥上。
优选地,空气压缩机、储气罐、冷干机设置在配套部分上。
优选地,保压系统还包括设置在土仓内的至少一个机械式气压表。
优选地,空气压缩机的气源为盾构机所工作的隧道内或隧道外的自然空气。
通过采用上述技术方案,本发明盾构机土压平衡的气压辅助装置应用于在岩层裂隙发育、富水、大水压、气密性好的复合式地层时,主要优点有:
(1)减小盾构机掘进时的负载。通过气压替代土压平衡掌子面控制沉降的方式,可减少土仓内的渣土量。一般盾构机在自稳性较好的中、微风化岩层掘进时土仓渣量由原来的土仓容积的1/2减少为1/3,在自稳性较差的强、全风化岩层及软土地层掘进时土仓渣土量由原来的满仓减少为半仓。从而减小刀盘负载扭矩和减小负载推力,降低盾构机能耗;
(2)气密开挖面和盾构机后面的来水,通过气压逼退地下水。气压辅助掘进时使土仓内气压与开挖面裂隙内的水压平衡,同时在盾体与地层的空隙内形成气压,减少地下水进土盾构机内部,防止喷涌,也减少了地下水的流失,有利于地层沉降的控制;
(3)保证同步注浆质量。通过加气压使原来管片与地层间填充的水分逼回到土层里,不会因为地下水降低浆液的性能,保证了同步注浆质量从而提高了管片拼装质量;
(4)减低刀盘刀具磨损,采用气压辅助掘进有效降低土仓内渣土量,提高了渣土流动性,切削下来的渣土能够快速的进入土仓内,减轻了开挖面和土仓内渣土对刀盘及刀具的磨损;
(5)避免刀盘结泥饼,采用气压辅助掘进有效降低渣土温度,渣土流动性好,避免刀盘泥饼形成;
(6)提高掘进效率。减小盾构机负载有效提高掘进速度,防止喷涌问题发生,减少了喷涌到来的清渣时间,盾构机内部施工环境得以改善提高工人工作效率,盾构机总体掘进效率得以提升。
附图说明
附图1为本发明一个实施例中盾构机土压平衡的气压辅助装置的原理示意图。
图中标号为:
100、空气系统;200、保压系统;300、泡沫系统;
1、空气压缩机;2、储气罐;3、冷干机;4、空气过滤器;5、泡沫泵;6、空气流量计;7、空气流量控制阀;8、压力传感器;9、压力表;10、减压阀;11、气动三联件;12、控制装置;13、压力变送器;14、控制阀;15、安全阀;16、刀盘;17、土仓;18、土仓隔板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述,以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。
参考附图1,本实施例中的一种盾构机土压平衡的气压辅助装置,盾构机包括盾体、通过连接桥与盾体相连接的配套部分、连接在盾体前方的刀盘16、位于刀盘16与盾体之间的土仓17,土仓17与盾体之间设置有土仓隔板18。
气压辅助装置包括与土仓17相连接并能够向土仓17中注入气体的空气系统100、用于监测土仓17内压力并控制空气系统100是否向土仓17中注入气体而使压力平衡的保压系统200。
空气系统100包括空气压缩机1、输入端与空气压缩机1的输出端相连接的储气罐2、输入端与储气罐2的输出端相连接的冷干机3,冷干机3的输出端通过空气管路与土仓17内部相连通。优选地,空气系统100还包括与冷干机3的输出端相连接的空气过滤器4,该空气过滤器4设置在空气管路上。空气压缩机1的气源为盾构机所工作的隧道内或隧道外的自然空气。
本实施例中,在土仓隔板18上开设有与空气管道相连接的进气孔,该进气孔尺寸优选为1.5寸,以使进气流量更为适合
在一种更为优选的实施方案中,空气系统100的主要部件,如空气压缩机1、储气罐2、冷干机3,设置在盾构机的配套部分上。
保压系统200包括设置在空气管路上的控制阀14、用于测量土仓17内压力的压力变送器13、与压力变送器13和控制阀14分别相连接并且通过分析压力变送器13的检测数据来控制控制阀14开启和关闭的控制装置12。在一种更为优选的实施方案中,如附图1所示,保压系统200还包括气动三联件11、安全阀15以及连接在空气系统100与控制阀14之间的减压阀10。
在本实施例中,上述的控制阀14为气动薄膜控制阀,上述的控制装置12为集成控制柜,上述的减压阀10为立式减压阀。
在一种更为优选的实施方案中,控制阀14、压力变送器13、安全阀15安装在土仓隔板18上,减压阀10、控制装置12、气动三联件11安装在盾构机的连接桥上。
由于压力变送器13易因长期受有压渣土“掩撞”而失准,所以在一种更为优选的实施方案中,在土仓隔板18上还设置有至少一个机械式气压表,来监测土仓压力。本实施例中的机械式气压表设有两个,并设在土仓隔板18的上半部。
在一种更为优选的实施方案中,空气系统100的输出端除了连接至土仓内17内之外,空气系统100的输出端还连接了泡沫管路,空气系统100除了用于向土仓17内注入气体之外,还用于通过该泡沫管路向刀盘16的前方注入气体。向刀盘16前方的注入方式有纯气注入和混合注入两种,具体地,泡沫管路上连接有能够向泡沫管路中注入泡沫剂和液体的泡沫系统300,当泡沫系统300关闭时,空气系统100通过泡沫管路向刀盘16的前方注入气体,当泡沫系统300开启时,空气系统100通过泡沫管路向刀盘16的前方注入混合物,该混合物包括气体、泡沫剂、液体的混合物,这里的液体优选为水。
泡沫系统300包括泡沫混合箱、泡沫泵5、泡沫发生器,附图1所示的本实施例中给出了一种泡沫系统300的具体结构,泡沫混合箱的输出端连接有多个并联的泡沫发生组件,并且每个泡沫发生组件均与泡沫管路相连接,每个泡沫发生组件包括泡沫泵5、空气流量计6、空气流量调节阀7、压力传感器8、压力表9以及泡沫发生器,具体连接结构可参考附图1。
工作原理:
通过控制装置12设定保压压力,保压压力根据实际掘进地层水土压力确定。通过压力变送器13测量土仓17内的实际压力,测量到的实际压力反馈到控制装置12,控制装置12接受该数据并和设定的保压压力进行比较,当实际压力低于保压压力时,控制装置12使控制阀14自动打开,空气系统100通过空气管路向土仓17内注气,当实际压力达到保压压力时,控制装置12使控制阀14自动关闭停止注气。通过保压系统可以比较精确的控制土仓压力,保障掘进的顺利进行。更优地,本实施例中的气压辅助装置,即能够保持土仓内气压平衡,又能够向刀盘前方注气,辅助掘进。
本实施例中的盾构机土压平衡的气压辅助装置,能够减小盾构机掘进时的负载、气密开挖面和盾构机后面的来水,通过气压逼退地下水、保证同步注浆质量、减低刀盘刀具磨损、避免刀盘结泥饼、提高掘进效率。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点,其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施,并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种盾构机土压平衡的气压辅助装置,所述的盾构机包括盾体、通过连接桥与所述盾体相连接的配套部分、连接在所述盾体前方的刀盘(16)、位于所述刀盘(16)与盾体之间的土仓(17),所述土仓(17)与盾体之间设置有土仓隔板(18),其特征在于:
所述的气压辅助装置包括与所述土仓(17)相连接并能够向所述土仓(17)中注入气体的空气系统(100)、用于监测所述土仓(17)内压力并控制所述空气系统(100)是否向所述土仓(17)中注入气体而使压力平衡的保压系统(200),
所述的空气系统(100)包括空气压缩机(1)、输入端与所述空气压缩机(1)的输出端相连接的储气罐(2)、输入端与所述储气罐(2)的输出端相连接的冷干机(3),所述冷干机(3)的输出端通过空气管路与所述土仓(17)内部相连通;
所述的保压系统(200)包括设置在所述空气管路上的控制阀(14)、用于测量所述土仓(17)内压力的压力变送器(13)、与所述压力变送器(13)和控制阀(14)分别相连接并且通过分析压力变送器(13)的检测数据来控制所述控制阀(14)开启和关闭的控制装置(12);
所述的空气系统(100)的输出端连接有泡沫管路,所述空气系统(100)还用于通过该泡沫管路向所述刀盘(16)的前方注入气体;
所述的泡沫管路上连接有能够向所述泡沫管路中注入泡沫剂和液体的泡沫系统(300),当所述泡沫系统(300)关闭时,所述的空气系统(100)通过泡沫管路向所述刀盘(16)的前方注入气体,当所述泡沫系统(300)开启时,所述的空气系统(100)通过泡沫管路向所述刀盘(16)的前方注入混合物,该混合物包括气体、泡沫剂、液体的混合物;
所述的保压系统(200)还包括气动三联件(11)、安全阀(15)以及连接在所述空气系统(100)与控制阀(14)之间的减压阀(10);
所述的控制阀(14)、压力变送器(13)、安全阀(15)安装在所述的土仓隔板(18)上,所述的减压阀(10)、控制装置(12)、气动三联件(11)安装在所述的连接桥上。
2.根据权利要求1所述的盾构机土压平衡的气压辅助装置,其特征在于:所述的空气系统(100)还包括与所述冷干机(3)的输出端相连接的空气过滤器(4),该空气过滤器(4)设置在所述空气管路上。
3.根据权利要求1所述的盾构机土压平衡的气压辅助装置,其特征在于:所述的土仓隔板(18)上开设有与所述空气管路相连接的进气孔。
4.根据权利要求1所述的盾构机土压平衡的气压辅助装置,其特征在于:所述的空气压缩机(1)、储气罐(2)、冷干机(3)设置在所述的配套部分上。
5.根据权利要求1所述的盾构机土压平衡的气压辅助装置,其特征在于:所述的保压系统(200)还包括设置在所述土仓(17)内的至少一个机械式气压表。
6.根据权利要求1所述的盾构机土压平衡的气压辅助装置,其特征在于:所述的空气压缩机(1)的气源为盾构机所工作的隧道内或隧道外的自然空气。
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