CN110397442A - 盾构机的同步减阻方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种盾构机的同步减阻方法，该同步减阻方法为：在盾构机掘进时，同步向盾构机的盾体与掘进所形成的洞壁之间的间隙中注入润滑填充材料。实现上述方法采用的盾构机的同步减阻系统，包括：注入机构、阀组和控制机构；注入机构用于装载润滑填充材料以及将润滑填充材料传输至各个注入点，从而在盾构机掘进时，同步向盾构机的盾体与掘进所形成的洞壁之间的间隙中注入润滑填充材料；阀组设置于传输润滑填充材料的通路上；控制机构用于控制注入机构和阀组的控制机构。本发明能够在盾构机的掘进过程中辅助减小盾构机的盾体所受的摩擦阻力，从而减少盾构机的磨损，提高盾构机的掘进速度。

Description

盾构机的同步减阻方法和系统

技术领域

本发明属于工业设备领域，具体涉及一种应用于盾构机上的同步减阻方法和系统。

背景技术

盾构机在隧道基建中起着重要的作用。一般盾构机与所选的地质是相对应的，由于盾构机开挖直径略大于其盾体直径，这样便造成了盾构机盾体与地层（即掘进所形成的洞壁）之间产生间隙。当盾构机工作在岩层和砂层等地质下时，挖掘的小石块、砂子等坚硬物会充满上述间隙，时刻与盾体和地层产生摩擦，尤其是在盾构机调整姿态时，由于挤压，摩擦力大大增大，不仅对盾体产生磨损，而且会影响盾构机的推力，造成推力不必要的增大，对施工造成了不利影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于减小盾构机的摩擦阻力、减小对施工的影响的盾构机的同步减阻方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种盾构机的同步减阻方法，该同步减阻方法为：在盾构机掘进时，同步向所述盾构机的盾体与掘进所形成的洞壁之间的间隙中注入润滑填充材料。

优选的，所述润滑填充材料为膨润土。

本发明还提供一种用于减小盾构机的摩擦阻力、减小对施工的影响的盾构机的同步减阻系统，采用的技术方案是：

一种盾构机的同步减阻系统，包括：

用于装载润滑填充材料以及将所述润滑填充材料传输至各个注入点，从而在盾构机掘进时，同步向所述盾构机的盾体与掘进所形成的洞壁之间的间隙中注入润滑填充材料的注入机构；

设置于传输所述润滑填充材料的通路上的阀组；

用于控制所述注入机构和所述阀组的控制机构。

优选的，所述注入机构包括用于装载所述润滑填充材料的减阻箱、由所述减阻箱连接至各个所述注入点的管路、设置于所述管路上并由所述控制机构控制的注入泵。

优选的，所述注入机构还包括设置于所述减阻箱中并由所述控制机构控制的搅拌器、与所述控制机构相连接并用于检测所述减阻箱内液位的液位传感器、与所述控制机构相连接并用于检测所述管路内所述润滑填充材料流量的流量计与所述控制机构相连接并用于检测所述管路内所述润滑填充材料压力的压力传感器。

优选的，所述管路包括由所述减阻箱引出的主管路、由所述主管路分支出的若干支管路，所述流量计和所述压力传感器设置于所述主管路上。

优选的，所述阀组包括与所述注入点一一对应的若干阀门对，每个阀门对包括一个手动阀门和一个由所述控制机构控制的电控阀门。

优选的，所述控制机构包括：

用于设置所需的注入参数、显示所需的注入参数和实际的注入参数、输入手动控制指令的人机界面；

用于由所述注入机构获取实际的注入参数、结合所需的注入参数而对应生成控制所述阀组的信号的PLC；

用于控制所述注入机构的控制柜；

所述人机界面、所述控制柜、所述PLC相通信连接。

优选的，所述控制机构还包括与所述PLC相连接并在实际的注入参数异常时或所述注入机构/所述阀组状态异常时进行报警的报警模块。

优选的，所述盾构机的盾体的前端和后端分别设置有一组所述注入点，每组所述注入点分布于所述盾体的外周面上。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明能够在盾构机的掘进过程中辅助减小盾构机的盾体所受的摩擦阻力，从而减少盾构机的磨损，提高盾构机的掘进速度。

附图说明

附图1为本发明的盾构机的同步减阻系统的示意图。

附图2为本发明的盾构机的同步减阻系统的工作流程图。

以上附图中：1、控制机构；2、注入机构；21、注入泵；22、管路；23、压力传感器；24、流量计；25、减阻箱；26、搅拌器；27、液位传感器；28、主手动阀；3、阀组；31、手动阀门；32、电控阀门；33、注入点。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：一种盾构机的同步减阻方法为：在盾构机掘进时，同步向盾构机的盾体与掘进所形成的洞壁之间的间隙中注入润滑填充材料。其中，润滑填充材料可以选用膨润土。

上述盾构机的同步减阻方法可以利用安装在盾构机上的同步减阻系统来实现。如附图1所示，一种盾构机的同步减阻系统，包括注入机构2、阀组3和控制机构1。注入机构2用于装载润滑填充材料以及将润滑填充材料传输至各个注入点33，从而可以在盾构机掘进时，同步向盾构机的盾体与掘进所形成的洞壁之间的间隙中注入润滑填充材料。阀组3设置于传输润滑填充材料的通路上，用于实现注入进程。而控制机构1则用于控制注入机构2和阀组3。

具体的，注入机构2主要包括减阻箱25、管路22和注入泵21。减阻箱25用于装载待注入的润滑填充材料，减阻箱25的底部具有出口。管路22由减阻箱25的出口连接至各个注入点33，从而将润滑填充材料传输至各个注入点33。注入泵21设置在管路22上，它由控制机构1控制而工作，为管路22中的润滑填充材料传输提供动力。通常需设置多个注入点33，这些注入点33分为两组，两组注入点33分别设置在盾构机的盾体的前盾和尾盾上，每组注入点33中的多个注入点33均匀分布于前盾/尾盾的外周面上。因此，管路22需要将润滑填充材料由一个减阻箱25传输到各个注入点33，则管路22需要包括由减阻箱25引出的主管路以及由主管路分支出的若干支管路，在主管路上靠近减阻箱25底部的位置设置有主手动阀28。此外，注入机构2还可以包括搅拌器26、液位传感器27（如超声波液位传感器27）、流量计24和压力传感器23。搅拌器26设置在减阻箱25中，其用于在控制机构1的控制下搅拌减阻箱25中的润滑填充材料，通过搅拌器26能够实现润滑填充材料的充分搅拌。液位传感器27与控制机构1相连接，其用于检测减阻箱25内的液位，并将检测得到的液位信息传输给控制机构1。流量计24和压力传感器23均设置于主管路上。流量计24与控制机构1相连接，其用于检测主管路内润滑填充材料的流量，并将检测得到的流量信息传输给控制机构1。压力传感器23也与控制机构1相连接，其用于检测主管路内润滑填充材料的压力，并将检测得到的压力信息传输给控制机构1。

阀组3包括若干阀门对，阀门对与注入点33一一对应，并设置在连接至对应注入点33的支管路上，每个阀门对包括一个手动阀门31和一个由控制机构1控制的电控阀门32。手动阀门31在正常情况下为常闭，在特殊情况下可由操作人员打开，进行手动注入。

控制机构1包括相通信连接的人机界面、PLC和控制柜。人机界面用于设置所需的注入参数、显示所需的注入参数和实际的注入参数，以及输入手动控制指令。PLC用于由注入机构2获取实际的注入参数、结合所需的注入参数而对应生成控制阀组3的信号来控制阀组3动作。控制柜用于控制注入机构2的注入泵21、搅拌器26，并为PLC获取实际的注入参数提供接口。该控制机构1还与盾构机的控制系统等通信。

这里，由人机界面输入的所需注入参数包括盾构机的外径、开挖外径、管片长度、润滑填充材料的注入率、减阻开始行程、减阻复位行程、自动注入流量下限、注入流量、阀组开启时间、注入压力上限等。人机界面所显示的除了上述所需的注入参数以外，还包括实际的注入参数，如实际注入过程中的推进行程、推进速度、目标注入量、当前注入量、当前注入压力值、当前注入流量值、液位值、阀组开关状态、注入泵开关状态、搅拌器开关状态等。这些实际的注入参数由PLC采集后传给人机界面进行显示。其中，推进行程和推进速度等由盾构机的控制系统等提供。在PLC中，其除了获取实际的注入参数外，还根据所需的注入参数和实际的注入参数进行数据处理和运算。例如，目标注入量由PLC根据盾构机外径、开挖外径、管片长度等计算所得，当前注入量由PLC通过流量值、注入率计算所得；当前注入压力值、液位值、当前注入流量值等由PLC根据各相关仪器采集的数据计算所得。从而，PLC和控制柜分别控制阀组3、注入泵21、搅拌器26等来实施注入过程，而阀组开关状态、注入泵开关状态、搅拌器开关状态则由PLC控制所得。故PLC的作用的是获取流量、压力、液位等数据，并结合地质的相关数据而对获取的数据进行分析处理，得到实际的流量、压力、流量等数据传输至人机界面进行显示，以及自动控制阀组3。由人机界面输入的手动控制指令用于直接对应控制阀组3中的各手动阀门31。

控制机构1还可以包括与PLC相连接并在实际的注入参数异常时或注入机构2/阀组3状态异常时进行报警的报警模块，报警模块可以与人机界面相通信。例如，注入泵INV异常报警、搅拌器异常报警、超负荷报警、注入压力高报警、液位高/低报警、注入流量低报警、电控阀门及支管路端部形成的注入孔异常报警、通讯异常报警等。通过以上报警显示，提示操作人员相应的故障原因，进行停止操作，或是更正操作方法。

据此，控制机构1整体的功能包括减阻数据（包括所需注入参数、实际注入参数等）输入、减阻系统数据显示、减阻控制、系统报警、数据范围设定等。

该同步减阻系统具有两种工作模式，分别为手动模式和自动模式，工作模式可以在人机界面上进行选择切换，保证了操作的方便性和灵活性。

本同步减阻系统的工作流程如附图2所示：操作人员保证减阻箱25内装载有一定量的经过搅拌后的润滑填充材料，如膨润土。首先，操作人员利用人机界面设置好相应的参数，然后选择工作模式，接着选择所需动作的阀组3中的阀门。在手动模式下，操作人员继续选择“启动操作”和“阀组3操作”，即可手动控制对应的手动阀门31按需打开，注入机构2即可启动并开始注入润滑填充材料。在此过程中，操作人员可以根据当前的流量值进行流量设定，从而加快或降低注入的速度。当达到注入要求后，操作人员选择“停止操作”，即可停止注入。在自动模式下，随着盾构机掘进，当其达到减阻开始行程时，在PLC的控制下，按照阀组3的开启顺序控制阀组3开闭，从而注入润滑填充材料。通常采用“循环单点注入”方式，即每次打开一个电控阀门32进行注入，各电控阀门32依次打开的方式，这样可以保证每个注入点33处润滑填充材料均匀注入。为电控阀门32设定阀组开启时间，则每个电控阀门32的工作时间为设定的阀组开启时间。当上一电控阀门32注入完成后，停歇预设的阀组3关闭时间后，进行下一个电控阀门32的工作，循环复始，直至盾构机达到减阻复位行程后自动停止。在注入过程中，PLC可以时刻自动调节流量设定值，使得实际流量随之调节，从而保证达到减阻复位行程时润滑填充材料的实际注入量恰好为目标注入量。在此过程中，操作人员可以手动关闭自动注入模式。在以上过程中，电控阀门32或手动阀门31开启后，控制柜即控制注入泵21启动。应用上述同步减阻系统时，自动注入主要依据掘进速度和注入率，在掘进过程中自动注入，注入压力、注入累计量和注入口循环单点注入；手动注入主要依据地层负载情况，分别单点注入。

上述方案中，范围设定包含注入流量下限和注入压力上限，以及液位高、低限位。当同步减阻系统工作在自动模式下时，由于盾构机掘进速度和减阻注入流量成正比，当盾构机在微速掘进时，减阻注入流量会很小，由于注入泵21为变频控制，其不能长时间工作于低频模式，所以限制流量下限可保证注入泵21变频器的稳定工作；考虑实际情况，一般减阻注入压力控制在水土压力的1.2~1.5倍，当注入压力过大时，可能会击穿填充间隙，从而对地层产生扰动；如减阻箱25液位过高，则存在溢出问题，如减阻箱25液位过低，则需补加膨润土，避免注入泵21空载运行。所有的操作均不得超过上述范围，这样保证了操作的绝对安全。

综上，在盾构机的掘进过程中，该同步减阻系统起到了辅助作用，由于注入的膨润土具有良好的润滑效果，其填充在间隙中，与渣土充分融合，在一定压力下，阻挡渣土进入间隙，另外，其可以减少盾体与地层的摩擦力，从而减少盾构机盾体的磨损，降低盾构机的推进推力，提高盾构机的掘进速度。同现有技术相比，其优点在于：远程集中控制，掘进同步操作，实时注入量与压力控制，提高施工效率、加快操作响应、提高了盾体润滑效果，注入量稳定，掘进推力和速度高效施工。

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 (10)

1.一种盾构机的同步减阻方法，其特征在于：所述盾构机的同步减阻方法为：在盾构机掘进时，同步向所述盾构机的盾体与掘进所形成的洞壁之间的间隙中注入润滑填充材料。

2.根据权利要求1所述的盾构机的同步减阻方法，其特征在于：所述润滑填充材料为膨润土。

3.一种盾构机的同步减阻系统，其特征在于：所述盾构机的同步减阻系统包括：

用于装载润滑填充材料以及将所述润滑填充材料传输至各个注入点，从而在盾构机掘进时，同步向所述盾构机的盾体与掘进所形成的洞壁之间的间隙中注入润滑填充材料的注入机构；

设置于传输所述润滑填充材料的通路上的阀组；

用于控制所述注入机构和所述阀组的控制机构。

4.根据权利要求3所述的盾构机的同步减阻系统，其特征在于：所述注入机构包括用于装载所述润滑填充材料的减阻箱、由所述减阻箱连接至各个所述注入点的管路、设置于所述管路上并由所述控制机构控制的注入泵。

5.根据权利要求4所述的盾构机的同步减阻系统，其特征在于：所述注入机构还包括设置于所述减阻箱中并由所述控制机构控制的搅拌器、与所述控制机构相连接并用于检测所述减阻箱内液位的液位传感器、与所述控制机构相连接并用于检测所述管路内所述润滑填充材料流量的流量计与所述控制机构相连接并用于检测所述管路内所述润滑填充材料压力的压力传感器。

6.根据权利要求5所述的盾构机的同步减阻系统，其特征在于：所述管路包括由所述减阻箱引出的主管路、由所述主管路分支出的若干支管路，所述流量计和所述压力传感器设置于所述主管路上。

7.根据权利要求3所述的盾构机的同步减阻系统，其特征在于：所述阀组包括与所述注入点一一对应的若干阀门对，每个阀门对包括一个手动阀门和一个由所述控制机构控制的电控阀门。

8.根据权利要求3所述的盾构机的同步减阻系统，其特征在于：所述控制机构包括：

用于设置所需的注入参数、显示所需的注入参数和实际的注入参数、输入手动控制指令的人机界面；

用于由所述注入机构获取实际的注入参数、结合所需的注入参数而对应生成控制所述阀组的信号的PLC；

用于控制所述注入机构的控制柜；

所述人机界面、所述控制柜、所述PLC相通信连接。

9.根据权利要求8所述的盾构机的同步减阻系统，其特征在于：所述控制机构还包括与所述PLC相连接并在实际的注入参数异常时或所述注入机构/所述阀组状态异常时进行报警的报警模块。

10.根据权利要求3所述的盾构机的同步减阻系统，其特征在于：所述盾构机的盾体的前端和后端分别设置有一组所述注入点，每组所述注入点分布于所述盾体的外周面上。