CN111946361A - 一种直接控制式泥水盾构机的集石破碎循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直接控制式泥水盾构机的集石破碎循环系统，包括集石箱、碎石箱，碎石箱内设有碎石机；进浆支管，连接于进浆管与碎石箱之间，进浆支管的管径小于进浆管的管径；出浆支管，连接于碎石箱与出浆管之间。此系统通过不同管径的进浆管和进浆支管筛选石块，大尺径石块经过进浆管进入集石箱，并通过碎石箱内的碎石机进行破碎，小尺径石块部分穿过集石箱直接进入出浆管，或与混合泥浆一起经过进浆支管后和破碎后的石块一起经过出浆支管经出浆管排出，能够在盾构掘进过程中进行进行石块的收集、破碎和清理工作，保证盾构机掘进的连续性，提高盾构机的掘进效率，此发明用于泥水盾构施工领域。

Description

一种直接控制式泥水盾构机的集石破碎循环系统

技术领域

本发明涉及泥水盾构施工领域，特别涉及一种直接控制式泥水盾构机的集石破碎循环系统。

背景技术

随着国家日新月异的发展，公路、铁路、高速铁路、水利、城市轨道交通建设蓬勃发展，盾构法作为地下隧道工程中一种较为先进的施工工法得到了广泛的应用，而泥水盾构作为盾构法施工中的一种，由于其广泛的地质适应性、良好的沉降控制以及对重要敏感建构筑物较少的扰动影响，被广泛采用。

目前泥水盾构机主要有两种体系，一种是直接控制模式、一种是间接控制模式。直接控制模式，由泥浆液体直接支护开挖面并提供维持开挖面平衡的压力。间接控制模式通过在支护液体中插入一个空气缓冲层间接控制开挖面的压力。两种模式盾构机除了在泥浆控制模式的差异外，在面对硬岩、基岩突起地层中，对石块的处理也存在较大差异。

间接控制模式盾构机开挖舱后方设置有气垫舱，一般安装有碎石机等破碎装置实现对盾构机刀盘切屑下来的石块进行破碎处理后，破碎的石块粒径一般控制在小于150mm大小，再通过泥浆携带，由泥浆管道输送到地面的泥水分离系统处理，实现石渣与泥浆的分离。

而直接控制模式盾构机没有气垫舱，一般通过在排浆管的前段设置采石箱或者接石槽，并设置钢格栅阻挡较大块的石块进入泥浆管循环，并不定期停机开启采石箱或者接石槽，通过人工清理箱内堆积的大块石块。

现有直接控制模式盾构机在硬岩、基岩突起、软硬不均复合地层掘进时，通常采用在前段排浆管中设置采石箱或者接石槽，并设置钢格栅阻挡粒径较大的石块进入泥浆管循环，掘进过程中不定期停机开启采石箱或者接石槽，通过人工清理箱内堆积的刀盘从掌子面切削下来的大块石块。清理期间需要停止盾构掘进，并关闭泥浆循环系统，打开采石箱或者接石槽，人工清理箱或槽内堆积的大块石块。

现有直控式泥水盾构机采用的采石箱在硬岩、基岩突起、软硬不均复合地层掘进时需要频繁停机关闭泥浆环流系统，人工清理箱内堆积的大块石块，导致掘进不连续，掘进速度慢、效率极低；频繁人工开启采石箱舱门清理石块，耗费大量人力资源、人工成本巨大；频繁开启采石箱，造成泥浆循环系统断开，无法通过泥水循环系统维持泥水仓内的压力稳定，易造成掌子面失稳，地表沉降过大；石块易堆积在采石箱内，造成泥水仓压力波动较大，影响掌子面稳定；易造成泥浆管堵管，甚至导致压力升高造成泥浆管爆管、漏浆；清理出的大量石块需要通过从洞内水平运输至洞外再吊运至渣土场，造成渣土二次运输，影响效率。

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种直接控制式泥水盾构机的集石破碎循环系统，能够在盾构掘进过程中进行石块的收集、破碎、循环和清理工作，保证盾构机掘进的连续性，提高盾构机的掘进效率。

根据本发明的第一方面实施例，提供一种直接控制式泥水盾构机的集石破碎循环系统，包括：集石箱，所述集石箱连接有进浆管和出浆管；碎石箱，安装于所述集石箱的底部，所述碎石箱内设有碎石机；进浆支管，连接于所述进浆管与所述碎石箱之间，所述进浆支管的管径小于所述进浆管的管径；出浆支管，连接于所述碎石箱与所述出浆管之间。

有益效果：此直接控制式泥水盾构机的集石破碎循环系统通过不同管径的进浆管和进浆支管筛选石块，大尺径石块经过进浆管进入集石箱，并通过碎石箱内的碎石机进行破碎，小尺径石块部分穿过集石箱直接进入出浆管，或与混合泥浆一起经过进浆支管后和破碎后的石块一起经过出浆支管经出浆管排出，能够在盾构掘进过程中进行进行石块的收集、破碎和清理工作，保证盾构机掘进的连续性，提高盾构机的掘进效率。

根据本发明第一方面实施例所述的直接控制式泥水盾构机的集石破碎循环系统，所述进浆管与所述集石箱相接的连接口底部高于所述出浆管与所述集石箱相接的连接口底部。方便盾构掘进过程中产生的混合石浆依次经过进浆管、集石箱和出浆管直接排出，防止在混合石浆集存过多时对集石箱产生过大的压力。

根据本发明第一方面实施例所述的直接控制式泥水盾构机的集石破碎循环系统，所述集石箱内位于所述出浆管的入口一侧安装有钢格栅，所述钢格栅的网格孔径为150mm。通过钢格栅的网格孔尺寸的设置，对进入集石箱内混合石浆的石块尺径进行筛选，小于钢格栅的网格孔径的石块大部分穿过钢格栅后直接经过出浆管排出，而大于钢格栅的网格孔的石块往下进入碎石箱内，经过碎石机破碎处理后，经出浆支管再进入出浆管排出。

根据本发明第一方面实施例所述的直接控制式泥水盾构机的集石破碎循环系统，所述进浆支管的管径不大于250mm。进浆支管的尺径设置小于进浆管的尺径，能对进入集石破碎循环系统的石块进行初步筛选，部分小尺径的石块可直接落入进浆支管内，减少碎石机的处理工作量。

根据本发明第一方面实施例所述的直接控制式泥水盾构机的集石破碎循环系统，所述进浆管上位于所述进浆支管的输入侧设有刀闸阀，所述进浆支管上设有第一液动闸阀，所述出浆支管上设有第二液动闸阀。在集石破碎循环系统发生堵塞等情况时，通过关闭刀闸阀、第一液动闸阀和第二液动闸阀，驱动碎石机运转，能使得发生堵塞的混合石浆在系统内进行内循环，从而自行疏通发生堵塞的集石破碎循环系统，不影响盾构掘进的流程。

根据本发明第一方面实施例所述的直接控制式泥水盾构机的集石破碎循环系统，所述集石箱的底部开口设置，所述碎石箱内位于所述碎石机的上方设有环形设置的溜渣板。溜渣板能对自集石箱进入碎石箱的混合石浆进行导流，防止在碎石箱的入口发生石块卡件，影响集石破碎循环系统的使用。

根据本发明第一方面实施例所述的直接控制式泥水盾构机的集石破碎循环系统，所述碎石机包括两平行设置的破碎辊，两所述破碎辊间的最小间距为50～150mm。

根据本发明第一方面实施例所述的直接控制式泥水盾构机的集石破碎循环系统，所述出浆管的入口设有第一压力传感器，所述出浆支管的入口设有第二压力传感器，所述集石箱的顶部设有泄压孔。第一压力传感器和第二压力传感器实时监测系统内的压力情况，并通过及时控制泄压孔的开启来进行泄压，以保障集石破碎循环系统的安全运行。

根据本发明第一方面实施例所述的直接控制式泥水盾构机的集石破碎循环系统，所述集石箱的侧面设有可开启的检修口，所述检修口为方形设置，所述检修口的边长为600mm。方便在集石破碎循环系统进行集石检修。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；

图1为本发明实施例整体结构示意图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1，提供一种直接控制式泥水盾构机的集石破碎循环系统，包括集石箱100，集石箱100连接有进浆管300和出浆管400；碎石箱200，安装于集石箱100的底部，碎石箱200内设有碎石机210；进浆支管310，连接于进浆管300与碎石箱200之间，进浆支管310的管径小于进浆管300的管径；出浆支管410，连接于碎石箱200与出浆管400之间。

此直接控制式泥水盾构机的集石破碎循环系统通过不同管径的进浆管300和进浆支管310筛选石块，大尺径石块经过进浆管300进入集石箱100，并通过碎石箱200内的碎石机210进行破碎，小尺径石块部分穿过集石箱100直接进入出浆管400，或与混合泥浆一起经过进浆支管310后和破碎后的石块一起经过出浆支管410经出浆管400排出，能够在盾构掘进过程中进行进行石块的收集、破碎和清理工作，保证盾构机掘进的连续性，提高盾构机的掘进效率。

在其中的一些实施例中，进浆管300与集石箱100相接的连接口底部高于出浆管400与集石箱100相接的连接口底部。方便盾构掘进过程中产生的混合石浆依次经过进浆管300、集石箱100和出浆管400直接排出，防止在混合石浆集存过多时对集石箱100产生过大的压力。

在其中的一些实施例中，集石箱100内位于出浆管400的入口一侧安装有钢格栅500，钢格栅500的网格孔径为150mm。通过钢格栅500的网格孔尺寸的设置，对进入集石箱100内混合石浆的石块尺径进行筛选，小于钢格栅500的网格孔径的石块大部分穿过钢格栅500后直接经过出浆管400排出，而大于钢格栅500的网格孔的石块往下进入碎石箱200内，经过碎石机210破碎处理后，经出浆支管410再进入出浆管400排出。

在其中的一些实施例中，进浆支管310的管径不大于250mm。进浆支管310的尺径设置小于进浆管300的尺径，能对进入集石破碎循环系统的石块进行初步筛选，部分小尺径的石块可直接落入进浆支管310内，减少碎石机210的处理工作量。

在其中的一些实施例中，进浆管300上位于进浆支管310的输入侧设有刀闸阀301，进浆支管310上设有第一液动闸阀311，出浆支管410上设有第二液动闸阀411。在集石破碎循环系统发生堵塞等情况时，通过关闭刀闸阀301、第一液动闸阀311和第二液动闸阀411，驱动碎石机210运转，能使得发生堵塞的混合石浆在系统内进行内循环，从而自行疏通发生堵塞的集石破碎循环系统，不影响盾构掘进的流程。

在其中的一些实施例中，集石箱100的底部开口设置，碎石箱200内位于碎石机210的上方设有环形设置的溜渣板220。溜渣板220能对自集石箱100进入碎石箱200的混合石浆进行导流，防止在碎石箱200的入口发生石块卡件，影响集石破碎循环系统的使用。

在其中的一些实施例中，碎石机210包括两平行设置的破碎辊211，两破碎辊211间的最小间距为50～150mm。

在其中的一些实施例中，出浆管400的入口设有第一压力传感器421，出浆支管410的入口设有第二压力传感器422，集石箱100的顶部设有泄压孔101。第一压力传感器421和第二压力传感器422实时监测系统内的压力情况，并通过及时控制泄压孔101的开启来进行泄压，以保障集石破碎循环系统的安全运行。

在其中的一些实施例中，集石箱100的侧面设有可开启的检修口102，检修口102为方形设置，检修口102的边长为600mm。方便在集石破碎循环系统进行集石检修。

本发明的目的是在直控式泥水盾构机中建立一套集石块收集、分离、破碎、循环于一体的系统，以实现在硬岩、基岩突起、软硬不均复合地层掘进时，对石块的分离收集、破碎处理、再循环，以避免掘进过程中的频繁关闭泥浆环流系统，停机清理采石箱，保证掘进的连续性，极大的提高掘进效率，加快了施工进度，同时降低了开挖舱压力波动导致的掌子面土体失稳的风险。

泥水盾构掘进时，携带着刀盘切削下来的石块的泥浆悬浮液进入排浆管道，通过排浆泵后进入集石箱100，集石箱100为罐筒状的金属筒体，两端连接泥浆管道，一端为进浆管300，一端为出浆管400，集石箱100的底部开口与碎石箱200相连。集石箱100的体积根据盾构机掌子面的岩石含量、掘进速度、泥浆流量和碎石机210效率共同确定，应满足盾构机掘进切削下来石块的过滤存储，并与下部的碎石机210效率相匹配，防止堵塞泥浆管路。

集石箱100的进浆管300比出浆管400略高，进浆管300设置在进浆端的上部，出浆管400设置在排浆端的下部，并在出浆管400的入口侧设置一道网格型的钢格栅500，用于过滤筛分石块粒径，实现对大、小粒径石块的分离。钢格栅500的网格孔径大小为150mm，进入后的石块，粒径小于150mm的石块随泥浆经过钢格栅500后，正常进入泥浆管道向隧道外输送。粒径大于150mm的石块则被钢格栅500阻隔，通过集石箱100下部的溜渣板220进入下方的碎石箱200内。

破碎系统由碎石箱200和碎石机210组成，碎石机210由两个齿状的破碎辊211作为主要的工作机构，通过设置在碎石箱200外部的变频电机带动两个破碎辊211作相向的旋转运动，通过集石箱100下部的溜渣板220进入碎石箱200内的大块石块卷入两个破碎辊211所形成的破碎腔内而被压碎，破碎的细小石块在重力的作用下，从两个破碎辊211之间的间隙处排出。两个破碎辊211间隙的大小即决定了破碎石块的最大粒度，该间隙可以通过调节两个破碎辊211的轴承之间的间距来进行调整，通常经过破碎处理后的最大粒径可以设置在50～150mm的范围。经过破碎处理后的小石块在重力的作用下进入碎石箱200的下部空间。

远程开启进浆支管310上的第一液动闸阀311，泥浆通过进浆支管310道进入碎石箱200，与经过破碎处理后的石块混合，携带石渣的泥浆悬浮液通过出浆支管410汇入出浆管400中，通过泥浆中继泵输送到地面的泥水处理系统进行分离处理。同时通过调节进浆支管310和出浆支管410的泥浆流量、压力，来冲刷碎石箱200的底部，可防止石渣沉积堵塞碎石箱200及进浆支管310和出浆支管410。

在与集石箱100相连的出浆管400和与碎石箱200相连的出浆支管410处均安装有压力传感器，将第一压力传感器421和第二压力传感器422集成进盾构机的PLC计算机中，自动采集集石箱100、碎石箱200的压力数据，通过各传感器的压力变化情况来判断集石箱100、碎石箱200是否堵塞。当出现集石箱100、碎石箱200堵塞现象时，通过调节刀闸阀301和第一液动闸阀311、第二液动闸阀411的开闭顺序，以及调节碎石机210的正、反转，可灵活的实现环流的循环路径，达到泥浆正、反冲刷集石箱100的作用，疏通沉积堵塞的管道的目的。

如果发生堵塞现象时，盾构机操作司机远程控制打开进浆支管310上的第一液动闸阀311，并关闭出浆支管410上的第二液动闸阀411，调节碎石机210为反转模式，同时控制变量离心泵，调节泥浆的压力、排流速，反冲刷集石箱100，并通过正、反冲刷反复切换，疏通沉积堵塞的管道。

在此集石箱100的侧面预留有检修孔，尺寸约600×600mm，通过液压系统控制开合，当出现堵塞或者碎石机210故障需要维修的特殊情况时，可以人工开启检修孔，进行清理维修。

集石箱100的上部设置有泄压孔101，可以根据各压力传感器的数据变化情况，通过人工开启泄压孔101的球阀进行集石箱100的泄压释放。

当泥水盾构在软土、砂层等非硬岩地层掘进时，盾构机操作司机可以远程控制关闭第一液动闸阀311和第二液动闸阀411，关闭碎石机210，泥浆直接通过进浆管300、集石箱100、出浆管400进入泥浆循环系统，降低功耗。

在集石箱100、碎石机210、碎石箱200、进浆管300、出浆管400等关键部位的内壁采用耐磨材质，减小石块对集石箱100、碎石机210、进浆管300和出浆管400的磨损。

本发明在直接控制式泥水盾构中建立一套集石块收集、分离、破碎、循环于一体的系统，以实现在硬岩、基岩突起、软硬不均复合地层掘进时，对石块的分离收集、破碎处理、再循环，以避免掘进过程中的频繁关闭泥浆环流系统，停机人工清理采石箱，保证掘进的连续性，极大的提高掘进效率，加快了施工进度，同时降低了开挖舱压力的波动导致的掌子面土体失稳的风险。

本发明设置在泥水仓外部的出浆管400前段，安装位置灵活、作业空间宽敞、便于操作、检查维修方便。

本发明将集石箱100、碎石机210、碎石箱200、支路环流集成在一套系统，共同实现在泥水仓外对石块的收集、筛分、分离、破碎、冲刷、环流的功能，且体积小、占用空间小、效率高。

本发明中的碎石机210采用变频式电机驱动，碎石箱200中的主要结构为两个齿状的破碎辊211，动力系统位于碎石箱200外侧，适用于高强度岩石破碎长期剧烈作业的复杂工况，故障率较低、易于保养、维修方便。

本发明中的碎石机210可通过调节两个辊筒轴承之间间距来控制破碎处理后的石块粒径，确保石渣悬浮液在管道内顺畅循环输送，满足不同地层条件下的掘进工况。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种直接控制式泥水盾构机的集石破碎循环系统，其特征在于，包括：

集石箱，所述集石箱连接有进浆管和出浆管；

碎石箱，安装于所述集石箱的底部，所述碎石箱内设有碎石机；

进浆支管，连接于所述进浆管与所述碎石箱之间，所述进浆支管的管径小于所述进浆管的管径；

出浆支管，连接于所述碎石箱与所述出浆管之间。

2.根据权利要求1所述的直接控制式泥水盾构机的集石破碎循环系统，其特征在于：所述进浆管与所述集石箱相接的连接口底部高于所述出浆管与所述集石箱相接的连接口底部。

3.根据权利要求2所述的直接控制式泥水盾构机的集石破碎循环系统，其特征在于：所述集石箱内位于所述出浆管的入口一侧安装有钢格栅。

4.根据权利要求3所述的直接控制式泥水盾构机的集石破碎循环系统，其特征在于：所述钢格栅的网格孔径为150mm。

5.根据权利要求4所述的直接控制式泥水盾构机的集石破碎循环系统，其特征在于：所述进浆支管的管径不大于250mm。

6.根据权利要求1所述的直接控制式泥水盾构机的集石破碎循环系统，其特征在于：所述进浆管上位于所述进浆支管的输入侧设有刀闸阀，所述进浆支管上设有第一液动闸阀，所述出浆支管上设有第二液动闸阀。

7.根据权利要求1所述的直接控制式泥水盾构机的集石破碎循环系统，其特征在于：所述集石箱的底部开口设置，所述碎石箱内位于所述碎石机的上方设有环形设置的溜渣板。

8.根据权利要求7所述的直接控制式泥水盾构机的集石破碎循环系统，其特征在于：所述碎石机包括两平行设置的破碎辊，两所述破碎辊间的最小间距为50～150mm。

9.根据权利要求1所述的直接控制式泥水盾构机的集石破碎循环系统，其特征在于：所述出浆管的入口设有第一压力传感器，所述出浆支管的入口设有第二压力传感器，所述集石箱的顶部设有泄压孔。

10.根据权利要求1所述的直接控制式泥水盾构机的集石破碎循环系统，其特征在于：所述集石箱的侧面设有可开启的检修口，所述检修口为方形设置，所述检修口的边长为600mm。

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