CN112664214B - 一种土压盾构外挂气囊结合泥浆的压力平衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土压盾构外挂气囊结合泥浆的压力平衡方法，用一带气囊或多气囊组合的泥浆压力仓，通过管道与盾构土仓顶部连接，在盾构掘进过程中，管道一直畅通，利用气囊的高压缩性或弹性，以泥浆为传递介质，与土仓内的土压力保持联系，形成稳定的平衡模式。这种模式可以消除土仓内超高压(这种超高压会导致地面隆起、出渣口或盾尾喷涌、盾尾密封击穿)或超低压(这种超低压会造成地层坍塌，地面塌陷)的状况，使土仓压力稳定在合理范围内，实现对隧道周围地层微扰动掘进。

Description

一种土压盾构外挂气囊结合泥浆的压力平衡方法

技术领域

本发明涉及土压盾构施工领域，具体涉及一种通过土压盾构外挂气囊结合泥浆压力以达到土仓内压力平衡的方法。

背景技术

土压平衡盾构在富水砂层等透水性强的地层中掘进时，土仓内填满了土渣和泥浆，这些材料压缩比很小，在盾构机的推力作用下，土仓内压力容易骤然升高，造成地面隆起和排渣时喷涌现象，当土仓内的高压传到盾尾后，又容易击穿盾尾刷和铰接密封，引发盾尾喷涌。当喷涌发生后，又会导致仓内压力骤然下降，在这种失压状态下，刀盘前方上方或盾尾上方的砂层容易坍塌，并引发地面沉降和建筑物破坏。

目前解决上述问题主要通过选用泥水盾构机或土压泥水双模盾构机泥水模式掘进。但双模盾构机复杂，模式切换麻烦，且双模盾构机和泥水盾构机在地面需要配置泥浆处理系统，地面空间要求大，有些项目是满足不了这样的条件的。

除此之外，还有利用带气囊的压力仓主动向盾构土仓顶部注入泥浆的措施，对土仓内失压时进行加压保压，防止土仓顶部土体坍塌。但这种措施不能防止土仓压力骤升，也不能对土仓内骤升的压力及时进行卸除以进行压力平衡稳定，避免不了因高压产生的出渣口或盾尾喷涌现象，也避免不了仓内压力骤降现象。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种土压盾构外挂气囊结合泥浆的压力平衡方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种土压盾构外挂气囊结合泥浆的压力平衡方法，具体为：

将一个压力容器Y放置在靠近盾体的位置；使压力容器Y的内部盛装泥浆，泥浆液位以上的空间是空气组成的气囊；压力容器Y的底部为存放沉渣区，泥浆沉淀的沉渣沉淀至存放沉渣区中；压力容器Y内设有最高液位线和最低液位线，泥浆液位可以在最高液位线和最低液位线之间波动，最高液位线和最低液位线之间的中间线为中间液位线；

在压力容器Y的最低液位线下方、存放沉渣区的上方设置两个孔，其中一个孔连接泥浆注入系统X1，另外一个孔连接管道G1，所述管道G1与盾构土仓的顶部相通；所述存放沉渣区具有沉渣最高限位线，并且存放沉渣区的最低位置设有排渣口，所述排渣口外接排渣阀Z1；当内部沉渣达到沉渣最高限位线时通过打开排渣阀Z1排渣；所述压力容器Y内设置泥浆液位传感器C1；泥浆液位传感器C1用于感测泥浆在压力容器Y内的液位位置；

所述压力容器Y的最高液位线的上方设有空气输入口、排气口、安全阀接口、气压传感器C2，所述空气输入口外接加气系统X2，所述安全阀接口外接安全阀Z3，所述排气口外接排气阀Z2；当压力容器Y内的气囊压力达到最高限压时，安全阀Z3自动排气泄压；所述气压传感器C2用于探测压力容器Y内的气囊的压力变化；

当压力容器Y内泥浆液位在最低液位线时，压力容器Y内气囊压力P1应满足土仓内顶部土压P2的最低要求，P1和P2之间的压力差应等于土仓顶部与最低液位线之间的高差H和泥浆比重R的积，即：P1-P2＝H*R；最高液位时气囊的空气压力比最低液位时气囊的空气压力之间的差值在0.5Bar以内；

所述管道G1连接土仓的一端从贴近土仓一侧开始，依次连接阀门Z4、泥浆比重传感器C3、排气阀Z5、泥浆压力传感器C4，连接压力容器Y的一端从贴近压力容器Y一侧开始依次连接阀门Z6、泥浆流量计C5；

打开排气阀Z2、排气阀Z5、阀门Z6，向压力容器Y内注入泥浆，当泥浆液位上升到中间液位线时，关闭排气阀Z2，继续向压力容器Y注入泥浆，当排气阀Z5涌出泥浆后停止注入泥浆，关闭排气阀Z5；

由加气系统X2向压力容器Y内注入空气，当压力容器Y内空气压力达到中间液位线所对应的设定压力时，停止注入空气；

压力容器Y与土仓初始连通前，让盾构机处于停机状态，锁定盾构机的推进油缸，打开管道G1上的阀门Z4，压力容器Y和土仓连通；当土仓内压力比压力容器Y的压力大时，会出现短暂的土仓内泥浆流向压力容器Y的现象，如持续向压力容器Y内流动，应关闭阀门Z4或阀门Z6，待解决后再重新开启；当土仓内的压力比压力容器Y内的压力小时，泥浆在压力容器Y的气囊的压力作用下流向土仓，向盾构周围土体渗透，形成泥膜，压力容器Y内的泥浆液位下降，随着周围土体泥膜越来越厚，泥浆向土体渗透速度也越慢，直到泥浆停止流动；在这个过程中应适时向压力容器Y添加泥浆，使泥浆液位稳定在中间液位线处；

在盾构机的掘进过程中，通过刀盘泡沫孔的泥浆注入系统和压力容器Y上的泥浆注入系统X1分别向土仓内注入泥浆一方面泥浆和土仓内的渣土混合，另一方面，一部分泥浆渗入盾构机周围的土体里面形成泥膜，同时通过泥浆，把压力容器Y内的气囊的压力传递到土仓及盾壳、附近隧道周围，利用泥膜对土体进行支护，减小对土体扰动；

在盾构掘进过程中，持续通过压力容器Y的泥浆注入系统X1注入泥浆，同时观察管道G1上的泥浆流量计C5显示的泥浆的流向，通过泥浆比重传感器C3，观察靠近土仓管道G1内的泥浆比重，使管道G1的泥浆流向经常保持朝向土仓方向，尽量减少土仓的泥浆流进压力容器Y内，并使土仓顶部的泥浆保持是刚刚从压力容器Y注入的新鲜泥浆，沉渣少，容易渗入顶部的土体形成泥膜；当泥浆比重传感器C3显示泥浆比重过大时，土仓顶部的泥浆可能偏稠，注入的泥浆偏少，应加大注入泥浆的比例。

进一步地，压力容器Y如空间不足以容下足够大的气囊，根据需要增加1个或多个空气压力容器，如Y2、Y3、Y4…；所述压力容器Y的最高液位线的上方设有管道接口，所述管道接口处设置有阀门Z9并通过阀门Z9连接管道G2，所述增加的压力容器均连通于管道G2，通过管道G2相互连通，形成多气囊组合。

更进一步地，管道G1的中部通过阀门Z7连通有备用压力容器Y1，备用压力容器Y1的顶部设有阀门Z8，并通过阀门Z8与管道G2连通，通过阀门Z8切断备用压力容器Y1与其它压力容器的联系；

压力容器Y因维修或排渣需要切断和土仓连通时，首先让盾构停机，锁定推进油缸，观察压力容器Y内的泥浆液位，待泥浆液位稳定后，土仓内压力平衡了再接通备用压力容器Y1与管道G2之间的阀门Z8，使备用压力容器Y1内部的压力与压力容器Y内的压力平衡，然后打开备用压力容器Y1与管道G1之间的阀门Z7，使备用压力容器Y1与土仓连通，最后关掉阀门Z6和阀门Z9，使压力容器Y断开与增加的空气压力容器和土仓的联系，并进行维修或排渣；土仓暂时由备用压力容器Y1进行停机保压，保压方式与压力容器Y相同；

压力容器Y切断与土仓和管道G1的联系后，打开排气阀Z2排气，其内部压力泄完后，打开下部的排渣阀Z1排渣，必要时可以通过泥浆注入系统X1注入清水对压力容器Y进行清洗；排完渣后，关掉排渣阀Z1，由泥浆注入系统X1注入泥浆，液位上升到中间液位线后，关闭排气阀Z2，通过加气系统X2加气到相应的压力，再打开阀门Z6、阀门Z9，使压力容器Y与土仓、增加的空气压力容器连通，切断备用压力容器Y1与土仓和增加的空气压力容器的联系后，恢复盾构的施工。

进一步地，管道G1的中部连接有泥浆输入系统X3，用来对管道G1进行冲洗或疏通。

进一步地，泥浆注入的量和掘进的地层有关，试掘进时根据实际情况确定掘进速度和泥浆注入速度的比例关系；掘进时如出的渣土太干，表明注入的泥浆偏少，应暂时停止推进盾构，继续向土仓注入泥浆并转动刀盘，待排出的渣土状态正常后恢复推进盾构机，同时增加注入的泥浆比例；如出的渣土太稀，甚至出现喷涌的现象，表明注入的泥浆太多，应暂时停止注入泥浆，继续掘进，排出的渣会逐步变稠，正常后恢复向土仓注入泥浆，同时减小注入的泥浆比例。

进一步地，盾构在敏感地层施工的整个过程，即使盾构处于停机状态，压力容器Y始终都应和土仓保持连通，使压力容器Y的上方气囊通过泥浆传递，对土仓及盾壳周围、甚至靠近盾尾一定距离范围内的隧道周围土体进行持续稳定的支护作用。

进一步地，盾构在停机状态时，做好对土仓的保压工作，当压力容器Y内的泥浆液位下降量比较大，及时通过泥浆注入系统X1注入泥浆，以保证液位高于液位最低线，确保土仓内的压力满足要求。

进一步地，盾构机在含孤石、基岩突起地层掘进时，当出现喷涌时把压力容器Y的泥浆液位调到液位最低线，关闭盾构机的出渣口后进行掘进，待压力容器Y内泥浆液位上升到液位最高线时，停止掘进，打开盾构机的出渣口排渣，如此反复操作。

进一步地，当盾构需要带压开仓时，周围的土体的泥膜已初步形成，为了确保泥膜质量，盾构停止掘进后，根据需要再向土仓注入泥浆，再适当增加压力容器Y内的气压，直到压力容器Y内的泥浆液位停止下降，并保持足够长的时间直至形成可靠的泥膜；随后一边向压力容器Y内注入空气，一边排出土仓内的渣土，直到压力容器Y内空气进入土仓，待土仓内泥浆液位降到设计的位置后，停止土仓出渣；压力容器Y内气压达到设定值后停止加气；观察气压变化情况，如果在规定的时间内气压降低数值小于设定值，那么土仓的密封条件已满足带压进仓要求了。

本发明的有益效果在于：

1、利用本发明方法可以消除土压平衡盾构在砂层掘进出现的喷涌、刀盘扭距大、砂土结饼、有效推力不足、掘进效力低、盾尾击穿的困难。

2、利用本发明方法进行砂层掘进，可以实现微扰动施工，避免地面塌陷的风险。

3、本发明方法对盾构机的改动小，容易实现。

4、通过管道G2接通其它空气压力容器的方式对气囊进行扩充，可以使得能够按实际需要充足配置气囊空间，充分保证气囊的弹性。

5、本发明方法的操作简单，容错率高，作业过程中主要控制好压力容器Y内的泥浆液位，而泥浆液位又可以在一定范围内浮动，灵活性高。

6、本发明方法在实现过程中，除非盾构的埋深有较大的变化，作业过程无需频繁的调整气囊的压力。

7、利用本发明方法，可以避免同步注浆浆液窜入土仓的现象，提高注浆效果，促进施工质量。

8、利用本发明方法，在透水性强的砂质地层对土仓周围造泥膜带压开仓更加轻松和容易实现，无需采取其它措施。

9、按照本发明制作成独立的移动设备，可以专门用来作为盾构带压开仓前对土仓周围土体进行泥浆造膜和对土仓进行保压试验作业的工具。

附图说明

图1为本发明实施例的方法在实现时各设备的连接示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。

本实施例提供一种土压盾构外挂气囊结合泥浆的压力平衡方法，具体为：

如图1所示，将一个压力容器Y放置在靠近盾体的位置，其形状以能充分利用存放位置的空间为宜，且能承受内部的高压；使压力容器Y的内部用于盛装泥浆，泥浆液位以上的空间是空气组成的气囊。压力容器Y的底部为存放沉渣区，用于存放泥浆沉淀的沉渣；压力容器Y内设有最高液位线和最低液位线，泥浆液位可以在最高液位线和最低液位线之间波动，最高液位线和最低液位线之间的中间线为中间液位线。

在压力容器Y的最低液位线下方、存放沉渣区的上方设置两个孔，其中一个孔连接泥浆注入系统X1，另外一个孔连接管道G1，所述管道G1与盾构土仓的顶部相通；所述存放沉渣区具有沉渣最高限位线，并且存放沉渣区的最低位置设有排渣口，所述排渣口外接排渣阀Z1；当内部沉渣达到沉渣最高限位线时通过打开排渣阀Z1排渣；所述压力容器Y内设置泥浆液位传感器C1，以便操作人员观察泥浆液位的变化情况。

需要说明的是，泥浆液位传感器C1呈带状，竖向放置在压力容器内壁上，上端高出最高液位线，下端低过最低液位线一定的距离。它能感应泥浆液位在泥浆液位传感器C1上的位置并通过线路在监控显示屏上显示液位的高度。

所述压力容器Y的最高液位线的上方设有空气输入口、排气口、安全阀接口、气压传感器C2，所述空气输入口外接加气系统X2，所述安全阀接口外接安全阀Z3，所述排气口外接排气阀Z2；当压力容器Y内的气囊压力达到最高限压时，安全阀Z3自动排气泄压；所述气压传感器C2用于探测压力容器Y内的气囊的压力变化；

需要说明的是，管道G1直径尽可能大，这样土仓和压力容器Y之间的压力平衡延迟越小。

需要说明的是，压力容器Y内最低液位线以下的空间要尽可能大，否则使用过程中很快就被泥浆中的沉渣填满，导致清渣的频率过高，影响掘进效率。

需要说明的是，压力容器Y内最高液位线与最低液位线之间的容积差尽可能地大，这样泥浆液位可以以较大幅度波动，减小因为液位问题导致的纠偏的频率。

当压力容器Y内泥浆液位在最低液位线时，压力容器Y内气囊压力P1应满足土仓内顶部土压P2的最低要求，P1和P2之间的压力差应＝土仓顶部与最低液位线之间的高差H和泥浆比重R的积，即：P1-P2＝H*R。

当压力容器Y内的泥浆液面上升时，压力容器Y内的空气被压缩，空气压力上升，当泥浆液面上升到最高液位线时，对应土仓顶部的土压不能过大，否则容易造成地面隆起等破坏。一般情况下，最高液位时气囊的空气压力比最低液位时气囊的空气压力之间的差值在0.5Bar以内。

需要说明的是，根据玻意耳定律，最低液位时气囊压力与气囊体积的乘积和最高液位时气囊压力与气囊体积乘积相等。假设最高液位与最低液位的容积差为10立方米，最低液位时气囊体积为V，最低液位时气囊压力为2Bar(应通盘考虑实际情况下盾构埋深最深处的数值)，则V*2＝(V-10)*(2+0.5)，最低液位时，气囊的体积V最少是50立方米。

需要说明的是，压力容器Y如空间不足以容下足够大的气囊，可以根据需要增加1个或多个压力容器Y2、Y3…，这些增加的压力容器可以放置在其它可以放的位置，所述压力容器Y的最高液位线的上方设有管道接口，所述管道接口处设置有阀门Z9并通过阀门Z9连接管道G2，所述增加的压力容器均连通于管道G2，通过管道G2相互连通。

所述管道G1连接土仓的一端从贴近土仓一侧开始，依次连接阀门Z4、泥浆比重传感器C3、排气阀Z5、泥浆压力传感器C4，连接压力容器Y的一端从贴近压力容器Y一侧开始依次连接阀门Z6、泥浆流量计C5；管道G1的中部连接泥浆输入系统X3，并通过阀门Z7连通有备用压力容器Y1，备用压力容器Y1的顶部设有阀门Z8，并通过阀门Z8与管道G2连通，通过阀门Z8切断备用压力容器Y1与其它压力容器的联系。所述泥浆输入系统X3用于清洗管道G1或处理管道G1的堵塞。

打开排气阀Z2、排气阀Z5、阀门Z6，向压力容器Y内注入泥浆，当泥浆液位上升到中间液位线时，关闭排气阀Z2，继续向压力容器Y注入泥浆，当排气阀Z5涌出泥浆后停止注入泥浆，关闭排气阀Z5。

由加气系统X2向压力容器Y内注入空气，当压力容器Y内空气压力达到中间液位线所对应的设定压力时(液位最低线时气囊的空气压力+0.25bar)，停止注入空气。此后，除非气囊有漏气现象，或者盾构的埋深有较大的变化，无需再向压力容器Y内加气或减气。

压力容器Y与土仓初始连通前，让盾构机处于停机状态，锁定盾构机的推进油缸，打开管道G1上的阀门Z4，压力容器Y和土仓连通。当土仓内压力比压力容器Y的压力大时，会出现短暂的土仓内泥浆流向压力容器Y的现象，如持续向压力容器Y内流动，应关闭阀门Z4或阀门Z6，研究原因和对策，盾构推进油缸如果没锁定，会出现这种情况，应立即锁定推进油缸。当土仓内的压力比压力容器Y内的压力小时，泥浆在压力容器Y的气囊的压力作用下流向土仓，向盾构周围土体(透水性强的土体)渗透，形成泥膜，压力容器Y内的泥浆液位下降，随着周围土体泥膜越来越厚，泥浆向土体渗透速度也越慢，直到泥浆停止流动。在这个过程中应适时向压力容器Y添加泥浆，使泥浆液位稳定在中间液位线处。

在盾构机的掘进过程中，通过刀盘泡沫孔的泥浆注入系统和压力容器Y上的泥浆注入系统X1分别向土仓内注入泥浆。注入的泥浆有两个方面的作用：一方面是和土仓内的渣土混合，增加渣土的流动性，以方便排出，另一方面，这些泥浆有一部分渗入盾构机周围的土体里面形成泥膜，同时通过泥浆，把压力容器Y上面气囊的压力传递到土仓及盾壳、附近隧道周围，利用泥膜对土体进行支护，减小对土体扰动。

需要说明的是，所用的泥浆的比重和粘度应适应掘进的地层。如地层的土含粘量大(如粘土层、粉土层)，造浆能力强，则用清水。如地层的土含粘量小，又透水性强(如：中粗砂层、砂砾层)，应用高比重、高粘度的泥浆。

需要说明的是，泥浆注入的量和掘进的地层有关，试掘进时应注意总结，把掘进速度和泥浆注入速度的比例关系摸清。如出的渣土太干，是注入的泥浆偏少，应暂时停止推进盾构，继续向土仓注入泥浆并转动刀盘，待排出的渣土状态正常后恢复推进盾构机，同时增加注入的泥浆比例。如出的渣土太稀，甚至出现喷涌的现象，是注入的泥浆太多，应暂时停止注入泥浆，继续掘进，必要时关闭盾构机的排渣口进行掘进(注意压力容器Y液位不能超过最高液位线)，排出的渣会逐步变稠，正常后恢复向土仓注入泥浆，同时减小注入的泥浆比例。

需要说明的是，在盾构机掘进过程中，压力容器Y内泥浆液位上升时，应加快排渣速度，或降低盾构机的掘进速度，如泥浆液位下降，应降低排渣速度或加快掘进速度。

需要说明的是，在盾构掘进过程中，应注意持续通过压力容器Y的泥浆注入系统X1注入泥浆，同时观察管道G1上的泥浆流量计显示的泥浆的流向，通过泥浆比重传感器C3，观察靠近土仓管道G1内的泥浆比重，以便达到两个方面的目的：一方面，使管道G1的泥浆流向经常保持朝向土仓方向，尽量减少土仓的泥浆流进压力容器Y内，避免带入大量土仓的渣土造成频繁清理压力容器Y内沉渣的问题，影响掘进效率。另一方面，使土仓顶部的泥浆保持是刚刚从压力容器Y注入的新鲜泥浆，沉渣少，容易渗入顶部的土体形成泥膜，即使土仓顶部的泥浆偶然流入压力容器Y，因为土仓顶部泥浆含沉渣少，也不至于一下子给压力容器Y带入大量的沉渣。当泥浆比重传感器C3显示泥浆比重过大时，土仓顶部的泥浆可能偏稠，注入的泥浆偏少，应加大注入泥浆的比例。

需要说明的是，盾构机接通压力容器Y系统进行掘进，对隧道周围土体的扰动十分微弱，脱出盾尾的管片隧道周围土体大多数保持原状，土体和管片隧道之间存在间隙，并被水泥砂浆充填，在水泥砂浆凝固前管片隧道容易被砂浆浮起，应对刚脱出盾尾的管片隧道采取抗浮措施。

需要说明的是，盾构在敏感地层施工的整个过程，即使盾构处于停机状态，压力容器Y始终都应和土仓保持连通，使压力容器Y的上方气囊通过泥浆传递，对土仓及盾壳周围、甚至靠近盾尾一定距离范围内的隧道周围土体进行持续稳定的支护作用，如切断压力容器Y和土仓的联系，这些支护力很快下降，周围土体的土压力和泥浆支护力之间就失去了平衡并坍塌。

需要说明的是，盾构在停机状态时，应做好对土仓的保压工作。尤其停机的开始阶段，还存在泥浆向土体渗透流失的情况，压力容器Y内的泥浆液位会下降，如液位下降量比较大，应及时通过泥浆注入系统X1注入泥浆，以保证液位高于液位最低线，确保土仓内的压力满足要求。

需要说明的是，压力容器Y因维修或排渣需要切断和土仓连通时，首先让盾构停机，锁定推进油缸，观察压力容器Y内的泥浆液位，待泥浆液位稳定后，土仓内压力平衡了再接通备用压力容器Y1与管道G2之间的阀门Z8，使备用压力容器Y1内部的压力与压力容器Y内的压力平衡，然后打开备用压力容器Y1与管道G1之间的阀门Z7，使备用压力容器Y1与土仓连通，最后关掉阀门Z6和阀门Z9，使压力容器Y断开与增加的空气压力容器和土仓的联系，并进行维修或排渣。土仓暂时由备用压力容器Y1进行停机保压，保压方式与压力容器Y相同。

压力容器Y切断与土仓和管道G1的联系后，打开排气阀Z2排气，其内部压力泄完后，打开下部的排渣阀Z1排渣，必要时可以通过泥浆注入系统X1注入清水对压力容器Y进行清洗。排完渣后，关掉排渣阀Z1，由泥浆注入系统X1注入泥浆，液位上升到中间液位线后，关闭排气阀Z2，通过加气系统X2加气到相应的压力，再打开阀门Z6、阀门Z9，使压力容器Y与土仓、增加的空气压力容器连通，切断备用压力容器Y1与土仓和增加的空气压力容器的联系后，恢复盾构的施工。

需要说明的是，盾构机在含孤石、基岩突起地层掘进时，常常是掘进速度慢，而盾构出渣速度又很难控制到足够的小，这样盾构出渣时容易因为渣土太稀而出现喷涌现象，把压力容器Y的泥浆液位调到液位最低线，关闭盾构机的出渣口后进行掘进，待压力容器Y内液位上升到液位最高线时，停止掘进，打开盾构机的出渣口排渣，如此反复。

需要说明的是，由于盾构在上述方法下掘进时，对周围土体的扰动轻微，周围的土体基本保持原状，而且土体在掘进过程中已经建立了一定厚度的泥膜，当盾构需要带压开仓时，周围的土体的泥膜已初步形成，为了确保泥膜质量，盾构停止掘进后，根据需要再向土仓注入泥浆，再适当增加压力容器Y内的气压，直到压力容器Y内的泥浆液位停止下降，并保持足够长的时间，就可以形成相当可靠的泥膜了(即使地层是透水强的砂质地层，在利用上述方法掘进时也能轻易实现，无需其它辅助措施)。随后一边向压力容器Y内注入空气，一边排出土仓内的渣土(注意保持压力容器Y内气压符合要求)，直到压力容器Y内空气进入土仓，待土仓内泥浆液位降到设计的位置后，停止土仓出渣。压力容器Y内气压达到设定值后停止加气。观察气压变化情况，如果在规定的时间内气压降低数值小于设定值，那么土仓的密封条件已满足带压进仓要求了。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种土压盾构外挂气囊结合泥浆的压力平衡方法，其特征在于，具体为：

将一个压力容器Y放置在靠近盾体的位置；使压力容器Y的内部盛装泥浆，泥浆液位以上的空间是空气组成的气囊；压力容器Y的底部为存放沉渣区，泥浆沉淀的沉渣沉淀至存放沉渣区中；压力容器Y内设有最高液位线和最低液位线，泥浆液位可以在最高液位线和最低液位线之间波动，最高液位线和最低液位线之间的中间线为中间液位线；

在压力容器Y的最低液位线下方、存放沉渣区的上方设置两个孔，其中一个孔连接泥浆注入系统X1，另外一个孔连接管道G1，所述管道G1与盾构土仓的顶部相通；所述存放沉渣区具有沉渣最高限位线，并且存放沉渣区的最低位置设有排渣口，所述排渣口外接排渣阀Z1；当内部沉渣达到沉渣最高限位线时通过打开排渣阀Z1排渣；所述压力容器Y内设置泥浆液位传感器C1；泥浆液位传感器C1用于感测泥浆在压力容器Y内的液位位置；

所述压力容器Y的最高液位线的上方设有空气输入口、排气口、安全阀接口、气压传感器C2，所述空气输入口外接加气系统X2，所述安全阀接口外接安全阀Z3，所述排气口外接排气阀Z2；当压力容器Y内的气囊压力达到最高限压时，安全阀Z3自动排气泄压；所述气压传感器C2用于探测压力容器Y内的气囊的压力变化；

当压力容器Y内泥浆液位在最低液位线时，压力容器Y内气囊压力P1应满足土仓内顶部土压P2的最低要求，P1和P2之间的压力差应等于土仓顶部与最低液位线之间的高差H和泥浆比重R的积，即：P1-P2＝H*R；最高液位时气囊的空气压力比最低液位时气囊的空气压力之间的差值一般控制在0.5Bar以内；

所述管道G1连接土仓的一端从贴近土仓一侧开始，依次连接阀门Z4、泥浆比重传感器C3、排气阀Z5、泥浆压力传感器C4，连接压力容器Y的一端从贴近压力容器Y一侧开始依次连接阀门Z6、泥浆流量计C5；

打开排气阀Z2、排气阀Z5、阀门Z6，向压力容器Y内注入泥浆，当泥浆液位上升到中间液位线时，关闭排气阀Z2，继续向压力容器Y注入泥浆，当排气阀Z5涌出泥浆后停止注入泥浆，关闭排气阀Z5；

由加气系统X2向压力容器Y内注入空气，当压力容器Y内空气压力达到中间液位线所对应的设定压力时，停止注入空气；

压力容器Y与土仓初始连通前，让盾构机处于停机状态，锁定盾构机的推进油缸，打开管道G1上的阀门Z4，压力容器Y和土仓连通；当土仓内压力比压力容器Y的压力大时，会出现短暂的土仓内泥浆流向压力容器Y的现象，如持续向压力容器Y内流动，应关闭阀门Z4或阀门Z6，待解决后再重新开启；当土仓内的压力比压力容器Y内的压力小时，泥浆在压力容器Y的气囊的压力作用下流向土仓，向盾构周围土体渗透，形成泥膜，压力容器Y内的泥浆液位下降，随着周围土体泥膜越来越厚，泥浆向土体渗透速度也越慢，直到泥浆停止流动；在这个过程中应适时向压力容器Y添加泥浆，使泥浆液位稳定在中间液位线处；

在盾构机的掘进过程中，通过刀盘泡沫孔的泥浆注入系统和压力容器Y上的泥浆注入系统X1分别向土仓内注入泥浆，一方面泥浆和土仓内的渣土混合，另一方面，一部分泥浆渗入盾构机周围的土体里面形成泥膜，同时通过泥浆，把压力容器Y内的气囊的压力传递到土仓及盾壳、附近隧道周围，利用泥膜对土体进行支护，减小对土体扰动；

在盾构掘进过程中，持续通过压力容器Y的泥浆注入系统X1注入泥浆，同时观察管道G1上的泥浆流量计C5显示的泥浆的流向，通过泥浆比重传感器C3，观察靠近土仓管道G1内的泥浆比重，使管道G1的泥浆流向经常保持朝向土仓方向，尽量减少土仓的泥浆流进压力容器Y内，并使土仓顶部的泥浆保持是刚刚从压力容器Y注入的新鲜泥浆，沉渣少，容易渗入顶部的土体形成泥膜；当泥浆比重传感器C3显示泥浆比重过大时，土仓顶部的泥浆可能偏稠，注入的泥浆偏少，应加大注入泥浆的比例。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，压力容器Y如空间不足以容下足够大的气囊，根据需要增加1个或多个空气压力容器；所述压力容器Y的最高液位线的上方设有管道接口，所述管道接口处设置有阀门Z9并通过阀门Z9连接管道G2，所述增加的空气压力容器均连通于管道G2，通过管道G2相互连通，形成多气囊组合。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，管道G1的中部通过阀门Z7连通有备用压力容器Y1，备用压力容器Y1的顶部设有阀门Z8，并通过阀门Z8与管道G2连通，通过阀门Z8切断备用压力容器Y1与其它压力容器的联系；

压力容器Y因维修或排渣需要切断和土仓连通时，首先让盾构停机，锁定推进油缸，观察压力容器Y内的泥浆液位，待泥浆液位稳定后，土仓内压力平衡了再接通备用压力容器Y1与管道G2之间的阀门Z8，使备用压力容器Y1内部的压力与压力容器Y内的压力平衡，然后打开备用压力容器Y1与管道G1之间的阀门Z7，使备用压力容器Y1与土仓连通，最后关掉阀门Z6和阀门Z9，使压力容器Y断开与增加的空气压力容器和土仓的联系，并进行维修或排渣；土仓暂时由备用压力容器Y1进行停机保压，保压方式与压力容器Y相同；

压力容器Y切断与土仓和管道G1的联系后，打开排气阀Z2排气，其内部压力泄完后，打开下部的排渣阀Z1排渣，并通过泥浆注入系统X1注入清水对压力容器Y进行清洗；排完渣后，关掉排渣阀Z1，由泥浆注入系统X1注入泥浆，液位上升到中间液位线后，关闭排气阀Z2，通过加气系统X2加气到相应的压力，再打开阀门Z6、阀门Z9，使压力容器Y与土仓、增加的空气压力容器连通，切断备用压力容器Y1与土仓和增加的空气压力容器的联系后，恢复盾构的施工。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，管道G1的中部连接有泥浆输入系统X3，用来对管道G1进行冲洗或疏通。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，泥浆注入的量和掘进的地层有关，试掘进时根据实际情况确定掘进速度和泥浆注入速度的比例关系；掘进时如出的渣土太干，表明注入的泥浆偏少，应暂时停止推进盾构，继续向土仓注入泥浆并转动刀盘，待排出的渣土状态正常后恢复推进盾构机，同时增加注入的泥浆比例；如出的渣土太稀，甚至出现喷涌的现象，表明注入的泥浆太多，应暂时停止注入泥浆，继续掘进，排出的渣会逐步变稠，正常后恢复向土仓注入泥浆，同时减小注入的泥浆比例。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，盾构在敏感地层施工的整个过程，即使盾构处于停机状态，压力容器Y始终都应和土仓保持连通，使压力容器Y的上方气囊通过泥浆传递，对土仓及盾壳周围、甚至靠近盾尾一定距离范围内的隧道周围土体进行持续稳定的支护作用。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，盾构在停机状态时，做好对土仓的保压工作，当压力容器Y内的泥浆液位下降量比较大，及时通过泥浆注入系统X1注入泥浆，以保证液位高于液位最低线，确保土仓内的压力满足要求。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，盾构机在含孤石、基岩突起地层掘进时，当出现喷涌时把压力容器Y的泥浆液位调到液位最低线，关闭盾构机的出渣口后进行掘进，待压力容器Y内泥浆液位上升到液位最高线时，停止掘进，打开盾构机的出渣口排渣，如此反复操作。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当盾构需要带压开仓时，周围的土体的泥膜已初步形成，为了确保泥膜质量，盾构停止掘进后，根据需要再向土仓注入泥浆，再适当增加压力容器Y内的气压，直到压力容器Y内的泥浆液位停止下降，并保持足够长的时间直至形成可靠的泥膜；随后一边向压力容器Y内注入空气，一边排出土仓内的渣土，直到压力容器Y内空气进入土仓，待土仓内泥浆液位降到设计的位置后，停止土仓出渣；压力容器Y内气压达到设定值后停止加气；观察气压变化情况，如果在规定的时间内气压降低数值小于设定值，那么土仓的密封条件已满足带压进仓要求了。

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