CN114806586A - 盾构用水-醇基泡沫剂、及其制作系统和制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构用水‑醇基泡沫剂、及其制作系统和制作方法，该制作系统包括多个注液容器、位于该注液容器下方的电动滑轨以及设于该电动滑轨上的物料桶，每个该注液容器上均设有流量计，每个该注液容器的开口处均设有注液阀，多个该注液阀以及多个该流量计均连接于一第一控制器；对应于每个该注液容器下方固定有激光对射传感器，每个该激光对射传感器的固定位置均高于该物料桶的底面低于该物料桶的顶面，该激光对射传感器包括固定于该电动滑轨一侧的激光发射端以及固定于该电动滑轨另一侧的激光接收端。本发明解决了现有技术中在高岭土土质开挖时，盾构使用水基型泡沫剂无法改善被削落土体流动性的技术问题。

Description

盾构用水-醇基泡沫剂、及其制作系统和制作方法

技术领域

本发明涉及盾构施工领域，尤其涉及一种盾构用水-醇基泡沫剂、及其制作系统和制作方法。

背景技术

新世纪后，随着国内轨道交通事业进入新时期，各大城市地铁项目也呈现日益增加的趋势。为满足业主运营要求，开挖效率高、安全性好、经济成本低的盾构法成为了软土隧道开掘的主要手段。当盾构机掘进时，刀盘需额外安装泡沫剂系统，用于产生连续、绵密的气泡，从而降低刀盘温度和运行阻力，达到改造渣土流动性的目的。然而，受限于隧道区位和土层种类，在应用水基型泡沫剂时，常遇到高岭土组分与纯净水产生物理、化学反应，进而产生大量附着于刀盘的泥饼，极大的威胁了施工安全。基于此，这为适用于黏土地层的改进型泡沫剂和自动化制作系统提出了新需求。

根据发泡原理的不同，市面常用泡沫剂可分为物理型、化学型两个大类。相较于物理型泡沫剂，化学泡沫剂通常由水基溶液添加表面活性剂(核心组分)、增稠剂、润滑剂等制作而成，通过活性剂与其它组分的化学反应达到发泡目的。目前，泡沫剂的主要评价指标如下：首先是发泡量，即泡沫剂中有效组分可产生的泡沫总体积；其次是泡沫半衰期，即发泡泡沫重新解析为水所消耗的时间。虽然各型泡沫剂原理不尽相同，但上述指标对性能评估有重要作用。

在发泡性能评估中，常用方法有搅拌式、气流式和电导率式等。当使用搅拌法评估气泡品质，首先取用标准体积的烧杯，添加一定体积纯净水，随后将单位质量的发泡剂溶解于水中。通过电动搅拌机充分搅匀，等待发泡剂与水充分反应，最后记录下不同类型发泡剂的发泡量和半衰期等数值。相较于第一种检测方法，气流式、电导率式额外增加了泡沫流量和泡沫电阻变化的检测项，因此需补充仪器有：流量表和电阻表等。对于其它种类的检测方法，其核心检测标准未有显著变化，因此不再赘述。

随着泡沫剂研究的深入，目前市面上已经形成多类型(物理气泡、化学气泡)、多种类(起泡剂组分)的泡沫剂体系。在化学型泡沫剂中，无论组分如何变化，纯净水是占比最大的组分，通常占据85％质量以上，这也为后续施工难题埋下隐患。以郑州地区地铁盾构施工为例，该市位于黄河中下游地区，属黄河冲积平原，市内地铁隧道平均埋深约25米。此时，开掘土体以砂层与淤泥质黏土为主，高岭土组分占据了主导地位。当传统水基型泡沫剂注入掌子面，水会与高岭土中羟基相结合并产生化学反应。不仅无法改善削落土体流动性，反而在刀盘挤压力作用下与渣土固结成饼，进而增大盾构机运行阻力，降低掘进效率。

发明内容

针对上述现有技术中存着的不足之处，本发明提供了一种盾构用水-醇基泡沫剂、及其制作系统和制作方法，解决了现有技术中，在高岭土组分开挖时，盾构使用水基型泡沫剂无法改善被削落土体流动性的技术问题。

第一方面，本发明公开了一种盾构用水-醇基泡沫剂制作系统，包括多个注液容器、位于该注液容器下方的电动滑轨以及设于该电动滑轨上的物料桶，每个该注液容器上均设有流量计，每个该注液容器的开口处均设有注液阀，多个该注液阀以及多个该流量计均连接于一第一控制器；

对应于每个该注液容器下方固定有激光对射传感器，每个该激光对射传感器的固定位置均高于该物料桶的底面低于该物料桶的顶面，该激光对射传感器包括固定于该电动滑轨一侧的激光发射端以及固定于该电动滑轨另一侧的激光接收端；该电动滑轨、该激光对射传感器和该振动台均联接于一第二控制器，该第二控制器联连接于第一控制器。

本发明盾构用水-醇基泡沫剂制作系统进一步改进在于，除上述精确质量控制系统外，还包括振动台，所述振动台上设有搅拌臂。配合循环生产线与软件控制系统改善了原有手工生产的弊端，不仅提高了生产效率，还进一步提升了生产线的自动化、精确化的水平。

本发明盾构用水-醇基泡沫剂制作系统进一步改进在于，多个注液容器还连接有提供液体的泵站和独立的流量质量传感器。另行添加的储存、检测系统，不仅打通了原材料储存——运输——配比——检验环节，还减少了人员劳动强度，更易控制产品品质。

第二方面，本发明还提供了一种采用上述任意一项该的盾构用水-醇基泡沫剂制作系统的盾构用水-醇基泡沫剂制作方法，包括如下步骤：

S1、启动电动滑轨，该电动滑轨带动物料桶移动；

S2、该物料桶位于第一个容器下方时，激光信号被遮蔽，此时该电动滑轨停转，开启注液阀；

S3、当流量计显示达到目标数值时，软件控制系统发出关闭信号，该注液阀被关闭，随后该电动滑轨启动；

S4、重复步骤S1～S3，直至最后一个容器中的溶液加入该物料桶内。

第三方面，本发明还提供了一种盾构用水-醇基泡沫剂，组分包括甲醇、十二烷基硫酸钠、脂肪醇。

本发明盾构用水-醇基泡沫剂进一步改进在于，提供了一种除水基泡沫剂以外的新方案。一方面，水基泡沫剂具有材料来源广泛、生产成本低廉的优势，但适用范围却无法满足全部施工场景，如高纬度、低温的长春地铁和高岭土组分占比较高的华北平原等。另一方面，新改进水-醇基泡沫剂蒸发温度和比热容显著低于前者，泡沫状态的变化可有效缓解恶劣环境下刀盘降温难题。

本发明盾构用水-醇基泡沫剂进一步改进在于，提高了甲醇占总溶液的质量(95％)，该纯净水占总溶液的1％～3％(质量)，该十二烷基硫酸钠占总溶液的1％(质量)，该脂肪醇占总溶液的1％(质量)。

本发明和已有技术相比较，其效果是积极和明显的。本发明通过甲醇代替传统的全部使用水作为发泡剂的溶剂，解决了现有技术中在高岭土组分开挖时，盾构用、水基型泡沫剂无法改善被削落土体流动性的技术问题。对比现有水基型泡沫剂，水-醇基泡沫剂液体动力黏度更高，对土体颗粒包裹性更强，降低了土壤遇水产生的崩解性和凝结效应，达到改造土体流动性的目的。并且，水-醇基发泡剂性能远超传统型(标准体积发泡实验，其检测原理与指标如前文所述)，半衰期的延长，提高了泡沫的稳定性，加大了泡沫润湿范围。最后，该水-醇基泡沫剂制作系统安装完毕，可极大减少人员体力劳动，完全实现自动化生产。它能够对物料桶、发泡剂组分进行自动储存、配比与运输，并根据反馈结果及时调整。该水-醇基型物料配比与系统通用性好，生产效率高，在减少简单劳动所带来误差的基础上，避免了切削土体泥饼化的危险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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它的附图。

图1为本发明的盾构用水-醇基泡沫剂作用系统的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了盾构用水-醇基泡沫剂，包括多个注液容器、位于该注液容器下方的电动滑轨1以及设于该电动滑轨1上的物料桶3，每个该注液容器上均设有流量计5每个该注液容器的开口处均设有注液阀4，多个该注液阀4以及多个该流量计5均连接于一第一控制器11；对应于每个该注液容器下方固定有激光对射传感器，每个该激光对射传感器的固定位置均高于该物料桶3的底面且低于该物料桶3的顶面，该激光对射传感器包括固定于该电动滑轨1一侧的激光发射端7以及固定于该电动滑轨1另一侧的激光接收端8；本实施例中，该激光对射传感器数量为四个，与注液容器一一对应设置，以保证注液容器内的液体注入进物料桶3内。该电动滑轨1、该激光对射传感器和该振动台10均联接于一第二控制器2，该第二控制器2联连接于该第一控制器11。该第二控制器2为联接于电动滑轨1和第一控制器11的电气开关，且激光对射传感器与振动台10也与电气开关连接，通过激光对射传感器的信号开启和停止电动滑轨1道的运行，以及通过第一控制器11也可控制振动器的工作状态。本实施例中，该流量计5为华而威生产的DN100型电磁质量流量计。

本实施例中，该水-醇基泡沫剂的制作流程为流水线、循环作业，如图1所示，电动滑轨1的左端为起始端，右端为结尾端，进行循环运转。注液容器为四个，从左至右依次为纯净水、甲醇、发泡剂和增稠剂，开启滑轨电源，物料桶3沿电动滑轨1行进，在注液容器下时，物料桶3遮挡发射端7发出的激光束时，则此时接收端8无法读取激光信号，随即发出电动滑轨1停止信号，通过第二控制器2控制电动滑轨1停止，从而使物料桶3停止运动，供注液容器进行注液，注入完成后电动滑轨1再次启动并依次向物料桶3内注甲醇、发泡剂和增稠剂等。与前者相同，当达到上述溶剂设计质量后便完成全部注液过程。通过电动滑轨1的循环式作业，改善了手工勾兑的制剂流程，新设计的生产系统，包含原材料储运、质量监控和搅拌等功能，实现全程自动化，能够减轻生产人员劳动强度。本实施例中，该第一控制器11为计算机，该计算机内采用MOF工控软件计算溶液的各种组份的质量并对各注液阀4进行统一控制，当计算机读取质量流量计5达到所设定的数值时，则发出停止注液信号，从而关闭相应的注液阀4。

进一步地，还包括振动台10，该振动台10上设有搅拌臂。各溶液被注入物料桶3中，待完成配比程序，经龙门吊将物料桶3放置在振动台10上，振动台10上的电动搅拌臂，可将各型溶剂相混合，从而完成配比混合过程。

具体的，多个该注液容器还连接有提供液体的泵站9，本实施例中，该泵站9用于泵送水、甲醇等流体。进一步地，该注液容器与泵站9之间通过连接管连接，连接管包括总管，总管分支成四条支路与各注液容器连接，该总管上设有总流量计6，以监控总的溶液质量。同时，为收集注液时各流体的质量，还需在总流量计6处分别引出电源线和控制线路，将其与泵站9和第一控制器11的通讯接口相连，从而达到控制流体流动的目的。优选的，可省去注液容器的安装，直接将流量计5安装于支路上，从支路直接向物料桶3中注入溶液，将注液阀4直接安装于支路的开口附近，简化结构，节约成本。

另一方面，本发明还提供了一种水-醇基泡沫剂的制作方法，包括如下步骤：

S1、启动电动滑轨1，该电动滑轨1带动物料桶3移动；

S2、该物料桶3位于第一个容器下方时，关闭该电动滑轨1，开启注液阀4；

S3、当流量计5显示达到目标流量时，关闭该注液阀4，启动该电动滑轨1；

S4、重复步骤S1～S3，直至最后一个容器中的溶液加入该物料桶3内。

本实施例的具体运行步骤：如图1所示，该水-醇基泡沫剂制作系统包含硬件、软件两个部分，即由计算机、电动滑轨1、注液阀4、流量计5等硬件以及控制生产工序所需的MOF软件所组成。在制作水-醇基泡沫剂时，当MOF软件发出运转指令，载有物料桶3的滑轨行进至激光对射传感器处，此时物料桶3遮挡发射端7激光束，使激光传感系统断路，进而电动滑轨1电路关闭，促使滑轨停止运转，同时第一个注液容器的注液阀4(水)开启并向物料桶3注入所设定质量的纯净水。待达到纯净水流量计5设定值，电动滑轨1再次开启向下一个注液容器(甲醇)处移动，开启注液工序，直至达到MOF软件所设定质量。对于发泡剂和增稠剂的注入，重复上述注入过程，并运行至结尾端。最后，盛满的物料桶3被吊起转运至振动台10处，MOF软件发出振动和搅拌指令，促使发泡剂与水-醇基溶液充分混合，达到制作水-醇基泡沫剂的目的。

另一方面，本发明还提供了一种改进型、盾构用水-醇基泡沫剂，组分包括甲醇、十二烷基硫酸钠、脂肪醇。其中十二烷基硫酸钠是发泡剂核心组分，脂肪醇作为增稠剂使用。虽然该水-醇基泡沫剂还包括少量纯净水，但水是用于溶解部分不溶于醇类的物质，也可根据实际情况不添加。该水-醇基泡沫剂极大的减少了纯净水的使用量(依照配比不同，1t物料中纯净水使用量可降低90％以上)，从根本上避免了盾构活动所产生的泥饼。新添加的甲醇组分既可与发泡剂——十二烷基硫酸钠以任意比例互溶，且可作为辅助溶解剂，混合后的发泡剂降低了原有水基型的蒸发温度，降低刀盘运行所产生的热量，且可进一步根据地质环境改变溶剂配比达到提高适用性的目的。

优选的，该甲醇占总溶液的95％(质量)，甲醇以液态为主；该纯净水占总溶液的1％～3％(质量)，纯净水作为辅助添加剂，用于溶解部分不溶于醇类的物质；该十二烷基硫酸钠占总溶液的1％(质量)，用于产生泡沫；该脂肪醇占总溶液的1％(质量)，用于提高泡沫剂粘稠度；以上各组分含量并非固定值，而是根据土层类型变化而变化。若以黏土为主，则提高甲醇质量至最高，甚至可以不加入纯净水，否则提高纯净水占比。通过MOF工控软件将发泡剂浓度设置为任意数值(通常为5％，软件自动计算所需水、发泡剂等材料质量)。可以通过MOF工控软件对该系统工作内容进行调整，更可以定量化的分析发泡剂的性能。在将作用系统连接完成后，在MOF软件中依次改变所设定发泡剂浓度值，每次浓度增幅为1％，直至10％的目标浓度。当预设发泡剂浓度发生变化，注液口处各型流体质量均随软件设置而发生改变，将上述数据导出并绘制曲线，即可得到质量配比变化系数。从该系数可以反映系统机械性能与流量计精度的工作情况，便于定量分析工作状态。通过改变MOF软件设置，还可开展不同浓度发泡剂测试，并对制作全程进行监控分析，从而达到满足多种土层条件的目的。

本发明通过甲醇代替传统的全部使用水作为发泡剂的溶剂，解决了现有技术中在高岭土土质开挖时，盾构使用水基型泡沫剂无法改善被削落土体流动性的技术问题。对比现有水基型泡沫剂，水-醇基泡沫剂液体动力黏度更高，对土体颗粒包裹性更强，降低了土壤遇水产生的崩解性和凝结效应，达到改造土体流动性的目的。并且，水-醇基发泡剂性能远超传统型，泡沫半衰期的延长，提高了泡沫的稳定性，抑制了切削土的固结。最后，该水-醇基泡沫剂制作系统安装完毕后，可极大减少人员体力劳动，完全实现电气自动化。它能够对物料桶、发泡剂组分进行自动配比与运输，并根据反馈结果及时调整。该水-醇基型物料配比与系统通用性好，生产效率高，在避免简单劳动所带来误差的基础上，避免了盾构刀盘泥饼化的危险。

本发明中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种盾构用水-醇基泡沫剂制作系统，其特征在于：包括多个注液容器、位于所述注液容器下方的电动滑轨以及设于所述电动滑轨上的物料桶，每个所述注液容器上均设有流量计，每个所述注液容器的开口处均设有注液阀，多个所述注液阀以及多个所述流量计均连接于第一控制器；

对应于每个所述注液容器下方固定有激光对射传感器，每个所述激光对射传感器的固定位置均高于所述物料桶的底面且低于所述物料桶的顶面，所述激光对射传感器包括固定于所述电动滑轨一侧的激光发射端以及固定于所述电动滑轨另一侧的激光接收端；所述电动滑轨、所述激光对射传感器和所述振动台均联接于一第二控制器，所述第二控制器联连接于所述第一控制器。

2.根据权利要求1所述的盾构用水-醇基泡沫剂制作系统，其特征在于，还包括振动台，所述振动台上设有搅拌臂。

3.根据权利要求1所述的盾构用水-醇基泡沫剂制作系统，其特征在于，多个注液容器还连接有独立的液体泵站和流量质量传感器。

4.一种采用如权利要求1～3中任意一项所述的盾构用水-醇基泡沫剂制作系统的盾构用水-醇基泡沫剂制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、启动电动滑轨，所述电动滑轨带动物料桶移动；

S2、所述物料桶位于第一个容器下方时，关闭所述电动滑轨，开启注液阀；

S3、当流量计显示达到目标流量时，关闭所述注液阀，启动所述电动滑轨；

S4、重复步骤S1～S3，直至最后一个容器中的溶液加入所述物料桶内。

5.一种盾构用水-醇基泡沫剂，其特征在于：组分包括甲醇、十二烷基硫酸钠和脂肪醇。

6.根据权利要求5所述的盾构用水-醇基泡沫剂，其特征在于，还包括纯净水，所述纯净水的含量小于所述甲醇的含量。

7.根据权利要求6所述的盾构用水-醇基泡沫剂，其特征在于，所述甲醇占总溶液的95％(质量)，所述纯净水占总溶液的1％～3％(质量)，所述十二烷基硫酸钠占总溶液的1％(质量)，所述脂肪醇占总溶液的1％(质量)。

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