CN115342873A - 大直径泥水盾构出渣计量方法及出渣状态监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大直径泥水盾构出渣计量方法及出渣状态监测方法，旨在解决现有泥水盾构出渣量统计方式、方法出渣量统计误差大，出渣量控制不准导致地表沉降风险高，无法指导盾构掘进施工的问题；本发明内容主要包括一种大直径泥水盾构出渣量计量方法、泥水分离设备筛分渣土称重单元、泥水分离设备底流测量系统及控制系统；本发明的有益效果在于：该发明利用质量守恒原理可以自动、精确的计量出泥水盾构掘进过程中产生的干渣质量，计量结果更加精准，可作为盾构掘进重要指导依据之一，避免出现泥水盾构在掘进时出现超挖或多出渣现象，导致地表沉降。

Description

大直径泥水盾构出渣计量方法及出渣状态监测方法

技术领域

本发明涉及盾构施工技术领域，具体涉及一种大直径泥水盾构出渣计量方法及出渣状态监测方法。

背景技术

盾构机是一种使用盾构法的隧道掘进机。盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时支撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。泥水式盾构机是通过加压泥水或泥浆(通常为膨润土悬浮液)来稳定开挖面，其刀盘后面有一个密封隔板，与开挖面之间形成泥水室，里面充满了泥浆，开挖土料与泥浆混合由泥浆泵输送到洞外分离厂，经分离后泥浆重复使用。

泥水盾构施工过程中，需膨润土泥浆通过泥浆管路携带掘进的渣土至泥水分离设备进行干湿分离，而泥水分离设备性能不能做到完全分离，泥水盾构掘进出渣量的统计成为行业的难题；现有出渣量统计方式、方法统计的出渣量跟实际出渣量存在较大误差，均无法做到精确计量，无法有效指导盾构掘进施工，对控制地表沉降存在较大风险；现有计量方法通常是在进浆管道和出浆管道中分别增设密度计和流量计，以分别计算出掘进一环内泥水盾构机的总进浆量、总排浆量，并根据密度计计量的平均密度分别得出一环掘进中总进渣质量和总出渣质量。

但本申请发明人在实现本申请实施例中技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：由于泥水盾构机环流系统中排浆管路泥浆携带的颗粒较大、对流量计、密度计的测量精度会造成较大影响，导致出渣量计算出现较大误差，进而也难以准确的判断盾构机的出渣状态，如是否存在超挖、欠挖或仓内积渣的情况。

公开于该背景技术部分的信息仅用于加深对本公开的背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

鉴于以上技术问题中的至少一项，本公开提供了一种大直径泥水盾构出渣机量方法及出渣状态监测方法，将环流系统中排浆管路中的泥浆分步骤进行筛选，先通过泥水分离设备及称重单元将管路中的大直径（25μm以上）泥土颗粒进行筛分并称重，然后在测量经初筛后的泥浆密度和流量，进一步得出总出渣量。

根据本公开的一个方面，提供一种大直径泥水盾构出渣计量方法，包括以下步骤：

S1，通过设置在对应的进浆管路中的进浆密度计和进浆流量计，分别测得进浆密度ρ_in和进浆流量Q_in；

S2，计算进浆中所含的干渣质量流量M_in；

S3，通过设置在对应的排浆管路中的泥水分离设备筛出排浆管路中的大粒径渣土，并通过设在所述泥水分离设备中的称重单元计量筛出的渣土重量M_筛分；

S4，将筛分后的泥浆汇总至一排浆总管路中，并通过设在所述排浆总管路中的排浆密度计和排浆流量计，分别计量出浆密度ρ_out和出浆流量Q_out；

S5，计算筛分后的泥浆中所含的干渣质量流量M_out；

S6，计算掘进行程中泥水盾构排出的干渣总质量M_排总，M_排总=M_筛分+M_out-M_in。

在本公开的一些实施例中，所述步骤S2中,进浆中所含的干渣质量流量M_in计算公式为：

，G_S1为进浆土颗粒比重。

在本公开的一些实施例中，所述称重单元包括支架、安装在该支架上的翻渣板、与所述翻渣板活动铰接的连杆、与所述连杆传动配合的气缸及设置在所述翻渣板下方的称料斗；所述气缸的缸体固定在所述支架上，且所述气缸的活动端与所述连杆配合连接，通过所述气缸活动端的伸缩以带动所述翻渣板的方向。

在本公开的一些实施例中，所述称料斗包括对应于所述翻渣板下方左、右两侧对应设置的第一称料斗和第二称料斗，且在所述称料斗上分别对应安装有称重传感器，以实时检测称料斗内的渣土重量。

在本公开的一些实施例中，在所述步骤S5中，筛分后泥浆中所含的干渣质量流量M_out计算公式为：

，G_S2为出浆土颗粒比重。

根据本公开的另一个方面，提供一种大直径泥水盾构出渣状态监测方法，包括以下步骤：

（1）计算掘进行程中产生的理论干渣质量M_理论；

（2）基于上述大直径泥水盾构出渣计量方法获得一环掘进行程中泥水盾构排出的干渣总质量M_排总；

（3）通过对比该掘进行程的M_理论与M_排总的大小，并进行如下判断：

a.M_排总＜M_理论,则盾构存在欠挖或仓内积渣；

b.M_排总＝M_理论，则盾构掘进过程中出渣正常；

c.M_排总＞M_理论，则盾构掘进过程中存在超挖。

在本公开的一些实施例中，在所述步骤（1）中，M_理论的计算公式为：

M_理论=V_理论（x_介质1*ρ_介质1+ x_介质2*ρ_介质2…+ x_介质n*ρ_介质n），

V_理论=πr²L；r为盾构开挖半径，L为盾构掘进长度，x_介质n为对应介质所占理论开挖体积的百分比，ρ_介质n为对应介质密度值。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下任一技术效果或优点：

基于质量守恒原则，由推进行程计算出理论开挖土体质量，通过流量计、密度计及泥水分离设备称重系统测量数据，测算出实际出渣质量，有效解决了现有技术中排浆管路中计量误差较大的技术问题，据此还可准确判断出泥水盾构机掘进过程中的出渣状态，如是否存在超挖、欠挖或仓内积渣等情况，以及早采取应对措施，保证盾构施工的安全、质量及掘进效率。

附图说明

图1为本申请一实施例中称重单元的结构示意图之一。

图2为本申请一实施例中称重单元的结构示意图之二。

图3本申请一实施例中泥水分离设备底流系统的结构示意图。

以上各图中，1、安装架；2、翻渣板；3、连杆；4、气缸；5、称料斗；6、泥水分离设备；7、排浆总管；8、排浆流量计；9、排浆密度计。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种大直径泥水盾构出渣计量方法及出渣状态监测方法，解决了现有泥水盾构机掘进过程中出渣量计算误差较大导致盾构掘进中出现安全隐患的技术问题。

本申请实施例中的技术方案为解决上述出渣量误差太大的问题，总体思路如下：

在排浆管路中增设泥水分离设备，将排浆管路中的大直径渣土颗粒提前筛除，并通过称重单元实时计量筛分出的渣土质量；将经泥水分离设备筛分后的泥浆汇总至一根排浆总管中，并在所述排浆总管中设置泥浆密度计和流量计，由于盾构排出的泥浆经泥水分离设备分离将大直径颗粒筛分后，排浆总管中的剩余泥浆颗粒粒径基本在25μm以下，粒径较小且相对均匀，数据采集过程在允许的范围内，得出排浆总管中的渣土质量，经过泥水分离设备筛分出的渣土质量与经排浆总管中的渣土质量之和即为泥水盾构掘进一环过程中总的渣土排出质量。

为了更好的理解本申请技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例一

本例公开一种大直径泥水盾构出渣计量方法，包括以下步骤：

S1，在泥水盾构机的进浆管路中安装进浆密度计和进浆流量计，所述进浆流量计和进浆密度计的数据信号线均与泥水盾构机控制系统联接，进浆流量Q_in和进浆密度ρ_in通过控制系统可以即时显示。

S2，在一环掘进过程中，所述泥水盾构机控制系统根据进浆密度计和进浆流量计的数据信息，并通过公式得出当前一环掘进过程中的进浆中所含的干渣质量流量M_in：

，G_S1为进浆土颗粒比重，ρ_in为当前一环掘进中的进浆密度，Q_in为当前一环掘进中的进浆流量。

上述Min的公式推导过程：设y为进浆浆液中干渣密度分数占比，设进浆量Q_in=1m³/s,水的密度值ρ_水= 1kg/m³，则及计算进浆浆液质量流量为：ρ_in×Q_in=G_s1×y＋ρ_水×(1-y)，即代入后得ρ_in×1=G_s1×y＋1×(1-y)，简化后的ρ_in－1= y（G_s1－1），即干渣在进浆浆液中密度占比：

，故此干渣质量流量M_in＝y* G_s1*Q_in，即：

。

S3，计算盾构一环掘进过程中排出的干渣总质量M排总；因排浆管路泥浆携带的颗粒较大，对排浆密度计9和排浆流量计8的测量精度造成影响；故排浆中干渣的质量计量分两步：

1）在排浆管路中设置泥水分离设备6，参见图1至图2，所述泥水分离设备6选用康明克斯（北京）机电设备有限公司，型号为：MTP-3300；所述泥水分离设备6将排浆管路中的大粒径渣土经一级旋流、二级旋流筛分后的渣土落料至称重单元中，以对渣土质量进行计量。所述称重单元包括翻渣器和称料斗5，所述翻渣器包括安装架1、安装在所述安装架1上的翻渣板2、与所述翻渣板2活动铰接的连杆3，与所述连杆3传动配合连接的气缸4；所述气缸4的底部缸体固定在所述安装架1上，其活动端与所述连杆3配合连接，用于通过气缸4活动端的伸缩以控制连杆3带动翻渣板2的落料方向；所述翻渣板2正对应于所述泥水分离设备6旋流器下方的震动出料板设置，以使得经筛分后的渣土落至翻渣板2上。

所述称料斗5对应于所述翻渣板2的正下方设置，以使翻渣板2上的渣土能够落入称料斗5当中，所述称料斗5左右两侧对称分布，形成两个独立的称料结构，所述称料斗5安装在安装架1上，且在称料斗5与安装架1之间设置有若干称重传感器，所述称重传感器为15KN承重传感器，选用OBMWS（承重系统），最大承重量为称料斗5料仓满载时的1.5倍，满足使用要求，且还包括重量变送控制器：FC-020C，所述重量变送控制器与所述称重传感器电连接以实时检测出料斗内的渣土质量。

所述翻渣器中的气缸4与称料都中的重量变送控制器均与泥水盾构机控制系统联接，通过控制系统上实时检测显示当前掘进过程中称料斗5中的渣土质量，当渣土质量满足设定的重量值时（2T），称料仓底部的仓口自动打开进行落料并将质量计入控制系统，同时控制系统控制气缸4带动连杆3对翻渣板2的落料方向进行改变，使渣土落入另一个称料斗5中，如此重复循环，带当前一环掘进完成后，累计得出整个出渣质量M筛分。

2）计算经泥水分离设备6筛分后的泥浆中所含的干渣质量流量Mout；设计一个泥水分离设备6底流系统，参见图3，通过DN500泥浆管将分离设备3根底流管汇集到一起形成总排浆管路，总排浆管路末端通过两个90度弯头反向串联方式将出口抬高60CM，以保证出口管路充满浆液，避免管路内气泡影响测量精度，并在总排浆管路中安装排浆密度计9和排浆流量计8，且所述排浆流量计8和排浆密度计9的数据信号线均与泥水盾构机控制系统联接，排浆流量Q_out和排浆密度ρ_out通过控制系统可以即时显示，在一环掘进过程中，所述泥水盾构机控制系统根据排浆密度计9和排浆流量计8的数据信息，并通过公式得出当前一环掘进过程中的经泥水分离设备6筛分后的排浆中所含的干渣质量流量M_out：

，G_S2为出浆土颗粒比重，ρ_out为当前一环掘进中的进浆密度，Q_out为当前一环掘进中的进浆流量；其公式推导过程跟上述Min一致，在此不做过多赘述。

因此，在一环掘进过程中，泥水盾构机的总排渣质量为M_排总=M_筛分+M_out-M_in；

在计算过程中，G_S1、G_S2取值无限近似为土颗粒分子取值2.65kg/m³。

还包括控制系统，所述控制系统将盾构掘进过程中泥水分离设备6采集的干渣称重数据及分离设备底流干渣质量累计数据通过本地电脑采集、分析、累加；并通过远程通讯传输至盾构机操作界面，实现数据实时更新；同时可以根据称重传感器校准情况进行调整校准系数以保证数据采集的精度，运行状态界面可直接显示出称重及底流干渣累计量，并传输至盾构机上位机界面作为参考。

实施例二

本例公开一种大直径泥水盾构出渣状态监测方法，基于上述的大直径泥水盾构出渣量计量方法得出的计算数值，还包括以下步骤：

（1）计算掘进过程中产生的理论干渣质量M_理论

掘进过程中开挖轮廓的理论体积V_理论是根据掘进过程中刀盘的位移与掌子面面积的乘积计算所得，然后根据详勘报告中断面介质占比及对应介质密度值计算出M_理论；

即：M_理论=V_理论（x_介质1*ρ_介质1+ x_介质2*ρ_介质2…+ x_介质n*ρ_介质n）；

其中，V_理论=πr²L；r:盾构开挖半径，L：盾构掘进长度；

注：x_介质n为对应介质所占理论开挖体积的百分比，ρ_介质n为对应介质密度值。

（2），通过M_排总与M_理论的干渣比较可以判断是否存在超欠挖：

如M_排总＜M_理论，则盾构掘进过程存在欠挖或仓内积渣可能，需根据情况进行调整；

如M_排总＝M_理论，则盾构掘进过程出渣量正常，继续关注各项参数指标；

如M_排总＞M_理论，则盾构掘进过程存在超挖可能，需进一步分析并制定相关措施。

尽管已描述了本发明的一些优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本实发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种大直径泥水盾构出渣计量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1， 通过设置在对应的进浆管路中的进浆密度计和进浆流量计，分别测得进浆密度ρ_in和进浆流量Q_in；

S2，计算进浆中所含的干渣质量流量M_in；

S3，通过设置在对应的排浆管路中的泥水分离设备筛出排浆管路中的大粒径渣土，并通过设在所述泥水分离设备中的称重单元计量筛出的渣土重量M_筛分；

S4，将筛分后的泥浆汇总至一排浆总管路中，并通过设在所述排浆总管路中的排浆密度计和排浆流量计，分别计量出浆密度ρ_out和出浆流量Q_out；

S5，计算筛分后的泥浆中所含的干渣质量流量M_out；

S6，计算掘进行程中泥水盾构排出的干渣总质量M_排总，M_排总=M_筛分+M_out-M_in。

2.根据权利要求1所述的大直径泥水盾构出渣计量方法，其特征在于，所述步骤S2中,进浆中所含的干渣质量流量M_in计算公式为：

，G_S1为进浆土颗粒比重。

3.根据权利要求1所述的大直径泥水盾构出渣计量方法，其特征在于，所述称重单元包括支架、安装在该支架上的翻渣板、与所述翻渣板活动铰接的连杆、与所述连杆传动配合的气缸及设置在所述翻渣板下方的称料斗；所述气缸的缸体固定在所述支架上，且所述气缸的活动端与所述连杆配合连接，通过所述气缸活动端的伸缩以带动所述翻渣板的方向。

4.根据权利要求3所述的大直径泥水盾构出渣计量方法，其特征在于，所述称料斗包括对应于所述翻渣板下方左、右两侧对应设置的第一称料斗和第二称料斗，且在所述称料斗上分别对应安装有称重传感器，以实时检测称料斗内的渣土重量。

5.根据权利要求1所述的大直径泥水盾构出渣计量方法，其特征在于，在所述步骤S5中，筛分后泥浆中所含的干渣质量流量M_out计算公式为：

，G_S2为出浆土颗粒比重。

6.一种大直径泥水盾构出渣状态监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）计算掘进行程中产生的理论干渣质量M_理论；

（2）基于权利要求1所述的大直径泥水盾构出渣计量方法获得一环掘进行程中泥水盾构排出的干渣总质量M_排总；

（3）通过对比该掘进行程的M_理论与M_排总的大小，并进行如下判断：

a.M_排总＜M_理论,则盾构存在欠挖或仓内积渣；

b.M_排总＝M_理论，则盾构掘进过程中出渣正常；

c.M_排总＞M_理论，则盾构掘进过程中存在超挖。

7.根据权利要求6所述的大直径泥水盾构出渣状态监测方法，其特征在于，在所述步骤（1）中，M_理论的计算公式为：

M_理论=V_理论（x_介质1*ρ_介质1+ x_介质2*ρ_介质2…+ x_介质n*ρ_介质n），

V_理论=πr²L；r为盾构开挖半径，L为盾构掘进长度，x_介质n为对应介质所占理论开挖体积的百分比，ρ_介质n为对应介质密度值。

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