盾构机泥水环流系统的制作方法

本发明涉及泥水平衡盾构机技术领域，具体涉及一种盾构机泥水环流系统。

背景技术：

泥水平衡盾构机是在机械式盾构的刀盘的后侧，设置一道前封闭隔板（前封闭隔板底部为设置有开口的泥浆门，上部设置有与大气连通的排气管路和阀门，以排放泥水仓内气体），前封闭隔板与刀盘间的空间为泥水仓，水、膨润土及其添加剂混合制成的泥浆，经泵送管道压入泥水仓，在盾构的前封闭隔板后侧内插装另一道后封闭隔板（后封闭隔板底部设置有排放泥浆的出口），前封闭隔板与后封闭隔板之间的空间为气垫仓，气垫仓与泥水仓通过前封闭隔板底部设置的泥浆门连通，气垫仓内盾构轴心线以上部分充以压缩空气，形成空气缓冲层，气压作用在与泥浆的接触面上，由于接触面上气、液具有相同压力，因此通过调节空气压力和气垫仓内液位，就可以对泥水仓进行建压，保障开挖面上相应的泥浆支护压力。待泥水充满整个泥水仓，并具有一定压力，形成泥水压力室，通过泥水的加压作用能够维持开挖工作面的稳定，盾构推进时，旋转刀盘切削下来的泥砂经搅拌装置搅拌后形成高浓度泥浆，用流体泵送方式送到地面泥水分离系统，将渣土进行分离后运输，分离后的泥水重新送回泥水仓进行循环利用。

泥水仓中泥水渣的顺利排出是泥水平衡式盾构机设计时需要重点考虑的技术问题之一，一般设置一台颚式破碎机（最大破碎粒径1200mm，最大破碎强度300mpa），通过该颚式破碎机将大粒径的石块破碎，以避免堵塞排泥管道，如公开号为cn105065007a的中国专利文献记载了一种盾构机泥水环流和碎石系统，包括通过管道依次串联的进浆管、气垫仓、出料管、泥浆管路破碎机、排浆泵和排浆管；所述出料管用于将气垫仓中的泥浆和砂石输送至所述泥浆管路破碎机中，所述泥浆管路破碎机将来自于气垫仓中的石头破碎。该专利文献记载的盾构机泥水环流和碎石系统设置的破碎机只是将大粒径石块破碎，而泥水平衡盾构机需要排出的泥水渣体积量巨大，排泥管道的堵塞问题依然会时常发生。

公开号为cn206785398u的中国发明专利文献记载了一种泥水平衡盾构泥浆循环系统，包括进浆管和排浆管路和设置在所述进浆管路和排浆管路之间并连通进浆管路和排浆管路的泥浆回打循环管路，所述泥浆回打循环管路与所述排浆管路之间设置分流器，所述泥浆回打管路上设置有增压泵，所述增压泵的进浆管路端和排浆管路端分别设置有阀门。该发明还公开了一种泥水平衡盾构，泥浆循环系统包括设置在进浆管路和排浆管路之间并连通进浆管路和排浆管路的泥浆回打循环管路，所述泥浆回打循环管路与所述排浆管路之间设置分流器，所述泥浆回打管路上设置有增压泵，所述增压泵的进浆管路端和排浆管路端分别设置有阀门。

虽然该专利文献记载的泥水平衡盾构泥浆循环系统设有多个进浆支管和泥浆回打循环管路，但其从气垫仓底部开始向外排泥浆，不具备直接从泥水仓底部向外排浆功能。当气垫仓底部滞积较多泥渣时，需要停止掘进，进行管路的泥浆循环，一旦滞积泥渣过多时，则需要人工进仓清渣，不仅耽误正常的掘进工作，而且由于泥水仓内属于高压环境，进入泥水仓对工作人员的身心健康风险较大。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种盾构机泥水环流系统，解决现有技术中泥水盾构机的气垫仓容易累积泥渣造成排渣不畅，不能从泥水仓直接排浆的的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

设计一种盾构机泥水环流系统，包括总进浆管路和总排浆管路，所述总排浆管路的末端连通有泥水仓排浆支管和气垫仓排浆支管，所述泥水仓排浆支管和气垫仓排浆支管上均设有阀门，所述泥水仓排浆支管的末端位于盾构机的泥水仓底部，所述气垫仓排浆支管的末端位于盾构机的气垫仓底部，所述泥水仓排浆支管的末端的标高高度大于所述气垫仓排浆支管末端的标高高度。

本发明盾构机泥水环流系统的总排浆管路的末端连通有泥水仓排浆支管和气垫仓排浆支管，由于泥水仓排浆支管和气垫仓排浆支管上均设有阀门，因此二者可单独开通，在正常的掘进过程中，是通过气垫仓排浆支管向外排出泥水浆液，随着盾构机不断掘进，其泥水仓底部会不断累积碎石渣，这些碎石渣会阻碍泥水浆液向气垫仓流动，导致渣土滞排，这种情况下，关闭连通泥水仓和气垫仓的泥浆门，并关闭气垫仓排浆支管上的阀门而打开泥水仓排浆支管上的阀门，通过泥水仓排浆支管将泥水仓中的泥水浆直接排出，促使刀盘切削的以及向泥水仓中输入的大部分泥水浆液都能通往泥水仓，增强了泥水仓内泥浆循环力度，增强携渣能力，对防止渣土滞排有较大的帮助，且降低泥水仓浆液比重，减少刀盘结泥饼的概率。

优选的，还包括用于连通泥水仓和气垫仓的连通管路，所述连通管路的下端位于气垫仓下部，上端连通到泥水仓的上部，所述连通管路上设有阀门。

通过连通管路实现气垫仓和泥水仓内压力的传递，保证了泥水仓压力的稳定性及控制精度，泥水仓压力控制精度更高，能更好的平衡掌子面的水土压力，降低地表击穿或沉降的风险。

优选的，所述总进浆管路的后端连通有多个进浆支管，所述进浆支管包括连通到盾构机内部对应位置的泥水仓上部冲刷支管、气垫仓中部冲刷支管、刀盘中部冲刷支管、泥浆门前部冲刷支管、破碎机冲刷支管、泥浆门后部冲刷支管、泥水仓下部冲刷支管，各所述进浆支管可单独通断和/或整体通断。

在盾构机的刀盘、泥水仓和气垫仓的多个部位设置冲刷支管，向盾构机内输入的泥浆可对各部位精确冲刷，防止泥渣局部堆积而造成盾构机内部泥水浆液循环不畅。

优选的，所述总进浆管路上设有用于控制各所述进浆支管通断的总阀门。设置的总阀门便于调整进浆和排浆模式。

优选的，所述总排浆管路还连通有逆冲洗进浆管和逆冲洗排浆管，所述逆冲洗进浆管和逆冲洗排浆管上均设有阀门，所述逆冲洗进浆管的另一端连通到所述总进浆管路，所述逆冲洗排浆管的另一端连通到盾构机的泥水仓和/或气垫仓；所述总排浆管路上位于所述逆冲洗进浆管和所述逆冲洗排浆管之间的管段上设有阀门，所述逆冲洗进浆管与所述总排浆管路的连通点比所述逆冲洗排浆管与所述总排浆管路的连通点靠近盾构机的开挖面。

优选的，所述逆冲洗排浆管的另一端连通有泥水仓逆冲洗排浆支管和气垫仓逆冲洗排浆支管，所述泥水仓逆冲洗排浆支管的末端位于盾构机的泥水仓中下部，所述气垫仓逆冲洗排浆支管的末端位于盾构机的气垫仓的中下部。

当总排浆管路的排浆泵前方管路堵塞、气垫仓底部或泥水仓底部渣土滞排时，可开通逆冲洗进浆管和逆冲洗排浆管，泥水仓逆冲洗排浆支管和气垫仓逆冲洗排浆支管可单独开通，启动逆冲洗模式，逆冲洗模式和正常的泥水环流模式时的泥浆流动方向相反，有利于促进总排浆管路、气垫仓底部和泥水仓底部疏通，且增加的逆冲洗排浆管能够实现浆液排放，可实现持续逆向冲洗直至堵塞管路疏通。

优选的，所述总排浆管路上设有分流器，所述分流器连通有用于对盾构机内泥水仓和/或气垫仓进行冲刷的泥浆回打管路，所述泥浆回打管路上设有阀门。

设置的泥浆回打管路进一步增强了泥水仓中的泥浆环流强度，可有效减少盾构机堵仓现象的发生，提高掘进效率，并降低通过总进浆管路向盾构机内的泥浆输入量，降低成本。

优选的，所述泥浆回打管路的末端连通有格栅前冲刷支管和格栅后冲刷支管，所述格栅前冲刷支管和格栅后冲刷支管的末端分别用于对盾构机内格栅的前方和后方进行冲刷。

优选的，所述总排浆管路上还设有辊齿筛分式破碎机，所述辊齿筛分式破碎机出来的碎石最大粒径为350mm，所述辊齿筛分式破碎机在所述总排浆管路上的位置比所述分流器靠近盾构机的开挖面。辊齿筛分式破碎机可破碎并筛选大粒径石块，有效防止排浆泵和后续管路的堵塞。

优选的，所述总进浆管路上设有两台串联的进浆泵，所述总排浆管路上设有四台串联的排浆泵。所述刀盘中部冲刷支管和泥浆门前部冲刷支管上均设有增压泵。进浆泵和排浆泵均为串联安装设置，随着隧道掘进里程的不断延伸，保障泥浆的运送能力。

综上所述，本发明提供的盾构机泥水环流系统通过设置泥水仓排浆支管，可实现泥水仓泥浆直排，保证泥水仓泥浆环流顺畅，避免工作人员进仓作业，而设置的连通管路可实现气垫仓和泥水仓内压力的传递，确保泥水仓压力稳定。

附图说明

图1为本发明盾构机泥水环流系统一实施例所在的泥水平衡盾构机机头的剖视图；

图2为本发明盾构机泥水环流系统一实施例的结构示意图；

图3为本发明盾构机泥水环流系统一实施例在常规掘进模式下的环流示意图；

图4为本发明盾构机泥水环流系统一实施例在泥水仓应急直排掘进模式下的环流示意图；

图5为本发明盾构机泥水环流系统一实施例在气垫仓逆冲洗模式下的环流示意图；

图6为本发明盾构机泥水环流系统一实施例在气垫仓逆冲洗模式下的环流示意图。

图中，各标号示意为：刀盘111、泥水仓112、气垫仓113、颚式破碎机114、格栅115、泥浆门116、前隔板117、后隔板118、总进浆管路12、进浆泵120、泥水仓上部冲刷支管121、气垫仓中部冲刷支管122、刀盘中部冲刷支管123、泥浆门前部冲刷支管124、破碎机冲刷支管125、泥浆门后部冲刷支管126、泥水仓下部冲刷支管127、总阀门128、总排浆管路13、排浆泵130、泥水仓排浆支管131、气垫仓排浆支管132、逆冲洗进浆管151、逆冲洗排浆管152、泥水仓逆冲洗排浆支管1521、气垫仓逆冲洗排浆支管1522、逆冲洗阀门153、分流器16、辊齿筛分式破碎机17。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。

实施例1：

请参阅图1至图6。

如图1所示，本发明实施例提供的盾构机泥水环流系统使用在泥水平衡盾构机上，泥水平衡盾构机的刀盘111后方被前隔板117和后隔板118隔离出两个内部空间，其中，前隔板117之前为泥水仓112，前隔板117和后隔板118之间为气垫仓113，在前隔板117的底部设有泥浆门116，泥水仓112中的泥浆由泥浆门116进入气垫仓113，气垫仓113的上半部充满带压空气，气垫仓113的下半部为泥浆，排浆管道将气垫仓113下半部的泥浆向外排，在气垫仓113的底部设有颚式破碎机114和格栅115，由泥水仓112进入气垫仓113的泥浆中携带的大石块被颚式破碎机114破碎，格栅115罩住排浆管道的排出口，防止大粒径石块进入导致排浆管道堵塞。

该泥水平衡盾构机的刀盘直径大于15米，配置有用于调节气垫仓113的上半部气压的保压系统，气垫仓113的上半部气压最大超过8bar，用于超大直径隧道施工，开挖面巨大，泥浆环流量大，且地下地质情况复杂，对环流系统的要求较高。

如图2所示，本发明实施例提供的盾构机泥水环流系统包括总进浆管路12和总排浆管路13，总进浆管路12上设有两台串联的进浆泵120，其中一台进浆泵120为初装泵，另一台为中继泵，总排浆管路13上共设了四台串联的排浆泵130，其中一台排浆泵130为初装泵，另外三台为中继泵，以增强环流系统的进浆和排浆动力，其中，进浆泵120和排浆泵130的功率均为1100kw，进浆泵120和排浆泵130均采用水冷变频电机，且均可实现本地和主控室分别单独控制。

在泥水平衡盾构机掘进时，配比好并和成泥浆的膨润土由总进浆管路12注入泥水仓112或气垫仓113内，由刀盘111挖掘的泥渣随同注入的泥浆进入气垫仓113底部，通过总排浆管路13排出，泥水环流的过程，将挖掘的泥渣运出。

在总排浆管路13的末端连通有泥水仓排浆支管131和气垫仓排浆支管132，泥水仓排浆支管131和气垫仓排浆支管132上均设有阀门，泥水仓排浆支管131的末端位于盾构机的泥水仓112底部，气垫仓排浆支管132的末端位于盾构机的气垫仓113底部，其中，泥水仓排浆支管131的末端的标高高度大于气垫仓排浆支管132末端的标高高度。

泥水仓排浆支管131和气垫仓排浆支管132可通过控制阀门而单独开通，在正常的掘进过程中，打开气垫仓排浆支管132上的阀门而关闭泥水仓排浆支管131上的阀门，通过气垫仓排浆支管132向外排出泥水浆液。

随着盾构机不断掘进，若泥水仓112底部不断累积的碎石渣阻碍泥浆穿过泥浆门116向气垫仓113流动，将导致渣土滞排，这种情况下，关闭连通泥水仓112和气垫仓113的泥浆门116，并关闭气垫仓排浆支管132上的阀门，而打开泥水仓排浆支管131上的阀门，由于泥水仓排浆支管131的末端的标高高度大于气垫仓排浆支管132末端的标高高度，因此，可通过泥水仓排浆支管131将泥水仓112中的泥水浆直接排出，促使泥水环流均在泥水仓112中进行，增强了泥水仓112内泥浆循环力度，增强携渣能力，对解决渣土滞排问题有较大的帮助，且降低泥水仓112中浆液比重，减少刀盘111结泥饼的概率。

进一步的，该盾构机泥水环流系统还包括用于连通泥水仓112和气垫仓113的连通管路14，连通管路14的下端位于气垫仓113下部，上端连通到泥水仓112的上部，连通管路14上设有阀门。当关闭泥浆门116后，气垫仓113中的压力无法再通过泥浆门116传递到泥水仓112，而打开连通管路14上的阀门，通过连通管路14实现气垫仓113和泥水仓112内压力的传递，保证了泥水仓112压力的稳定性及控制精度，泥水仓112压力控制精度更高，能更好的平衡掌子面的水土压力，降低地表击穿或沉降的风险。

本实施例中，总进浆管路12的后端连通有多个进浆支管，这些进浆支管包括连通到盾构机内部对应位置的泥水仓上部冲刷支管121、气垫仓中部冲刷支管122、刀盘中部冲刷支管123、泥浆门前部冲刷支管124、破碎机冲刷支管125、泥浆门后部冲刷支管126、泥水仓下部冲刷支管127。

各进浆支管将泥浆输入到盾构机内也是对盾构机内对应部位的冲刷，防止盾构机的对应部位积渣，其中，泥水仓上部冲刷支管121连通到泥水仓112的上部，气垫仓中部冲刷支管122连通到靠近气垫仓113中部的位置，刀盘中部冲刷支管123连通到刀盘111的中部，泥浆门前部冲刷支管124连通到泥水仓112的中下部，位于泥浆门116前部上方，破碎机冲刷支管125连通到破碎机114上方，泥浆门后部冲刷支管126连通到气垫仓113底部，位于泥浆门116后部上方，泥水仓下部冲刷支管127连通到泥水仓112的底部，其一部分管路利用泥水仓排浆支管131。

在刀盘中部冲刷支管123和泥浆门前部冲刷支管124上均设有增压泵，用于增强冲刷动力。

各进浆支管末端可再次分为多个布设在盾构机对应部位的分支管，比如，在本实施例中，刀盘中部冲刷支管123的末端分支为多个支管，以增大对刀盘的冲刷面积。

在总进浆管路12上设有用于控制各进浆支管通断的总阀门128，以控制各进浆支管整体通断。

进一步的，总排浆管路13还连通有逆冲洗进浆管151和逆冲洗排浆管152，逆冲洗进浆管151和逆冲洗排浆管152上均设有阀门，逆冲洗进浆管151的另一端连通到总进浆管路12，逆冲洗排浆管152的另一端连通有泥水仓逆冲洗排浆支管1521和气垫仓逆冲洗排浆支管1522，泥水仓逆冲洗排浆支管1521的末端位于盾构机的泥水仓112中下部，气垫仓逆冲洗排浆支管1522的末端位于盾构机的气垫仓113的中下部。

当总排浆管路13的排浆泵130前方管路堵塞、气垫仓113底部或泥水仓112底部渣土滞排时，可开通逆冲洗进浆管151和逆冲洗排浆管152，泥水仓逆冲洗排浆支管1521和气垫仓逆冲洗排浆支管1522可单独开通，启动逆冲洗模式，逆冲洗模式和正常的泥水环流模式时的泥浆流动方向相反，有利于促进总排浆管路13、气垫仓113底部和泥水仓112底部疏通，且增加的逆冲洗排浆管152能够实现浆液排放，可实现持续逆向冲洗直至堵塞管路疏通。

在总排浆管路13上位于逆冲洗进浆管151和逆冲洗排浆管152之间的管段上设有逆冲洗阀门153，逆冲洗进浆管151与总排浆管路13的连通点比逆冲洗排浆管152与总排浆管路13的连通点靠近盾构机的开挖面，启动逆冲洗模式时，将逆冲洗阀门153关闭，方可实现泥浆循环。

进一步的，总排浆管路13上设有分流器16，分流器16连通有用于对盾构机内气垫仓113进行冲刷的泥浆回打管路161，在泥浆回打管路161上设有二级循环泵，泥浆回打管路161上还设有阀门。泥浆回打管路16的末端连通有格栅前冲刷支管1611和格栅后冲刷支管1612，格栅前冲刷支管1611和格栅后冲刷支管1612的末端分别用于对盾构机内格栅115的前方和后方进行冲刷。

总排浆管路13上还设有辊齿筛分式破碎机17，颚式破碎机114的最大破碎粒径为1200mm，而辊齿筛分式破碎机17的最大破碎粒径为350mm，辊齿筛分式破碎机17在总排浆管路13上的位置比分流器16靠近盾构机的开挖面，使得泥浆携带的碎石经二次破碎后再进入分流器16，从颚式破碎机114中出来的碎石经辊齿筛分式破碎机17再次破碎后粒径更小，防止堵塞管道。

实施例1中盾构机泥水环流系统各种工作模式如下：

如图3所示，在常规掘进模式下，泥浆门116打开，该泥水环流系统的进浆泵120和排浆泵130均打开，刀盘中部冲刷支管123和泥浆门前部冲刷支管124上的增压泵以及泥浆回打管路161上的二级循环泵也打开，将逆冲洗进浆管151上的阀门、连通管路14上的阀门、逆冲洗排浆管152上的阀门以及泥水仓排浆支管131上的阀门均关闭，其余阀门打开，实现泥水循环。

如图4所示，当泥水仓112底部堆积较多石渣导致滞排时，启动泥水仓应急直排掘进模式。泥水仓应急直排掘进模式下，泥浆门116关闭，该泥水环流系统的进浆泵120和排浆泵130均打开，刀盘中部冲刷支管123和泥浆门前部冲刷支管124上的增压泵打开，泥浆回打管路161上的二级循环泵和阀门关闭，将逆冲洗进浆管151上的阀门、逆冲洗排浆管152上的阀门以及气垫仓排浆支管132上的阀门均关闭，而泥水仓排浆支管131上的阀门打开，并且连通管路14上的阀门也打开，以实现对泥水仓112内泥浆进行直排，且能够对泥水仓112内泥浆压力进行控制。

如图5所示，当气垫仓113底部渣土滞排时，可采用气垫仓逆冲洗模式，在气垫仓逆冲洗模式下，泥浆门116打开，进浆泵120和排浆泵130均打开，刀盘中部冲刷支管123和泥浆门前部冲刷支管124上的增压泵以及泥浆回打管路161上的二级循环泵均关闭，将逆冲洗进浆管151上的阀门、逆冲洗排浆管152上的阀门和气垫仓逆冲洗排浆支管1522上的阀门打开，其余阀门关闭，实现气垫仓逆冲洗。

如图6所示，当泥水仓112底部渣土滞排时，也可采用泥水仓逆冲洗模式，在泥水仓逆冲洗模式下，泥浆门116关闭，进浆泵120和排浆泵130均打开，刀盘中部冲刷支管123和泥浆门前部冲刷支管124上的增压泵以及泥浆回打管路161上的二级循环泵均关闭，将逆冲洗进浆管151上的阀门、逆冲洗排浆管152上的阀门和泥水仓逆冲洗排浆支管1521上的阀门打开，其余阀门关闭，实现泥水仓逆冲洗。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。