一种新型土压平衡盾构机及工作方法与流程

本发明涉及土压平衡盾构机，特别涉及一种土压平衡盾构与泥水平衡盾构优点相结合的新型土压平衡盾构机及工作方法。

背景技术：

现今盾构施工主要采用土压平衡盾构和泥水平衡盾构。

采用土压平衡盾构施工优点是工作井占地小、设备成本和施工成本低、施工进度快等；缺点是土舱压力控制精准度不高，有时施工过后地表沉降大，地层水丰富时容易造成喷涌，导致盾构无法正常掘进等。因此，土压平衡盾构一般用于中小直径的、地下水不太丰富的、地表沉降要求一般的隧道施工中。地铁施工中大都采用土压平衡盾构。

采用泥水平衡盾构施工优点是其土舱压力采用气压控制，压力控制精准，施工中地表沉降小，由于土舱与泥浆管连接不会造成喷涌等；缺点是工作井上泥水分离系统占地面积大、盾构设备成本高、施工用电量大、施工进度受泥浆分离系统能力高低影响等。因此，泥水平衡盾构一般用于大中直径的、地下水丰富的、地表沉降要求非常高的隧道施工中。大直径盾构、下穿江河施工中大都采用泥水平衡盾构。

但现今城市隧道施工地表及穿越重要建(构)筑物沉降要求越来越高，大直径盾构越来越多地应用于城市隧道，但泥水平衡盾构施工又无法在城市中找到合适面积的工作井施工场地。这就迫切需要设计一种盾构机(既有土压平衡盾构工作井占地面积小、施工进度快、施工成本低，又有泥水平衡盾构土舱压力控制精准、地表及建筑物沉降小的优点)来适用于要求越来越高的城市隧道施工。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种新型土压平衡盾构及工作方法，设置泥土舱和气垫舱，并通过搅拌棒搅拌，综合了现今土压平衡盾构和泥水平衡盾构的优点，适用于城市隧道施工。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种新型土压平衡盾构机，包括刀盘、前盾、中盾、人闸、盾尾、拼装机、主驱动和螺旋输送机，前盾与中盾之间设置前盾隔板，前盾内安装中间隔板将前盾空间划分为两个部分，前方为泥土舱，后方为气垫舱；中间隔板下部未闭合；刀盘通过支撑臂与主驱动的大齿圈连接；

前盾隔板上布置有第一闸门、进气口和溢气口，人闸上设置第二闸门；中间隔板上设置有通道门和被动搅拌棒；刀盘后方安装主动搅拌棒；第一闸门设置在前盾隔板的上部，前盾隔板的下部设置有运渣口。

作为优选方式，刀盘后方的上部设置两根搅拌棒，刀盘后方的下部设置两根搅拌棒；搅拌棒位于刀盘的中垂线上。

作为优选方式，主动搅拌棒的位置和被动搅拌棒的位置错开布置。

作为优选方式，螺旋输送机包括两节，分别是第一节螺旋输送机和第二节螺旋输送机；第一节螺旋输送机倾斜布置，第一节螺旋输送机的前部位于前盾隔板的运渣口处；第二节螺旋输送机水平布置。

作为优选方式，拼装机用于拼装管片，在管片的前端设置推进油缸，推进油缸前部顶在前盾隔板上，后部顶在管片前端面上。

作为优选方式，中间隔板上安装第一土压传感器。

作为优选方式，前盾隔板上安装泥浆液位计。

作为优选方式，前盾隔板上设置第二土压传感器，第二土压传感器设置在前盾隔板的下部。

作为优选方式，前盾隔板上设置气压传感器。

一种新型土压平衡盾构机的工作方法，包括：

改良切削步骤：对刀盘前方掌子面喷射渣土改良材料，对刀盘上刀具切削下来的渣土进行改良；高压液压油带动液压马达及减速机旋转，进而带动主驱动的大齿圈旋转，最后刀盘旋转；刀盘上刀具切削前方原状土进入泥土舱和气垫舱下部空间；

推进步骤：启动推进油缸，推进油缸支顶在管片前端面上向前推进；打开螺旋输送机闸门，启动第二节螺旋输送机和第一节螺旋输送机出渣，改良的渣土经运渣口、第一节螺旋输送机、第二节螺旋输送机、螺旋输送机闸门掉落到水平皮带上，经水平皮带运出；

拼装步骤：当盾构机推进一段距离后，停止推进，采用管片拼装机将一环管片的多块管片按顺序拼装成一环。

作为优选方式，在推进步骤中，为达到所需平衡压力，泥土舱充满改良的泥浆，气垫舱下部空间充填泥浆，气垫舱上部为有压气体；

通过至少一个土压传感器测得的实际土压与理论平衡压力比较，当实际土压低于理论平衡压力时，加入有压气体，进气口进入气垫舱的气压值逐步调大；当实际土压等于理论平衡压力时，进气口进入气垫舱的气压值保持；当实际土压大于理论平衡压力时，溢气口打开，气垫舱放气，同时进气口进入气垫舱的气压值逐步调小，一旦实际土压等于理论平衡压力时，溢气口马上关闭。

本发明的有益效果是：本发明在传统土压平衡盾构机的基础上进行改进，设置了泥土舱和气垫舱，发挥了泥水平衡盾构的优点。除此之外，本发明还设置了搅拌棒，通过搅拌棒对进入盾构机泥土舱的渣土进行搅拌，进一步增加了渣土的流塑性，使得土压平衡盾构与泥水平衡盾构的结合更加合理，具有较大的推广前景。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为中间隔板的结构示意图；

图3为前盾隔板的结构示意图；

图中，1-刀盘，2-主动搅拌棒，3-前盾，4-泥土舱，5-通道门，6-气垫舱，7-第一闸门，8-中盾，9-人闸，10-铰接密封，11-推进油缸，12-第二闸门，13-盾尾，14-管片，15-拼装机，16-第一节螺旋输送机，17-第一环形驱动，18-球形铰接器，19-第二节螺旋输送机，20-第二环形驱动，21-螺旋输送机闸门，22-皮带，23-支撑臂，24-主驱动，25-液压马达及减速机，26-被动搅拌棒，27-第一土压传感器，28-中间隔板，29-溢气口，30-进气口，31-前盾隔板，32-第一泥浆液位计，33-第二泥浆液位计，34-第三泥浆液位计，35-运渣口，36-泥浆液位行程传感器，37-气压传感器，38-第二土压传感器。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例一

如图1和图2所示，一种新型土压平衡盾构机，包括刀盘1、前盾3、中盾8、人闸9、盾尾13、拼装机15、主驱动24和螺旋输送机，前盾3与中盾8之间设置前盾隔板31，前盾3内安装中间隔板28将前盾3空间划分为两个部分，前方为泥土舱4，后方为气垫舱6；中间隔板28下部未闭合；刀盘1通过支撑臂23与主驱动24的大齿圈连接；中盾3与盾尾13之间设置铰接密封10。

前盾隔板31上布置有第一闸门7、进气口30和溢气口29，人闸9上设置第二闸门12；中间隔板28上设置有通道门5；第一闸门7设置在前盾隔板31的上部，前盾隔板31的下部设置有运渣口35。

本发明对于传统的土压平衡盾构机进行结构上的改进，通过设置中间隔板28，形成泥土舱4和气垫舱6，结合了传统泥水平衡盾构的优点。另外，设置搅拌棒，通过主动搅拌棒2和被动搅拌棒26的作用，更有利于渣土改良。

实施例二

本实施例与实施例一相似，其不同之处在于，刀盘1后方安装主动搅拌棒2，中间隔板28上安装有被动搅拌棒26。

或者，刀盘1后方的上部设置两根搅拌棒，刀盘1后方的下部设置两根搅拌棒；搅拌棒位于刀盘1的中垂线上。随着刀盘1的旋转，主动搅拌棒2在泥土舱4内旋转，对泥土舱4内的渣土进行搅拌，也能取得不错的搅拌效果。

如图1和图2所示，主动搅拌棒2的位置和被动搅拌棒26的位置错开布置。通常而言，渣土先经过主动搅拌棒2的搅拌，之后被推到被动搅拌棒26上进行搅拌，两者相互配合，即节约了资源，又能够起到不错的搅拌效果。

当主动搅拌棒2设置在刀盘1后方的中垂线的位置上时，在中间隔板28的左右两侧各设置两个被动搅拌棒26。左右两侧的被动搅拌棒26沿着中间隔板28的中垂线对称分布。

实施例三

传统的螺旋输送机往往只设置一级，但是由于盾构机高度有限，往往运输的距离有限。本发明设置两级螺旋输送机，可以运输更长的距离，并确保皮带22能水平布置。

螺旋输送机包括两节，分别是第一节螺旋输送机16和第二节螺旋输送机19；第一节螺旋输送机16倾斜布置，第一节螺旋输送机16的前部位于前盾隔板31的运渣口35处；第二节螺旋输送机19水平布置。第一节螺旋输送机16和第二节螺旋输送机19可以采用球形铰接器18或者球形接头连接，也可以采用橡胶软接头进行连接。

对于螺旋输送机的驱动，可以采用环形驱动的形式，在第一节螺旋输送机16上设置第一环形驱动17，在第二节螺旋输送机19上设置第二环形驱动20。第一环形驱动17包括驱动电机和传动装置，驱动电机带动传动装置旋转，传动装置带动螺旋输送机的转轴旋转。第二环形驱动20包括驱动电机和传动装置，驱动电机带动传动装置旋转，传动装置带动螺旋输送机的转轴旋转。传动装置为齿轮啮合机构。当然，螺旋输送机也可以采用传动的轴向安装驱动电机的形式驱动。设置环形驱动能够获得更多的安装空间和运输距离，相比于轴向安装驱动电机，安装和运输效果更好。

实施例四

对于整个盾构机或者前盾3的驱动，本发明采用了推进油缸11进行驱动。拼装机15用于拼装管片14，在管片14的前端设置推进油缸11，推进油缸11前部顶在前盾隔板31上，后方顶在管片14前端面上。这种驱动方式比较简单，且运行稳定，具有很好的驱动能力。

如图3所示，中间隔板28上安装第一土压传感器27，第一土压传感器27用于检测渣土的压力值。第一土压传感器27的数量为4个，均匀设置在中间隔板28上。在中间隔板28的圆周方向上，第一土压传感器27和被动搅拌棒26交错设置。前盾隔板31上安装泥浆液位计。泥浆液位计包括第一泥浆液位计32、第二泥浆液位计33和第三泥浆液位计34。在前盾隔板31上，从下到上依次设置第三泥浆液位计34、第二泥浆液位计33和第一泥浆液位计32。第一泥浆液位计32、第二泥浆液位计33和第三泥浆液位计34设置在前盾隔板31的中部。前盾隔板31上设置第二土压传感器38，第二土压传感器38设置在前盾隔板31的下部；第二土压传感器38的数量设置为两个，分布在前盾隔板31的下部两侧。前盾隔板31上设置气压传感器37，气压传感器37设置在前盾隔板31的上部。在前盾隔板31上设置泥浆液位行程传感器36(或者液位传感器)，气垫舱6的泥浆实际位置由泥浆液位行程传感器36直接读取。一种新型土压平衡盾构机的工作方法，包括：

改良切削步骤：打开渣土改良系统，对刀盘1前方掌子面喷射渣土改良材料，对刀盘1上刀具切削下来的渣土进行改良；高压液压油带动液压马达及减速机25旋转，进而带动主驱动24的大齿圈旋转，最后刀盘1旋转；刀盘1上刀具切削前方原状土进入泥土舱4和气垫舱6下部空间；

新型土压平衡盾构随着刀盘1的旋转，刀盘1上的刀具将前方掌子面的原状土切削下来，并经泡沫、膨润土泥浆、聚合物水溶液、水等渣土改良材料改良形成具有较大流动状态、低渗透率、低内摩擦角的流动泥土。

对于渣土改良系统，其需要一个辅助通道运输改良材料，辅助通道由多段组成。盾构机旋转接头固定部件上设置辅助通道的进口(当注入泡沫时为泡沫进口)，刀盘1上设置辅助通道的出口。盾构机旋转接头固定部件上设置第一通道，盾构机旋转接头旋转部件上设置第二通道，刀盘1隔板上设置第三通道，支撑臂23上设置第四通道，第三通道和第四通道之间设置辅助管道。当运送盾构渣土改良材料，比如泡沫等介质时，介质从盾构机旋转接头固定部件的辅助通道进口进入，之后经过第一通道、第二通道、第三通道、辅助管道和第四通道，最后从刀盘1上的辅助通道出口喷出，对渣土进行改良。辅助通道可以设置多条，或者一条辅助通道对应设置多个进口和/或出口。设置多个进口时，便于注入介质，且流量较大，压力较强。设置多个出口时，喷射面积广，改良范围宽。经过改良后的渣土，在土舱中更容易搅拌，阻力更小，且搅拌装置的使用寿命会得到延长。

推进步骤：启动推进油缸11，推进油缸11支顶在管片14前端面上向前推进；打开螺旋输送机闸门21，启动第二节螺旋输送机19和第一节螺旋输送机16出渣，改良的渣土经运渣口35、第一节螺旋输送机16、第二节螺旋输送机19、螺旋输送机闸门21掉落到水平皮带22上，经水平皮带22运出；皮带22运输至渣车或连续皮带22上，最后经渣车或连续皮带22机运走。

拼装步骤：当盾构机推进一段距离(一般为一个管片14长度)后，停止推进，采用管片14拼装机15将一环管片14的多块管片14按顺序拼装成一环。拼装完成后再掘进、拼装，如此反复。

实施例五

在推进步骤中(在盾构掘进过程中)为达到所需平衡压力，泥土舱4充满改良的泥浆，气垫舱6下部空间充填泥浆，气垫舱6上部为有压气体；

通过至少一个土压传感器(第一土压传感器27或者第二土压传感器38)测得的实际土压与理论平衡压力比较，实际土压可以选取其中一个土压传感器测得的值，还可以采用多个(包括所有)土压传感器的平均值或者最高值或者最低值。

当实际土压低于理论平衡压力时，加入有压气体，进气口30进入气垫舱6的气压值逐步调大；当实际土压等于理论平衡压力时，进气口30进入气垫舱6的气压值保持；当实际土压大于理论平衡压力时，溢气口29短时间打开，气垫舱6放气，同时进气口30进入气垫舱6的气压值逐步调小，一旦实际土压等于理论平衡压力时，溢气口29马上关闭。

气垫舱6内的实际气压由气压传感器37测量。气垫舱6内气压调节精度值为0.01bar，从而确保土压平衡压力控制精度可以达到0.01bar。

气垫舱6的泥浆实际位置由泥浆液位行程传感器36直接读取。在盾构掘进过程中，根据气垫舱6的泥浆位置实时调整螺旋输送机的出渣速度，确保气垫舱6内泥浆液位处于第一泥浆液位计32和第二泥浆液位计33之间。当泥浆液位高于第一泥浆液位计32时，盾构推进停止，第一节螺旋输送机16和第二节螺旋输送机19出渣；当泥浆液位低于第二泥浆液位计33时，盾构机报警提醒，降低第一节螺旋输送机16和第二节螺旋输送机19出渣速度；当泥浆液位低于第三泥浆液位计34时，第一节螺旋输送机16和第二节螺旋输送机19出渣自动停止，并关闭螺旋输送机闸门21，继续掘进。螺旋输送机闸门21的开关行程控制要精准、迅速。

新型土压平衡盾构渣土改良要达到流动状态，坍落度值至少为25cm以上；对于无细颗粒的盾构掘进地层渣土改良材料要加入一定量的细颗粒(如膨润土浆液等)；由于渣土较稀，皮带22必须水平布置，中间要有一定的深度(向下凸)，防止渣土溢出。

新型土压平衡盾构施工时，根据地表沉降情况可适当调整气垫舱6的气压值；由于渣土压力传递降低影响，气垫舱6的气压值一般稍高于泥土舱4中的土压值(比如0.02bar)；当气垫舱6的气压值远大于泥土舱4中的土压值(比如1bar)时，说明渣土改良不好，应加强刀具切削下来渣土的改良。

综上所述，本发明既有土压平衡盾构工作井占地面积小、施工进度快、施工成本低，又有泥水平衡盾构土舱压力控制精准、地表及建筑物沉降小的优点。本发明的前盾隔板31前方与刀盘1后方由一土舱隔板(中间隔板28)分为两部分，中间隔板28前方为泥土舱4，中间隔板28后方为气垫舱6。随着刀盘1的旋转，刀盘1上的刀具将前方掌子面的原状土切削下来，并经泡沫、膨润土泥浆、聚合物水溶液、水等渣土改良材料改良形成具有较大流动状态、低渗透率、低内摩擦角的流动泥土。流动泥土经刀盘1开口进入泥土舱4，充满泥土舱4全部和气垫舱6的下部空间。气垫舱6的上部空间充满经土舱压力控制系统(比如2台电动空压机，功率45kw)控制调节的有压气体。流动泥土经双螺旋输送机旋转输送至水平皮带22上，经水平运输皮带22运输至盾构台车尾部，直接掉落入渣车内，最后经电瓶车运至工作井，由龙门吊吊至地面倒入渣坑，然后经挖掘机装车运走、弃掉。流动泥土也可经双螺旋输送机输送至水平皮带22上，并经连续皮带22运输至盾构工作井口并经垂直皮带22运至地面、弃掉。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。