本发明属于盾构机技术领域，具体涉及一种盾构用泡沫空气多段调节装置。
背景技术：
土压平衡盾构是软土地区地铁隧道施工的常用工程设备。但盾构在穿越流塑性较差、含水量高、渗透系数较大土层时，存在土体受扰动发生液化、推进速度慢、刀盘易结饼等一些技术难题。工程实例证明，使用泡沫不仅有利于保持开挖面土压力平衡，而且机械负荷及刀盘扭矩明显减小，由于经泡沫调节后的土壤具有良好的流动性和塑性以及防水渗透性，所以泡沫的使用扩大了土压平衡盾构机适宜开挖的土壤范围，同时大大降低了刀盘扭矩，减少了刀具的磨损。目前，土压平衡盾构机大都配备了泡沫系统，泡沫也成为渣土改良必不可少的添加剂。
盾构机作为一种专用于地下工程的技术密集型重大工程装备，随着盾构机制造技术的发展，应用新材料、新工艺来提升盾构机制造技术水平成为趋势，而泡沫调节过程中，需要考虑产生泡沫的泡沫原液、水及空气之间混合调节的多种因素，故而泡沫系统有多重调节环节，相互影响，处理不好会导致泡沫配比不当，进而影响盾构掘进工程的质量、安全、进度和工程成本。
技术实现要素：
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能提高泡沫效果、规避不当泡沫配比所引起的土体改良不当风险因素，拓展盾构机在复杂地质适应能力，大幅提高盾构机在掘进施工时的安全生产性能，有效降低掘进的施工和管理成本，产生显著的经济效益及良好的社会效益的盾构用泡沫空气多段调节装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种盾构用泡沫空气多段调节装置，设置在盾构机上，包括控制单元及分别与控制单元通讯连接的空气流量精调单元、泡沫溶液流量粗调单元、泡沫发生单元和土体感应单元，所述的空气流量精调单元和泡沫溶液流量粗调单元分别通过管道与泡沫发生单元连接。
所述的空气流量精调单元包括供气组件，所述的供气组件与泡沫发生单元通过管道连接，供气组件与泡沫发生单元之间的管道上依次设有空气流量计、空气压力传感器和空气比例调节阀。
所述的空气流量精调单元还包括设置在供气组件气体出口的空气二片式球阀、设置在泡沫发生单元进气口的空气气动球阀及设置在空气气动球阀和泡沫发生单元之间管道上的空气止回阀。
空气二片式球阀和空气气动球阀可以方便的切断空气的供给。
所述的泡沫溶液流量粗调单元包括供水组件及分别设有液位传感器的泡沫原液箱和泡沫溶液箱，所述的供水组件和泡沫原液箱分别通过管道与泡沫溶液箱相连，所述的泡沫溶液箱与泡沫发生单元通过管道连接，泡沫溶液箱与泡沫发生单元之间的管道上依次设有溶液变频调节泵、溶液流量计和溶液压力表。
所述的泡沫原液箱与泡沫溶液箱之间的管道上依次设有原液计量泵、加原液流量计和原液气动球阀，所述的供水组件与泡沫溶液箱之间的管道上依次设有加水流量计和加水气动球阀，所述的泡沫溶液箱中还设有溶液搅拌器。
所述的泡沫溶液流量粗调单元还包括设置在泡沫溶液箱的出口的溶液二片式球阀、设置在泡沫发生器液体进口的溶液止回阀及设置在溶液二片式球阀和溶液变频调节阀之间管道上的y型过滤器。
溶液二片式球阀可以方便的切断泡沫溶液的供给。
所述的泡沫发生单元为泡沫发生器，该泡沫发生器包括带有腔室的容器和填充于该容器腔体中的粒径为3～5mm的颗粒，泡沫发生器的出口设有出口压力表。
所述的泡沫发生器的出口还设有用于检修的低压球阀。
所述的土体感应单元包括设置在盾构机上的刀盘扭矩传感器、土压值传感器和掘进速率传感器。
盾构机工作时，刀盘扭矩传感器感应到刀盘扭力变大、土压值传感器感应到土压值增大、掘进速率传感器感应到掘进速度变慢，将信号反馈给控制器，在控制器的控制下，增大空气流量和泡沫液体流量，从而使得泡沫与土体特征相匹配，依据土体变化等进行自动调节，抑制外界的干扰，确系统调节的精度，满足空气流量与泡沫原液的比例以达到对所掘进施工土体的最佳改良。
作为辅助手段，该系统还可以通过操作人员对盾构机排出的土体进行检测，并根据土体的物理化学性质，通过控制器，人工对空气流量和泡沫溶液流量进行调节，使得盾构机掘进顺利。
溶液变频调节泵通过变频器来调节电机转数实现泵的供给量，虽进行的是粗调，但是调节迅速，溶液流量计用来实时监控溶液变频调节泵输出量是否是系统所需的与空气流量相匹配的流量。
系统中空气调节的性能决定盾构机所形成的泡沫是否满足在不同地质条件下，特别是需改良的地质条件下的掘进施工要求，直接决定着盾构掘进工程的质量、安全、进度和工程成本。因而空气的流量调节需要精确控制，本发明的空气流量调节通过空气比例调节阀来进行空气流量的调节，流量调节线性，控制精确，与泡沫溶液流量粗调单元配合，并通过各传感器将测得的信号传递给控制器，形成闭环系统，从而能够实时配得适应掘进施工现场土体的改良要求的泡沫配比。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明应用新材料、新工艺对泡沫系统中泡沫空气调节系统进行全新研发，全新结构及通过优化控制算法，为泡沫系统提供了一个线性调节的压缩空气混合工艺，与系统的粗调环节的相关参数形成一个闭环系统，易达到配比出适应掘进施工现场土体的改良要求的泡沫配比。
(2)可以依据土体改良方案，提供契合的泡沫配比，提高土体改良的效率，有效地降低土体改良施工成本，有效避免不当土体改良造成的安全和生产隐患或事故，提高了盾构机掘进施工的安全水平，有效节约施工时间和相关成本。
(3)泡沫溶液流量粗调单元能够精确对水和泡沫原液进行配比。
(4)通过控制组件，优化制算法设计和程序编制，能够更加好的控制空气和泡沫溶液流量，使得盾构机掘进更加平稳高效。
(5)通过泡沫发生器管内直径3～5mm左右的颗粒间隙，生成30μm～400μm微细乳状泡沫，注入到掘削面和土舱，实现开挖地层的土体改良，泡沫效果好。
作为支撑介质的土在加入泡沫后，其塑型、流动性、防渗性和弹性都得到了改进，改良土体，防止黏土结成泥饼，同时起到降低摩擦力，盾构机掘进驱动功率就可减少，还有起到润滑冷却的作用也可减少刀具的磨损。针对泡沫系统多重因素交汇，相互影响的工作状态，应用粗调与精调相结合的控制思路，粗调即以地层的土体状况，设定泡沫原液与水的精确比例，并粗调形成满足现场土体改良的泡沫溶液流量，精调通过调节与泡沫溶液混合的压缩空气混合量，达到泡沫能最大限度地实现对于当下施工区间土体改良。
附图说明
图1为本发明实施例1的盾构用泡沫空气多段调节装置连接示意图。
图中，1为出口压力表，2为泡沫发生器，3为空气止回阀，4为空气气动球阀，5为空气比例调节阀，6为空气压力传感器，7为空气流量计，9为空气二片式球阀，10为加水流量计，11为加原液流量计，12为低压球阀，13为溶液止回阀，15为加水启动球阀，16为原液气动球阀，17为溶液搅拌器，18为泡沫溶液液位传感器，19为原液液位传感器，20为溶液压力表，21为溶液流量计，22为溶液变频调节阀，23为y型过滤器，24为溶液二片式球阀，25为泡沫溶液箱，26为原液计量泵，27为泡沫原液箱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种盾构用泡沫空气多段调节装置，如图1所示，设置在盾构机上，包括控制单元及分别与控制单元通讯连接的空气流量精调单元、泡沫溶液流量粗调单元、泡沫发生单元和土体感应单元，所述的空气流量精调单元和泡沫溶液流量粗调单元分别通过管道与泡沫发生单元连接。
其中，空气流量精调单元包括供气组件，所述的供气组件与泡沫发生单元通过管道连接，供气组件与泡沫发生单元之间的管道上依次设有空气流量计7、空气压力传感器6和空气比例调节阀5，空气流量精调单元还包括设置在供气组件气体出口的空气二片式球阀9、设置在泡沫发生单元进气口的空气气动球阀4及设置在空气气动球阀4和泡沫发生单元之间管道上的空气止回阀3。
泡沫溶液流量粗调单元包括供水组件及分别设有泡沫原液液位传感器19和泡沫溶液液位传感器18的泡沫原液箱27和泡沫溶液箱25，所述的供水组件和泡沫原液箱27分别通过管道与泡沫溶液箱25相连，所述的泡沫溶液箱25与泡沫发生单元通过管道连接，泡沫溶液箱25与泡沫发生单元之间的管道上依次设有溶液变频调节阀22、溶液流量计21和溶液压力表20，泡沫原液箱27与泡沫溶液箱25之间的管道上依次设有原液计量泵26、加原液流量计11和原液气动球阀16，所述的供水组件与泡沫溶液箱25之间的管道上依次设有加水流量计10和加水气动球阀15，所述的泡沫溶液箱25中还设有溶液搅拌器17，泡沫溶液流量粗调单元还包括设置在泡沫溶液箱25的出口的溶液二片式球阀24、设置在泡沫发生器2液体进口的溶液止回阀13及设置在溶液二片式球阀24和溶液变频调节阀22之间管道上的y型过滤器23。
泡沫发生单元为泡沫发生器2，该泡沫发生器2包括带有腔室的容器和填充于该容器腔体中的粒径为3～5mm的颗粒，泡沫发生器2的出口设有出口压力表1。所述的泡沫发生器2的出口还设有用于检修的低压球阀12。
本实施例的空气压力传感器6、溶液压力表20和出口压力表1均采用隔膜式压力传感器。
土体感应单元包括设置在盾构机上的刀盘扭矩传感器、土压值传感器和掘进速率传感器。作为辅助手段，该系统还可以通过操作人员对盾构机排出的土体进行检测，并根据土体的物理化学性质，通过控制器，人工对空气流量和泡沫溶液流量进行调节，使得盾构机掘进顺利(例如对盾构机导出的土体的含水量和硬度进行检测，当含水量大、硬度大的时候，通过控制器加大空气和泡沫溶液的流量)。
本发明在使用时，
(1)溶液配比：优选注入泡沫溶液箱25总容积95％的水及泡沫溶液箱25总容积5％的泡沫原液进行均匀搅拌形成一种泡沫溶液。注入水和原液过程中可通过各自的流量计来监控，准确注入配比量。当注入量达到设定置时泡沫溶液液位传感器18会反馈给气动电磁阀一个电压信号，及时关闭加水气动球阀15和原液气动球阀16完成配比注入。
(2)通空气和溶液：
本实施例的溶液变频调节是通过变频器来调节电机转数来实现泵的供给量。溶液流量计可实时监控溶液泵输出量是否是系统所需溶液的与空气的配比量。根据监控值来调节电机转数，达到系统所需配比量。
本实施例优选供气组件的空气压缩机正常供给压力0.7mpa值标准范围，空气比例调节阀5开启，其控制空气流量大小是通过控制器输出4～20ma的一个模拟量信号来调定，同时空气流量计7也在监控管路所通过的空气流量是否满足配比要求。空气压力传感器6也同时反馈管路中空气的压值。
(3)泡沫发生：
空气与泡沫溶液的混合通过泡沫发生器(泡沫枪)的空气进口和液体进口，同时加入泡沫剂溶液和空气，泡沫发生器出口端设置出口压力传感器，实时了解泡沫发生器管路及刀盘出口的压力大小。通过泡沫发生器管内直径3～5mm左右石子间的间隙，生成30μm～400μm微细乳状泡沫，注入到掘削面和土舱。实现开挖地层的土体改良。
作为支撑介质的土在加入泡沫后，其塑型、流动性、防渗性和弹性都得到了改进，改良土体，防止黏土结成泥饼，同时起到降低摩擦力，盾构机掘进驱动功率就可减少，还有起到润滑冷却的作用也可减少刀具的磨损。针对泡沫系统多重因素交汇，相互影响的工作状态，应用粗调与精调相结合的控制思路，粗调即以地层的土体状况，设定泡沫原液与水的精确比例，并粗调形成满足现场土体改良的泡沫溶液流量，精调通过调节与泡沫溶液混合的压缩空气混合量，达到泡沫能最大限度地实现对于当下施工区间土体改良。