基于同步射流的土压平衡盾构泥饼防治系统的制作方法

本发明涉及土压平衡盾构泥饼的防治技术，特别涉及一种基于同步射流的土压平衡盾构泥饼防治系统，属于流体控制技术。

背景技术：

土压平衡盾构是利用刀盘对正面土体进行切削，使土体以渣土的形式进入刀盘后面的土仓，通过调节推力、扭矩和出土量等相关掘进参数，达到土仓内的水土压力与开挖面水土压力的平衡，从而控制地表沉降。盾构在泥质粉砂岩中掘进时，由于土体富含粘土矿物质，粒径小且粘性大，在盾构掘进过程中极易附着在刀盘上，在受到刀具切削、刀盘挤压后极易自刀盘中心位置向四周逐步扩散，在刀盘背部、进渣口上形成附着的泥饼；在较高土仓温度及压力的作用下不断变厚变硬，最终导致刀具、刀盘进渣口被渣土糊住，刀盘失去削土能力；土仓泥饼的形成主要由于渣土搅拌不均匀，掘进参数欠佳导致渣土置换较慢，同步注浆压力偏大导致砂浆进入土仓，渣土改良欠佳导致螺旋机出土不畅使渣土在土仓积聚产生泥饼。

盾构在上软下硬地层或全断面泥岩中掘进，刀盘、土仓极易产生泥饼，同时由泥饼造成的掘进困难、设备故障增加，尤其会增加主驱动密封损坏及不必要的带压开仓等一系列风险。

为了解决利用常规方法进行泥饼处理时必须停机的弊端，规避泥饼造成的掘进困难、设备故障尤其是损坏主驱动密封、不必要的带压开仓等一系列风险，通常采用的泥饼防治方法有渣土改良和调整掘进参数等方法，现有技术中是通过添加适量的土体改良剂，改善土体的和易性，降低切削土体与盾构机刀盘及结构间的粘着力，并通过设置合理的掘进参数，保证土舱内土压力的稳定性和出土的顺畅，使盾构掘进“连续、快速、稳定”, 这虽降低刀盘和土仓内生成泥饼的概率，但不能完全避免泥饼的生成，一旦生成泥饼，则只能停止掘进，通过预留孔洞冲洗或带压开仓处理。但盾构机原设计在隔板处设有的预留孔洞并未考虑泥饼冲洗，不具备直接喷水的功能，预留孔洞用于在硬岩地层敞开式掘进时可开启检查土仓情况，或在不同地层根据需要增设添加剂注入通道等，并且在土压平衡掘进期间，土仓内为泥水，一旦开启将造成土仓泄压，若关闭不及时会酿成安全事故。 因此常规的泥饼防治方法可靠性低、风险大、成本高、影响工期。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种土压平衡盾构同步射流泥饼防治系统，达到泥饼防治与盾构掘进同步的目标，同时该系统还有助于提高渣土改良效果的作用，利于规避泥饼带来的一系列施工风险。

本发明的技术方案是：基于高压水射流原理，即利用高压水发生装置，以水为工作介质，使其在获得巨大的能量后，以流体运动方式，通过预装在土仓隔板、刀盘面板上的特定喷嘴、喷头产生高速的射流水束，对刀盘面板、刀盘背部及土仓内不同位置的土体进行冲洗、切割，以除去生成的泥饼，或避免渣土固结成块形成泥饼，从而达到泥饼防治与盾构掘进同步的目标，使用该系统还有助于提高渣土改良效果的功能。

本发明所述泥饼防治系统组成包括:面板固定喷头、刀盘、盾体、土仓隔板、冲洗枪、冲洗点位及管路连接、高压管路及管件、分水器、安全阀、压力表、高压新增离心泵、原配离心泵、底座、给水管、螺旋机、控制器、二号台车。

所述冲洗枪的结构包括喷嘴、对丝、球阀、补心及枪体。

所述面板固定喷头采用焊接法固定于刀盘的中心部位，冲洗枪采用螺纹连接方式，安装在土仓隔板预留球阀上，在冲洗点位及管路连接处安装冲洗抢，冲洗枪通过补心安装到球阀上，喷嘴与枪体通过螺纹连接;高压新增离心泵固定在二号台车后部，高压新增离心泵与底座由螺栓连接，底座焊接在二号台车上，高压新增离心泵进水口与原配离心泵出水管路通过高压管路及管件连接，高压新增离心泵出口处安装压力表、安全阀，安全阀出口连接到盾体内的分水器，分水器由管件组合而成，分水器与高压新增离心泵通过高压管路及管件连接;分水器引出9路软管，其中5路连接到冲洗枪的球阀上，4路连接到回转体的液压通道接口，高压水通过回转体进入到刀盘法兰中心接点，再由高压管路及管件连接该中心接点与面板固定喷头。

本发明所述泥饼防治系统的工作过程：步骤为冲洗枪的安装、面板固定喷头的安装、系统调试泥饼形成的判断、冲洗操作、冲洗枪喷嘴更换、冲洗流量分析与辅助渣土改良、维修检测;

在二号台车液压泵站后部安装高压新增离心泵，高压新增离心泵与底座螺栓连接，高压新增离心泵底座与二号台车焊接固定，安装高压新增离心泵,与原配离心泵串联，在高压新增离心泵进水口处安装流量计，高压新增离心泵出口处安装压力表、安全阀，将控制器安装在主控外侧;安装于刀盘面板上的固定喷头、土仓隔板的冲洗枪分别安装在盾构始发前分别安装在刀盘面板上的中心部位和土仓隔板的预留孔上;利用刀盘中心部位的进渣口使刀盘中的预设管路与在刀盘面板中心部位的面板固定喷头连接，刀盘面板冲洗的射流水利用中心回转体预留的液压通道及新增的管路连通到喷头。

本发明的有益效果：工效高、成本低，该系统所需设备投资少、操作简单，通过土仓隔板不同位置的冲洗枪对刀盘背部、刀盘牛腿、土仓隔板进行无死角冲洗，冲洗枪的喷嘴设计不同规格，分轴向4孔、轴向1孔、径向4孔结构，以满足不同部位的冲洗需要；通过刀盘面板固定喷头对刀盘中心部位刀具进行无死角冲洗；泥饼冲洗与盾构掘进同步，泥饼防治不影响盾构正常掘进。

安全可靠，通过射流冲洗有效的避免了刀盘、土仓生成泥饼的风险，规避了因泥饼造成的带压开仓、设备故障等一系列风险。适用范围广，适用于不同规格型号的土压平衡盾构，还可用于泥水平衡盾构隔板泥饼的处理与防治。对于土压平衡盾构而言，在泥饼防治的同时有助于提高渣土改良的效果、降低渣土改良添加剂用量的作用。

与现有技术相比，具体优点表现为：若土仓、刀盘泥饼严重不能掘进时，常规处理方法，用分散剂侵泡约72h以上，在侵泡期间要定时注入分散剂并转动刀盘，在上软下硬地层，刀盘的搅拌极易扰动砂层，造成地面沉降过大或坍塌，为了防止地面沉降过大或坍塌，在允许条件下由地面注浆，一次泥饼侵泡清理分散剂消耗不低于10万元，停机不低于3天、停机前的掘进缓慢、地面注浆等，损失不低于100万元。

一旦泥饼严重，侵泡无效后要开仓处理泥饼，在条件允许下，常压开仓处理泥饼不低于3天，而且必须带压开仓，带压开仓人工费不低于30万元，再计算停工损失及掘进缓慢的一系列损失，费用超过150万元；开仓都具有很大的安全风险，有潜在的巨大经济损失与社会不良影响的风险。

通过本系统的使用，高压射流冲洗不但有效的处理泥饼，而且还通过经常性的冲洗土仓隔板、刀盘面板、刀盘背部，其中1个喷嘴最大流量约1m³/h、单孔喷嘴最小流量约0.2 m³/h，可有效预防刀盘面板及刀盘牛腿部位结泥饼的风险。

本发明规避了常规的侵泡泥饼带来的地面沉降过大而坍塌的风险，地面坍塌不仅影响地面交通、地下管线的安全，严重时因坍塌造成污水管道泄漏、天然气泄漏，带来较大的社会、环境影响。由于泥饼的及时预防与处理，规避了因土仓泥饼造成的渣土温度升高带来的主轴承密封寿命的降低及损害的风险，规避了因泥饼原因造成的推力增大，带来的潜在的设备寿命的降低，规避了因推力增大带来的设备异常损坏的风险。本系统技术的使用，提高了盾构掘进效率，降低了因泥饼引起的各种费用的额外消耗。

因此本系统技术的成功使用，会带来很好的经济效益和显著的社会效益，它的先进性和优越性不仅利于施工成本、风险的控制，还符合绿色施工的要求，具有很好的推广使用价。

附图说明

图1-a 本发明所述土压平衡盾构同步射流泥饼防治系统示意图;

1-面板固定喷头 2-刀盘 3-盾体 4-土仓隔板 5-冲洗点位及管路连接 6-分水器 7-安全阀 8-压力表 9-高压新增离心泵 10-原配离心泵 11-底座 12-给水管 13-螺旋机 14-高压管路及管件 15-二号台车 16-控制器;

图1—b为图1-a的剖面示意图,

图中:1-面板固定喷头 17-冲洗枪;

图2为本发明所述刀盘面板中心喷头示意图;

图中:1-面板固定喷头 18-水流方向 19-中心齿刀;

图3为本发明所述冲洗枪结构示意图,

图中20-喷嘴 21-对丝 22-球阀 23-补心 24-枪体

图4—a为本发明所述面板固定喷头三维示意图;

图4—b为本发明所述 面板固定喷头剖面示意图;

图5—a 为本发明所述喷嘴构造剖切示意图;

图5—b为本发明所述喷嘴构造正视图;

图6—a 为本发明所述补芯构造剖切示意图;

图6—b为本发明所述补芯构造左视图;

图7—a 为本发明所述枪体构造剖切示意图;

图7—b 为本发明所述枪体构造左视图。

具体实施方式

本发明的技术方案是：基于高压水射流原理，即利用高压水发生装置，以水为工作介质，使其在获得巨大的能量后，以流体运动方式，通过预装在土仓隔板、刀盘面板上的特定喷嘴、喷头产生高速的射流水束，对刀盘面板、刀盘背部及土仓内不同位置的土体进行冲洗、切割，以除去生成的泥饼，或避免渣土固结成块形成泥饼，从而达到泥饼防治与盾构掘进同步的目标，使用该系统还有助于提高渣土改良效果的功能。

本发明所述泥饼防治系统组成包括:面板固定喷头、刀盘、盾体、土仓隔板、冲洗枪、冲洗点位及管路连接、高压管路及管件、分水器、安全阀、压力表、高压新增离心泵、原配离心泵、底座、给水管、螺旋机、控制器、二号台车。

所述冲洗枪的结构包括喷嘴、对丝、球阀、补心及枪体。

所述面板固定喷头采用焊接法固定于刀盘的中心部位，冲洗枪采用螺纹连接方式，安装在土仓隔板预留球阀上，在冲洗点位及管路连接处安装冲洗抢，冲洗枪通过补心安装到球阀上，喷嘴与枪体通过螺纹连接;高压新增离心泵固定在二号台车后部，高压新增离心泵与底座由螺栓连接，底座焊接在二号台车上，高压新增离心泵进水口与原配离心泵出水管路通过高压管路及管件连接，高压新增离心泵出口处安装压力表、安全阀，安全阀出口连接到盾体内的分水器，分水器由管件组合而成，分水器与高压新增离心泵通过高压管路及管件连接;分水器引出9路软管，其中5路连接到冲洗枪的球阀上，4路连接到回转体的液压通道接口，高压水通过回转体进入到刀盘法兰中心接点，再由高压管路及管件连接该中心接点与面板固定喷头。

本发明所述泥饼防治系统的工作过程：步骤为冲洗枪的安装、面板固定喷头的安装、系统调试泥饼形成的判断、冲洗操作、冲洗枪喷嘴更换、冲洗流量分析与辅助渣土改良、维修检测;

在二号台车液压泵站后部安装高压新增离心泵，高压新增离心泵与底座螺栓连接，高压新增离心泵底座与二号台车焊接固定，安装高压新增离心泵,与原配离心泵串联，在高压新增离心泵进水口处安装流量计，高压新增离心泵出口处安装压力表、安全阀，将控制器安装在主控外侧;安装于刀盘面板上的固定喷头、土仓隔板的冲洗枪分别安装在盾构始发前分别安装在刀盘面板上的中心部位和土仓隔板的预留孔上;利用刀盘中心部位的进渣口使刀盘中的预设管路与在刀盘面板中心部位的面板固定喷头连接，刀盘面板冲洗的射流水利用中心回转体预留的液压通道及新增的管路连通到喷头。

下面为某一工程的具体实施方式:

1、冲洗枪的安装方法为：

1)拆除隔板预留孔处的DN50丝堵；

2)用生料带作为螺纹部位的密封材料进行密封；

3)将组装好的冲洗枪安装在已拆除丝堵的预留孔处；

4)安装时用生料带作为冲洗枪与预留孔之间的密封材料；

5)在冲洗枪枪体末端安装DN25球阀。

2、固定喷头的安装方法为：

1)根据刀盘面板的实际结构，确定喷头的固定位置并焊接牢固，焊接后在喷头外侧堆焊30×30mm、高不低于5mm、宽不低于10mm的耐磨网格；

2)利用进渣口安装连接喷头的刚性管路并做好耐磨防护；

3)用软管连接中心回转体液压通道接口与喷头刚性管路接口，软管与泡沫管路共用防护结构，不能共用部分做好耐磨防护；

4)回转体外部外部接口连接冲洗水；

5)用DN25液压软管与增压泵出口连接，在盾体内通过3个DN25四通以及9条DN25液压软管将水分流到各喷头及冲洗枪末端的DN25球阀。

3、系统调试

(1)接通电源确定高压新增离心泵旋转方向是否正确；

(2)开启高压新增离心泵的进水球阀，检测供水压力，依次开启各喷头球阀，检测管路是否有渗漏点。

4、泥饼形成判断

盾构在粘性颗粒较多的地层中掘进，出现推力明显增大比正常掘进推力增加400吨以上，扭矩减小比正常扭矩减小600KNm以上、推进速度明显减慢低于10mm/min，可判断土仓结泥饼；若推进中伴有盾体振动增大，可判断刀盘结泥饼。

盾构在粘性颗粒较多的地层中掘进，通常刀盘、土仓皆易结泥饼，由于刀盘结构因素，决定了刀盘泥饼易发生于牛腿及刀盘面板中心处；由于土仓底部两侧的渣土流动性欠佳，该处易产生泥饼。

5、冲洗操作

在盾构掘进过程中，根据参数变化，判断确定泥饼可能的出现位置，选用冲洗点位。

(1)开启增压泵

(2)刀盘泥饼冲洗

(3)土仓泥饼冲洗

6、冲洗枪喷嘴更换

关闭增压泵，拆除冲洗枪末端与DN25球阀连接的软管，将枪体向外拧出200～220mm时，关闭冲洗枪DN50球阀，将枪体继续拧出，更换喷嘴；将更换喷嘴后的枪体拧入补心40～50mm，开启冲洗枪DN50球阀，将枪体拧入，至枪体剩余螺纹40mm为止，再将软管与冲洗枪末端的DN25球阀重新连接。

7、冲洗流量分析与辅助渣土改良

实际冲洗时根据掘进需要可开启不同数量、不同点位冲洗孔，增压泵为离心泵，离心泵的流量在小流量时压力高，大流量时压力低，实际流量大小由开启的冲洗点决定，每个冲洗点都有独立的DN25球阀控制。冲洗水的用量因地层而异，在南昌的中风化泥质粉砂岩中，渣土遇水膨胀，吸水量大，每环推进40min左右，注入泡沫和水8～10m³。

盾构原设计6路单泵单供泡沫泡沫注入通道，泡沫增压泵最大流量1.2 m³/h，泡沫最大流量为7.2 m³/h，盾构所配置单独增压水泵扬程93m，流量6m³/h，在泥岩地层泡沫流量不足时需开增压水注入土仓。采用同步射流冲洗后，原配离心泵与高压新增离心泵串联使用，2台泵额定流量一致，在额定扬程时2台泵串联扬程293m，在扬程大于300m时，泵的流量减小，泵的实际流量由开启球阀数量确定；在冲洗点位开启2～6个，根据渣土流塑性情况调整泡沫注入量。

8、维修检测

(1) 备用件:备用管件、密封件、相应工器具及备用电气元件；

(2)在冲洗过程中，若发现管路有渗水点，应立即关闭增压泵，并更换相应管件；

(3)若发生电气故障，应立即关闭台车动力柜内的断路器，并更换故障电气元件；

(4)盾构接收后对泥饼冲洗系统进行全面检修保养。

本实施例中的基于同步射流的盾构泥饼防治系统技术，成功应用于南昌轨道交通1号线土建六标丁公路北站～八一广场站区间的盾构施工；南昌轨道交通2号线三标的地铁大厦站～翠苑路站、翠苑路站～学府大道东站、学府大道东站～前胡路站盾构区间，成功的处理了盾构掘进施工中土仓、刀盘结泥饼的问题，为盾构施工的顺利进行提供了有力的保障。

该射流冲洗装置已经成功运用到南昌轨道交通1号线丁公路北站～八一广场站区间实例数据如下：在上软下硬地层复合地层，下部为中风化泥岩地层，在右线掘进到八一广场处的660～663环期间，推力超过2000吨、扭矩不足2000KN·m、推进速度只有3～8mm/min，用土仓上部半径约2.5m处的一个喷嘴冲洗刀盘，此时上部土压1.5bar，刀盘转速1.2～1.4rpm，经过约15min的冲洗，推力降低到1800吨、扭矩增加到3100 KN·m、推进速度超过22mm/min，继续在掘进中冲洗，成功处理了刀盘背部泥饼。

此装置的使用，规避开仓清理泥饼带来的高风险、高费用以及开仓带来的工期延误风险，取得了很好的经济效益，在盾构施工中有很好的推广价值。