一种气土联合平衡盾构机的制作方法

本实用新型属于岩土工程领域，涉及一种气土联合平衡盾构掘进控制方法与掘进设备。

背景技术：

随着科学技术的不断发展，盾构法已经成为轨道交通隧道与公路隧道施工的主流方法，尤其是在城市轨道交通建设中，由于对地面环境扰动小，其应用更加广泛。按照掘进面平衡模式可以将盾构机分为土压平衡盾构和泥水平衡盾构，其分别适用于不同的地层与环境条件。其中土压平衡盾构因成本较低，设施相对简单等优点应用更为广泛。但当遇到富水的软硬岩复合地层，常规的全土压掘进模式会造成盾构负荷增大，刀具磨损加快，还常常发生喷涌事故，大大降低施工效率，降低工程质量。

针对这一问题，气土联合平衡盾构掘进技术逐渐发展起来，以广州地铁建设最为典型。广州地铁1号线烈士陵园站-农讲所站-公园前站两区间是国内首次(1996年)尝试使用气土联合平衡盾构施工，取得了较好的效果。该技术使用气压辅助掘进，利用气体管路或泡沫管路对土仓上部压入自然空气，下部仍然保持渣土，实现了刀盘扭矩降低、施工进度加快的目标。之后的二十年间该技术有了长足的进步与发展，给类似地层的实践带来了良好的工程效益。但目前的气土联合平衡盾构仍存在以下问题：

(1)气体管路无法泄压，土仓内气压难以准确控制，仅能通过减小进气压调节；在泄压时渣土易回流堵塞管路；

(2)泡沫管路为单泵多管，会存在压力不足以将泡沫注入刀盘的问题；

(3)未明确区分土仓内的气压和土压，仍以传统土压控制方法控制气压和土压。当仓内压力过大时，易造成土仓压力判断失误，若加快出土，空仓率增大，掌子面风险提高；若减小进气压，耗时长，效果还可能不显著，会引起地表隆起，甚至击穿。

这些问题的存在给气土联合平衡盾构施工带来很大不便，一方面低了施工效率与质量，更重要的是增大了事故风险。因而，客观上有必要实用新型一种能有效控制土仓压力的掌子面平衡方法，解决上述难题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种气土联合平衡盾构机及其掌子面平衡控制方法，以使提升气土联合平衡盾构施工的效率。

一种气土联合平衡盾构机，包括刀盘、供气组件、土仓、螺旋输送机，所述供气组件包括气体管路、泡沫管路，其中，气体管路为土仓供气，包括进气管和出气管，进气管上配置开关阀和减压阀，出气管上配置开关阀和泄压阀，进气管与出气管在前端相连并连接土仓隔板气孔，进气管尾端与空压机相连，用于加压，出气管尾端与大气相连，用于泄压；以及泡沫管路为切削土体提供泡沫，包括泡沫泵、泡沫剂箱、泡沫发生器、水箱，泡沫泵将来自水箱的水和泡沫剂压入泡沫发生器，在泡沫发生器内与所述空压机压入的气体混合。

在一个实施例中，包括土仓隔板上布置的6道压力传感器，其中，在气体与渣土交界面上、水平中轴线上、在所述交界面上方、以及所述交界面与所述水平中轴线之间分别设置1道压力传感器，所述水平中轴线下方布置2道压力传感器，其中，后4道压力传感器设置位置可调整。

在一个实施例中，在土仓隔板连接所述气体管路的气孔处增设防堵塞多孔材料。

在一个实施例中，1道气体管路对应土仓隔板上的1个气体注入孔，气体注入孔设置在土仓隔板的气土分界面附近，1道泡沫管路对应2个泡沫注入孔，泡沫注入孔沿刀盘均匀布置。

在一个实施例中，维持进气管的进气流量V与螺旋输送机转速r满足：

式中：P——土仓内气体压力；

A——盾构机横截面面积；

P0——空压机中的气体压力；

f(r)——掘进速度与螺旋输送机转速的关系函数v＝f(r)。

一种气土联合平衡盾构掌子面平衡控制方法，利用所述的气土联合平衡盾构机，其中，在所述交界面上方的压力传感器的量值为P1、所述交界面上的压力传感器的量值为P2、所述水平中轴线的压力传感器的量值为P4、所述交界面与所述水平中轴线之间压力传感器的量值为P3，所述水平中轴线下方布置的2道压力传感器的量值分别为P5、P6；

掘进过程中保证空仓率小于1/2，土仓内渣土高度不能低于水平中轴线；

若P1＝P2<P3，则空仓率正常；

若P1＝P2＝P3，则空仓率增大，气土交界面下降，结合刀盘扭矩和推力变化减慢螺旋输送机排土、减小进气量；

若P1<P2，则空仓率减小，气土交界面上升，结合刀盘扭矩和推力变化加快螺旋输送机排土，增加进气量；

若P1～P4数值接近，则空仓率接近1/2，立即减慢螺旋输送机排土。

在一个实施例中，若6道压力传感器量值普遍大于经验值和理论计算值，则土仓压力整体偏大，以降低气压为主，加快排土为辅；

若6道传感器量值普遍小于经验值和理论计算值，则土仓压力整体偏小，应以减慢出土为主，增大进气压力为辅。

该方法的一环管片施工包括三个阶段：

阶段Ⅰ，为盾构机开始掘进前的准备阶段，盾构机保持拼装模式，刀盘静止，储存运送渣土的运输车就位，螺旋输送机往外逐渐排土，保持气土平衡，土仓内渣土高度逐渐下降，当空仓率达到设定值时，进入下一阶段；

阶段Ⅱ，为正常掘进阶段，盾构机首先由拼装模式转变为掘进模式，根据包含设定刀盘转速、推进速度、螺旋输送机转速、土仓进气流量的施工参数进行掘进，掘进过程中，通过观测土仓压力传感器数值大小及变化情况判断土仓压力状态；除土仓压力之外，还关注包括推进压力、刀盘扭矩的关键施工参数，察看渣土流动性能是否影响进出土，观测地表沉降控制效果是否理想，根据实际情况采取应对措施以改善掘进状态；当推进千斤顶行程达到控制值时，进入下一阶段；

阶段Ⅲ，拼装管片的准备阶段，提高土仓内渣土高度，降低气压的作用，减小拼装管片时掌子面失稳的风险，在向前掘进的同时螺旋输送机减慢出土，空压机减小进气量，同样需要保持气土平衡；

待渣土满仓、千斤顶行程满足拼装要求后，运送管片就位，盾构机转变为拼装模式，进行管片拼装，至此，一环管片施工完成，进入下一环管片施工。

附图说明

本实用新型的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1是气土联合平衡盾构机的结构示意图；

图2为土仓隔板上压力传感器布置示意图；

图3为气土联合平衡盾构掌子面平衡控制方法的流程图；

图4为气土联合平衡盾构机的供气组件示意图；

图5为管路注入孔位置示意图；

图6为土仓隔板上压力传感器位置示意图；

图7为气土联合平衡盾构掌子面压力平衡模式示意图；

图中，1-气体管路，2-泡沫管路，3-减压阀，4-泄压阀，5-开关阀，6-空压机，7-泡沫发生器，8-混合液，9-泡沫剂箱，10-泡沫泵，11-空气，12-渣土，13-气土分界面，14-水箱，15-防堵塞多孔材料，16-水平中性轴，17-土仓隔板，18-刀盘，19-螺旋输送机，20-压力传感器(P1～P6)

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本实用新型的保护范围。

需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本实用新型实际要求的保护范围构成限制。

在本实用新型的一实施例中，盾构机在已有盾构机基础上进行适应性改造。其中的供气组件，作为控制基础设备的一部分，主要由气体管路1和泡沫管路2组成；气体管路1为土仓供气，是主要气源，泡沫管路2为切削土体提供泡沫，起到渣土改良的作用，泡沫破灭后气体会进入土仓，同时起到了加气的作用。

气体管路1由进气管和出气管组成，进气管上配置开关阀5和减压阀3，出气管上配置开关阀5和泄压阀4。管路闲置时，使用开关阀5确保管路密闭，管路工作时，通过调节减压阀3、卸压阀4的控制部控制进气和泄气。进气管与出气管在前端相连并连接土仓隔板17上的气孔，进气管尾端与空压机6相连，用于加压，出气管尾端与大气相连，用于泄压。并在土仓隔板17气孔处增设防堵塞多孔材料15，防止渣土回流堵塞气体管路。

泡沫管路2由泡沫泵10、泡沫剂箱9、泡沫发生器7、水箱14组成，泡沫泵10将水和泡沫剂压入泡沫发生器7，在发生器7内与空压机6压入的气体11混合，制成30mm～400mm的细小齿状气泡。再通过管路注入刀盘18。为保证注入压力，一条管路宜配置一个泡沫泵10。

气体管路1和泡沫管路2的数量可根据实际需求和空间条件等配置，注入孔的位置也应同理设计布置。1道气体管路对应1个注入孔，设置在土仓隔板17的气土分界面附近，1道泡沫管路对应2个注入孔，宜沿刀盘均匀布置。

减压阀3和泄压阀4的工作压力宜为0～1.0MPa，减压阀单位时间气体流量应满足2m³/min。气压设定根据实际情况与经验确定，掘进过程中是动态变化的。

在一个实施例中，结合前期试验与工程经验拟定空仓率为1/4，即土仓内渣土高度和气体高度比为3/1，如图1和图4、图5所示设置2道气体管路1，在图4、图5中示出了对应两道气体管路的位于土仓隔板17上的气体注入孔a1和a2。还设置了4道泡沫管路2，图4、图5示出了对应四道泡沫管路的土仓隔板17上的泡沫管路注入孔f1、f2、f3和f4。1道气体管路对应一个气体注入孔，1道泡沫管路对应2个泡沫管路注入孔。如图6所示，在土仓隔板17上共设置6道压力传感器P1、P2、P3、P4、P5和P6，在土仓隔板上布置6道压力传感器(按位置从上到下编号1～6)，在气体与渣土交界面(对某一工程而言气土联合平衡盾构气土高度比(或空仓率)通常固定)和水平中轴线位置必须设置压力传感器，在交界面上方、交界面与中轴线之间分别设置1道传感器，中轴线下方布置2道传感器，后4道传感器位置可调整。气体管路一般1条工作、1条备用，泡沫管路一般2条工作、2条备用。减压阀3和泄压阀4的工作压力可以为0～1.0MPa，减压阀3单位时间气体最大流量为2m³/min。

施工时，先控制螺旋输送机排土速率使土仓充满渣土平衡掌子面，再利用气体管路1对土仓注入压缩气体，同时加快螺旋输送机19排土，并观测各传感器数值，当渣土高度降至设定气土分界面13高度时，稳定气体管路1和螺旋输送机19流量，实现“气土联合平衡”，稳步推进，如图7所示，PT为渣土压力，PQ为气体压力，PW为掌子面水压力，PS为掌子面土压力。

施工中，采用本实用新型所述控制方法进行掘进控制，稳定掌子面，较好发挥气土联合平衡的优势，降低盾构机掘进负荷，提高管片拼装质量与施工效率。从现场施工情况来看，实践证明了本实用新型的优点。

气土联合平衡盾构机的掌子面平衡控制方法控制方法，其控制流程可分为三个阶段：

阶段Ⅰ：

本阶段为盾构机开始掘进前的准备阶段，盾构机保持拼装模式，刀盘静止，储存运送渣土的电瓶车就位，螺旋输送机往外逐渐排土，但同时需要与注入土仓的空气保持平衡，可按照权利要求10进行控制。本阶段土仓内渣土高度逐渐下降，当空仓率达到设定值时，进入下一阶段。

阶段Ⅱ：

本阶段为正常掘进阶段，盾构机首先由拼装模式转变为掘进模式，设定刀盘转速、推进速度、螺旋输送机转速、土仓进气流量等施工参数。

掘进过程中，通过观测土仓压力传感器数值大小及变化情况判断土仓压力状态。一般可以分为气土交界面变化和整体变化两类。气土交界面会发生上升或下降，前者可以采用加快出土和增加进气量应对，后者则需要减慢出土、减小进气量。整体变化是指仓内压力相对理论值或经验值发生整体减小或增大。从掌子面稳定性出发，当整体减小时应该以减慢出土为主，增大进气压力为辅；当整体增大时应以缓慢降低气压为主，加快排土为辅。

除土仓压力之外，还应该关注推进压力、刀盘扭矩等关键施工参数，察看渣土流动性能是否影响进出土，观测地表沉降控制效果是否理想等。根据实际情况采取应对措施以改善掘进状态。

装填渣土的电瓶车满载后，需要驶离倾倒，此时盾构机停止掘进，土仓保持现状直至电瓶车复位，再重新设置施工参数进行掘进。当推进千斤顶行程达到控制值(该值可以根据空仓率和阶段Ⅲ螺旋输送机转速等相关参数反算)时，需要进入阶段Ⅲ，为拼装管片做准备。

阶段Ⅲ：

本阶段是拼装管片的准备阶段，目的是提高土仓内渣土高度，降低气压的作用，减小拼装管片时掌子面失稳的风险。具体做法与阶段Ⅰ恰好相反，在向前掘进的同时螺旋输送机减慢出土，空压机减小进气量，二者同样需要保持平衡。

待渣土满仓、千斤顶行程满足拼装要求后，使用电瓶车运送管片就位。盾构机转变为拼装模式，进行管片拼装。至此，一环管片施工完成，进入下一环管片施工，重复上述三阶段。

在一个实施例中，根据前述实施例的传感器布置可以较好反映土仓压力数值和变化情况，使操作人员能够判定施工风险、及时采取应对措施。具体做法如下：

若P1＝P2<P3，则说明空仓率正常；

若P1＝P2＝P3，则说明空仓率增大，气土交界面下降，应结合刀盘扭矩和推力变化减慢螺旋输送机排土、减小进气量；

若P1<P2，则说明空仓率减小，气土交界面上升，应结合刀盘扭矩和推力变化加快螺旋输送机排土，增加进气量；

若P1～P4数值接近，说明空仓率接近1/2，应立即减慢螺旋输送机排土。

若6道传感器量值普遍大于经验值和理论计算值，说明土仓压力整体偏大，应以缓慢降低气压为主，加快排土为辅。

若6道传感器量值普遍小于经验值和理论计算值，说明土仓压力整体偏小，应以减慢出土为主，增大进气压力为辅。

特别指出，上述“＝”均表示数值接近，“<”表示数值相差较大。掘进过程中要保证空仓率小于1/2，即土仓内渣土高度不能低于水平中轴线；

在一个实施中，在调整空仓率时，出土与进气、进土与出气均需保持平衡，反映到实际施工中即为维持进气流量V与螺旋输送机转速r需满足：

式中：P——土仓内气体压力；

A——盾构机横截面面积；

P0——空压机中的气体压力；

f(r)——掘进速度与螺旋输送机转速的关系函数v＝f(r)。

前述控制方法适用于具有一定自稳性的地层，具有减小盾构掘进刀盘扭矩，提高掘进效率的功能。掘进控制过程具有主动调整土仓气压的功能，包括主动加压和主动泄压调节的功能，能较好控制掌子面平衡，避免了压力过大而加快渣土排出和压力过小引发的掌子面失稳风险，同时可有效防止渣土回流管路引起堵塞

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1、改进了气土联合平衡盾构土仓气压供给管路，补充了气体管路的泄压功能，提高了泡沫管路的注入能力；该改造管路还能用于气压换刀，防止膨润土回流造成系统损坏。

2、优化了土仓隔板上的压力传感器布置，使气压和土压分界面更易判断，为土仓压力合理控制提供更可靠的依据；

3、提出了气土联合平衡盾构掘进控制方法，规范了施工流程，可有效避免压力判断失误，降低了掌子面失稳的风险。

本实用新型虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本实用新型权利要求所界定的保护范围之内。