本發(fā)明涉及土壓平衡盾構(gòu)泥餅的防治技術(shù)，特別涉及一種基于同步射流的土壓平衡盾構(gòu)泥餅防治系統(tǒng)，屬于流體控制技術(shù)。

背景技術(shù)：

土壓平衡盾構(gòu)是利用刀盤對正面土體進行切削，使土體以渣土的形式進入刀盤后面的土倉，通過調(diào)節(jié)推力、扭矩和出土量等相關(guān)掘進參數(shù)，達到土倉內(nèi)的水土壓力與開挖面水土壓力的平衡，從而控制地表沉降。盾構(gòu)在泥質(zhì)粉砂巖中掘進時，由于土體富含粘土礦物質(zhì)，粒徑小且粘性大，在盾構(gòu)掘進過程中極易附著在刀盤上，在受到刀具切削、刀盤擠壓后極易自刀盤中心位置向四周逐步擴散，在刀盤背部、進渣口上形成附著的泥餅；在較高土倉溫度及壓力的作用下不斷變厚變硬，最終導致刀具、刀盤進渣口被渣土糊住，刀盤失去削土能力；土倉泥餅的形成主要由于渣土攪拌不均勻，掘進參數(shù)欠佳導致渣土置換較慢，同步注漿壓力偏大導致砂漿進入土倉，渣土改良欠佳導致螺旋機出土不暢使渣土在土倉積聚產(chǎn)生泥餅。

盾構(gòu)在上軟下硬地層或全斷面泥巖中掘進，刀盤、土倉極易產(chǎn)生泥餅，同時由泥餅造成的掘進困難、設(shè)備故障增加，尤其會增加主驅(qū)動密封損壞及不必要的帶壓開倉等一系列風險。

為了解決利用常規(guī)方法進行泥餅處理時必須停機的弊端，規(guī)避泥餅造成的掘進困難、設(shè)備故障尤其是損壞主驅(qū)動密封、不必要的帶壓開倉等一系列風險，通常采用的泥餅防治方法有渣土改良和調(diào)整掘進參數(shù)等方法，現(xiàn)有技術(shù)中是通過添加適量的土體改良劑，改善土體的和易性，降低切削土體與盾構(gòu)機刀盤及結(jié)構(gòu)間的粘著力，并通過設(shè)置合理的掘進參數(shù)，保證土艙內(nèi)土壓力的穩(wěn)定性和出土的順暢，使盾構(gòu)掘進“連續(xù)、快速、穩(wěn)定”, 這雖降低刀盤和土倉內(nèi)生成泥餅的概率，但不能完全避免泥餅的生成，一旦生成泥餅，則只能停止掘進，通過預留孔洞沖洗或帶壓開倉處理。但盾構(gòu)機原設(shè)計在隔板處設(shè)有的預留孔洞并未考慮泥餅沖洗，不具備直接噴水的功能，預留孔洞用于在硬巖地層敞開式掘進時可開啟檢查土倉情況，或在不同地層根據(jù)需要增設(shè)添加劑注入通道等，并且在土壓平衡掘進期間，土倉內(nèi)為泥水，一旦開啟將造成土倉泄壓，若關(guān)閉不及時會釀成安全事故。 因此常規(guī)的泥餅防治方法可靠性低、風險大、成本高、影響工期。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種土壓平衡盾構(gòu)同步射流泥餅防治系統(tǒng)，達到泥餅防治與盾構(gòu)掘進同步的目標，同時該系統(tǒng)還有助于提高渣土改良效果的作用，利于規(guī)避泥餅帶來的一系列施工風險。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：基于高壓水射流原理，即利用高壓水發(fā)生裝置，以水為工作介質(zhì)，使其在獲得巨大的能量后，以流體運動方式，通過預裝在土倉隔板、刀盤面板上的特定噴嘴、噴頭產(chǎn)生高速的射流水束，對刀盤面板、刀盤背部及土倉內(nèi)不同位置的土體進行沖洗、切割，以除去生成的泥餅，或避免渣土固結(jié)成塊形成泥餅，從而達到泥餅防治與盾構(gòu)掘進同步的目標，使用該系統(tǒng)還有助于提高渣土改良效果的功能。

本發(fā)明所述泥餅防治系統(tǒng)組成包括:面板固定噴頭、刀盤、盾體、土倉隔板、沖洗槍、沖洗點位及管路連接、高壓管路及管件、分水器、安全閥、壓力表、高壓新增離心泵、原配離心泵、底座、給水管、螺旋機、控制器、二號臺車。

所述沖洗槍的結(jié)構(gòu)包括噴嘴、對絲、球閥、補心及槍體。

所述面板固定噴頭采用焊接法固定于刀盤的中心部位，沖洗槍采用螺紋連接方式，安裝在土倉隔板預留球閥上，在沖洗點位及管路連接處安裝沖洗搶，沖洗槍通過補心安裝到球閥上，噴嘴與槍體通過螺紋連接;高壓新增離心泵固定在二號臺車后部，高壓新增離心泵與底座由螺栓連接，底座焊接在二號臺車上，高壓新增離心泵進水口與原配離心泵出水管路通過高壓管路及管件連接，高壓新增離心泵出口處安裝壓力表、安全閥，安全閥出口連接到盾體內(nèi)的分水器，分水器由管件組合而成，分水器與高壓新增離心泵通過高壓管路及管件連接;分水器引出9路軟管，其中5路連接到?jīng)_洗槍的球閥上，4路連接到回轉(zhuǎn)體的液壓通道接口，高壓水通過回轉(zhuǎn)體進入到刀盤法蘭中心接點，再由高壓管路及管件連接該中心接點與面板固定噴頭。

本發(fā)明所述泥餅防治系統(tǒng)的工作過程：步驟為沖洗槍的安裝、面板固定噴頭的安裝、系統(tǒng)調(diào)試泥餅形成的判斷、沖洗操作、沖洗槍噴嘴更換、沖洗流量分析與輔助渣土改良、維修檢測;

在二號臺車液壓泵站后部安裝高壓新增離心泵，高壓新增離心泵與底座螺栓連接，高壓新增離心泵底座與二號臺車焊接固定，安裝高壓新增離心泵,與原配離心泵串聯(lián)，在高壓新增離心泵進水口處安裝流量計，高壓新增離心泵出口處安裝壓力表、安全閥，將控制器安裝在主控外側(cè);安裝于刀盤面板上的固定噴頭、土倉隔板的沖洗槍分別安裝在盾構(gòu)始發(fā)前分別安裝在刀盤面板上的中心部位和土倉隔板的預留孔上;利用刀盤中心部位的進渣口使刀盤中的預設(shè)管路與在刀盤面板中心部位的面板固定噴頭連接，刀盤面板沖洗的射流水利用中心回轉(zhuǎn)體預留的液壓通道及新增的管路連通到噴頭。

本發(fā)明的有益效果：工效高、成本低，該系統(tǒng)所需設(shè)備投資少、操作簡單，通過土倉隔板不同位置的沖洗槍對刀盤背部、刀盤牛腿、土倉隔板進行無死角沖洗，沖洗槍的噴嘴設(shè)計不同規(guī)格，分軸向4孔、軸向1孔、徑向4孔結(jié)構(gòu)，以滿足不同部位的沖洗需要；通過刀盤面板固定噴頭對刀盤中心部位刀具進行無死角沖洗；泥餅沖洗與盾構(gòu)掘進同步，泥餅防治不影響盾構(gòu)正常掘進。

安全可靠，通過射流沖洗有效的避免了刀盤、土倉生成泥餅的風險，規(guī)避了因泥餅造成的帶壓開倉、設(shè)備故障等一系列風險。適用范圍廣，適用于不同規(guī)格型號的土壓平衡盾構(gòu)，還可用于泥水平衡盾構(gòu)隔板泥餅的處理與防治。對于土壓平衡盾構(gòu)而言，在泥餅防治的同時有助于提高渣土改良的效果、降低渣土改良添加劑用量的作用。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，具體優(yōu)點表現(xiàn)為：若土倉、刀盤泥餅嚴重不能掘進時，常規(guī)處理方法，用分散劑侵泡約72h以上，在侵泡期間要定時注入分散劑并轉(zhuǎn)動刀盤，在上軟下硬地層，刀盤的攪拌極易擾動砂層，造成地面沉降過大或坍塌，為了防止地面沉降過大或坍塌，在允許條件下由地面注漿，一次泥餅侵泡清理分散劑消耗不低于10萬元，停機不低于3天、停機前的掘進緩慢、地面注漿等，損失不低于100萬元。

一旦泥餅嚴重，侵泡無效后要開倉處理泥餅，在條件允許下，常壓開倉處理泥餅不低于3天，而且必須帶壓開倉，帶壓開倉人工費不低于30萬元，再計算停工損失及掘進緩慢的一系列損失，費用超過150萬元；開倉都具有很大的安全風險，有潛在的巨大經(jīng)濟損失與社會不良影響的風險。

通過本系統(tǒng)的使用，高壓射流沖洗不但有效的處理泥餅，而且還通過經(jīng)常性的沖洗土倉隔板、刀盤面板、刀盤背部，其中1個噴嘴最大流量約1m3/h、單孔噴嘴最小流量約0.2 m3/h，可有效預防刀盤面板及刀盤牛腿部位結(jié)泥餅的風險。

本發(fā)明規(guī)避了常規(guī)的侵泡泥餅帶來的地面沉降過大而坍塌的風險，地面坍塌不僅影響地面交通、地下管線的安全，嚴重時因坍塌造成污水管道泄漏、天然氣泄漏，帶來較大的社會、環(huán)境影響。由于泥餅的及時預防與處理，規(guī)避了因土倉泥餅造成的渣土溫度升高帶來的主軸承密封壽命的降低及損害的風險，規(guī)避了因泥餅原因造成的推力增大，帶來的潛在的設(shè)備壽命的降低，規(guī)避了因推力增大帶來的設(shè)備異常損壞的風險。本系統(tǒng)技術(shù)的使用，提高了盾構(gòu)掘進效率，降低了因泥餅引起的各種費用的額外消耗。

因此本系統(tǒng)技術(shù)的成功使用，會帶來很好的經(jīng)濟效益和顯著的社會效益，它的先進性和優(yōu)越性不僅利于施工成本、風險的控制，還符合綠色施工的要求，具有很好的推廣使用價。

附圖說明

圖1-a 本發(fā)明所述土壓平衡盾構(gòu)同步射流泥餅防治系統(tǒng)示意圖;

1-面板固定噴頭 2-刀盤 3-盾體 4-土倉隔板 5-沖洗點位及管路連接 6-分水器 7-安全閥 8-壓力表 9-高壓新增離心泵 10-原配離心泵 11-底座 12-給水管 13-螺旋機 14-高壓管路及管件 15-二號臺車 16-控制器;

圖1—b為圖1-a的剖面示意圖,

圖中:1-面板固定噴頭 17-沖洗槍;

圖2為本發(fā)明所述刀盤面板中心噴頭示意圖;

圖中:1-面板固定噴頭 18-水流方向 19-中心齒刀;

圖3為本發(fā)明所述沖洗槍結(jié)構(gòu)示意圖,

圖中20-噴嘴 21-對絲 22-球閥 23-補心 24-槍體

圖4—a為本發(fā)明所述面板固定噴頭三維示意圖;

圖4—b為本發(fā)明所述 面板固定噴頭剖面示意圖;

圖5—a 為本發(fā)明所述噴嘴構(gòu)造剖切示意圖;

圖5—b為本發(fā)明所述噴嘴構(gòu)造正視圖;

圖6—a 為本發(fā)明所述補芯構(gòu)造剖切示意圖;

圖6—b為本發(fā)明所述補芯構(gòu)造左視圖;

圖7—a 為本發(fā)明所述槍體構(gòu)造剖切示意圖;

圖7—b 為本發(fā)明所述槍體構(gòu)造左視圖。

具體實施方式

本發(fā)明的技術(shù)方案是：基于高壓水射流原理，即利用高壓水發(fā)生裝置，以水為工作介質(zhì)，使其在獲得巨大的能量后，以流體運動方式，通過預裝在土倉隔板、刀盤面板上的特定噴嘴、噴頭產(chǎn)生高速的射流水束，對刀盤面板、刀盤背部及土倉內(nèi)不同位置的土體進行沖洗、切割，以除去生成的泥餅，或避免渣土固結(jié)成塊形成泥餅，從而達到泥餅防治與盾構(gòu)掘進同步的目標，使用該系統(tǒng)還有助于提高渣土改良效果的功能。

本發(fā)明所述泥餅防治系統(tǒng)組成包括:面板固定噴頭、刀盤、盾體、土倉隔板、沖洗槍、沖洗點位及管路連接、高壓管路及管件、分水器、安全閥、壓力表、高壓新增離心泵、原配離心泵、底座、給水管、螺旋機、控制器、二號臺車。

所述沖洗槍的結(jié)構(gòu)包括噴嘴、對絲、球閥、補心及槍體。

所述面板固定噴頭采用焊接法固定于刀盤的中心部位，沖洗槍采用螺紋連接方式，安裝在土倉隔板預留球閥上，在沖洗點位及管路連接處安裝沖洗搶，沖洗槍通過補心安裝到球閥上，噴嘴與槍體通過螺紋連接;高壓新增離心泵固定在二號臺車后部，高壓新增離心泵與底座由螺栓連接，底座焊接在二號臺車上，高壓新增離心泵進水口與原配離心泵出水管路通過高壓管路及管件連接，高壓新增離心泵出口處安裝壓力表、安全閥，安全閥出口連接到盾體內(nèi)的分水器，分水器由管件組合而成，分水器與高壓新增離心泵通過高壓管路及管件連接;分水器引出9路軟管，其中5路連接到?jīng)_洗槍的球閥上，4路連接到回轉(zhuǎn)體的液壓通道接口，高壓水通過回轉(zhuǎn)體進入到刀盤法蘭中心接點，再由高壓管路及管件連接該中心接點與面板固定噴頭。

本發(fā)明所述泥餅防治系統(tǒng)的工作過程：步驟為沖洗槍的安裝、面板固定噴頭的安裝、系統(tǒng)調(diào)試泥餅形成的判斷、沖洗操作、沖洗槍噴嘴更換、沖洗流量分析與輔助渣土改良、維修檢測;

在二號臺車液壓泵站后部安裝高壓新增離心泵，高壓新增離心泵與底座螺栓連接，高壓新增離心泵底座與二號臺車焊接固定，安裝高壓新增離心泵,與原配離心泵串聯(lián)，在高壓新增離心泵進水口處安裝流量計，高壓新增離心泵出口處安裝壓力表、安全閥，將控制器安裝在主控外側(cè);安裝于刀盤面板上的固定噴頭、土倉隔板的沖洗槍分別安裝在盾構(gòu)始發(fā)前分別安裝在刀盤面板上的中心部位和土倉隔板的預留孔上;利用刀盤中心部位的進渣口使刀盤中的預設(shè)管路與在刀盤面板中心部位的面板固定噴頭連接，刀盤面板沖洗的射流水利用中心回轉(zhuǎn)體預留的液壓通道及新增的管路連通到噴頭。

下面為某一工程的具體實施方式:

1、沖洗槍的安裝方法為：

1)拆除隔板預留孔處的DN50絲堵；

2)用生料帶作為螺紋部位的密封材料進行密封；

3)將組裝好的沖洗槍安裝在已拆除絲堵的預留孔處；

4)安裝時用生料帶作為沖洗槍與預留孔之間的密封材料；

5)在沖洗槍槍體末端安裝DN25球閥。

2、固定噴頭的安裝方法為：

1)根據(jù)刀盤面板的實際結(jié)構(gòu)，確定噴頭的固定位置并焊接牢固，焊接后在噴頭外側(cè)堆焊30×30mm、高不低于5mm、寬不低于10mm的耐磨網(wǎng)格；

2)利用進渣口安裝連接噴頭的剛性管路并做好耐磨防護；

3)用軟管連接中心回轉(zhuǎn)體液壓通道接口與噴頭剛性管路接口，軟管與泡沫管路共用防護結(jié)構(gòu)，不能共用部分做好耐磨防護；

4)回轉(zhuǎn)體外部外部接口連接沖洗水；

5)用DN25液壓軟管與增壓泵出口連接，在盾體內(nèi)通過3個DN25四通以及9條DN25液壓軟管將水分流到各噴頭及沖洗槍末端的DN25球閥。

3、系統(tǒng)調(diào)試

(1)接通電源確定高壓新增離心泵旋轉(zhuǎn)方向是否正確；

(2)開啟高壓新增離心泵的進水球閥，檢測供水壓力，依次開啟各噴頭球閥，檢測管路是否有滲漏點。

4、泥餅形成判斷

盾構(gòu)在粘性顆粒較多的地層中掘進，出現(xiàn)推力明顯增大比正常掘進推力增加400噸以上，扭矩減小比正常扭矩減小600KNm以上、推進速度明顯減慢低于10mm/min，可判斷土倉結(jié)泥餅；若推進中伴有盾體振動增大，可判斷刀盤結(jié)泥餅。

盾構(gòu)在粘性顆粒較多的地層中掘進，通常刀盤、土倉皆易結(jié)泥餅，由于刀盤結(jié)構(gòu)因素，決定了刀盤泥餅易發(fā)生于牛腿及刀盤面板中心處；由于土倉底部兩側(cè)的渣土流動性欠佳，該處易產(chǎn)生泥餅。

5、沖洗操作

在盾構(gòu)掘進過程中，根據(jù)參數(shù)變化，判斷確定泥餅可能的出現(xiàn)位置，選用沖洗點位。

(1)開啟增壓泵

(2)刀盤泥餅沖洗

(3)土倉泥餅沖洗

6、沖洗槍噴嘴更換

關(guān)閉增壓泵，拆除沖洗槍末端與DN25球閥連接的軟管，將槍體向外擰出200～220mm時，關(guān)閉沖洗槍DN50球閥，將槍體繼續(xù)擰出，更換噴嘴；將更換噴嘴后的槍體擰入補心40～50mm，開啟沖洗槍DN50球閥，將槍體擰入，至槍體剩余螺紋40mm為止，再將軟管與沖洗槍末端的DN25球閥重新連接。

7、沖洗流量分析與輔助渣土改良

實際沖洗時根據(jù)掘進需要可開啟不同數(shù)量、不同點位沖洗孔，增壓泵為離心泵，離心泵的流量在小流量時壓力高，大流量時壓力低，實際流量大小由開啟的沖洗點決定，每個沖洗點都有獨立的DN25球閥控制。沖洗水的用量因地層而異，在南昌的中風化泥質(zhì)粉砂巖中，渣土遇水膨脹，吸水量大，每環(huán)推進40min左右，注入泡沫和水8～10m³。

盾構(gòu)原設(shè)計6路單泵單供泡沫泡沫注入通道，泡沫增壓泵最大流量1.2 m³/h，泡沫最大流量為7.2 m³/h，盾構(gòu)所配置單獨增壓水泵揚程93m，流量6m³/h，在泥巖地層泡沫流量不足時需開增壓水注入土倉。采用同步射流沖洗后，原配離心泵與高壓新增離心泵串聯(lián)使用，2臺泵額定流量一致，在額定揚程時2臺泵串聯(lián)揚程293m，在揚程大于300m時，泵的流量減小，泵的實際流量由開啟球閥數(shù)量確定；在沖洗點位開啟2～6個，根據(jù)渣土流塑性情況調(diào)整泡沫注入量。

8、維修檢測

(1) 備用件:備用管件、密封件、相應(yīng)工器具及備用電氣元件；

(2)在沖洗過程中，若發(fā)現(xiàn)管路有滲水點，應(yīng)立即關(guān)閉增壓泵，并更換相應(yīng)管件；

(3)若發(fā)生電氣故障，應(yīng)立即關(guān)閉臺車動力柜內(nèi)的斷路器，并更換故障電氣元件；

(4)盾構(gòu)接收后對泥餅沖洗系統(tǒng)進行全面檢修保養(yǎng)。

本實施例中的基于同步射流的盾構(gòu)泥餅防治系統(tǒng)技術(shù)，成功應(yīng)用于南昌軌道交通1號線土建六標丁公路北站～八一廣場站區(qū)間的盾構(gòu)施工；南昌軌道交通2號線三標的地鐵大廈站～翠苑路站、翠苑路站～學府大道東站、學府大道東站～前胡路站盾構(gòu)區(qū)間，成功的處理了盾構(gòu)掘進施工中土倉、刀盤結(jié)泥餅的問題，為盾構(gòu)施工的順利進行提供了有力的保障。

該射流沖洗裝置已經(jīng)成功運用到南昌軌道交通1號線丁公路北站～八一廣場站區(qū)間實例數(shù)據(jù)如下：在上軟下硬地層復合地層，下部為中風化泥巖地層，在右線掘進到八一廣場處的660～663環(huán)期間，推力超過2000噸、扭矩不足2000KN·m、推進速度只有3～8mm/min，用土倉上部半徑約2.5m處的一個噴嘴沖洗刀盤，此時上部土壓1.5bar，刀盤轉(zhuǎn)速1.2～1.4rpm，經(jīng)過約15min的沖洗，推力降低到1800噸、扭矩增加到3100 KN·m、推進速度超過22mm/min，繼續(xù)在掘進中沖洗，成功處理了刀盤背部泥餅。

此裝置的使用，規(guī)避開倉清理泥餅帶來的高風險、高費用以及開倉帶來的工期延誤風險，取得了很好的經(jīng)濟效益，在盾構(gòu)施工中有很好的推廣價值。