专利连载3:一种泥水平衡盾构取石装置及施工方法
一种泥水平衡盾构取石装置及施工方法
技术领域
本发明涉及泥水平衡盾构设计，特别涉及一种泥水平衡盾构取石装置及施工方法。
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。泥水平衡盾构施工主要优点有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。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。
穿越江河的泥水平衡盾构在砂卵石地层盾构施工中（如兰州泥水平衡盾构下穿黄河、洛阳泥水平衡盾构下穿洛河等）体现了诸多不适应性。由于泥水平衡盾构以泥浆为载体，协带渣土在管道内运输至隧道外，然后采用泥水分离系统进行分离。由于泥浆泵泵送粒径有严格限制，粒径大无法泵送也无法悬浮于泥浆中。砂卵石地层中漂卵石含量高（含量有时达70%）、粒径大（最大粒径可达600mm），泥水平衡盾构刀盘上刀具开挖下来的卵石由于密度大在泥浆中无法悬浮，直接下沉到泥水舱底部，卵石无法尽快排出，就会造成泥水舱底部卵石堆积，形成“滞排”现象，进而导致盾构无法正常掘进，只能将“滞排”卵石处理后才能再次正常掘进。泥水平衡盾构在此地层下通常采用的方法是提高泥浆流量，降低单位体积内的卵石量；增加采石箱，大卵石在采石箱内沉积，人工取出；增加碎石机，提高破碎卵石的能力。虽然采取上述措施，但泥水平衡盾构在砂卵石地层中掘进非常不理想，由于卵石破碎或采集能力低，泥水舱内卵石滞排严重，盾构掘进速度慢（约10mm/min），最终导致盾构掘进施工进度慢（有时只能达到每天5米），施工成本极高。
因此，本领域需要开发一种新的处理卵石“滞排”难题的装置，解决泥水平衡盾构在砂卵石地层中施工泥水舱内卵石“滞排”的难题，进而达到提高盾构施工进度的目的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种泥水平衡盾构取石装置及施工方法。在泥水平衡盾构设计基础上，增加一套螺旋输送机取石装置，将泥水平衡盾构泥水舱下部的沉积卵石通过螺旋输送机快速取出，解决了泥水平衡盾构在砂卵石地层中施工泥水舱内卵石“滞排”的难题，可有效提高盾构施工进度。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案如下：
在气垫式泥水平衡盾构设计的基础上，增加一套螺旋输送机取石装置。螺旋输送机共配置两节。第一节螺旋输送机倾斜布置，后端与第二节螺旋输送机前端连接。第一节螺旋轴前端直接伸入泥水舱。第二节螺旋输送机为水平布置，下部设计三套由螺旋输送机上下闸门和存石箱组成的组合装置，上下闸门正常情况下都关闭。当泥水平衡盾构正常掘进时，刀盘旋转，刀具切削砂卵石，切削下来的砂卵石进入泥水舱。砂与进浆管的泥浆混合悬浮在泥浆中，并由排浆泵经排浆管排出，到隧道外进行分离。卵石直接沉积至泥水舱下部，两节螺旋转输送机直接启动，第一套和第三套组合装置的上闸门打开，下闸门关闭，第一节螺旋输送机螺旋轴将泥水舱底部的沉积卵石输送至第二节螺旋输送机筒内，第二节螺旋输送机螺旋轴继续向后输送。经打开的上闸门，落入存石箱。当第一套存石箱充满卵石前，第二套组合装置上闸门打开，第一套组合装置上闸门关闭，下闸门打开，存石箱内卵石掉落至运行的皮带上，然后下闸门关闭。卵石经皮带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。当第二套存石箱充满卵石前，第一套组合装置上闸门打开，第二套组合装置上闸门关闭，下闸门打开，存石箱内卵石掉落入运行的皮带上，然后下闸门关闭。按此循环交替打开第一套和第二套存石箱，当第三套存石箱充满卵石时，两节螺旋输送机停止，直接将第三套组合装置上闸门关闭，下闸门打开，存石箱内卵石掉落入运行的皮带上，然后下闸门关闭。再次启动螺旋输送机，继续取石。泥水平衡盾构掘进过程中，气垫舱和第一节螺旋输送机后端与第二节螺旋输送机筒内经管路相连通，并保持气压平衡，确保螺旋输送机输出渣土中只有卵石，无泥浆。
本发明的有益效果是通过在泥水平衡盾构机上增加一套螺旋输送机取石装置。泥水舱下部的沉积卵石直接由螺旋输送机取出，卵石不需破碎和泥浆协带泵送。螺旋输送机取石速度快，既解决了泥水舱下部卵石“滞排”难题、提高了盾构掘进速度，又降低了泥浆协带渣土的数量，可有效提高盾构施工进度，降低泥水平衡盾构施工成本，具有较大的推广前景。
附图说明
本说明书包括如下一幅附图：
图1是泥水平衡盾构及取石装置示意图。
图中示出构件、部位及所对应的标记：刀盘1、泥水舱2、前盾3、气垫舱4、中盾5、推进油缸6、第一气浆分界线7、进浆管8、排浆管9、管片10、盾尾11､拼装机12､第二气浆分界线13、环形驱动14､第一节螺旋输送机15､第一上闸门16、第一下闸门17、第一存石箱18、第二节螺旋输送机19、第二上闸门20、第二下闸门21、第二存石箱22、第三上闸门23、第三下闸门24、第三存石箱25、螺机驱动26、皮带27。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
1)如附图1，泥水平衡盾构由刀盘1、前盾3、中盾5、推进油缸6、进浆管8、排浆管9、盾尾11、拼装机12及后配套台车等部件组成。前盾3土舱由隔板分为泥水舱2和气垫舱4两部分空间。泥水平衡盾构取石装置由环形驱动14､第一节螺旋输送机15､第一上闸门16、第一下闸门17、第一存石箱18、第二节螺旋输送机19、第二上闸门20、第二下闸门21、第二存石箱22、第三上闸门23、第三下闸门24、第三存石箱25、螺机驱动26、皮带27等部件组成。为保证两节螺旋转输送机连续出渣，第一节螺旋输送机15的旋转轴旋转采用环形驱动14设计。
2）泥水平衡盾构工作流程：
泥水平衡盾构掘进前，先调整气垫舱处气压在要求值范围，同时启动进浆管8进浆、排浆管9排浆，进浆与排浆保持平衡。进浆管8的进浆大部分进入泥水舱2，少部分进入气垫舱4第一气浆分界线7下部。启动刀盘1旋转，刀盘1上刀具切削砂卵石，切削下来的砂卵石进入泥水舱2。启动推进油缸6，推进油缸6支顶在管片10的前端面上向前推进。进入泥水舱2内的砂卵石与进浆相混合，砂与泥水舱2内的泥浆混合后砂悬浮在泥浆中，经排浆管9直接由排浆泵经管道抽出，到隧道外进行分离。卵石由于密度大直接沉积在泥水舱2下部。两节螺旋转输送机直接启动、旋转，将泥水舱2下部的卵石直接经螺旋转输送机排至皮带27上，经皮带27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。当盾构机推进一段距离（一般为管片长度）后，停止推进，采用管片拼装机12将一环管片10的多块管片10按顺序拼装成一环。然后再掘进、拼装。
3）取石装置工作流程：
泥水平衡盾构掘进前，第一、二、三上下闸门全部处于关闭状态。当泥水平衡盾构开始掘进时，第一上闸门16和第三上闸门23打开，同时启动第一节螺旋输送机15、第二节螺旋输送机19和皮带27。泥水舱2下部的含泥浆的卵石经螺旋输送机轴向后输送，当含泥浆的卵石到达第二气浆分界线13时，由于气垫舱4和第二气浆分界线13上部空间相连通，第一气浆分界线7和第二气浆分界线13一直处于同一水平面上。气体压力作用阻止卵石内的泥浆继续上移，只有卵石经螺旋轴进入第一存石箱18，当通过摄像头观察第一存石箱18将近充满卵石时，第二上闸门20打开，第一上闸门16关闭（卵石经螺旋轴进入第二存石箱22），第一下闸门17打开，第一存石箱18内卵石掉落至运行皮带27上，经皮带27运走。第一存石箱18无卵石后，第一下闸门17关闭。当通过摄像头观察第二存石箱22将近充满卵石时，第一上闸门16打开，第二上闸门20关闭（大部分卵石经螺旋轴进入第一存石箱18，少部分卵石可能进入第三存石箱25），第二下闸门21打开，第二存石箱22内卵石掉落至运行皮带27上，经皮带27运走。第二存石箱22无卵石后，第二下闸门21关闭。第一存石箱18和第二存石箱22循环、交替工作。当通过摄像头观察第三存石箱25将近充满卵石时，两节螺旋输送机轴停止旋转，第三上闸门2和存石箱内有卵石的组合上闸门关闭，然后打开第三下闸门24和存石箱内有卵石的组合下闸门，当存石箱无卵石后，下闸门再关闭。然后再将第一上闸门16和第三上闸门23打开，同时启动第一节螺旋输送机15、第二节螺旋输送机19，循环取石。
4）泥水平衡盾构及取石装置的气压平衡控制流程：根据泥水平衡盾构穿越地层埋深、地表沉降观测等确定平衡压力值，并在盾构操作室手动调节到平衡压力值，通过气垫舱4上方的进排气装置自动调节进气或排气，确保泥水舱2泥水压力平衡压力值附近。气垫舱4与第二节螺旋输送机19筒由管道连通，相同压力气体经气垫舱4进入第一节螺旋输送机筒后部和第二节螺旋输送机19筒内。由于气压作用，第一气浆分界线7和第二气浆分界线13在同一平面上。为防止第一上闸门16、第二上闸门20或第三上闸门23打开时，气体进入存石箱造成气压波动大，在下闸门关闭后上闸门打开前，存石箱内要经设计管路充入气垫舱4相同压力的气体。
5）泥水平衡盾构及取石装置注意事项：（1）根据盾构掘进速度和取石速度，合理调节进浆管8和排浆管9的流量，确保气浆分界线7和气浆分界线13要高于气垫舱4内的进浆管要低于第二节螺旋输送机19底部；（2）盾构施工过程中要尽量将泥水舱2内下部的卵石取空，避免卵石“滞排”；（3）在盾构空间允许条件下存石箱体积尽量增大，降低开启上下闸门的频率；（4）螺旋输送机停止时泥水盾构可正常进行进浆、排浆施工掘进，但卵石沉积高度不允许高于排浆管9；（5）盾构掘进完成拼装管片10时，也可以进行取石施工；（6）螺旋输送机输送卵石为间断输送，因此要采用有轴螺旋，不能采用带式螺旋。
6）由于取石装置将绝大部分卵石取出，泥水平衡盾构的进、排浆流量设计可适当降低。
7）存石箱数量可根据螺旋输送机所需取石数量及速率进行相应设计，存石箱材质需要选用透明材质，便于经摄像头观察存石箱内卵石充填状态。
以上所述只是用图解说明本发明一种泥水平衡盾构取石装置及施工方法的一些原理及功能，并非是要将本发明局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物均属于本发明所申请的专利范围。
说 明 书 附 图
图1是泥水平衡盾构及取石装置示意图