一种盾构设备在高粘度泥岩中的掘进方法与流程

本发明属于高粘度泥岩中盾构隧道技术领域，尤其涉及一种盾构设备在高粘度泥岩中的掘进方法。

背景技术：

目前随着我国城市轨道交通的大力发展，地铁盾构施工遇到的地层也越来越复杂多样性，对盾构设备及施工技术水平提出更高的要求，尤其是高粘度的泥岩地层，需要采用泥水混合液盾构机，泥水混合液盾构机在泥岩地层盾构掘进时存在刀盘容易粘结泥饼、泥水仓仓门堵塞、泥水仓压力不稳定、刀盘掘进困难等问题。遇到泥岩地层，需频繁进行带压开仓人工进行清除，人工带压进仓不仅安全风险大，而且清除泥饼工期长，成本大，导致风险高同时工效低下，在泥浆外排过程中，往往由于混在在泥浆中的硬物和岩块造成排浆管路堵塞，需要停工进行疏通。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种盾构设备在高粘度泥岩中的掘进方法，其通过设置水刀装置，对泥块进行有效的冲刷和切割，避免了开仓人工清理，缩短施工时间，降低施工风险，设置于逆清洗程序，可以更有效的对冲刷管路进行自动清洗，防止冲刷管路由于长时间单向运行，造成管内壁淤积和粘结泥渣，导致循环工作能力下降。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种盾构设备在高粘度泥岩中的掘进方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一、安装水刀装置并检查冲刷管路畅通：首先，安装水刀装置穿过气垫仓伸入至泥水仓，通过高压软管将水刀装置与连有水管且安装在盾构机后配套台车上的高压泵的出水端连接；然后，检查冲刷管路，确保各管路畅通，所述冲刷管路包括高压软管和连接盾构机喷嘴的泥水冲刷管网；

所述水刀装置包括依次穿过盾构机的第二隔板、气垫仓和第一隔板伸入至所述泥水仓内的水刀钢管、设置在水刀钢管位于泥水仓内一端的水刀喷头和设置在水刀钢管另一端的防喷器，防喷器安装在第二隔板上；

步骤二、检查刀盘是否粘结有泥饼：当刀盘粘结有泥饼时，在泥水仓中注入分散剂，剥除刀盘粘结的泥饼；当刀盘未粘结有泥饼时，执行步骤三；

步骤三、预清洗并设置盾构机环流参数和掘进参数：首先，启动泥水混合液循环系统，确定循环参数，将泥水仓和气垫仓内沉积渣土排出；然后，开启盾构机的掘进系统，并根据实际环境中的泥岩种类设置盾构的环流参数和掘进参数；

所述掘进参数包括刀盘转速、刀盘扭矩、掘进距离、掘进速度、总推力；

所述环流参数包括进浆流量、排浆流量、泥浆仓压力和进排浆泥浆参数；

步骤四、盾构掘进并实时检测盾构设备运行参数，过程如下：

步骤401、通过泥浆循环装置向泥水冲刷管网提供泥浆，所述泥浆通过增压后进入盾构机的喷嘴，对盾构机的刀盘进行冲刷；

所述泥浆循环装置包括设置有排浆泵的排浆管路、用于分离泥浆的分离设备和设置有进浆泵的进浆管路，所述排浆管路与所述分离设备的进口相连通，所述进浆管路与分离设备的出口相连通，所述排浆管路与气垫仓底部相连通，所述进浆管路分有多个支管，分别对泥水仓和气垫仓内关键位置进行冲刷；

步骤402、通过高压泵向高压软管提供高压水，所述高压水通过液压泵增压后进入水刀钢管，从水刀喷头形成水刀对泥水仓中的泥块进行切割和冲刷，并配合步骤401中的喷嘴将泥块化为泥水混合液向设置在泥水仓内第一隔板底部的泥浆门冲刷；

步骤403、通过在泥浆门上安装的碎石机，对进入泥浆门的泥水混合液中的泥块或岩块进行破碎，再流入气垫仓；

步骤404、通过在气垫仓中第二隔板的底部开设有排浆孔，步骤403中经过破碎的泥水混合液从排浆孔进入泥浆循环装置；

泥水混合液进入排浆管路通过排浆泵增压，进入分离设备将泥块与泥浆分离，分离后的泥浆进入进浆管路通过进浆泵的增压进入泥水仓和气垫仓中的泥水冲刷管网中重复利用；

步骤五、判断出渣量是否减少：当出渣量异常减少时，应该对土仓和刀盘进行逆循环清洗；当出渣量正常时，执行步骤六；

步骤六、判断泥水仓压力是否波动异常：当泥水仓压力波动异常时，停止盾构推进，并对泥水仓进行循环携渣清洗，然后重新开始盾构掘进；当泥水仓压力波动正常时，执行步骤七；

步骤七、判断盾构掘进是否结束：通过设定的所述掘进参数中的掘进距离判断盾构掘进是否结束，当盾构设备实际掘进的距离与设定的所述掘进参数中的掘进距离不一致时，盾构掘进并未结束，循环操作步骤四；当盾构设备实际掘进的距离与设定的所述掘进参数中的掘进距离一致时，盾构掘进结束时，执行步骤八；

步骤八、延时清洗：盾构机掘进结束后，对清洗泥水仓、气垫仓和冲刷管路进行延时循环清洗后停机。

上述的一种盾构设备在高粘度泥岩中的掘进方法，其特征在于：所述喷嘴包括用于冲刷刀盘面板的面板喷嘴和用于冲刷刀盘背板的背板喷嘴，所述泥水冲刷管网与所述面板喷嘴连接的管段上设置有第一增压泵，所述泥水冲刷管网与所述背板喷嘴连接的管段上设置有第二增压泵。

上述的一种盾构设备在高粘度泥岩中的掘进方法，其特征在于：所述分散剂为泥岩分散剂，所述泥岩分散剂采用水和泥岩分散剂原液按质量比1：5的比例混合而成。

上述的一种盾构设备在高粘度泥岩中的掘进方法，其特征在于：所述步骤五中对出渣量进行监测时，通过在盾构机上设置的泥浆密度测量仪和泥浆流量计的读数对出渣量进行计算。

上述的一种盾构设备在高粘度泥岩中的掘进方法，其特征在于：所述步骤六中对泥水仓压力进行监测时，通过在泥水仓内设置多个压力传感器。

上述的一种盾构设备在高粘度泥岩中的掘进方法，其特征在于：所述水刀装置设置的数量有两个，两个所述水刀装置对称设置在泥水仓内。

上述的一种盾构设备在高粘度泥岩中的掘进方法，其特征在于：所述排浆孔处设置有格栅，所述排浆泵与分离设备之间的排浆管段上设置有中继泵。

上述的一种盾构设备在高粘度泥岩中的掘进方法，其特征在于：所述碎石机包括机架和对称设置在机架上且可转动的左瓣门和右瓣门，所述左瓣门和右瓣门上均通过液压油缸与机架相连。

上述的一种盾构设备在高粘度泥岩中的掘进方法，其特征在于：所述步骤一中，所述高压泵为gdl型立式多级泵。

上述的一种盾构设备在高粘度泥岩中的掘进方法，其特征在于：所述水刀喷头为扇形喷头，所述扇形喷头主体为圆柱形，所述扇形喷头出水口为扇形，所述扇形喷头连接端设置有外螺纹。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明通过设置水刀装置，对泥块进行有效的冲刷和切割，避免了开仓人工清理，缩短施工时间，降低施工风险。

2、本发明通过设置碎石机，将泥浆中的小块泥块或者参杂的石块硬物进行破碎，避免在泥浆循环的过程中造成堵塞，延误施工进度。

3、本发明设置有逆清洗程序，可以更有效的对冲刷管路进行自动清洗，防止冲刷管路由于长时间单向运行，造成管内壁淤积和粘结泥渣，导致循环工作能力下降。

4、本发明在盾构施工前对冲刷管路进行预清洗，在盾构施工结束后进行延时清洗，有效防止开挖渣土在泥水仓和气垫仓内的沉积。

5、本发明通过设置防喷器，有效防止高压泥浆在使用过程中由于高压软管和水刀钢管连接不够紧密造成高压泥浆喷射出来。

综上所述，本发明其设置水刀装置，对泥块进行有效的冲刷和切割，避免了开仓人工清理，缩短施工时间，降低施工风险，通过设置碎石机，将泥浆中的小块泥块或者参杂的石块硬物进行破碎，避免在泥浆循环的过程中造成堵塞，延误施工进度，设置于逆清洗程序，可以更有效的对冲刷管路进行自动清洗，防止冲刷管路由于长时间单向运行，造成管内壁淤积和粘结泥渣，导致循环工作能力下降。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的a处放大图。

图3为本发明碎石机的结构示意图。

图4为本发明水刀装置的结构示意图。

图5为本发明的方法流程图。

附图标记说明:

1—刀盘；2—牛腿；3—泥水仓；

4—气垫仓；5—中盾；6—尾盾；

7—水刀装置；7-1—水刀钢管；7-2—水刀喷头；

7-3—防喷器；8—高压软管；9—泥浆门；

10—排浆孔；11—排浆管路；12—进浆管路；

13—进浆泵；14—排浆泵；15—中继泵；

16—分离设备；17—碎石机；17-1—左瓣门；

17-2—右瓣门；17-3—液压油缸；17-4—机架；

18—第一隔板；19—第二隔板。

具体实施方式

如图1、图2和图5所示，本发明的盾构设备在高粘度泥岩中的掘进方法包括以下步骤：

步骤一、安装水刀装置并检查冲刷管路畅通：首先，安装水刀装置7穿过气垫仓4伸入至泥水仓3，通过高压软管8将水刀装置7与连有水管且安装在盾构机后配套台车上的高压泵的出水端连接；然后，检查冲刷管路，确保各管路畅通，所述冲刷管路包括高压软管8和连接盾构机喷嘴的泥水冲刷管网；

所述水刀装置7包括依次穿过盾构机的第二隔板19、气垫仓4和第一隔板18伸入至所述泥水仓3内的水刀钢管7-1、设置在水刀钢管7-1位于泥水仓3内一端的水刀喷头7-2和设置在水刀钢管7-1另一端的防喷器7-3，防喷器7-3安装在第二隔板19上；

需要说明的是，在实施盾构隧道时，隧道存在20a-1强风化泥岩，其余为上部砂层，下部岩层，20a-1强风化泥岩描述：青灰色，结构大部分破坏，岩芯呈黏性土夹强风化碎块状或强风化块混黏性土状，干钻可钻进，属极软岩，岩体破碎，岩体基本质量等级为ⅴ级；强风化泥岩主要含量为伊利石、蒙脱土、石英、云母、长石和方解石组成，其中蒙脱土是一种典型的粘土矿物，晶体结构为两层硅氧四面体夹一层铝氧八面体组成的重复单元，具有强大的高分子交换能力和亲水性及其优异的吸水膨胀能力和吸附能力。这种粘土矿物遇水膨胀，且非常粘稠，极易抱团，因此细颗粒蒙脱土是盾构刀盘在地下掘进过程中产生泥岩粘附和结泥饼问题的主要原因所在。

所述水刀装置7是将高压液体利用喷头的形状以固定的方向喷射出去，高压液体在挤压和喷射过程中形成固定形状的液体流，而且具有较高的速度和压力，可以对泥水仓3中形成的泥块进行切割并将切割后的泥块进行冲刷，高压液体可以是水也可以是泥浆，或其他的液体，本实施例中采用清水，清水的比重较泥浆要轻，经高压泵加压后效果更好，同时高压泵注水与泥浆相比，对设备使用较泥浆好。所述水刀装置7包括水刀钢管7-1、水刀喷头7-2和高压软管7-3，所述水刀钢管7-1依次穿过第二隔板19、气垫仓4和第一隔板18伸入至所述泥水仓3内，直接将水刀喷头7-2伸入泥水仓3中，并对水刀喷头7-2提供水源，避免了复杂的管路设计，而且钢管方便密封，在所述水刀钢管7-1与高压软管8的连接处设置有防喷器7-3，避免所述水刀钢管7-1与高压软管8连接强度不足导致高压软管8和水刀钢管7-1分离，并造成水刀钢管内的高压液体喷出。

步骤二、检查刀盘是否粘结有泥饼：当刀盘1粘结有泥饼时，在泥水仓3中注入分散剂，剥除刀盘1粘结的泥饼；当刀盘1未粘结有泥饼时，执行步骤三；

需要说明的是，盾构掘进时产生泥饼，会逐渐使掘进参数恶化，会导致设备推力，扭矩达最大负荷时，仍然无有效进度，因此在确定产生泥饼时使用分散剂对泥水仓3和气垫仓4进行注入分散剂处理，分散剂注入前需通过泥浆循环装置将仓内的泥浆尽可能地全部置换为清水，以免注入的分散剂与泥浆反应，影响分散剂与泥饼和积渣的反应效果。

步骤三、预清洗并设置盾构机环流参数和掘进参数：首先，启动泥水混合液循环系统，确定循环参数，将泥水仓3和气垫仓4内沉积渣土排出；然后，开启盾构机的掘进系统，并根据实际环境中的泥岩种类设置盾构的环流参数和掘进参数；

所述掘进参数包括刀盘转速、刀盘扭矩、掘进距离、掘进速度、总推力；

所述环流参数包括进浆流量、排浆流量、泥浆仓压力和进排浆泥浆参数；

需要说明的是，通过泥水混合液循环系统预循环可以有效将泥水仓3和气垫仓4的杂物冲洗出盾构机，同时也可以通过预清洗的操作进一步确定冲刷管路是否能够正常工作，若发现有故障应及时排除；另外在实际盾构隧道过程中，不同地区的围岩种类组成和结构不同，应根据实际环境中的围岩种类组成和结构设定盾构机的掘进参数，有利于提高盾构机的工作效率并尽可能延长盾构机的使用寿命。

所述进排浆泥浆参数包括泥浆比重、泥浆粘度、泥浆ph值和含砂率，实际测量时，主要测量进排浆泥浆的泥浆比重、泥浆粘度或泥浆ph值。

在本实施例中，盾构刀盘进入20a-1强风化泥岩，需对刀盘转速、掘进速度、总推力、进排浆流量、切口水压进行调整，刀盘转速为1.3～1.5rpm，刀盘扭矩小于3500kn·m，掘进速度为10mm/min，总推力小于2300t，进浆流量为950-1050m³/h，排浆流量为1000-1100m³/h，泥水仓压力要求恒压，减少波动，根据液位变化控制设定量，泥浆比重为1.1～1.15g/cm³，泥浆粘度20s/500ml～24s/500ml，泥浆粘度提高，提高携渣能力。

所述掘进参数包括刀盘转速、刀盘扭矩、掘进距离、掘进速度、总推力；所述环流参数包括进浆流量、排浆流量、泥浆仓压力和进浆浆液比重；

步骤四、盾构掘进并实时检测盾构设备运行参数，过程如下：

步骤401、通过泥浆循环装置向泥水冲刷管网提供泥浆，所述泥浆通过增压后进入盾构机的喷嘴，对盾构机的刀盘1进行冲刷；

所述泥浆循环装置包括设置有排浆泵14的排浆管路11、用于分离泥浆的分离设备16和设置有进浆泵13的进浆管路12，所述排浆管路11与所述分离设备16的进口相连通，所述进浆管路12与分离设备16的出口相连通，所述排浆管路11与气垫仓4底部相连通，所述进浆管路12分有多个支管，分别对泥水仓3和气垫仓4内关键位置进行冲刷；

需要说明的是，所述关键位置包括碎石机、格栅、刀盘1的背部和刀盘1正面径向位置。

需要说明的是，所述喷嘴设置在容易粘结泥饼的地方，所述喷嘴朝向设计的泥浆流动方向，多个所述喷嘴均与所述泥水冲刷管网相连通，所述喷嘴与泥水冲刷管网之间还设置有用于为泥水混合液增压的增压泵，可以有效防止和减弱泥饼粘结情况。

步骤402、通过高压泵向高压软管8提供高压水，所述高压水通过液压泵增压后进入水刀钢管7-1，从水刀喷头7-2形成水刀对泥水仓3中的泥块进行切割和冲刷，并配合步骤401中的喷嘴将泥块化为泥水混合液向设置在泥水仓内第一隔板18底部的泥浆门9冲刷；

需要说明的是，如图4所示，水刀喷头7-2在工作时对高压泥浆形成较大的阻力，使泥浆在水刀钢管7-1与水刀钢管安装管孔之间的缝隙向外喷出，防喷器7-3有效阻挡了外喷的高压泥浆，对盾构机内部形成保护。

步骤403、通过在泥浆门9上安装的碎石机17，对进入泥浆门9的泥水混合液中的泥块或岩块进行破碎，再流入气垫仓4；

需要说明的是，碎石机17可以有效防止泥浆中混入硬质岩或者难以冲刷和切割的较大泥饼堵塞在泥浆门9处发生堵塞，也减少了较大泥块和硬质岩进入所述泥浆循环装置，造成管路堵塞的可能性，泥浆在泥水仓3中流动时，一些过重的泥渣会逐渐在泥水仓3底部淤积，严重时会造成泥浆门9和排浆孔10同时堵塞，此时就需要停机，开仓进行人工清理，大大延误了工期，同时也提高了劳动成本，同时当泥渣淤积在泥水仓3底部时，可以通过碎石机10的活动来搅动泥浆，以到达疏通泥渣的目的，降低了泥渣淤积的可能性。

步骤404、通过在气垫仓4中第二隔板19的底部开设有排浆孔10，步骤403中经过破碎的泥水混合液从排浆孔10进入泥浆循环装置；

泥水混合液进入排浆管路11通过排浆泵14增压，进入分离设备16将泥块与泥浆分离，分离后的泥浆进入进浆管路12通过进浆泵13的增压进入泥水仓3和气垫仓4中的泥水冲刷管网中重复利用；

需要说明的是，所述泥浆循环装置的作用主要在于将泥浆收集进行沉淀分离处理后重新投入盾构机的所述喷嘴和水刀装置7内，泥浆循环装置包括排浆管路11和进浆管路12，排浆管路11用于将冲刷的泥浆运送至地面上的分离设备16中，所述排浆管路11和进浆管路12均设置有用于增压的液压泵，所述排浆管路11一端与气垫仓4底部通过排浆孔10相连通，另一端与分离设备16进口相连，所述进浆管路12一端与所述泥水冲刷管网相连，另一端与分离设备16出口相连。

步骤五、判断出渣量是否减少：当出渣量异常减少时，应该对土仓和刀盘1进行逆循环清洗；当出渣量正常时，执行步骤六；

需要说明的是，出渣量由于检测点处的实际情况不同，以及泥块数量和体积变化会产生一个正常范围的波动，此波动范围与盾构机的切削量、冲刷管路的尺寸以及泵压有关。

步骤六、判断泥水仓压力是否波动异常：当泥水仓压力波动异常时，停止盾构推进，并对泥水仓3进行循环携渣清洗，然后重新开始盾构掘进；当泥水仓压力波动正常时，执行步骤七；

需要说明的是，在泥岩段掘进过程中，如掘进过程中格栅发生堵塞或泥浆门9一定程度的积渣导致环流系统无法正常出渣时，会导致泥水仓3的压力波动异常，此时采用逆循环模式进行清洗，使泥水混合液在冲刷管路中倒转，对冲刷管路进行清洗。

步骤七、判断盾构掘进是否结束：通过设定的所述掘进参数中的掘进距离判断盾构掘进是否结束，当盾构设备实际掘进的距离与设定的所述掘进参数中的掘进距离不一致时，盾构掘进并未结束，循环操作步骤四；当盾构设备实际掘进的距离与设定的所述掘进参数中的掘进距离一致时，盾构掘进结束时，执行步骤八；

步骤八、延时清洗：盾构机掘进结束后，对清洗泥水仓3、气垫仓4和冲刷管路进行延时循环清洗后停机。

需要说明的是，盾构施工完成后，盾构机需经过循环清洗后再进行拆除，有利于盾构机的保养和防护，也便于运输。

本实施例中，所述喷嘴包括用于冲刷刀盘面板的面板喷嘴和用于冲刷刀盘背板的背板喷嘴，所述泥水冲刷管网与所述面板喷嘴连接的管段上设置有第一增压泵，所述泥水冲刷管网与所述背板喷嘴连接的管段上设置有第二增压泵。

本实施例中，所述分散剂为泥岩分散剂，所述泥岩分散剂采用水和泥岩分散剂原液按质量比1：5的比例混合而成。

需要说明的是，分散剂的比例取决于泥饼的粘结情况，也与分散剂的成分有关，本实施例中泥岩分散剂在泥水仓和气垫仓中浸泡10～15小时后开始掘进。

本实施例中，所述步骤五中对出渣量进行监测时，通过在盾构机上设置的泥浆密度测量仪和泥浆流量计的读数对出渣量进行计算。

需要说明的是，出渣量由于泥浆与水的混合程度不均匀无法准确测量，也由于泥渣的特性通常无法直接进行测量，泥渣不溶于水，只是与水混合，根据泥浆的密度和流量，可以计算出泥浆中的含渣量。

本实施例中，所述步骤六中对泥水仓3压力进行监测时，通过在泥水仓3内设置多个压力传感器。

盾构机本身无法对泥水仓3的压力进行直接测量，但是为了施工方便和检测准确，在施工前在泥水仓3内安装压力传感器，该压力传感器的数量通常设置有多个。

本实施例中，所述水刀装置7设置的数量有两个，两个所述水刀装置7对称设置在泥水仓3内。

需要说明的是，所述水刀装置7设置的数量有两个且对称设置，不仅有利于加强对泥水仓中泥块的切割和冲刷，而且对刀盘1的正转和反转拥有相同的切割和冲刷泥饼的效果，防止刀盘1由于转向改变增加了泥块粘结的可能性。

本实施例中，所述排浆孔10处设置有格栅，所述排浆泵14与分离设备16之间的排浆管11段上设置有中继泵15。

需要说明的是，此处也可以不安装格栅，安装格栅的目的在于对泥浆进行过滤将泥浆中大块的岩石或者泥块分离在排浆管路11外，防止大块岩石或泥块进入排浆管路11后对管路造成堵塞，影响施工进度，由于地下空间有限，泥浆分离设备放置在地面上，排浆管路11将盾构泥浆从隧道内泵送至地面上的分离设备16中，一般需要较大的压力，在排浆管路11上通常会设置一个与排浆泵14共同为泥浆增压的中继泵15，以保证泥浆以足够的压力和流量进入地面上的分离设备16。

本实施例中，所述步骤一中，所述高压泵为gdl型立式多级泵。

需要说明的是，水在管路中的压力损失非常大，往往到了盾构机时基本上没有压力，水刀装置7往往需要高压力的水，则需要对所述水重新加压，在进浆管路12与高压软管8连接位置处设置有增压装置，用于为所述水进行加压。本实施例采用gdl型立式多级泵，泵电机功率22kw，扬程98m，每小时56m³。

本实施例中，所述碎石机17包括机架17-4和对称设置在机架17-4上且可转动的左瓣门17-1和右瓣门17-2，所述左瓣门17-1和右瓣门17-2上均通过液压油缸17-3与机架17-4相连。

需要说明的是，如图3所示，所述碎石机17的结构也可以是上下结合或者其他的结合方式，在本实施例中，采用左右结合的方式，包括左瓣们17-1和右瓣门17-2，所述左瓣们17-1和右瓣门17-2对称设置，且分别设置有各自的驱动装置，动作互不影响。

本实施例中，所述水刀喷头7-2为扇形喷头，所述扇形喷头主体为圆柱形，所述扇形喷头出水口为扇形，所述扇形喷头连接端设置有外螺纹。

需要说明的是，圆柱形的喷头主体设置有外螺纹便于安装在水刀钢管7-1上，喷头出水口为扇形，可以使泥浆形成有效的水刀，并保持泥浆喷射的方向，对泥块进行有效切割。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。