一种适用于砂卵石地层的浓泥盾构施工装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种适用于砂卵石地层的浓泥盾构施工装置及方法，该方法结合了泥水加压盾构和土压平衡盾构的工作模式，在泥水加压盾构的基础上，增加了螺旋排土器和卵石泥浆分选舱，将现有技术中的搅拌翼改为多个均匀分布的网状孔。在砂卵石地层掘进过程中，用浓泥浆支护开挖面的稳定，同时在排渣方式上使用螺旋排土器与排泥泵相结合的方式，保证在砂卵石地层的掘进工作时的高效率，结合了两种盾构的施工特点，防止压力舱的淤堵，减小排泥管道的磨损，提高掘进效率。
【专利说明】
一种适用于砂卵石地层的浓泥盾构施工装置及方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种适用于砂卵石地层的浓泥盾构施工装置及方法，属于地铁及隧道施工技术领域。
【背景技术】
[0002]随着我国城市轨道交通建设发展迅速，隧道建设工程量日益增加。盾构法隧道施工具有对周边建筑环境的影响小、施工速度快，施工自动化程度高、安全性好等优点被广泛的采用，尤其是在建筑密集或地层性质特殊的地区。例如南京、武汉、兰州等城市的穿河穿江公路隧道就是广泛采用盾构法进行建设，盾构法施工技术在我国将得到越来越广的发展及应用。
[0003]盾构机的选型，与工程所在的地质条件紧密结合。常用的盾构类型分为土压平衡盾构和泥水加压盾构。土压平衡盾构施工适合于以细颗粒为主、透水性较小且扰动后易于形成塑性流动状态的地层；而泥水加压盾构适合于渗透性较大的粗砂及砂砾石地层。在地铁、越江越海隧道的建设过程中，常会遇到施工困难的砂卵石地层，如成都及兰州地铁、南京长江隧道等。尤其是在成都及兰州等地区，其地层中含有大量的砂卵石，土压平衡盾构不能很好的保持开挖面的稳定，易于造成开挖面失稳坍塌及低保塌陷等事故;泥水加压盾构能够在开挖面上形成泥膜，维持开挖面的稳定，但在渣土排出时，易出现淤堵、闭塞等情况，并且在输出废泥浆过程中常造成排泥管的磨损破坏。因此，针对砂卵石地层盾构施工困难的问题，有必要设计出一种新的盾构施工技术，以适应于在砂卵石地层中的高效、安全的掘进施工。
[0004]针对砂卵石地层的现有盾构技术，很少甚至未考虑压力舱内的砂卵石的状态；同时，遇到较大粒径卵石时现有技术均是在压力舱内使用破碎机进行破碎，破碎效率低;通过排泥管排出卵石泥浆混合物时，未考虑将卵石分离，大大增加了卵石对管道的磨损破坏情况。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种适用于砂卵石地层的浓泥盾构施工装置及方法。
[0006]为解决上述技术问题，本发明提供一种适用于砂卵石地层的浓泥盾构施工装置，包括盾构机本体，本体的前端设置有刀盘(15)，其特征是，还包括泥浆发生及处理装置、进泥管(I)、螺旋排土器(5)、搅拌翼(6)、卵石泥浆分选舱(7)、压力控制阀(8)、挡板(9)、泥水舱(10)、气压舱(11)、密封门(12)、隔板(13)和驱动轴(14);
所述刀盘(15)与挡板(9)密封形成所述泥水舱(10)，所述驱动轴(14)的一端横向设置在所述挡板(9)上，所述搅拌翼(6)转动连接所述驱动轴(14)远离挡板(9)的一端，所述驱动轴(14)位于泥水舱(10)内；
所述隔板(13)位于所述搅拌翼(6)与所述挡板(9)之间，所述隔板(13)的一端设置在泥水舱(10)的内顶壁上，所述隔板(13)另一端距离所述泥水舱(10)的底壁有一长度A;
所述隔板(13)与所述挡板(9)之间的上端设置有所述气压舱(11);
所述进泥管(I)的输入端连接所述泥浆发生及处理装置，所述进泥管(I)的输出端经过挡板(9)连接气压舱(11);
所述螺旋排土器(5)的输入端设置在所述泥水舱(10)内，所述螺旋排土器(5)的输出端连接所述压力控制阀(8)的一端，所述压力控制阀(8)的另一端连接所述卵石泥浆分选舱
(7)的输入端。
[0007]优先地，还包括进泥栗(2);所述进泥栗(2)设置在所述进泥管(I)上。
[0008]优先地，所述进泥管(I)与所述挡板(9)、所述螺旋排土器(5)与所述挡板(9)连接处均密封设置。
[0009]优先地，还包括若干个管片、排泥栗(4)和排泥管(3);所述卵石泥浆分选舱(7)的输出端连接所述排泥管(3)的输入端;所述排泥栗(4)设置在所述排泥管(3)上;盾构机本体上设置有若干个所述管片。
[0010]优先地，所述搅拌翼(6)的翼尾部上设置有若干个均匀分布的网状孔。
[0011 ]优先地，还包括密封舱门(12);所述密封舱门(12)设置在所述卵石泥浆分选舱(7)的底部;所述卵石泥浆分选舱(7)的输入端处设置有大粒径筛网，所述大粒径筛网设置在距离卵石泥浆分选舱(7)输入端处20?50cmo
[0012]优先地，所述盾构机本体为圆柱体，A为盾构机本体内径的I/4?I /3。
[0013]—种基于适用于砂卵石地层的浓泥盾构施工装置的方法，其特征是，包托以下步骤:
步骤一:根据盾构机所在处的砂卵石地层的颗粒级配，配置一定密度的浓泥浆；
步骤二:当盾构机在砂卵石地层开挖掘进时，进泥栗(2)将泥浆发生及处理装置中的浓泥浆通过进泥管(I)带入气压舱(11)内，浓泥浆从气压舱(11)流入泥水舱(10)中，气压舱
[11]增加泥水舱(10)内压力至设定值，浓泥浆在气压舱(11)的压力作用下支护盾构机的开挖面；
步骤三:通过刀盘(15)开挖出的砂卵石从开挖面进入泥水舱(10)内，通过搅拌翼(6)的搅拌使得砂卵石与浓泥浆均匀混合；
步骤四:当浓泥浆与砂卵石的混合物密度较小即渣土状态较稀时，混合物在气压舱
(11)的压力作用下从螺旋排土器(5)中流入卵石泥浆分选舱(7)内；当浓泥浆与砂卵石混合物密度较大或混合物在气压舱(11)的压力作用下无法自行排出时，运行螺旋排土器(5)，通过螺旋排土器(5)中的螺旋叶片将混合物带入卵石泥浆分选舱(7)中，排出完毕后，螺旋排土器(5)暂停；
步骤五:混合物进入卵石泥浆分选舱(7)后，大粒径筛网进行大粒径卵石与浓泥浆的分离，大粒径卵石被集中留在卵石泥浆分选舱(7)的底部，而浓泥浆和一些小粒径卵石的砂砾混合物在排泥栗(4)的带动下从排泥管(3)中流入泥浆发生及处理装置中；在泥浆发生及处理装置中处理浓泥浆和一些小粒径卵石的砂砾混合物，处理后输出的浓泥浆被重复使用；步骤六:当一环掘进完毕后，盾构机停止工作，拼装管片时，启动压力控制阀(8)，保持卵石泥浆分选舱(7)内压力为常压，打开密封舱门(12)，将大粒径卵石排入运输车运送至地面;当大粒径卵石排完后，关闭压力控制阀(8); 步骤七:新一环掘进开始后，重复步骤一至步骤六。
[0014]优先地，所述步骤一中的浓泥浆的密度范围为1.15?1.3g/cm3。
[0015]优先地，步骤五中大粒径卵石为粒径大于等于30mm。
[0016]本发明所达到的有益效果:
(I)本发明将特定配制密度的浓泥浆带入泥水舱中，经过搅拌翼的搅拌增大开挖出的砂卵石与浓泥浆的整体混合程度，缓解大粒径砂卵石沉积在排土出口的问题，极大程度上防止了堵塞效应;搅拌翼上的均匀分布的网状孔，增大了搅拌翼与混合物的接触面积，使得搅拌更加充分，提高了搅拌翼的工作效率。
[0017](2)在砂卵石与浓泥浆的混合物排出过程中，在气压舱的压力作用下以整体排出为主，螺旋排土器破碎为辅，螺旋排土器仅影响排出的大粒径卵石，极大的提高了排土速率。
[0018](3)在卵石泥浆分选舱中，通过大粒径筛网将大粒径卵石与小粒径卵石、浓泥浆分离，使得大粒径卵石沉入卵石泥浆分选舱的底部，通过运输车排出，减小了砂卵石与浓泥浆的混合物对排泥管的磨损及破坏，延长了排泥管的使用寿命，在一定程度上节约了工程成本;同时，减小了砂卵石与浓泥浆的混合物的比重，与现有技术相比同样的电功率下排泥管的效率得到一定提高。
[0019](4)本发明结合土压平衡盾构及泥水加压平衡盾构的特点，针对砂卵石这一特殊地层，有机的将两种盾构形式结合，在泥水加压盾构的基础上，增加螺旋排土器，卵石泥浆分选舱和压力控制阀，改进其搅拌翼，推进了盾构机突出的进一步发展和进步。
【附图说明】
[0020]图1是本发明的结构示意图。
[0021 ]附图标记，1-进泥管，2-进泥栗，3-排泥管，4-排泥栗，5-螺旋排土器，6_搅拌翼，7_卵石泥浆分选舱，8-压力控制阀，9-挡板，10-泥水舱，11-气压舱，12-密封舱门，13-隔板，14-驱动轴，15-刀盘。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0023]如图1所示，一种适用于砂卵石地层的浓泥盾构施工装置，包括盾构机本体，盾构机本体为圆柱体，本体的前端设置有刀盘15，还包括泥浆发生及处理装置、进泥管1、螺旋排土器5、搅拌翼6、卵石泥浆分选舱7、压力控制阀8、挡板9、泥水舱10、气压舱11、密封门12、隔板13和驱动轴14;
刀盘15与挡板9密封形成泥水舱10，驱动轴14的一端横向设置在挡板9上，搅拌翼6转动连接驱动轴14远离挡板9的一端，驱动轴14位于泥水舱1内；
隔板13位于搅拌翼6与挡板9之间，隔板13的一端设置在泥水舱10的内顶壁上，隔板13的另一端距离泥水舱1底壁的长度为盾构机本体内径的I/4-1/3。
[0024]隔板13与挡板9之间的上端设置有气压舱11;
进泥管I的输入端连接泥浆发生及处理装置，进泥管I的输出端经过挡板9连接气压舱 11；
螺旋排土器5的输入端设置在泥水舱10内，螺旋排土器5的输出端连接压力控制阀8的一端，压力控制阀8的另一端连接卵石泥浆分选舱7的输入端。
[0025]进泥栗2设置在进泥管I上。
[0026]进泥管I与挡板9、螺旋排土器5与挡板9连接处均密封设置。
[0027]还包括若干个管片、排泥栗4和排泥管3;卵石泥浆分选舱7的输出端连接排泥管3的输入端;排泥栗4设置在排泥管3上;盾构机本体上设置有若干个管片。
[0028]搅拌翼6的翼尾部上设置有若干个均匀分布的网状孔。
[0029]密封舱门12设置在卵石泥浆分选舱7的底部;卵石泥浆分选舱7的输入端处设置有大粒径筛网。所述大粒径筛网设置在距离卵石泥浆分选舱7输入端处20?50cm。
[0030]一种基于适用于砂卵石地层的浓泥盾构施工装置的方法，包托以下步骤:
步骤一:根据盾构机所在处的砂卵石地层的颗粒级配，配置一定密度的浓泥浆；
步骤二:当盾构机在砂卵石地层开挖掘进时，进泥栗2将泥浆发生及处理装置中的浓泥浆通过进泥管I带入气压舱11内，浓泥浆从气压舱11流入泥水舱10中，气压舱11增加泥水舱10内压力至设定值，浓泥浆在气压舱11的压力作用下支护盾构机的开挖面；
步骤三:通过刀盘15开挖出的砂卵石从开挖面进入泥水舱10内，通过搅拌翼6的搅拌使得砂卵石与浓泥浆均匀混合，搅拌翼6的搅拌作用减缓了砂卵石向底部沉积的时间；
步骤四:当浓泥浆与砂卵石的混合物密度较小即渣土状态较稀时，混合物在气压舱11的压力作用下从螺旋排土器5中流入卵石泥浆分选舱7内；当浓泥浆与砂卵石混合物密度较大或混合物在气压舱11的压力作用下无法自行排出时，运行螺旋排土器5，通过螺旋排土器5中的螺旋叶片将混合物带入卵石泥浆分选舱7中，排出完毕后，螺旋排土器5暂停；
步骤五:混合物进入卵石泥浆分选舱7后，大粒径筛网进行大粒径卵石与浓泥浆的分离，大粒径卵石被集中留在卵石泥浆分选舱7的底部，而浓泥浆和一些小粒径卵石的砂砾混合物在排泥栗4的带动下从排泥管3中流入泥浆发生及处理装置中；在泥浆发生及处理装置中处理浓泥浆和一些小粒径卵石的砂砾混合物，处理后输出的浓泥浆被重复使用；
步骤六:当一环掘进完毕后，盾构机停止工作，拼装管片时，启动压力控制阀8，保持卵石泥浆分选舱7内压力为常压，打开密封舱门12，将大粒径卵石排入运输车运送至地面；当大粒径卵石排完后，关闭压力控制阀8;
步骤七:新一环掘进开始后，重复步骤一至步骤六。
[0031 ]步骤一中的浓泥浆的密度范围为1.15-1.3g/cm3。
[0032]步骤五中大粒径卵石为粒径大于等于30mm。
[0033]以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种适用于砂卵石地层的浓泥盾构施工装置，包括盾构机本体，本体的前端设置有刀盘(15)，其特征是，还包括泥浆发生及处理装置、进泥管(1)、螺旋排土器(5)、搅拌翼(6)、卵石泥浆分选舱(7)、压力控制阀(8)、挡板(9)、泥水舱(10)、气压舱(11)、密封门(12)、隔板(13)和驱动轴(14); 所述刀盘(15)与挡板(9)密封形成所述泥水舱(10)，所述驱动轴(14)的一端横向设置在所述挡板(9)上，所述搅拌翼(6)转动连接所述驱动轴(14)远离挡板(9)的一端，所述驱动轴(14)位于泥水舱(10)内； 所述隔板(13)位于所述搅拌翼(6)与所述挡板(9)之间，所述隔板(13)的一端设置在泥水舱(10)的内顶壁上，所述隔板(13)另一端距离所述泥水舱(10)的底壁有一长度A; 所述隔板(13)与所述挡板(9)之间的上端设置有所述气压舱(11); 所述进泥管(I)的输入端连接所述泥浆发生及处理装置，所述进泥管(I)的输出端经过挡板(9)连接气压舱(11); 所述螺旋排土器(5)的输入端设置在所述泥水舱(10)内，所述螺旋排土器(5)的输出端连接所述压力控制阀(8)的一端，所述压力控制阀(8)的另一端连接所述卵石泥浆分选舱(7)的输入端。2.根据权利要求1所述的一种适用于砂卵石地层的浓泥盾构施工装置，其特征是，还包括进泥栗(2);所述进泥栗(2)设置在所述进泥管(I)上。3.根据权利要求1所述的一种适用于砂卵石地层的浓泥盾构施工装置，其特征是，所述进泥管(I)与所述挡板(9)、所述螺旋排土器(5)与所述挡板(9)连接处均密封设置。4.根据权利要求1所述的一种适用于砂卵石地层的浓泥盾构施工装置，其特征是，还包括若干个管片、排泥栗(4)和排泥管(3);所述卵石泥浆分选舱(7)的输出端连接所述排泥管(3)的输入端;所述排泥栗(4)设置在所述排泥管(3)上;盾构机本体上设置有若干个所述管片。5.根据权利要求1所述的一种适用于砂卵石地层的浓泥盾构施工装置，其特征是，所述搅拌翼(6)的翼尾部上设置有若干个均匀分布的网状孔。6.根据权利要求1所述的一种适用于砂卵石地层的浓泥盾构施工装置，其特征是，还包括密封舱门(12);所述密封舱门(12)设置在所述卵石泥浆分选舱(7)的底部;所述卵石泥浆分选舱(7)的输入端处设置有大粒径筛网，所述大粒径筛网设置在距离卵石泥浆分选舱(7)输入端处20~50cmo7.根据权利要求1所述的一种适用于砂卵石地层的浓泥盾构施工装置，其特征是，所述盾构机本体为圆柱体，A为盾构机本体内径的I/4-1/3。8.一种基于适用于砂卵石地层的浓泥盾构施工装置的方法，其特征是，包托以下步骤: 步骤一:根据盾构机所在处的砂卵石地层的颗粒级配，配置一定密度的浓泥浆； 步骤二:当盾构机在砂卵石地层开挖掘进时，进泥栗(2)将泥浆发生及处理装置中的浓泥浆通过进泥管(I)带入气压舱(11)内，浓泥浆从气压舱(11)流入泥水舱(10)中，气压舱(11)增加泥水舱(10)内压力至设定值，浓泥浆在气压舱(11)的压力作用下支护盾构机的开挖面； 步骤三:通过刀盘(15 )开挖出的砂卵石从开挖面进入泥水舱(1 )内，通过搅拌翼(6 )的搅拌使得砂卵石与浓泥浆均匀混合； 步骤四:当浓泥浆与砂卵石的混合物密度较小即渣土状态较稀时，混合物在气压舱(11)的压力作用下从螺旋排土器(5)中流入卵石泥浆分选舱(7)内；当浓泥浆与砂卵石混合物密度较大或混合物在气压舱(11)的压力作用下无法自行排出时，运行螺旋排土器(5)，通过螺旋排土器(5)中的螺旋叶片将混合物带入卵石泥浆分选舱(7)中，排出完毕后，螺旋排土器(5)暂停； 步骤五:混合物进入卵石泥浆分选舱(7)后，大粒径筛网进行大粒径卵石与浓泥浆的分离，大粒径卵石被集中留在卵石泥浆分选舱(7)的底部，而浓泥浆和一些小粒径卵石的砂砾混合物在排泥栗(4)的带动下从排泥管(3)中流入泥浆发生及处理装置中；在泥浆发生及处理装置中处理浓泥浆和一些小粒径卵石的砂砾混合物，处理后输出的浓泥浆被重复使用； 步骤六:当一环掘进完毕后，盾构机停止工作，拼装管片时，启动压力控制阀(8)，保持卵石泥浆分选舱(7)内压力为常压，打开密封舱门(12)，将大粒径卵石排入运输车运送至地面;当大粒径卵石排完后，关闭压力控制阀(8); 步骤七:新一环掘进开始后，重复步骤一至步骤六。9.根据权利要求8所述的一种基于适用于砂卵石地层的浓泥盾构施工装置的方法，其特征是，所述步骤一中的浓泥楽的密度范围为1.15?1.3g/cm3。10.根据权利要求8所述的一种基于适用于砂卵石地层的浓泥盾构施工装置的方法，其特征是，步骤五中大粒径卵石为粒径大于等于30_。
【文档编号】E21D9/12GK106089221SQ201610443407
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月21日
【发明人】朱伟, 钱勇进, 闵凡路, 张宁, 杜瑞
【申请人】河海大学