土压平衡盾构管道挤压式输送渣土的方法及系统与流程

本发明涉及盾构施工技术领域，特别地，涉及一种土压平衡盾构管道挤压式输送渣土的方法及系统。

背景技术：

目前土压平衡盾构主要采用皮带输送机、电瓶车、龙门吊出渣方式，渣土从螺旋输送机排渣口排到皮带输送机皮带上，由皮带输送机运输至电瓶车牵引的渣斗内，再由电瓶车运输至竖井底部，最后用龙门吊将渣斗垂直起吊至地面并将渣土吊运排放至渣土池。目前土压平衡盾构渣土运输方法存在以下诸多缺陷：

(1)出渣效率慢：水平运输时，由于隧道内空间限制无法设置错车道，需一台装载渣土的电瓶车将渣土运输至车站或竖井后，另一台电瓶车才能驶入。同时，渣斗垂直吊运时间长。

(2)安全隐患高：隧道内重载渣斗的电瓶车水平运输时易出现溜车、脱轨等安全事故。同时，龙门吊垂直吊运的安全风险大。

(3)设备投入大：隧道内渣土水平运输时需要投入皮带输送机和大吨位电瓶车，渣土垂直运输时需要大吨位龙门吊。

(4)环境影响大：隧道内渣土敞开式运输，且隧道内通风条件差，严重影响隧道内空气质量。

技术实现要素：

本发明提供了一种土压平衡盾构管道挤压式渣土运输方法及系统，以解决现有的土压平衡盾构渣土运输方法存在的出渣效率慢、安全隐患高、设备投入大和环境影响大的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种土压平衡盾构管道挤压式输送渣土的方法，其用于将土压平衡盾构螺旋输送机输出的渣土输送至地面的渣土池，其包括以下步骤：

s1：对渣土进行破碎或者搅拌混合；

s2：对渣土的流动性进行改良；及

s3：对改良后的渣土采用挤压式管道进行输送。

进一步地，步骤s2具体为：向渣土中加入泡沫剂、水和膨润土并进行搅拌。

进一步地，在搅拌过程中检测渣土的含水率和流动性。

进一步地，该方法还包括以下步骤：

s4：在渣土进行挤压式管道输送过程中检测管路内的渣土压力，当检测到管道内的渣土压力过小时，对管道内的渣土进行增压输送。

进一步地，当检测到管路内的渣土压力过小时，步骤s4还包括以下步骤：

s5：对管道内的渣土进行润滑。

进一步地，步骤s2中加入的膨润土、水和泡沫剂三者的重量组分比分别为1500～2000份：500～1200份：40～60份。

本发明还提供一种土压平衡盾构管道挤压式输送渣土的系统，其适用于如上所述的方法，该系统包括：

渣土研磨机，用于对渣土进行破碎或者搅拌混合；

搅拌箱，用于对渣土的流动性进行改良；

渣土输送管道，用于输送渣土；

渣土压送装置，用于增加渣土压力对以使渣土在渣土输送管道内形成挤压式输送；

渣土研磨机分别与土压平衡盾构螺旋输送机和搅拌箱连接，搅拌箱分别与渣土研磨机和渣土输送管道连接，渣土压送装置设置在搅拌箱的出口处。

进一步地，该系统还包括设置在渣土输送管道上并用于对渣土进行加压输送的中继加压装置。

进一步地，搅拌箱内设置有用于检测渣土含水率的含水率检测装置和检测渣土流动性的传感器。

进一步地，该系统还包括设置在渣土输送管道上并用于在渣土进行挤压式输送的过程中对渣土进行润滑的渣土润滑装置。

本发明具有以下有益效果：

本发明的土压平衡盾构管道挤压式渣土运输方法，通过在土压平衡盾构螺旋输送机出口至地面渣土池之前，先对渣土进行搅拌混合或破碎，以便于后续搅拌均匀和管道输送，然后通过对渣土进行改良以调节渣土的含水率和流动性，以确保改良后的渣土可以顺畅地在管道内挤压输送，提升了出渣效率，另外还利用管道挤压的方式对渣土进行输送，无需在隧道内设置电瓶车输送渣土和在竖井处设置龙门吊来运输渣土，解决现有土压平衡盾构渣土出渣效率低、安全隐患高、设备投入大、环境影响大的难题。

本发明的土压平衡盾构管道挤压式渣土运输系统同样具有上述优点。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的土压平衡盾构管道挤压式渣土运输方法的流程示意图；

图2是本发明另一实施例的土压平衡盾构管道挤压式渣土运输系统的模块示意图。

图3是本发明另一实施例的搅拌混合型研磨机的示意图。

图4是本发明另一实施例的破碎型研磨机的示意图。

图5是本发明另一实施例的搅拌箱的示意图。

图例说明：

11、渣土研磨机；12、搅拌箱；13、渣土压送装置；14、中继加压装置；15、渣土输送管道；16、渣土润滑装置。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1所示，本发明的优选实施例提供一种土压平衡盾构管道挤压式渣土运输方法，其用于在土压平衡盾构施工中将渣土输送至地面的渣土池，具体地，将土压平衡盾构螺旋输送机输出的渣土输送至地面的渣土池，其可以有效提高渣土的输送效率，消除了现有渣土输送方法存在的水平运输和垂直运输的安全风险、降低了设备投入成本、确保了隧道内具有良好的施工环境。所述土压平衡盾构管道挤压式渣土运输方法包括以下步骤：

步骤s1：对渣土进行破碎或者搅拌混合；

步骤s2：对渣土的流动性进行改良；及

步骤s3：对改良后的渣土采用挤压式管道进行输送。

可以理解，在所述步骤s1中，针对复合地层产生的渣土，由于渣土呈块状且尺寸较大，如果直接进行管道输送可能会堵塞管道，因此需先将尺寸较大的渣土破碎成小块渣土以便于在管道内进行输送。而针对黏土地层产生的渣土，其渣土尺寸不是很大，但是渣土粘度较大容易粘结在一起，因此也需先将粘结在一起的渣土进行搅拌混合以便于在管道内进行输送。

可以理解，即使渣土进行步骤s1中的破碎处理或搅拌混合处理后，渣土在管道内的输送效率还是很低，这是由于渣土本身的流动性较差而导致的。在步骤s2中对渣土的流动性进行改良以加快其在管道内的输送速度。具体地，向渣土中加入泡沫剂、水和膨润土对渣土的流动性进行改良，以使改良后的渣土的含水率控制在40～60％，优选为50％。当渣土的含水率在此范围内时，渣土处于可塑-流塑状态，不仅可以保证渣土在管道内挤压输送的速度，而且输送至地面渣土池后可以直接进行使用。如果渣土的含水率过低时，渣土在管道内挤压输送的速度较慢，很大程度上降低了输送效率；如果渣土的含水率过高时，虽然渣土在管道内挤压输送的速度很快，但是输送至地面渣土池后需要进行脱水处理才能进行使用，增加了后续渣土脱水处理的工作任务，相应地增加了设备投入和生产成本，而且还需要加入大量的泡沫剂、水和膨润土来进行改良，极大程度地增加了生产成本。另外，加入的膨润土、水和泡沫剂三者的重量组分比分别为1500～2000份：500～1200份：40～60份，优选为1600～1965份：550～950份：40～55份，进一步优选为1750～1800份：600～750份：45～50份，在本发明的其他一些实施例中，三者的重量组分比还可以是1550:550:45,1600:650:48等等。当三者的组分重量组分比在此范围内时可以控制改良后的渣土的含水率控制在40～60％。在往渣土中加入上述重量组分比例的膨润土、水和泡沫剂后进行搅拌混合。作为优选的，在搅拌过程中还对渣土的含水率和/或流动性进行检测。作业人员可以在搅拌过程中目测渣土的形态，当渣土具有一定流动性时，利用tdr探针检测渣土的含水率和利用贯入式锥尖传感器来检测渣土的流动性，当渣土的流动性和含水率不满足性能时，即含水率不在40～60％范围内，流动性也不符合设定要求，可以再往渣土中加入上述重量组分比的膨润土、水和泡沫剂对渣土进行继续改良，直至满足性能要求。

接下来以以下实验组来对步骤s2中加入的膨润土、水和泡沫剂三者的重量组分比进行解释说明。

取相同质量的同一施工现场产生的渣土，往渣土中分别加入以下7个实验组不同重量组分配比的膨润土、水和泡沫剂，搅拌均匀后利用tdr探针和贯入式锥尖传感器分别依次检测每个实验组改良后的渣土的含水率和流动性，

实验组1

往渣土中加入1800重量份的膨润土、600重量份的水和50重量份的泡沫剂。

实验组2

往渣土中加入1000重量份的膨润土、600重量份的水和50重量份的泡沫剂。

实验组3

往渣土中加入2500重量份的膨润土、600重量份的水和50重量份的泡沫剂。

实验组4

往渣土中加入1800重量份的膨润土、300重量份的水和50重量份的泡沫剂。

实验组5

往渣土中加入1800重量份的膨润土、1000重量份的水和50重量份的泡沫剂。

实验组6

往渣土中加入1800重量份的膨润土、600重量份的水和30重量份的泡沫剂。

实验组7

往渣土中加入1800重量份的膨润土、600重量份的水和80重量份的泡沫剂。

检测结果如下表所示：

根据实验组1、实验组2和实验组3的检测结果得知，实验组1的含水率在40～60％的范围内，改良后的渣土处于可塑-流塑状态，而且改良后的渣土的流动性也很好。而实验组2中由于膨润土的加入量太少，导致改良后的渣土的含水率偏高，改良后的渣土基本属于流体状态，虽然流动性很好，但是渣土输送至地面的渣土池后还需要经过脱水处理才能对渣土进行二次利用，增加了后期脱水处理的生产设备投入和生产成本。而实验组3中由于膨润土加入量太大，导致改良后的渣土的含水率偏低，但是由于膨润土是对渣土的流动性改良起主要作用的，因此，改良后的渣土仍然具有较好的流动性。

根据实验组1、实验组4和实验组5的检测结果得知，实验组4中由于加入的水量太少，而导致渣土中含水率过低，但是膨润土的重量比例相对于实验组1而言有增大，因此，改良后的渣土仍然具有较好的流动性。而实验组5中由于加入的水量太多，含水率虽然大幅度提升，但是膨润土的相对重量比降低了，因此，相对于实验组1而言，其改良后的渣土只具有较好的流动性。

根据实验组1、实验组6和实验组7的检测结果得知，实验组6中的泡沫剂加入量太小，而实验组7中的泡沫剂加入量太大，泡沫剂的主要作用是起到润滑和减磨的作用，因此，实验组6中由于泡沫剂加入量太小，起不到很好的润滑和减磨作用，改良后的渣土只具有较好的流动性。而实验组7中由于泡沫剂加入量太大，导致泡沫剂的发泡效果不是很好，也起不到很好的润滑和减磨作用，改良后的渣土也只具有较好的流动性。

因此，综合实验组1～7的检测结果分析可知，步骤s2中加入的膨润土、水和泡沫剂三者的重量组分比分别为1500～2000份：500～1200份：40～60份时，改良后的渣土具有最好的含水率，改良后的渣土处于可塑-流塑状态，而且其流动性也最好。

可以理解，在步骤s3中，对改良后的渣土进行加压，以使渣土在管道内形成挤压式输送。所述步骤s3中施加给改良后的渣土的压力为3～5bar，优选为3～3.5bar，施加给渣土的压力在此范围内时，可以确保渣土在管道内以较快的速度进行输送，又可以防止由于渣土压力过大而导致管道发生破裂。所述管道结构需要满足耐磨、耐压等要求，管道的直径为至少6寸，优选为8寸或者10寸，当管道的直径尺寸在此范围内时，可以保证渣土在管道内快速地输送。还可以理解，所述管道结构包括直管道和蛇形管道，蛇形管道设置在靠近搅拌箱的一端，由于蛇形管道的长度可以伸长或者缩短，因此可以根据实际需要调整整体管道结构的长度，以适应盾构向前掘进时管道长度的变化。可以理解，当不需要接管时，将蛇形管道慢慢拉长；需要接管时，将蛇形管道缩短，并在蛇形管与直管道之间再接一根或多根直管道。

可以理解，由于渣土输送管道的长度较长，渣土在长距离的管道内进行输送时渣土压力会逐渐减小，在管道的中段或者尾段渣土的输送速度大大降低甚至发生堵塞，另外，尤其是将渣土输送至竖井底部需要进行垂直输送时，所需要的渣土压力更大，如果渣土压力太小则无法将渣土输送至地面的渣土池。因此，所述土压平衡盾构管道挤压式输送渣土的方法还包括步骤s4：在渣土进行挤压式管道输送过程中检测管路内的渣土压力，当检测到管道内的渣土压力过小时，对管道内的渣土进行增压输送。

在所述步骤s4中，当渣土在管道内进行挤压式输送时，时刻监测或者定时检测或者按照一定的输送距离间隔检测管道内的渣土压力，当检测到管道内的压力小于阈值时对管道内的渣土进行增压以确保渣土在管道内具有良好的输送速度。对管道内的渣土进行增压的方式是在渣土输送管道上设置加压装置以加大渣土压力，尤其是在渣土输送管道位于竖井底部的位置处，为了实现垂直输送，必然需要增加加压装置。还可以理解，该阈值为预先设定的。检测管道内渣土压力的方式是在渣土输送管道上设置土压力传感器来进行检测，当土压力传感器检测到渣土压力低于阈值时，自动控制加压装置开启工作以对渣土进行加压，从而实现自动化检测和加压。另外，作为优选的，当检测到管路内的渣土压力过小时，步骤s4还包括以下步骤：对管道内的渣土进行润滑。具体地，在渣土输送管道上设置渣土润滑装置以往输送渣土的管道中加入润滑脂以加快渣土的输送速度。可以理解，渣土润滑装置也可以往管道中加入如上所述的重量组分比的膨润土、水和泡沫剂对渣土进行润滑。当土压力传感器检测到渣土压力低于阈值时，自动控制渣土润滑装置开启工作以往输送渣土的管道中加入润滑脂或者上述质量组分比的膨润土、水和泡沫剂对渣土进行润滑，以实现高效出渣的作用。

本发明的土压平衡盾构管道挤压式渣土运输方法，通过在土压平衡盾构螺旋输送机出口至地面渣土池之前，先对渣土进行搅拌混合或破碎，以便于后续搅拌均匀和管道输送，然后通过对渣土进行改良以调节渣土的含水率和流动性，以确保改良后的渣土可以顺畅地在管道内挤压输送，另外还利用管道挤压的方式对渣土进行输送，解决现有土压平衡盾构渣土出渣效率低、安全隐患高、设备投入大、环境影响大的难题。另外，从渣土从土压平衡盾构螺旋输送机中输出之后全程处于密封输送，不会影响隧道内的空气质量。

如图2所示，本发明的另一实施例还提供一种土压平衡盾构管道挤压式渣土运输系统，其优选适用于如上所述的土压平衡盾构管道挤压式渣土运输方法，所述土压平衡盾构管道挤压式渣土运输系统包括渣土研磨机11，用于对渣土进行破碎或者搅拌混合；搅拌箱12，用于对渣土的流动性进行改良；渣土输送管道15，用于输送渣土；渣土压送装置13，用于增加渣土压力对以使渣土在渣土输送管道15内形成挤压式输送；渣土研磨机11分别与土压平衡盾构螺旋输送机和渣土研磨机11连接，搅拌箱12分别与渣土研磨机11和渣土输送管道15连接，渣土压送装置13设置在搅拌箱12的出口处。可以理解，所述渣土输送管道15还与地面的渣土池连通。

可以理解，所述渣土研磨机11包括搅拌混合型研磨机(如图3所示)和破碎型研磨机(如图3所示)，其中，破碎型研磨机是针对复合地层产生的渣土，由于渣土呈块状且尺寸较大，如果直接通入到渣土输送管道15内进行输送可能会堵塞渣土输送管道15，因此需将尺寸较大的渣土破碎掉以便于在渣土输送管道15内进行输送。而搅拌混合型研磨机针对黏土地层产生的渣土，其渣土尺寸不是很大，但是渣土粘度较大容易粘结在一起，因此搅拌混合型研磨机可以对粘结在一起的渣土进行搅拌混合以便于在管道内进行输送。另外，所述渣土研磨机11与土压平衡盾构螺旋输送机密封性连接。

可以理解，如图5所示，作为优选的，所述搅拌箱12上设置有开口(图未示)以用于加入膨润土、水和泡沫剂，加入的膨润土、水和泡沫剂三者的质量组分比如本发明优选实施例所述。另外，所述搅拌箱12还设置有观察窗121以便于作业人员观察搅拌箱12内渣土的形态。所述搅拌箱12内还设置有用于检测渣土含水率的含水率检测装置123和用于检测渣土流动性的传感器122，所述含水率检测装置123优选为tdr(timedomaindeflectomertry时域反射)探针或者水分测定仪，所述传感器122优选为贯入式锥尖传感器。

可以理解，作为优选的，所述渣土输送管道15上按照一定间距间隔设置有多个用于检测渣土输送管道15内渣土压力的土压力传感器(图未示)。

可以理解，作为优选的，所述土压平衡盾构管道挤压式渣土运输系统还包括设置在渣土输送管道15上并用于对渣土进行加压输送的中继加压装置14，所述中继加压装置14优选设置在渣土输送管道15的中段和/或尾段。由于渣土输送管道15的长度较长，渣土在长距离的管道内进行输送时渣土压力会逐渐较小，在渣土输送管道15的中段或者尾段渣土的输送速度大大降低甚至还会发生堵塞，另外，尤其是将渣土输送至竖井底部需要进行垂直输送时，所需要的渣土压力更大，如果渣土压力太小则无法将渣土输送至地面的渣土池。中继加压装置14可以对渣土进行进一步增压以确保渣土可以在渣土输送管道15内迅速地输送，确保了高效出渣。

可以理解，作为优选的，该系统还包括设置在渣土输送管道15上并用于在渣土进行挤压式输送的过程中对渣土进行润滑的渣土润滑装置16。所述渣土润滑装置16可以往渣土输送管道15中输入润滑脂或者如上所述的质量组分比的膨润土、水和泡沫剂以对渣土进行润滑，确保高效出渣。

可以理解，作为优选的，该系统还包括控制器(图未示)，所述控制器分别与土压力传感器、中继加压装置14和渣土润滑装置16连接，所述控制器中预先存储有渣土压力阈值，当土压力传感器检测到渣土压力数值后反馈给控制器，控制器比对检测值与阈值的大小，当比对出检测值小于阈值时，控制器控制中继加压装置14开启工作以对渣土进行进一步增压和/或控制渣土润滑装置16开启工作以往渣土输送管道15中输入润滑脂或者如上所述的质量组分比的膨润土、水和泡沫剂以对渣土进行润滑，从而实现自动化控制渣土的输送速度，降低了工人的工作强度。

本发明的土压平衡盾构管道挤压式渣土运输系统，通过在土压平衡盾构螺旋输送机出口至依次设置渣土研磨机、搅拌箱、渣土压送装置、渣土输送管道，渣土通过研磨机经过二次破碎进入搅拌箱二次改良并搅拌均匀后，利用渣土压送装置将渣土通过管道挤压输送至地面渣土池，解决现有土压平衡盾构渣土出渣效率低、安全隐患高、设备投入大、环境影响大的难题。另外，在渣土挤压输送的过程中检测渣土压力，并根据检测结果控制中继增压装置对渣土进行进一步加压和控制渣土润滑装置来对渣土进行润滑，以实现高效出渣。另外，土压平衡盾构螺旋输送机、渣土研磨机、搅拌箱、渣土压送装置、渣土输送管道、中继增压装置和渣土润滑装置采用密封式连接，渣土全程处于密封式输送，不会影响隧道内的空气质量。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。