一種富水圍岩中土壓平衡盾構施工突涌防治裝置及方法

《一種富水圍岩中土壓平衡盾構施工突涌防治裝置及方法》是中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司、中鐵十六局集團有限公司、上海交通大學於2016年9月5日申請的專利，該專利的公布號為CN106437742A，授權公布日為2017年2月22日，發明人是張偉森、吳大勇、瀋水龍、林夢瑩、張寧等。

《一種富水圍岩中土壓平衡盾構施工突涌防治裝置及方法》包括過濾系統、高壓噴射系統、閥門系統以及泥漿泵送系統，其中：過濾系統連線安裝於土壓平衡盾構機土倉隔板內壁，並位於螺旋輸送機的正上方；高壓噴射系統分布於過濾系統邊緣；閥門系統安裝于于土壓平衡盾構機土倉隔板上、過濾系統的後側，並與過濾系統相連；泥漿泵送系統位於螺旋輸送機上側、閥門系統後側，與閥門系統連線；高壓噴射系統以及泥漿泵送系統均設有設備架以保證正常工作；所述方法基於所述裝置。運用該發明可防止土壓平衡盾構突湧現象，保持開挖面土壓平衡，防止土壓失衡，保障盾構推進安全，提高土壓平衡盾構在富水圍岩中的施工效率及可靠性。

2020年7月14日，《一種富水圍岩中土壓平衡盾構施工突涌防治裝置及方法》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。

（概述圖為《一種富水圍岩中土壓平衡盾構施工突涌防治裝置及方法》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：一種富水圍岩中土壓平衡盾構施工突涌防治裝置及方法
• 申請人：中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司、中鐵十六局集團有限公司、上海交通大學
• 申請日：2016年9月5日
• 申請號：2016108053010
• 公布號：CN106437742A
• 公布日：2017年2月22日
• 發明人：張偉森、吳大勇、瀋水龍、林夢瑩、張寧、吳懷娜、周全、王志新、葉華、榮浩然、劉元鵬、趙陽、張桂彬、范印高、張賀、韓琪、肖連邦、陳輝、賀威、滕海波
• 地址：北京市通州區於家務回族鄉聚富苑民族產業發展基地聚和六街2號
• Int. Cl.：E21D9/12(2006.01)I
• 代理機構：上海漢聲智慧財產權代理有限公司
• 代理人：徐紅銀、郭國中
• 類別：發明專利

專利背景

盾構法具有自動化程度高、安全係數高和施工速度快等優點，被廣泛套用於城市捷運隧道施工。盾構法中常用的盾構機主要包括泥水加壓平衡盾構機和土壓平衡盾構機。泥水加壓平衡盾構機通過泥水加壓，平衡開挖面外部壓力，依靠泥漿泵將泥漿泵送到地面並分離淨化，因而適用於含水砂層、粘土層和地下水位較高的軟弱地層，而不適用於不易破碎的圍岩地層。土壓平衡盾構機通過刀盤切削岩土體，依靠土倉內的渣土來平衡開挖面水土壓力，通過螺旋輸送機向外排土，對地層適應性強，同時也適用於岩石地層的隧道開挖工程。但在富水圍岩地層中使用土壓平衡盾構機施工時，土倉內含水量過高，土壓難以控制，出渣時易出現突湧現象，存在安全隱患；渣土與水混合，流動性增強，在皮帶輸送機運送渣土時易引發漏泥掉泥現象，需要人工對隧道漏泥進行清理，費時耗力；由於渣土流動性較高，出渣效果差、效率低，影響施工速率與進度。因此改進出土方式，對泥漿單獨進行輸送，對於土倉內水土平衡及提高運渣效率很有必要。

經對2016年9月之前的技術文獻的檢索發現，中國專利號為201410612020.4，專利公開號為：104373131A，專利名稱為：一種利用土壓平衡盾構機渣土保壓泵送裝置的施工方法，該專利自述為：“一種利用土壓平衡盾構機渣土保壓泵送裝置的施工方法，通過在土壓平衡盾構機掘進到透水性強或沉降控制要求高的地層之前，將其出土口與保壓泵送裝置連線，同時在泵送過程中向土倉內添加用於防止噴湧現象發生的膨潤土或泡沫等進行渣土改良，可通過對泵送裝置流量的控制，有效控制土壓平衡盾構機土倉內壓力，避免噴涌或沉降控制不佳等狀況發生，使土壓平衡盾構機可兼具土壓盾構和泥水盾構的功能。”上述專利中所述渣土保壓泵送裝置在使用過程中需使土壓平衡盾構機停止掘進，影響施工效率，同時還需要關閉出土口，拆除皮帶機，固定機架，安裝保壓泵送裝置，並安裝破碎機及排渣管，拆除和安裝器械過多，施工工序較複雜，拆裝工作在隧道內進行，工作空間不足；所述破碎機對岩石進行二次破碎，增加了渣土處理的時間，耗時耗能。因此上述專利存在成本較高、施工效率低和安全隱患等缺點。

發明內容

專利目的

針對2016年9月之前技術中的缺陷，《一種富水圍岩中土壓平衡盾構施工突涌防治裝置及方法》的目的是提供一種富水圍岩中土壓平衡盾構施工突涌防治裝置及裝置，利用泥漿泵和排吸泥漿法蘭膠管單獨排送泥漿，通過降低渣土含水量以及噴射少量土體改良劑來改善渣土質量，從而提高出渣效果，保持開挖面土壓平衡，防治突湧現象，提高土壓平衡盾構施工效率及可靠性。

技術方案

根據《一種富水圍岩中土壓平衡盾構施工突涌防治裝置及方法》的一個方面，提供一種富水圍岩中土壓平衡盾構施工突涌防治裝置，包括：過濾系統、高壓噴射系統、閥門系統以及泥漿泵送系統，其中：所述高壓噴射系統分布於所述過濾系統邊緣，用於在過濾系統過濾泥水前向過濾系統周圍高速噴射土體改良劑以防止泥餅的形成；所述過濾系統連線安裝於土壓平衡盾構機土倉隔板內壁，泥水經過所述過濾系統過濾後進入泥漿泵送系統；所述閥門系統安裝於土壓平衡盾構機土倉隔板上，並與所述過濾系統相連，所述閥門系統用於防止土倉中的水及渣土在壓力作用下進入泥漿泵送系統，導致土倉內水土壓力失衡；所述泥漿泵送系統與所述閥門系統連線，用於將經過所述過濾系統過濾後的泥水向外泵送。

優選地，所述過濾系統由內圈曲面篩網和外圈圓環組成，其中：所述內圈曲面篩網直徑大於300毫米，為曲面，厚度大於10毫米，曲率可取適當值，所述內圈曲面篩網上有濾孔，濾孔直徑為5-10毫米，任意相鄰濾孔圓心距為5-10毫米。所述外圈圓環的外直徑大於360毫米；外圈圓環環向設定等間距螺栓孔，並通過螺栓固定於土壓平衡盾構機土倉隔板內壁。

優選地，所述高壓噴射系統由依次連線的高壓注漿泵、噴桿、噴頭組成，高壓噴射系統通過高壓注漿泵泵送土體改良劑，土體改良劑經噴桿泵送至噴頭，由噴頭噴射攪動過濾系統附近的渣土。

更優選地，所述高壓注漿泵根據需要對射流壓力以及間歇時間進行調節。

更優選地，所述噴桿為三根單通道鋼管，所述鋼管均為折線形，鋼管折線上部分軸線沿垂線方向，鋼管折線下部分軸線垂直於土壓平衡盾構機土倉隔板；三根鋼管均勻排列於過濾系統邊緣，各鋼管折線下部分截面圓心與過濾系統的內圈曲面篩網圓心連線之間互成120°角，且其中一根鋼管位於內圈曲面篩網正上方。

更優選地，所述噴頭位於噴桿末端；噴頭與土倉隔板內壁成一角度朝向所述過濾系統。

更優選地，所述噴頭的直徑為1-5毫米、總長為15-100毫米；所述噴頭的直線部分長度為3-10毫米，窄角為12-15°。

優選地，所述閥門系統由泥漿出土口、蓄能器式蝶閥組成，其中：所述泥漿出土口為在土壓平衡盾構機土倉隔板上的圓孔，並位於螺旋輸送機的正上方；所述蓄能器式蝶閥通過螺栓與過濾系統以及泥漿泵送系統相連；蓄能器式蝶閥在土壓平衡盾構機正常工作時處於打開狀態，在緊急情況下及時關閉，用於防止土倉中的水及渣土在壓力作用下進入泥漿泵送系統而導致土倉內水土壓力失衡。

更優選地，所述蓄能器式蝶閥與過濾系統以及泥漿泵送系統連線處採用橡膠墊片作為連線密封件。

更優選地，所述蓄能器式蝶閥的直徑、泥漿出土口的直徑等於內圈曲面篩網的直徑。

優選地，所述泥漿泵送系統由泥漿泵和輸送管道組成，輸送管道與泥漿泵相連；其中：所述泥漿泵根據土倉內土壓力改變泥漿流量，使土倉內水土壓力保持平衡；所述輸送管道為一根排吸泥漿法蘭膠管，排吸泥漿法蘭膠管沿螺旋輸送機以及皮帶輸送機方向布置，其長度大於泥漿泵至渣土車距離的1.2倍。

更優選地，所述排吸泥漿法蘭膠管的內徑等於內圈曲面篩網的直徑。

根據《一種富水圍岩中土壓平衡盾構施工突涌防治裝置及方法》的另一個方面，提供一種富水圍岩中土壓平衡盾構施工突涌防治的方法，所述方法包括如下步驟：

第一步、在土壓平衡盾構機推進過程中，刀盤切削下的渣土進入土倉中，渣土在土倉中流動形成泥漿；為防止過濾系統前產生泥餅導致泥漿無法通過過濾系統，在過濾系統前安裝高壓噴射系統，高壓噴射系統通過高壓注漿泵泵送土體改良劑，經噴桿泵送至噴頭，然後噴射攪動過濾系統附近的渣土，形成高速噴射流，向過濾系統周圍渣土噴射土體改良劑，通過高速射流的動壓作用、衝擊力作用以及楔入效應，對土體產生破壞作用，從而阻止泥餅的產生，同時噴射的土體改良劑可改良過濾系統周圍的渣土，進一步防止泥餅的形成；

第二步、泥漿經過過濾系統中的內圈曲面篩網過濾，泥水進入過濾系統內，碎石則留在土倉中並通過螺旋輸送機向外運送；

第三步、進入過濾系統內的泥水經過泥漿泵送系統，通過泥漿泵向外泵送，並經由輸送管道傳輸至渣土車中；

第四步、閥門系統在土壓平衡盾構機正常工作時處於打開狀態；在緊急情況下通過蓄能器式蝶閥自動關閉閥門，以防止緊急情況導致土倉中的水及渣土在壓力作用下進入泥漿泵送系統導致土倉內水土壓力失衡；

第五步、根據已有土壓感測器測得的土壓力，通過泥漿泵對泥漿流量進行調節，以達到平衡土倉內水土壓力、防止突涌的目的。

有益效果

與2016年9月之前的技術相比，《一種富水圍岩中土壓平衡盾構施工突涌防治裝置及方法》具有如下的有益效果：該發明綜合考慮富水圍岩中土體含水量高，結合了土壓平衡盾構及泥水加壓平衡盾構的優點，使用所述過濾系統以及所述泥漿泵送系統，通過排出一定量的泥漿來改良土倉內渣土性質，利用已有土壓力感測器數據來調節泥漿流量，防止土壓失衡以及螺旋輸送機突湧現象，防止皮帶輸送機出土噴涌導致的隧道漏泥；使用所述高壓噴射系統小範圍噴射土體改良劑，通過高速射流的破壞作用以及土體改良劑的作用，可有效防止泥餅形成，且可改良部分渣土，由於噴射範圍小，且為間歇性噴射，所以土體改良劑用量小，有效降低了成本。因此，採用該發明可防止土壓平衡盾構突湧現象，保持開挖面土壓平衡，防止土壓失衡，保障盾構推進安全，提高土壓平衡盾構在富水圍岩中的施工效率及可靠性。

附圖說明

圖1為《一種富水圍岩中土壓平衡盾構施工突涌防治裝置及方法》一優選實施例的裝置立面裝配圖；

圖2為該發明一優選實施例的裝置細節裝配圖；

圖3為該發明一優選實施例的裝置的噴頭布置圖；

圖4為該發明一優選實施例的裝置的噴頭結構示意圖；

圖中：1為過濾系統、2為高壓噴射系統、3為閥門系統、4為泥漿泵送系統、5為土倉、6為螺旋輸送機、7為皮帶輸送機。

技術領域

《一種富水圍岩中土壓平衡盾構施工突涌防治裝置及方法》涉及一種建築工程技術領域，具體地，涉及一種富水圍岩中土壓平衡盾構施工突涌防治裝置及方法。

權利要求

1.一種富水圍岩中土壓平衡盾構施工突涌防治裝置，其特徵在於，包括：過濾系統、高壓噴射系統、閥門系統以及泥漿泵送系統，其中：所述高壓噴射系統分布於所述過濾系統邊緣，用於在過濾系統過濾泥水前向過濾系統周圍高速噴射土體改良劑以防止泥餅的形成；所述過濾系統連線安裝於土壓平衡盾構機土倉隔板內壁，泥水經過所述過濾系統過濾後進入泥漿泵送系統；所述閥門系統安裝於土壓平衡盾構機土倉隔板上，並與所述過濾系統相連，所述閥門系統用於防止土倉中的水及渣土在壓力作用下進入泥漿泵送系統，導致土倉內水土壓力失衡；所述泥漿泵送系統與所述閥門系統連線，用於將經過所述過濾系統過濾後的泥水向外泵送。

2.根據權利要求1所述的一種富水圍岩中土壓平衡盾構施工突涌防治裝置，其特徵在於，所述內圈曲面篩網直徑大於300毫米，為曲面，厚度大於10毫米，所述內圈曲面篩網上有濾孔，濾孔直徑為5-10毫米，任意相鄰濾孔圓心距為5-10毫米；所述外圈圓環的外直徑大於360毫米；外圈圓環環向設定等間距螺栓孔，並通過螺栓固定於土壓平衡盾構機土倉隔板內壁。

3.根據權利要求1所述的一種富水圍岩中土壓平衡盾構施工突涌防治裝置，其特徵在於，所述高壓噴射系統由依次連線的高壓注漿泵、噴桿、噴頭組成，高壓噴射系統通過高壓注漿泵泵送土體改良劑，土體改良劑經噴桿泵送至噴頭，由噴頭噴射攪動過濾系統附近的渣土。

4.根據權利要求3所述的一種富水圍岩中土壓平衡盾構施工突涌防治裝置，其特徵在於，所述噴桿為三根單通道鋼管，所述鋼管均為折線形，鋼管折線上部分軸線沿垂線方向，鋼管折線下部分軸線垂直於土壓平衡盾構機土倉隔板；三根鋼管均勻排列於過濾系統邊緣，各鋼管折線下部分截面圓心與過濾系統的內圈曲面篩網圓心連線之間互成120°角，且其中一根鋼管位於內圈曲面篩網正上方。

5.根據權利要求3所述的一種富水圍岩中土壓平衡盾構施工突涌防治裝置，其特徵在於，所述噴頭位於噴桿末端；噴頭與土倉隔板內壁成一角度朝向所述過濾系統。

6.根據權利要求3所述的一種富水圍岩中土壓平衡盾構施工突涌防治裝置，其特徵在於，所述噴頭的直徑為1-5毫米、總長為15-100毫米；所述噴頭的直線部分長度為3-10毫米，窄角為12-15°。

7.根據權利要求1所述的一種富水圍岩中土壓平衡盾構施工突涌防治裝置，其特徵在於，所述閥門系統由泥漿出土口、蓄能器式蝶閥組成，其中：所述泥漿出土口為土壓平衡盾構機土倉隔板上的圓孔，並位於螺旋輸送機的正上方；所述蓄能器式蝶閥通過螺栓與過濾系統以及泥漿泵送系統相連；蓄能器式蝶閥在土壓平衡盾構機正常工作時處於打開狀態，在緊急情況下及時關閉，用於防止土倉中的水及渣土在壓力作用下進入泥漿泵送系統而導致土倉內水土壓力失衡。

8.根據權利要求7所述的一種富水圍岩中土壓平衡盾構施工突涌防治裝置，其特徵在於，所述蓄能器式蝶閥與過濾系統以及泥漿泵送系統連線處設有連線密封件。

9.根據權利要求1-8任一項所述的一種富水圍岩中土壓平衡盾構施工突涌防治裝置，其特徵在於，所述泥漿泵送系統由泥漿泵和輸送管道組成，輸送管道與泥漿泵相連；其中：所述泥漿泵根據土倉內土壓力改變泥漿流量，使土倉內水土壓力保持平衡；所述輸送管道為一根排吸泥漿法蘭膠管，排吸泥漿法蘭膠管沿螺旋輸送機以及皮帶輸送機方向布置，其長度大於泥漿泵至渣土車距離的1.2倍。

10.一種基於權利要求1-9任一項所述裝置的富水圍岩中土壓平衡盾構施工突涌防治的方法，其特徵在於，所述方法包括如下步驟：

第一步、在土壓平衡盾構機推進過程中，刀盤切削下的渣土進入土倉中，渣土在土倉中流動形成泥漿；為防止過濾系統前產生泥餅導致泥漿無法通過過濾系統，在過濾系統前安裝高壓噴射系統，高壓噴射系統通過高壓注漿泵泵送土體改良劑，經噴桿泵送至噴頭，然後噴射攪動過濾系統附近的渣土，形成高速噴射流，向過濾系統周圍渣土噴射土體改良劑，通過高速射流的動壓作用、衝擊力作用以及楔入效應，對土體產生破壞作用，從而阻止泥餅的產生，同時噴射的土體改良劑能改良過濾系統周圍的渣土，進一步防止泥餅的形成；

第二步、泥漿經過過濾系統中的內圈曲面篩網過濾，泥水進入過濾系統內，碎石則留在土倉中並通過螺旋輸送機向外運送；

第三步、進入過濾系統內的泥水經過泥漿泵送系統，通過泥漿泵向外泵送，並經由輸送管道傳輸至渣土車中；

第四步、閥門系統在土壓平衡盾構機正常工作時處於打開狀態；在緊急情況下通過蓄能器式蝶閥自動關閉閥門，以防止緊急情況導致土倉中的水及渣土在壓力作用下進入泥漿泵送系統導致土倉內水土壓力失衡；

第五步、根據已有土壓感測器測得的土壓力，通過泥漿泵對泥漿流量進行調節，以達到平衡土倉內水土壓力、防止突涌的目的。

實施方式

如圖1、圖2、圖3、圖4所示，一種富水圍岩中土壓平衡盾構施工突涌防治裝置，包括：過濾系統1、高壓噴射系統2、閥門系統3以及泥漿泵送系統4；其中：所述高壓噴射系統2分布於所述過濾系統1邊緣，用於在過濾系統過濾泥水前向過濾系統周圍高速噴射土體改良劑以防止泥餅的形成；所述過濾系統1連線安裝於土壓平衡盾構機土倉隔板內壁，泥水經過所述過濾系統1過濾後進入泥漿泵送系統4；所述閥門系統3安裝於土壓平衡盾構機土倉隔板上，並與所述過濾系統1相連，所述閥門系統用於防止土倉中的水及渣土在壓力作用下進入泥漿泵送系統，導致土倉內水土壓力失衡；所述泥漿泵送系統4與所述閥門系統3連線，用於將經過所述過濾系統過濾後的泥水向外泵送。

具體的，所述過濾系統1採用螺栓連線安裝於土壓平衡盾構機土倉5隔板內壁，並與所述閥門系統3相連，位於螺旋輸送機6正上方；所述閥門系統3用螺栓安裝於土倉5隔板上、所述過濾系統1後側；所述泥漿泵送系統4位於螺旋輸送機6上側、所述閥門系統3後側，與所述閥門系統3通過法蘭連線，用橡膠墊片在連線處作密封處理。

進一步的，所述高壓噴射系統2以及所述泥漿泵送系統4均有設備架保證各設備的正常工作。

作為一優選的實施方式，如圖3所示，所述過濾系統1由內圈曲面篩網和外圈圓環組成。具體的：所述內圈曲面篩網的直徑為300毫米，曲率為60°，厚度為10毫米，濾孔為圓孔，濾孔直徑為5毫米，任意相鄰濾孔圓心距為7毫米；內圈曲面篩網用於濾過泥漿，而將直徑大於5毫米的渣土留在土倉5中；所述外圈圓環的外直徑為360毫米；在外圈圓環環向設定有等間距螺栓孔，並採用螺栓固定於土倉5隔板內壁。

作為一優選的實施方式，所述高壓噴射系統2由依次連線的高壓注漿泵、噴桿、噴頭組成，所述高壓噴射系統2通過高壓注漿泵泵送土體改良劑，經噴桿泵送至噴頭，然後噴射攪動所述過濾系統1附近的渣土；高壓注漿泵可根據需要對射流壓力以及間歇時間進行調節。

進一步地，所述噴桿為三根單通道鋼管，鋼管內直徑為6毫米，外直徑為10毫米，鋼管為折線形，鋼管折線上部分軸線沿垂線方向，鋼管折線下部分軸線垂直於土倉5隔板。三根鋼管均勻排列於所述過濾系統1邊緣，各個鋼管折線下部分截面圓心與篩網圓心的連線之間互成120°角，距離為300毫米，且其中一根鋼管位於篩網正上方；所述噴頭位於所述噴桿末端，所述噴頭與土倉5隔板內壁成60°角，朝向所述過濾系統1；噴頭直徑為2毫米，噴頭總長為30毫米，直線部分長度為6毫米，窄角為15°，可向外噴射土體改良劑。

作為一優選的實施方式，所述閥門系統3由泥漿出土口、蓄能器式蝶閥組成，具體的：所述泥漿出土口是在土倉5隔板上直徑為300毫米的圓孔，並位於螺旋輸送機6正上方；所述蓄能器式蝶閥採用法蘭連線，用螺栓與所述過濾系統1以及所述泥漿泵送系統4相連，採用橡膠墊片作為連線密封件；蓄能器式蝶閥在土壓平衡盾構機正常工作時處於打開狀態，在臨時斷電等緊急情況下會及時關閉，可防止土倉5中的水及渣土在壓力作用下進入所述泥漿泵送系統4而導致的土倉5內水土壓力失衡。

進一步地，所述蓄能器式蝶閥直徑為300毫米。

作為一優選的實施方式，所述泥漿泵送系統4由泥漿泵和輸送管道組成，輸送管道與泥漿泵相連；具體的：

所述泥漿泵根據土倉5內土壓力改變泥漿流量，使土倉5內水土壓力保持平衡；所述輸送管道為一根排吸泥漿法蘭膠管，排吸泥漿法蘭膠管的外徑為340毫米、內徑為300毫米；所述排吸泥漿法蘭膠管沿螺旋輸送機6以及皮帶輸送機7方向，其長度為所述泥漿泵至渣土車距離的1.2倍。

一種富水圍岩中土壓平衡盾構施工突涌防治方法，所述方法過程如下：在土壓平衡盾構機推進過程中，刀盤切削下的渣土進入土倉5中，渣土在土倉5中流動，泥水進入所述過濾系統1內，通過所述泥漿泵向外泵送，碎石則留在土倉5中，通過螺旋輸送機6向外運送；為防止所述過濾系統1前產生泥餅導致泥漿無法通過所述過濾系統1，在所述過濾系統1前安裝所述高壓噴射系統2，形成高速噴射流，向所述過濾系統1周圍渣土噴射土體改良劑，通過高速射流的動壓作用、衝擊力作用以及楔入效應，對土體產生破壞作用，從而阻止泥餅的產生，同時噴射的土體改良劑可改良所述過濾系統1周圍的渣土，進一步防止泥餅的形成；在所述泥漿泵送系統4工作下，泥漿傳輸至渣土車中，根據已有土壓感測器測得的土壓力，通過所述泥漿泵對泥漿流量進行調節，以達到平衡土倉5內水土壓力、防止突涌的目的；所述閥門系統3在臨時斷電情況下可通過蓄能器式蝶閥自動關閉閥門，可防止臨時斷電導致土倉5中的水及渣土在壓力作用下進入所述泥漿泵送系統4導致土倉5內水土壓力失衡。

榮譽表彰

2020年7月14日，《一種富水圍岩中土壓平衡盾構施工突涌防治裝置及方法》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。