应对大直径泥水盾构仓内积渣的施工方法技术

本发明专利技术公开了一种应对大直径泥水盾构仓内积渣的施工方法。本发明专利技术基于刀盘理论扭矩与刀盘实际扭矩的差值，以及刀盘挤压力的大小判断仓内积渣的依据，并通过对盾构掘进过程中渣土流动方式及易造成积渣的部位进行研究，以及对泥水循环方式进行反复尝试和试验验证，总结出了“三进三出”循环洗仓方法：泥浆管路↔后泥水仓↔前泥水仓。本发明专利技术解决了盾构机掘进过程中仓内积渣滞排的问题，提高了盾构机掘进效率，降低了刀盘结泥饼的风险，并能保证掘进过程中参数的稳定性及泥水仓内压力的平衡，同时进一步减少了盾构刀具磨损，保证了施工质量及安全。

【技术实现步骤摘要】
应对大直径泥水盾构仓内积渣的施工方法
本专利技术新型涉及盾构施工
，具体涉及一种应对大直径泥水盾构仓内积渣的施工方法。
技术介绍
泥水式盾构机是通过加压泥水或泥浆（通常为膨润土悬浮液）来稳定开挖面，其刀盘后面有一个密封隔板，与开挖面之间形成泥水仓，里面充满了泥浆，开挖土料与泥浆混合由泥浆泵输送到洞外分离厂，经分离后泥浆重复使用。泥水盾构机在砂卵石地层、易结泥饼地层、断层破碎带地层、节理裂隙发育地层、软硬不均地层和孤石等复合地层中经常面临着仓内积渣的问题。此类问题谓之“滞排”,即盾构掘进下来的渣土，因为颗粒特性(比重、大小和形状)、盾构机排渣性能及其施工控制等原因造成渣土不能及时排出或滞后排出。如果处理不当,可能导致仓内积渣、刀盘结泥饼、刀盘扭矩升高、掘进速度降低、刀具温度升高加剧刀具磨损等后果。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种应对大直径泥水盾构仓内积渣的施工方法，以及时有效的应对当仓内积渣后导致掘进效率降低的问题，进一步避免因仓内积渣导致刀盘结泥饼、刀具温度升高加剧刀具磨损等后果。为解决上述技术问题，本专利技术主要采用以下技术方案：设计一种应对大直径泥水盾构仓内积渣的施工方法，包括如下步骤：（1）监测盾构机刀盘实际扭矩大于或超出盾构机理论扭矩18%～20%[即（实际扭矩-理论扭矩）/理论扭矩*100%≥18%～20%]时，判定盾构机发生滞排，停止掘进或低速掘进；根据刀盘扭矩组成，当刀盘挤压力一定时，实际扭矩与理论扭矩的差值主要体现在刀盘面板摩擦扭矩与刀盘圆环摩擦扭矩，这两个扭矩均与渣土松散系数有关，当仓内发生积渣现象时，渣土堆积，松散系数较小，导致其扭矩增大，对渣土做体积密度试验，当渣土堆积密实时，松散系数比渣土正常松散状态下小20%左右，并结合实际掘进过程中的情况验证总结出，当刀盘实际扭矩大于刀盘理论扭矩20%左右时，判断仓内发生积渣现象。（2）基于刀盘实际挤压力判断积渣情况结合正常情况下掘进地层时的刀盘挤压力情况以及波动范围，以刀盘刀具极限承载力（Fmax=N*f，其中N为滚刀刃数，f为滚刀承载力）的80%～90%为刀盘实际挤压力安全值，超出时停止掘进或低速掘进。刀盘挤压力主要是判断刀盘刀具与前方土体之间所受挤压力情况，刀盘面板与前方土体接触时，刀盘切削下来的渣土通过刀盘开口进入泥水仓内，当刀盘开口堵塞，渣土无法通过刀盘开口顺利进入泥水仓内，在刀盘与掌子面堆积，当发生此现象时，在盾构机推力不变的情况下，刀盘扭矩升高，刀盘挤压力增大，推进速度下降。（3）进行三进三出循环洗仓基于刀盘理论扭矩与刀盘实际扭矩的差值或/和刀盘挤压力的大小判断仓内积渣后，按如下方法实施泥水循环洗仓：第一步：进入气垫仓循环出渣开机前将泥浆由泥浆管路送入气垫仓循环洗仓，其中，控制进排浆流量≥其设计最大流量的70%，不转刀盘，泥水仓底部冲刷流量≥泵设计最大流量的70%；当泥浆循环至少一周后的进排浆密度差≤0.1t/m³时，结束该步骤。第二步：进入“后泥水仓”循环出渣第一步洗仓完成后，开机循环启动，将泥浆由气垫仓送入后泥水仓进行循环洗仓，其中进排浆流量≥其设计最大流量的70%，不转刀盘，刀盘中心背部冲刷流量≥设计最大流量的70%，泥水仓底部冲刷流量≥设计最大流量的70%；当泥浆循环至少一周后的进排浆密度差≤0.1t/m³时，结束该步骤。第三步：进入“前泥水仓”循环出渣第二步洗仓完成后，经管路切换将泥浆由后泥水仓送入前泥水仓进行循环洗仓，且控制进排浆流量≥设计最大流量的70%，刀盘回退50～80mm，刀盘转速≤0.5r/min，刀盘前方面板冲刷流量以达到其设计流量的70%以上为准，刀盘中心背部冲刷流量≥其设计流量的70%，同时不启动泥水仓底部冲刷。更换刀盘转向后，实际刀盘扭矩与刀盘转速额定扭矩基本相一致，且泥浆循环一周后进排浆密度差≤0.1t/m³时，结束该步骤；第四步：由“前泥水仓”切入“后泥水仓”循环出渣掘进过程中判断仓内积渣后或掘进完成停机时，进行第四步洗仓方法，通过管路切换将前泥水仓所积渣土通过泥浆循环至后泥水仓。当双向转刀盘扭矩与刀盘转速额定扭矩基本一致，且泥浆循环至少一周后的进排浆密度差≤0.1t/m³时，完成该步骤。第五步：由“后泥水仓”切入“气垫仓”循环出渣完成第四步出渣后，将泥浆由后泥水仓循环至气垫仓；当泥浆循环至少一周后的进排浆密度差≤0.1t/m³时，完成该步循环出渣。第六步：由“气垫仓”切入“旁通”循环出渣再将泥浆由气垫仓循环至对于的泥浆管路，其进排浆流量≥其设计最大流量的80%，当泥浆循环至少一周后的进排浆密度差≤0.1t/m³时，切换至旁通循环模式。所述盾构机刀盘理论扭矩通过以下公式获取：T总=T1+T2+T3+T4+T5+T6，式中，T1为滚刀切削扭矩，T2为刀盘自重产生的主轴承周向滚子摩擦扭矩，T3为主轴承轴向滚子摩擦扭矩，T4为驱动密封摩擦扭矩，T5为刀盘面板摩擦扭矩，T6为刀盘圆环的摩擦扭矩；其中，滚刀切削扭矩T1=0.59*R1*F5*0.8*μ4，该式中，R1为开挖半径，F5为刀盘挤压力，μ4为滚动力系数；刀盘自重产生的主轴承周向滚子摩擦扭矩T2=G1*R2*μ1，该式中，G1为刀盘重力，R2为圆周滚子分布半径，μ1为滚子摩擦系数；主轴承轴向滚子摩擦扭矩T3=｛F5+πR72（Pd+Pw）｝*R3*μ1，该式中，F5为刀盘挤压力，R7为主轴承半径，Pd为隧道中心土压，Pw为隧道中心水压，R3为轴向滚子分布半径，μ1为滚子摩擦系数；驱动密封摩擦扭矩T4=2π*R4*Fs*n1*μ2*R4+2π*R5*Fs*n2*μ2*R5，该式中，R4为外密封半径，Fs为密封单位长度压紧力，n1为外密封数量，μ2为密封与金属摩擦系数，R5为内密封半径，n2为内密封数量；刀盘面板摩擦扭矩T5=*π*α*μ3*R13*Pd，该式中，k为渣土松散系数，α为刀盘不开口率，μ3为土体与金属摩擦系数，R1为开挖半径，Pd为隧道中心土压；刀盘圆环的摩擦扭矩T6=2π*R62*B*（P1+P2+P3+P4）/（4k）*μ3，该式中，R6为大圆环半径，B为大圆环宽度，P1为顶部土压，P2为顶部侧向土压，P3为底部侧向土压，P4为底部土压，k为渣土松散系数，μ3为土体与金属摩擦系数。所述刀盘实际挤压力由下列公式计算得出：F5=FZ-Fn，式中，Fz为刀盘总接触力，Fn为泥水仓反力。本专利技术的主要有益技术效果在于：1.本专利技术在长期的生产实践经验的基础上，提出基于刀盘理论扭矩与刀盘实际扭矩的差值或/和刀盘挤压力的大小判断仓内积渣的依据，并通过对盾构掘进过程中渣土流动方式及易造成积渣的部位进行研究，以及对泥水循环方式进行反复尝试和试验验证，总结出了针对仓内积渣时通过泥水循环系统的“三进三出”循环洗仓方法，能够快速、彻底的解决仓内积渣问题，使掘进刀盘扭矩和挤压力降至正常掘进时的范围内，进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应对大直径泥水盾构仓内积渣的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：/n（1）监测盾构机刀盘实际扭矩超出或大于盾构机理论扭矩18%～20%时，判定盾构机发生滞排，停止掘进或低速掘进；/n（2）设定刀盘刀具极限承载力的80%～90%为刀盘实际挤压力安全值，当刀盘实际挤压力超出安全值时判定发生滞排，停止掘进或低速掘进；/n（3）进行三进三出循环洗仓/n基于步骤（1）或/和（2）判断盾构机发生滞排或/和仓内积渣后，按如下步骤实施泥水循环洗仓：/n第一步：进入气垫仓循环出渣/n开机前将泥浆由泥浆管路送入气垫仓循环洗仓，该过程中，控制其进排浆流量≥设计最大流量的70%，且刀盘停转，使泥水仓底部冲刷流量≥泵设计最大流量的70%；当泥浆循环至少一周后的进、排浆密度差≤0.1t/m³时，结束该步骤；/n第二步：进入后泥水仓循环出渣/n开机循环启动，将泥浆由气垫仓送入后泥水仓进行循环洗仓，该过程中，控制进、排浆流量≥设计最大流量的70%，刀盘停转，且使刀盘中心背部冲刷流量≥设计最大流量的70%，泥水仓底部冲刷流量≥设计最大流量的70%；当泥浆循环至少一周后的进、排浆密度差≤0.1t/m³时，结束该步骤；/n第三步：进入前泥水仓循环出渣/n经管路切换将泥浆由后泥水仓送入前泥水仓进行循环洗仓，该过程中，控制进排浆流量≥设计最大流量的70%，刀盘回退50～80mm，刀盘转速≤0.5 r/min，且使刀盘前方面板冲刷流量≥其设计流量的70%，刀盘中心背部冲刷流量≥其设计流量的70%，同时不启动泥水仓底部冲刷；/n更换刀盘转向后，实际刀盘扭矩与刀盘该转速额定扭矩相一致，且泥浆循环一周后进、排浆密度差≤0.1 t/m³时，结束该步骤；/n第四步：由前泥水仓切入“后泥水仓循环出渣/n掘进过程中判断仓内积渣后或掘进完成停机时，通过管路切换将前泥水仓所积渣土通过泥浆循环至后泥水仓；/n当更换刀盘转向后刀盘扭矩与刀盘转速额定扭矩相一致，且泥浆循环至少一周后的进、排浆密度差≤0.1t/m³时，完成该步骤；/n第五步：由后泥水仓切入气垫仓循环出渣/n完成第四步出渣后，将泥浆由后泥水仓循环至气垫仓，当泥浆循环至少一周后的进、排浆密度差≤0.1 t/m³时，完成该步循环出渣；/n第六步：由气垫仓切入旁通循环出渣/n再将泥浆由气垫仓循环至对应的泥浆管路中，该过程中，控制进、排浆流量≥其设计最大流量的80%，当泥浆循环至少一周后的进、排浆密度差≤0.1t/m³时，切换至泥浆管路旁通循环模式。/n...

【技术特征摘要】
1.一种应对大直径泥水盾构仓内积渣的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）监测盾构机刀盘实际扭矩超出或大于盾构机理论扭矩18%～20%时，判定盾构机发生滞排，停止掘进或低速掘进；
（2）设定刀盘刀具极限承载力的80%～90%为刀盘实际挤压力安全值，当刀盘实际挤压力超出安全值时判定发生滞排，停止掘进或低速掘进；
（3）进行三进三出循环洗仓
基于步骤（1）或/和（2）判断盾构机发生滞排或/和仓内积渣后，按如下步骤实施泥水循环洗仓：
第一步：进入气垫仓循环出渣
开机前将泥浆由泥浆管路送入气垫仓循环洗仓，该过程中，控制其进排浆流量≥设计最大流量的70%，且刀盘停转，使泥水仓底部冲刷流量≥泵设计最大流量的70%；当泥浆循环至少一周后的进、排浆密度差≤0.1t/m³时，结束该步骤；
第二步：进入后泥水仓循环出渣
开机循环启动，将泥浆由气垫仓送入后泥水仓进行循环洗仓，该过程中，控制进、排浆流量≥设计最大流量的70%，刀盘停转，且使刀盘中心背部冲刷流量≥设计最大流量的70%，泥水仓底部冲刷流量≥设计最大流量的70%；当泥浆循环至少一周后的进、排浆密度差≤0.1t/m³时，结束该步骤；
第三步：进入前泥水仓循环出渣
经管路切换将泥浆由后泥水仓送入前泥水仓进行循环洗仓，该过程中，控制进排浆流量≥设计最大流量的70%，刀盘回退50～80mm，刀盘转速≤0.5r/min，且使刀盘前方面板冲刷流量≥其设计流量的70%，刀盘中心背部冲刷流量≥其设计流量的70%，同时不启动泥水仓底部冲刷；
更换刀盘转向后，实际刀盘扭矩与刀盘该转速额定扭矩相一致，且泥浆循环一周后进、排浆密度差≤0.1t/m³时，结束该步骤；
第四步：由前泥水仓切入“后泥水仓循环出渣
掘进过程中判断仓内积渣后或掘进完成停机时，通过管路切换将前泥水仓所积渣土通过泥浆循环至后泥水仓；
当更换刀盘转向后刀盘扭矩与刀盘转速额定扭矩相一致，且泥浆循环至少一周后的进、排浆密度差≤0.1t/m³时，完成该步骤；
第五步：由后泥水仓切入气垫仓循环出渣
完成第四步出渣后，将泥浆由后泥水仓循环至气垫仓，当泥浆循环至少一周后的进、排浆密度差≤0.1t/m³时，完成该步循环出渣；

【专利技术属性】
技术研发人员：母永奇，陈建立，姜宗恒，郝超超，王伟，彭竞，崔伟，杨洋，岳海，
申请(专利权)人：中铁隧道局集团有限公司，中铁隧道股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44