一種具有凍結(jié)功能的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)及其換刀方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種盾構(gòu)機(jī)，特別是涉及一種具有凍結(jié)功能的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。本發(fā)明還涉及該具有凍結(jié)功能的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的換刀方法。
【背景技術(shù)】
[0002]土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，適用于砂、粉砂和黏土等軟土地層的大型隧道工程開挖，其工作原理為利用土倉內(nèi)的土壓或加注輔助材料產(chǎn)生的壓力來平衡開挖面的土壓及地下水壓力。與泥水平衡盾構(gòu)相比，土壓平衡盾構(gòu)掌子面上的刀具以及盾體與土壤層直接接觸摩擦力較大，故其刀具、刀盤的壽命會(huì)比泥水盾構(gòu)短，因而在較短周期內(nèi)需要對(duì)其進(jìn)行維護(hù)。相比于泥水盾構(gòu)的帶壓進(jìn)倉維護(hù)，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤刀具的維護(hù)一般是在刀盤前方50cm處鉆孔灌注粧，然后常壓開倉維護(hù)，在施工過程中該種方法會(huì)受到地理位置等因素的限制，且施工過程中安全性與可靠性低；在土壤含水量較高時(shí)，為避免刀盤掌子面前端的水土壓力，維護(hù)過程中還會(huì)采用人工土凍結(jié)法，該種凍結(jié)法在實(shí)踐過程中存在著耗時(shí)長(zhǎng)、費(fèi)用高、占用空間大等問題。
[0003]目前采用的換刀方式主要有常壓換刀和氣壓換刀，常壓換刀需在盾構(gòu)機(jī)停機(jī)位置地層自穩(wěn)能力好的情況下進(jìn)行，而氣壓換刀需盾構(gòu)機(jī)停機(jī)位置地層保氣能力好的地層下進(jìn)行，故當(dāng)盾構(gòu)機(jī)停機(jī)位置地層無法滿足上述換刀方法所需前提時(shí)，將難以對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀具進(jìn)行更換。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的第一個(gè)技術(shù)問題是提供一種刀盤刀具維護(hù)過程中的安全、省時(shí)、費(fèi)用低、占用空間小的具有凍結(jié)功能的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。
[0005]本發(fā)明所要解決的第二個(gè)技術(shù)問題是提供一種安全、省時(shí)、費(fèi)用低、占用空間小地對(duì)該具有凍結(jié)功能的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的換刀方法。
[0006]為了解決上述第一個(gè)技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的具有凍結(jié)功能的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，包括螺旋輸送機(jī)、刀盤、刀盤支撐臂、人艙、土倉、盾體、主驅(qū)動(dòng)單元、隔板和加泥系統(tǒng)，在所述的刀盤和盾體上布置有凍結(jié)循環(huán)管路；包括有對(duì)所述的主驅(qū)動(dòng)單元加熱的加熱管路；還包括冷凍機(jī)組、儲(chǔ)藏槽和加熱裝置，所述的凍結(jié)循環(huán)管路通過進(jìn)液管、回液管與所述的冷凍機(jī)組和儲(chǔ)藏槽相連，所述的加熱裝置通過進(jìn)液管、回液管與所述的加熱管路和所述的凍結(jié)循環(huán)管路相連。
[0007]所述的刀盤的背面設(shè)有第一蓋板，所述的凍結(jié)循環(huán)管路布置于所述的第一蓋板與所述的刀盤之間。
[0008]所述的凍結(jié)循環(huán)管路以間斷圓環(huán)形式布置于所述的第一蓋板上。
[0009]所述的盾體周向安裝有圓環(huán)蓋板，所述的凍結(jié)循環(huán)管路布置于所述的圓環(huán)蓋板與所述的盾體之間。
[0010]所述的凍結(jié)循環(huán)管路以螺旋線形式固定于所述的盾體外側(cè)或內(nèi)側(cè)。
[0011]所述的凍結(jié)循環(huán)管路布置于所述的刀盤內(nèi)部。
[0012]所述的加熱管路布置于所述的隔板靠后配套系統(tǒng)一側(cè)，所述的加熱管路上方裝有第二蓋板。
[0013]為了解決上述第二個(gè)技術(shù)問題，本發(fā)明提供的一種具有凍結(jié)功能的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的換刀方法，包括以下步驟:
[0014]步驟一、土倉置換填充:盾構(gòu)機(jī)停止工作，采用螺旋輸送機(jī)和與螺旋輸送機(jī)同步工作的加泥系統(tǒng)對(duì)土倉進(jìn)行土倉置換填充，所述螺旋輸送機(jī)安裝在隔板下部，所述加泥系統(tǒng)安裝在隔板上部；土倉置換填充時(shí)，通過螺旋輸送機(jī)將土倉內(nèi)的所有泥土由下至上從土倉內(nèi)排出，與此同時(shí)，通過加泥系統(tǒng)由上至下同步對(duì)泥土排出后的土倉內(nèi)部空腔進(jìn)行填充，直至將土倉內(nèi)的所有泥土全部替換為均勻混合了無機(jī)鹽的膨潤(rùn)土； 土倉置換填充過程中，對(duì)土倉內(nèi)部壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將土倉內(nèi)壓力控制在1.5bar?3.0bar之間；
[0015]步驟二、盾體周圍土體凍結(jié):步驟一中土倉置換填充結(jié)束后，采用凍結(jié)循環(huán)管路對(duì)刀盤和盾體的盾體周圍土體進(jìn)行凍結(jié)，在盾體周圍土體凍結(jié)過程中，往刀盤和盾體周圍區(qū)域的凍結(jié)循環(huán)管路中注入冷媒，主驅(qū)動(dòng)單元處加熱管路中注入導(dǎo)熱液，以防止主驅(qū)動(dòng)單元在盾體周圍土體凍結(jié)過程中溫度過低而造成損傷；在凍結(jié)過程中需要對(duì)土倉內(nèi)的壓力和盾體周圍土體溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將土倉內(nèi)部壓力控制在1.5bar?3.0bar之間，盾體周圍土體溫度控制在_5°C以下；
[0016]步驟三、開鑿與同步換刀:待步驟二盾體周圍土體凍結(jié)完畢后，在常壓下對(duì)土倉進(jìn)行開倉，此時(shí)凍結(jié)循環(huán)管路繼續(xù)工作，保證盾體周圍土體的溫度控制在-5°C以下；采用開鑿工具對(duì)所需換刀位置的凍結(jié)體進(jìn)行人工開鑿與清理，待開鑿空間達(dá)到刀具更換要求時(shí)，停止開鑿并對(duì)該處刀具進(jìn)行更換；當(dāng)一處刀具更換結(jié)束后，再對(duì)下一個(gè)換刀位置進(jìn)行開鑿、清理及換刀，直至所有需更換刀具全部更換完成；
[0017]步驟四、解凍及恢復(fù)工作:待步驟三完成后，通過加泥系統(tǒng)往土倉內(nèi)填充膨潤(rùn)土，直至土倉內(nèi)充滿膨潤(rùn)土，并控制土倉內(nèi)壓力和盾構(gòu)機(jī)停機(jī)位置水土壓力基本保持一致；土倉填充完成后，通過往凍結(jié)循環(huán)管路內(nèi)注入導(dǎo)熱液的方式對(duì)盾體周圍土體進(jìn)行解凍；待解凍結(jié)束后，恢復(fù)盾構(gòu)機(jī)的正常工作。
[0018]步驟三所述對(duì)土倉進(jìn)行常壓開倉之前，對(duì)盾體周圍土體的凍結(jié)狀況進(jìn)行檢查，使用鋼釬通過隔板上方預(yù)留孔洞對(duì)盾體周圍土體的凍結(jié)體打孔，觀察孔洞內(nèi)有無漿液噴涌現(xiàn)象，若無噴涌現(xiàn)象且掌子面情況穩(wěn)定，則盾體周圍土體凍結(jié)成型；此時(shí)在常壓下進(jìn)行開倉，隨后進(jìn)行土倉的開鑿和同步換刀作業(yè)。
[0019]步驟四所述對(duì)盾體周圍土體進(jìn)行解凍之前，先對(duì)加泥系統(tǒng)進(jìn)行加熱與清理，待清理結(jié)束后，利用加泥系統(tǒng)對(duì)開鑿過的區(qū)域進(jìn)行膨潤(rùn)土填充；通過往步驟二所述的凍結(jié)循環(huán)管路中注入導(dǎo)熱液對(duì)盾體周圍土體進(jìn)行解凍，整個(gè)過程中對(duì)土倉內(nèi)的壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證壓力穩(wěn)定且控制在1.5bar?3.0bar之間。
[0020]所述技術(shù)方案同樣適用于主機(jī)結(jié)構(gòu)與土壓平衡盾構(gòu)機(jī)類似的其他類型盾構(gòu)機(jī)(如直接控制式泥水平衡盾構(gòu)機(jī))、頂管機(jī)、頂管盾構(gòu)機(jī)和其他設(shè)備。
[0021]進(jìn)一步的:
[0022]所述的凍結(jié)循環(huán)管路以多進(jìn)液管、多供液管連接或單進(jìn)液管、單供液管連接。
[0023]所述的加熱管路具有一個(gè)進(jìn)液管與回液管。
[0024]所述的加熱裝置中使用到的導(dǎo)熱液是水、油、蒸汽等具有傳熱性質(zhì)的介質(zhì)。
[0025]所述的儲(chǔ)藏槽使用到的冷媒是液氮、液態(tài)二氧化碳等。
[0026]所述的冷凍機(jī)組其使用冷媒是鹽水、液氨、液態(tài)二氧化碳，其中鹽水選自氯化鈉、氯化鈣、亞硝酸鈉、碳酸鉀硝酸鹽鈣中的任意一種或任意幾種的混合物，冷媒依據(jù)實(shí)際需求而定。
[0027]本發(fā)明的有益效果如下:
[0028]1)節(jié)約成本:現(xiàn)有土壓平衡盾構(gòu)機(jī)維護(hù)過程中需要占用較大的工作空間，耗費(fèi)較多的人力資源，而具有凍結(jié)功能的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)能有效地減少人力、物力的消耗。
[0029]2)降低施工難度:傳統(tǒng)的常壓開倉維護(hù)過程中需要在土壓平衡盾構(gòu)機(jī)前端一定距離處鉆孔灌注粧，這會(huì)對(duì)地理環(huán)境、土壤介質(zhì)提出一定的要求，而具有凍結(jié)功能的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)能消除地理?xiàng)l件和土壤介質(zhì)對(duì)于施工的不良影響。
[0030]3)節(jié)省工時(shí):現(xiàn)有土壓平衡盾構(gòu)機(jī)維護(hù)方法需要在施工前做一定的準(zhǔn)備工作，而具有凍結(jié)功能的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)只需花費(fèi)一定時(shí)間用于凍結(jié)目標(biāo)區(qū)域，能有效地縮短工時(shí)。
[0031]本發(fā)明的換刀施工方法，其操作方便、成本低、安全性高，能有效解決土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在惡劣條件下?lián)Q刀時(shí)易發(fā)生涌水涌砂、掌子面塌方的問題。
[0032]綜上所述，本發(fā)明是一種維護(hù)過程中的安全、省時(shí)、費(fèi)用低、占用空間小的具有凍結(jié)功能的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)及其換刀方法。
【附圖說明】
[0033]圖1具有凍結(jié)功能土壓平衡盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034]圖2為刀盤背面蓋板凍結(jié)循環(huán)管路布置圖(多進(jìn)液管、多回液管)。
[0035]圖3為刀盤背面蓋板凍結(jié)循環(huán)管路布置圖(單進(jìn)液管、單回液管)。
[0036]圖4為隔板加熱管路布置圖。
[0037]圖5是本發(fā)明的施工工藝圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0039]參見圖1、圖2、圖3和圖4，具有凍結(jié)功能的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，包括螺旋輸送機(jī)15、刀盤7、刀具8、刀盤支撐臂11、人艙5、土倉6、盾體1、主驅(qū)動(dòng)單元14、中心回轉(zhuǎn)接頭17、隔板16和預(yù)留口 4，人艙5和預(yù)留口 4安裝于隔板16上，在所述的刀盤7和盾體1上布置于有凍結(jié)循環(huán)管路2 ;包括有對(duì)所述的主驅(qū)動(dòng)單元14加熱的加熱管路12 ;還包括冷凍機(jī)組20、儲(chǔ)藏槽19和加熱裝置18，凍結(jié)循環(huán)管路2通過進(jìn)液管21、回液管22、中心回轉(zhuǎn)接頭17與冷凍機(jī)組20、儲(chǔ)藏槽19和加熱裝置18相連，加熱裝置18通過進(jìn)液管21、回液管22與加熱管路12相連。冷凍機(jī)組20、儲(chǔ)藏槽19、安放于后配套系統(tǒng)。
[0040]如圖1、圖2和圖3所示，刀盤7的背面凍結(jié)循環(huán)管路2布置方式為:凍結(jié)循環(huán)管路2置于刀盤7背面與第一蓋板9之間。凍結(jié)循環(huán)管路2以間斷環(huán)狀形式固定于第一蓋板9上，凍結(jié)循環(huán)管路2也可采取其他布置形式。第一蓋板9由四塊板材構(gòu)成，第一蓋板9在設(shè)計(jì)過程中需要避免凍結(jié)循環(huán)管路2布置對(duì)刀具8以及刀盤7開口造成不良的影響，第一蓋板9對(duì)應(yīng)刀盤支撐臂11位置需要留有槽口，這樣便于將第一蓋板9焊接到刀盤支撐臂11上。如圖2所示，凍結(jié)循環(huán)管路2的進(jìn)液管21、回液管22分別布置在第一蓋板9豎直與水平方向，凍結(jié)循環(huán)管路2通過刀盤支撐臂11空腔和中心回轉(zhuǎn)接頭17延伸出來。凍結(jié)循環(huán)管路2連接方式也可如圖3中所示，凍結(jié)循環(huán)管路2只有一個(gè)進(jìn)液端與出液端，端口置于第一蓋板9豎直方向。另外，還可將凍結(jié)循環(huán)管路2布置在刀盤7內(nèi)部筋板空腔中，此時(shí)不需增設(shè)蓋板，凍結(jié)循環(huán)管路2由刀盤支撐臂11空腔和中心回轉(zhuǎn)接頭17延伸出來。
[0041]如圖1和圖4所示隔板加熱管路布置方式為:加熱管路12以環(huán)狀圓均布在隔板16端面，加熱管路12有一個(gè)進(jìn)液端與出液端，在加熱管路12上方添加第二蓋板13用以保護(hù)加熱管路12和防止人員燙傷，第二蓋板13為圓環(huán)狀通過筋板固定在隔板16上方。
[0042]如圖1所示盾體1周向管路布置方式為:凍結(jié)循環(huán)管路2置于盾體1與圓環(huán)蓋板3之間，凍結(jié)循環(huán)管路2以螺旋線形式一體化繞置在盾體1周向，凍結(jié)循環(huán)管路2通過筋板固定位置，回液管22從前、后隔板形成的腔室中延伸出來，進(jìn)液管21從后盾處盾體