一种盾构机

技术领域

本发明属于盾构机领域，特别是涉及一种盾构机。

背景技术

土压平衡盾构机和泥水盾构机是常用的盾构设备，土压平衡盾构机的结构更加简单、操作和维护的难度低、出渣及时、施工成本较低；而泥水盾构机的结构更加复杂，造成操作和维护的难度高，并且需要设置泥水分离厂，施工成本高。

盾构机类型的选择一般取决于地质条件，例如地层透水系数为10

为解决上述技术问题，申请公布号为CN115506800A、申请公布日为2022年12月23日的中国发明专利申请公开了一种土压平衡盾构机土仓压力补偿系统。该土压平衡盾构机土仓压力补偿系统包括设置在土仓远离刀盘一侧且与土仓连通的气垫仓、与气垫仓连通的气垫仓压力传感器、膨润土膨化箱，膨润土膨化箱与气垫仓之间连通设置有膨润土注入管，气垫仓还连通设置有用于向气垫仓内注入高压空气的气垫仓保压空气注入管。当土仓压力出现波动时，气垫仓的内泥浆能够注入土仓，保持土仓压力平衡，确保地层稳定。

在土压平衡盾构机中装入上述的土仓压力补偿系统，虽然通过向土仓内注入泥浆而维持了土仓压力的平衡，但遇到高透水地层时已无法继续使用螺旋输送机进行排渣，因而不适合使用土压平衡盾构机继续施工。若继续施工，必须对地层进行加固或者使用泥水盾构机替换原有的土压平衡盾构机，这将会极大地降低施工效率，影响工期。

或者使用泥水土压双模式盾构机进行隧道的施工，当遇到高透水地层时，可直接由土压平衡盾构模式切换为泥水盾构模式，例如申请公布号为CN111255470A、申请公布日为2020年6月9日的中国发明专利申请公开了一种泥水土压双模式盾构系统。该泥水土压双模式盾构系统包括盾构部，跟随在盾构部之后的泥浆分离台车和膨润土泥浆制备台车；在盾构部前端设有盾构刀盘，盾构刀盘后设有土仓，螺旋输送机的入口接入到土仓的下段内，螺旋输送机的出口连接有采石箱，采石箱的底部设有可启闭的闸板；还设有连接到盾构刀盘的润滑泥浆进管，和连接到土仓的压力泥浆进管；螺旋输送机与泥浆排出装置连接，泥浆排出装置与第一循环管连接，第一循环管与润滑泥浆进管和压力泥浆进管连接。该泥水土压双模式盾构系统集成了土压平衡盾构机和泥水盾构机的主要结构，在遇到高透水地层时，可直接切换为泥水盾构模式。

泥水土压双模式盾构系统适合于高透水地层和低透水地层均比较多的工程中，若工程中高透水地层比较少，那么使用泥水土压双模式盾构系统显然不再合适。原因是，泥水土压双模式盾构系统具有泥水盾构所需的完整的结构，例如为盾构刀盘提供润滑的润滑泥浆进管、用于实现土压模式和泥水模式之间快速切换的采石箱，以上结构使盾构机的整体结构较复杂，在高透水地层较少的情况下，上述结构的使用率极低，将会造成资源浪费。同时不论是现有的泥水土压双模式盾构系统还是现有的泥水盾构机，在施工过程中也均面临着土仓压力不稳定的问题，此时需要根据土仓中检测到的实时压力，通过与土仓连接的压力泥浆进管、泥浆排出装置中泥浆的流量控制进行土仓中压力的调节，控制不方便，造成操作难度高、施工效率低的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种盾构机，以解决工程中有高透水层但占比较少时，现有技术中土压平衡盾构机难以在高透水地层施工的技术问题，以及泥水土压双模式盾构系统具有的泥水盾构完整的结构利用率较低造成的资源浪费、泥水模式下需要根据土仓中检测到的实时压力再通过与土仓连接的压力泥浆进管和泥浆排出装置中泥浆的流量控制进行土仓中压力的调节从而造成土仓压力控制不方便的技术问题。

为实现上述目的，本发明所提供的盾构机的技术方案是：

一种盾构机，包括盾体，盾体的前部为土仓，土仓连接有螺旋输送机，还包括压力补偿单元和浆液排渣单元；压力补偿单元包括用于储存保压介质的保压罐和连通保压罐与土仓以向土仓中注入保压介质的压力补偿管；浆液排渣单元包括与土仓连通的进浆管和排浆管，进浆管上设有用于将浆液泵入土仓的进浆泵，排浆管上设有用于控制土仓中浆液排出的排浆泵或节流阀；施工时，若遇到小范围的高透水性地层时，关闭螺旋输送机，利用浆液排渣单元替代螺旋输送机进行排渣，同时利用压力补偿单元来维持土仓压力稳定，进浆管和排浆管保持稳定流量；穿过高透水性地层后，关闭浆液排渣单元，重新启动螺旋输送机。

有益效果是：上述技术方案是对现有技术的进一步改进。盾构机在低透水性地层或者高透水性地层中掘进都可以通过压力补偿单元来平衡土仓压力。该盾构机在低透水性的地层中掘进时，利用螺旋输送机排出渣土，此时进浆管和排浆管均处于不工作的状态。当土仓平衡盾构机在遇到高透水性的地层时，可能会发生涌水现象而导致土仓压力迅速降低，压力补偿单元可以快速响应，将保压罐内的保压介质注入到土仓内，补充土仓压力，缓解涌水现象。此时螺旋输送机将无法继续工作，可以将进浆管和排浆管与土仓接通，通过进浆管向土仓内匀速注入浆液，再通过排浆管将混有渣土的浆液排出。浆液排渣单元可以替代螺旋输送机进行排渣，从而使该盾构机能够在高透水性地层处继续掘进，直到穿过该处的高透水性地层后，关闭浆液排渣单元，而重新启动螺旋输送机进行正常的掘进。上述技术方案相较于现有技术中的土压平衡盾构机，能够在遇到较小范围的高透水性地层时，利用浆液排渣单元进行临时的排渣，保证盾构机可以继续掘进而通过该段高透水性地层。相较于现有技术中泥水土压双模式盾构机，上述技术方案中对泥水盾构相关的结构进行了简化，使整体结构更加简单，操作方便，降低了施工成本；另外，上述技术方案在使用浆液排渣单元排出渣土时，利用了压力补偿单元来维持土仓压力的稳定，当土仓压力出现波动时，保压罐内的保压介质能够注入土仓内以补偿土仓压力或者由土仓排出降低土仓压力，而不需要通过对进浆管和排浆管的流量的控制来调节土仓压力，相较于现有技术中的泥水土压双模式盾构机，上述技术方案对于土仓压力的控制更加简单且有效。

作为进一步地改进，浆液排渣单元还包括用于储存浆液的浆液罐，进浆管和排浆管远离土仓的一端均与浆液罐连通。

有益效果是：浆液罐内可以储存一定量的浆液，进浆管可以将浆液罐内的浆液泵入到土仓中，排浆管将携带有渣土的浆液重新排入到浆液罐内，以此循环。浆液在循环的过程中可以将渣土排出并积累在浆液罐内，待穿过高透水性地层或者浆液罐储满后，对浆液罐内混有渣土的浆液进行处理。上述技术方案能够使浆液循环利用，减少资源浪费和排放污染。

作为进一步地改进，浆液排渣单元还包括用于将浆液排出隧道的导流管，导流管与排浆管或浆液罐连通。

有益效果是：上述技术方案中的导流管可以将多余的混有渣土的浆液排出隧道，以防止浆液罐内渣土淤积，使浆液罐可以长时间地使用，保证施工效率。

作为进一步地改进，浆液罐用于设置在盾体后方的后配套区域。

有益效果是：浆液罐设置在盾体后方的后配套区域后，能够减轻盾体的重量，有效地防止栽头现象的发生。

作为进一步地改进，浆液罐内设置有用于搅拌浆液的搅拌装置。

有益效果是：上述技术方案中，利用搅拌装置可以对浆液罐内的浆液进行搅拌，防止出现沉积和密度不均匀的现象。

作为进一步地改进，搅拌装置位于浆液罐的底部且具有用于充入空气的充气腔，搅拌装置上开设有用于连通充气腔和浆液罐内腔的气孔。

有益效果是：上述技术方案只需要利用盾构机上的供气管向搅拌装置内通入气体便可以产生气泡从而实现搅拌，不需引入额外的驱动源，结构简单，成本较低。

作为进一步地改进，保压罐内的压力与土仓内的压力适配，以在土仓内压力降低时使保压介质自动注入土仓中。

有益效果是：上述技术方案中，土仓内压力降低时，保压罐内的保压介质能够在压力不平衡的作用下自动地注入到土仓内，不需要通过压力传感器来监测土仓内的压力，相应速度更快。

作为进一步地改进，保压罐连接有用于增大保压罐内压强的增压装置。

有益效果是：增压装置能够使保压罐内具有足够的压强，当土仓压力降低时，压力补偿单元能够将保压罐内的泥浆补入到土仓中，以恢复土仓压力；当土仓压力过高时，保压罐能够容许一部分泥浆回到保压罐内，从而使压力补偿单元能够自动地根据土仓压力进行动作，响应速度较快。

作为进一步地改进，增压装置为与保压罐连通且用于储存压缩空气的压力空气罐。

有益效果是：压力空气罐能够使保压罐内保持一定范围的压强，并且在土仓内压力迅速降低时，压力空气罐内的压缩空气可以快速地将保压罐内的泥浆注入到土仓内，响应速度较快。另外，使用时只需要向压力空气罐内补充压缩空气即可，成本较低。

作为进一步地改进，保压罐和增压装置用于设置在盾体后方的后配套区域。

有益效果是：保压罐和增压装置用于设置在盾体后方的后配套区域后，能够减轻盾体的整体重量，有效地防止栽头现象的发生。

作为进一步地改进，保压罐用于设置在盾体后方的后配套区域。

有益效果是：保压罐用于设置在盾体后方的后配套区域后，能够减轻盾体的整体重量，有效地防止栽头现象的发生。

附图说明

图1为本发明中盾构机的结构示意图。

附图标记说明：

1、盾体；2、土仓；3、刀盘；4、主驱动；5、螺旋输送机；6、拼装机；7、保压罐；8、压力补偿管；9、压力空气罐；10、浆液罐；11、进浆管；12、排浆管；13、进浆泵；14、排浆泵；15、搅拌管。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明中的盾构机，在遇到高透水性地层时，能够利用浆液排渣单元进行临时的应急排渣，从而能够在高透水性地层处不需要停机维保，保持低速掘进，从而穿过高透水性地层。同时压力补偿单元能够维持土仓内的压力稳定，降低浆液排渣单元对流量控制的要求，简化结构。

本发明所提供的盾构机的具体实施例：

一种盾构机，参见附图1，包括盾体1，盾体1的前部为土仓2，盾体1的前端设置有刀盘3，盾体1上设置有用于驱动刀盘3转动的主驱动4，盾体1内还设置有用于转移渣土的螺旋输送机5、用于拼装管片的拼装机6。

该盾构机还包括压力补偿单元和浆液排渣单元。

压力补偿单元包括保压罐7和连通保压罐7与土仓2的压力补偿管8，保压罐7用于储存保压介质，一种实施方式中，保压介质为调配好的膨润土浆，在其他实施方式中，保压介质还可以为空气。保压罐7连接有用于增大保压罐7内压强以将膨润土浆补入土仓2的增压装置，在一种实施方式中，增压装置为与保压罐7连通的压力空气罐9，压力空气罐9内储存一定量的高压空气，高压空气的压力值与土仓2内的压力匹配。压力空气罐9可以只用于储存高压空气，也可以为压力空气罐9配备空气压缩机，以更长时间地保持压力空气罐9内的压力稳定。

浆液排渣单元包括浆液罐10，浆液罐10与土仓2之间连通设置有进浆管11和排浆管12，进浆管11和排浆管12均连接在螺旋输送机5上，以保证顺利排渣，且将螺旋输送机5作为排渣的单一出口，减少土仓2的安装结构。进浆管11上设置有用于将浆液泵入土仓2的进浆泵13，排浆管12上设置有用于控制浆液流动的排浆泵14。在其他实施方式中，可以将排浆泵14替换为节流阀，也能够起到控制浆液流动的作用。

浆液罐10具有补水口，用于利用盾构机的供水管向浆液罐10内补充水，以降低浆液罐10内的浆液粘稠度和弥补浆液的损失。排浆管12连通设置有用于将浆液排出隧道的导流管，导流管与排浆管12的连接处位于排浆泵14或者节流阀与浆液罐10之间。浆液罐10内设置有用于搅拌浆液的搅拌装置，优选实施方式中，搅拌装置为位于浆液罐10底部的搅拌管15，搅拌管15的一端为封闭结构，搅拌管15的另一端与供气管连通，搅拌管15的内腔构成充气腔，搅拌管15上开设有若干用于连通充气腔和搅拌管15外壁的气孔，利用供气管向搅拌管15内充入空气后，空气将会从气孔进入到浆液内并形成气泡，从而对浆液罐10内的浆液进行搅拌，防止浆液静置导致沉淀，保证浆液始终处于密度均匀的状态。在其他实施方式中，导流管还可以直接与浆液罐连接并连通。

浆液罐10和保压罐7、压力空气罐9均设置在盾体1后方后配套区域的拖车上，从而不占用盾体1内部的空间，便于该盾构机的操作和施工，同时也能够减轻盾体1的重量，避免施工过程中出现栽头现象。在其他实施方式中，浆液罐10和保压罐7、压力空气罐9还可以直接安装在盾体1内。

浆液罐10和排浆管12、进浆管11之间均采用可拆卸的接头连接，保压罐7与压力补偿管8之间也采用可拆卸的接头连接，从而可以在不需要的情况下，将保压罐7和浆液罐10均拆卸下来，在需要的时候再将保压罐7与压力补偿管8连接，浆液罐10与排浆管12、进浆管11连接。这样在无高透水地层时，可以减轻该盾构机的负担，保证施工效率。管路的可拆卸接头可以采用法兰接头或者抱箍接头，在此不做赘述。

本实施例中，保压罐7与土仓2之间、压力空气罐9与保压罐7之间、进浆管11、排浆管12以及导流管上均设置控制阀门，在此不做赘述。

该盾构机在低透水性的地层中掘进时，可以先不接通浆液罐10，而将保压罐7与土仓2保持接通，以保证土仓2内的压力稳定，防止地面沉降超限。掘进过程中若遇到高透水性地层而发生涌水现象时，土仓2内的压力会迅速降低，此时可以控制保压罐7内的膨润土浆注入到土仓2中，快速地补充压力，并且膨润土浆的粘稠度较高，能够缓解螺旋输送机5的涌水现象，为螺旋输送机5的关闭留出时间。

螺旋输送机5关闭后，可以将浆液罐10与进浆管11、排浆管12连接，浆液罐10内预先注入粘稠度较低的泥浆，进浆泵13将泥浆泵入到土仓2内，浆液在土仓2内与渣土混合后，在排浆泵14的驱动下再排出土仓2，排出土仓2的浆液部分进入到浆液罐10内继续进行循环，其余的浆液则通过导流管排出隧道。

该盾构机在上述的状态下，可以在高透水地层中缓慢地掘进，待穿过高透水地层后，可以开启螺旋输送机5，恢复原先的掘进方式。相较于现有技术，该盾构机既能够在遇到高透水地层时维持掘进，又能够保证结构不会与泥水土压双模式盾构机一样复杂，操作难度较低，施工效率高，并且施工成本较低。

在高透水地层中掘进的过程中，可以使进浆泵13和排浆泵14的泵送流量保持恒定，若土仓2中出现压力波动，可以通过压力补偿单元来进行压力的维持和稳定，使控制更加简单，便于操作且施工效率高。

浆液排渣单元除了优选实施方式中的结构外，在其他实施方式中，还可以将浆液罐10设置在盾体1内部，并且使排浆管12、进浆管11与浆液罐10和土仓2始终保持连接，免去了有需要时接通浆液罐10的操作。

在其他实施方式中，浆液排渣单元还可以不设置导流管，浆液罐10具有足够的容量来储存临时利用浆液排渣单元排出的渣土，待穿过高透水层后，再对浆液罐10内混有渣土的浆液进行处理。

在其他实施方式中，浆液排渣单元可以不设置浆液罐10和导流管，进浆管11和排浆管12远离土仓2的一端直接连接到隧道外，从隧道外箱进浆管11内注入浆液，携带有渣土的浆液从排浆管12直接排至隧道外。该实施方式中，在低透水性地层中掘进时，进浆管11和排浆管12可拆卸下来。

在其他实施方式中，浆液罐10内也可以不设置搅拌装置。或者搅拌装置还可以有其他的形式，例如将搅拌管15替换为搅拌盒，气孔开设在搅拌盒的壁上，搅拌盒的内腔构成充气腔；再例如使用电机加桨叶的形式对浆液罐10内的浆液进行搅拌，该结构为现有技术，在此不做赘述。

压力补偿单元除了优选实施方式中的结构外，在其他实施方式中，还可以将空气压缩机作为增压装置，使空气压缩机与保压罐7通过管道连接，或者将空气压缩机固定设置在保压罐7的壁上并使空气压缩机的出口与保压罐7直接连通。

在其他实施方式中，还可以不设置增压装置，而是在压力补偿管8上设置用于泵送保压罐7内膨润土浆的保压泵，保压泵可以将保压罐7内的膨润土浆泵入到土仓2内，以补偿土仓2压力。

在其他实施方式中，不设置增压装置，保压罐7内设置能够沿着保压罐7的轴向移动的活塞板用于推动活塞板移动的驱动机构，驱动机构通过推动活塞板移动，从而将保压罐7内的膨润土浆挤压到土仓2内。驱动机构可以为气缸或者液压缸。

在其他实施方式中，保压罐7和增压装置固定安装在盾体1的内部，并且压力补偿管8始终与土仓2和保压罐7保持连接。

在其他实施方式中，进浆管11和排浆管12与土仓2的连接处也可以不设置在土仓2的底部，可同时设置在土仓2的顶部或者中部，也可以分别设置在土仓2的顶部和底部。

最后需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细地说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行不需付出创造性劳动地修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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。