可调密度的泥水土压双模式盾构机
技术领域
本实用新型涉及一种可调密度的泥水土压双模式盾构机，适于地质较复杂岩层含有溶洞、土洞等特殊地质的区间使用，属于盾构施工领域。
背景技术
盾构机已经成为当今地下隧道建设盾构法施工的核心部件之一，主流的有土压平衡盾构机和泥水平衡盾构机，目前施工大都是根据地层含水率等参数选择采用土压模式或泥水模式的单模式盾构机，此类盾构机无法进行模式转换。
以上两种单模式的盾构机掘进地质情况变化较大的区间，地质复杂区段会出现掘进困难的情况，工期和成本上大大增加，甚至会出现塌方等危险，对隧道建设及安全施工带来安全隐患。
针对以上问题，单模式盾构已经逐步向土压泥水双模式盾构的研发方向努力，目前行业中已经逐渐出现土压泥水相结合形式的盾构机的案例，如申请号为2019106754166的实用新型专利公开了一种泥水土压双模式盾构机，但该类双模式盾构机无法解决如遇到溶洞土洞等特殊地质时，刀盘前方泥膜被破坏后，泥浆逃逸，无法进行压力控制进行保压的问题。
实用新型内容
为解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种可调密度的泥水土压双模式盾构机。
为了达到以上目的，本实用新型采用的技术方案是：一种可调密度的泥水土压双模式盾构机，包括盾体、设置在盾体前方的气垫仓、设置在气垫仓前方的泥水仓、设置在泥水仓前方的刀盘、输出端连接至泥水仓的进浆管路、输入端与进浆管路相连接且输出端连接至气垫仓的补浆管路、入口连接至泥水仓底部的螺旋机、可脱离地接驳螺旋机的出口的泥浆箱、输入端与泥浆箱相连接的排浆管路、可脱离地接驳螺旋机的出口并用于输送渣土的输送装置，泥水仓与气垫仓之间可阻断地相连通，盾构机具有泥水工作状态、土压工作状态，
盾构机还包括输入端和输出端均与泥水仓相连接并用于在其开通时测量泥水仓内泥浆密度的测密度管路、输出端连接至泥水仓并用于向所述泥水仓中注入高密度泥浆的加泥注入管路，盾构机还具有可调密度工作状态，当盾构机处于可调密度工作状态时，泥水仓与气垫仓相连通，进浆管路和补浆管路开通，输送装置与螺旋机的出口脱离并且螺旋机的出口接驳泥浆箱，测密度管路开通。
进一步地，当盾构机处于泥水工作状态时，进浆管路和补浆管路开通，输送装置与螺旋机的出口脱离，并且螺旋机的出口接驳泥浆箱，当盾构机处于土压工作状态时，泥水仓与气垫仓之间被阻断，进浆管路和补浆管路关闭，泥浆箱与螺旋机的出口脱离，并且螺旋机的出口接驳输送装置；当盾构机处于泥水工作状态和土压工作状态时，测密度管路关闭。
进一步地，高密度泥浆的密度大于进浆管路中泥浆的密度。
进一步地，测密度管路包括管道、能够使泥水仓中的泥浆循环通过管道的测密度循环泵、对管路中的泥浆进行密度测量的密度计。
进一步地，盾构机还包括能够在螺旋机不工作时将泥水仓内的泥浆输出的旁通管路，旁通管路的输入端与泥水仓相连接且输出端连接至所述排浆管路。
进一步地，盾构机还包括输入端与进浆管路相连接且输出端连接至刀盘的中心部位和螺旋机的冲洗管路。
进一步地，盾构机还包括输入端与泥水仓的下部和气垫仓的下部相连接且输出端连接至泥浆箱的防滞排管路、输入端与进浆管路相连接且输出端连接至泥浆箱的稀释管路。
进一步地，螺旋机的出口处设置有能够对大块固体物质进行破碎的破碎机。
进一步地，泥水仓与气垫仓之间连接有连通管，连通管上设置有可开启和关闭的阀门。
进一步地，盾构机还包括输出端连接至气垫仓的上部以向气垫仓中输送气体使气垫仓保持压力平衡的空气保压管路。
通过采用上述技术方案，本实用新型可调密度的泥水土压双模式盾构机，在原有土压平衡系统和泥水平衡系统的基础上，进行有效地结合，针对不同地层地质，进行泥水和土压模式切换，尤其是在含有溶洞、土洞等极特殊地质无法形成有效泥膜而进行压力控制的条件下，通过测密度管路的测量值与地面提供的标准范围比较，来进行密度调控，以密度压力梯度控制代替传统压力控制，实现复杂地质下的高效掘进。
附图说明
附图1为本实用新型一个实施例中可调密度的泥水土压双模式盾构机在泥水工作状态和可调密度工作状态时的连接结构示意图；
附图2为附图1所示可调密度的泥水土压双模式盾构机在土压工作状态时的连接结构示意图。
图中标号为：
1、盾体；2、气垫仓；3、泥水仓；4、螺旋机；5、输送装置；6、泥浆箱；7、排浆管路；8、进浆管路；9、补浆管路；91、补浆循环泵；10、测密度管路；101、测密度循环泵；11、冲洗管路；111、冲洗循环泵；12、防滞排管路；121、防滞排循环泵；13、加泥注入管路；14、空气保压管路；15、破碎机；16、旁通管路；17、连通管；18、稀释管路。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的较佳实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。
参考附图1至附图2，本实施例中的可调密度的泥水土压双模式盾构机，包括盾体1、设置在盾体1前方的气垫仓2、设置在气垫仓2前方的泥水仓3、设置在泥水仓3前方的刀盘（附图中未标示出）、输出端连接至泥水仓3的进浆管路8、输入端与进浆管路8相连接且输出端连接至气垫仓2的补浆管路9、入口连接至泥水仓3底部的螺旋机4、可脱离地接驳螺旋机4的出口的泥浆箱6、输入端与泥浆箱6相连接的排浆管路7、可脱离地接驳螺旋机4的出口并用于输送渣土的输送装置5。
泥水仓3与气垫仓2之间可阻断地相连通，具体地，泥水仓3与气垫仓2之间连接有连通管17，连通管17上设置有可开启和关闭的阀门，通过阀门的开启和关闭实现泥水仓3与气垫仓2之间的连通和阻断。更为具体地，连通管连接在泥水仓3的上部以及气垫仓2的上部。
盾构机还包括输入端和输出端均与泥水仓3相连接并用于测量泥水仓3内泥浆密度的测密度管路10。具体地，测密度管路10包括管道（附图中未标示出）、能够使泥水仓3中的泥浆循环通过管道的测密度循环泵101、对管道中的泥浆进行密度测量的密度计（附图中未标示出）。
盾构机还包括输出端连接至泥水仓3的加泥注入管路13，当盾构机处于可调密度工作状态时，通过加泥注入管路13向泥水仓3注入事先调配好的高密度泥浆，该高密度泥浆的密度大于进浆管路8中的泥浆。当盾构机在泥水工作状态时，还通过加泥注入管路13向刀盘的前部注入膨润土以形成有效泥膜。
盾构机具有泥水工作状态、土压工作状态以及基于泥水工作状态的可调密度工作状态。当盾构机处于泥水工作状态时，进浆管路8和补浆管路9开通，输送装置5与螺旋机4的出口脱离，并且螺旋机4的出口接驳泥浆箱6。当盾构机处于土压工作状态时，泥水仓3与气垫仓2之间被阻断，进浆管路8和补浆管路9关闭，泥浆箱6与螺旋机的出口脱离，并且螺旋机4的出口接驳输送装置5。
可调密度工作状态是盾构机的基于泥水工作状态的一种工作状态，适用于含溶洞等复杂底层。当盾构机处于可调密度工作状态时，在保持泥水工作状态的连接结构的基础上（即：泥水仓3与气垫仓2相连通，进浆管路8和补浆管路9开通，输送装置5与螺旋机4的出口脱离并且螺旋机4的出口接驳泥浆箱6），进浆管路8开通，测密度管路10开通并测量泥水仓3内泥浆密度，将测量值与标准范围进行比较，并根据比较结果调整加泥注入管路13和补浆管路9的输入量以及螺旋机4的输出量，使泥水仓3内泥浆密度保持在标准范围内。而当盾构机处于泥水工作状态和土压工作状态时，由于不需要监控密度，故测密度管路10关闭。
上述的补浆管路9包括补浆循环泵91，当补浆管路9开通时，在补浆循环泵91的作用下，将进浆管路8中的泥浆泵入气垫仓2进行补浆。在可调密度工作状态下，当泥水仓3内压力低于气垫仓2时，气垫仓2中浆液会进入所述泥水仓2，气垫仓2中液面下降，则通过对气垫仓2补浆，以保持气垫仓2内液面稳定。同时可以结合下文将会描述的空气保压系统对掌子面压力进行微调。
在一种更为优选的实施方案中，盾构机还包括输出端连接至气垫仓2的上部以向气垫仓2中输送气体使气垫仓2保持压力平衡的空气保压管路14。
在一种更为优选的实施方案中，盾构机还包括输入端与进浆管路8相连接且输出端连接至刀盘的中心部位和螺旋机的冲洗管路11。冲洗管路11包括冲洗循环泵111，在冲洗循环泵111的作用下，将进浆管路8中的泥浆输送至刀盘中心处以及螺旋机处，以对刀盘中心和螺旋机进行高压冲洗。
在一种更为优选的实施方案中，盾构机还包括输入端与泥水仓3的下部和气垫仓2的下部相连接且输出端连接至泥浆箱6的防滞排管路12，防滞排管路12包括防滞排循环泵121。泥水工作状态和可调密度工作状态时，在防滞排循环泵121的作用下，将气垫仓2和泥水仓3内堆积的淤泥泥浆输送至泥浆箱6中，从而解决了气垫仓2和泥水仓3底部高密度泥浆沉积问题。而进浆管路8上会有稀释管路18连通至泥浆箱6，该稀释管路18的输入端与进浆管路8相连接且输出端连接至泥浆箱6，将较为稀释的进浆泥浆输送至泥浆箱6，对泥浆箱6进行冲洗稀释，使高密度泥浆在泥浆箱6中得到充分冲洗和稀释后，由排浆管路7排出。当盾构机转换至土压工作状态时，稀释管路18会关闭或者随泥浆箱6一起被拆除。
在一种更为优选的实施方案中，螺旋机4的出口处设置有破碎机15，其能够对大块固体物质进行破碎。该破碎机15应用于泥水工作状态时，优选地，在土压工作状态时，拆除该破碎机15。
在一种更为优选的实施方案中，盾构机还包括旁通管路16的输入端与泥水仓3相连接且输出端连接至排浆管路7，旁通管路16能够在螺旋机4不工作时将泥水仓3内的泥浆输出的旁通管路16，主要应用于盾构机从泥水工作状态切换至土压工作状态时，对泥水仓3进行泥浆置换。
工作原理：
当盾构机从土压工作状态转换至泥水工作状态进行掘进时，首先停止掘进，刀盘缓慢转动，通过加泥注入管路13向刀盘的前部注入膨润土，并在刀盘前部形成有效泥膜，通过进浆管路8对泥水仓3进行加泥，同时在补浆循环泵91的作用下，补浆管路9对气垫仓2进行补浆至半仓位，此过程中，螺旋机4保持排渣状态，将泥水仓3底部的渣土排出，当压力及出渣状态在螺旋机4内出现明显变化时，即螺旋机4内明显由渣土变为泥浆，则关闭螺旋机4入口处的闸门，拆除输送装置5，安装泥浆箱14、破碎机15和排浆管路7，安装完毕后打开螺旋机4入口处闸门，启动排浆管路7，接通连通管17，开启空气保压管路7，由螺旋机4输出的泥浆混合砂石经破碎机15破碎后至泥浆箱14稀释，经排浆管路7输送出隧道。
当盾构机从泥水工作状态转换至土压工作状态进行掘进时，首先停止进浆管路8进浆，同时停止螺旋机4转动，关闭螺旋机4闸门、空气保压系统14及连通管17，开启旁通阀组16，盾构机仍保持缓慢掘进，随着渣土堆积泥水仓3内泥浆经旁通管路16至排浆管路7，并输送出隧道。待泥水仓3内泥浆置换完毕（即泥浆排出，泥水仓3内为渣土），则拆除泥浆箱6、破碎机15和排浆管路7，换上输送装置5，正转反转螺旋机4，排出大颗粒物，逐渐增大闸门的开度，直至转换为正常土压工作状态掘进。
当盾构机从泥水工作状态转换至可调密度工作状态进行掘进时，由于此时掘进地层含有溶洞，泥水仓3泥浆逃逸，压力出现明显变化，此时通过加泥注入管路13对泥水仓3注入高密度泥浆进行补浆，同时通过补浆管路9对气垫仓2进行补浆，开启测密度管路10对泥水仓3内泥浆密度进行检测，并将检测值与地面提供参考的密度标准范围进行比较，根据比较结果调整加泥注入管路13的进浆量与螺旋机4的排浆量（排浆量通过调整螺旋机4转速实现），使泥水仓3密度稳定在标准范围内，通过密度压力梯度控制掌子面压力保持稳定。泥水仓3排出的泥浆混合砂石经破碎机15破碎后至泥浆箱6稀释，然后经排浆管路7输送出隧道。
本实施例中的可调密度的泥水土压双模式盾构机，在原有土压平衡系统和泥水平衡系统的基础上，进行有效地结合，针对不同地层地质，进行泥水和土压模式切换，尤其是在含有溶洞、土洞等极特殊地质无法形成有效泥膜而进行压力控制的条件下，通过测密度管路的测量值与地面提供的标准范围比较，来进行密度调控，以密度压力梯度控制代替传统压力控制，实现复杂地质下的高效掘进。
上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
