[发明专利]一种气土联合平衡盾构机及其掌子面平衡控制方法

权利要求书

1.气土联合平衡盾构机，包括刀盘、供气组件、土仓、螺旋输送机，其特征在于，所述供气组件包括：

气体管路，为土仓供气，包括进气管和出气管，进气管上配置开关阀和减压阀，出气管上配置开关阀和泄压阀，进气管与出气管在前端相连并连接土仓隔板气孔，进气管尾端与空压机相连，用于加压，出气管尾端与大气相连，用于泄压；以及

泡沫管路，为切削土体提供泡沫，包括泡沫泵、泡沫剂箱、泡沫发生器、水箱，泡沫泵将来自水箱的水和泡沫剂压入泡沫发生器，在泡沫发生器内与所述空压机压入的气体混合。

2.如权利要求1所述的气土联合平衡盾构机，其特征在于，包括土仓隔板上布置的6道压力传感器，其中，在气体与渣土交界面上、水平中轴线上、在所述交界面上方、以及所述交界面与所述水平中轴线之间分别设置1道压力传感器，所述水平中轴线下方布置2道压力传感器，其中，后4道压力传感器设置位置可调整。

3.如权利要求1所述的气土联合平衡盾构机，其特征在于，在土仓隔板连接所述气体管路的气孔处增设防堵塞多孔材料。

4.如权利要求1所述的气土联合平衡盾构机，其特征在于，1道气体管路对应土仓隔板上的1个气体注入孔，气体注入孔设置在土仓隔板的气土分界面附近，1道泡沫管路对应2个泡沫注入孔，泡沫注入孔沿刀盘均匀布置。

5.如权利要求2所述的气土联合平衡盾构机，其特征在于，维持进气管的进气流量V与螺旋输送机转速r满足：

式中：P——土仓内气体压力；

A——盾构机横截面面积；

P₀——空压机中的气体压力；

f(r)——掘进速度与螺旋输送机转速的关系函数v＝f(r)。

6.一种气土联合平衡盾构掌子面平衡控制方法，其特征在于，利用如权利要求2所述的气土联合平衡盾构机，其中，

在所述交界面上方的压力传感器的量值为P₁、所述交界面上的压力传感器的量值为P₂、所述水平中轴线的压力传感器的量值为P₄、所述交界面与所述水平中轴线之间压力传感器的量值为P₃，所述水平中轴线下方布置的2道压力传感器的量值分别为P₅、P₆；

掘进过程中保证空仓率小于1/2，土仓内渣土高度不能低于水平中轴线；

若P₁＝P₂<P₃，则空仓率正常；

若P₁＝P₂＝P₃，则空仓率增大，气土交界面下降，结合刀盘扭矩和推力变化减慢螺旋输送机排土、减小进气量；

若P₁<P₂，则空仓率减小，气土交界面上升，结合刀盘扭矩和推力变化加快螺旋输送机排土，增加进气量；

若P₁～P₄数值接近，则空仓率接近1/2，立即减慢螺旋输送机排土。

7.如权利要求6所述的气土联合平衡盾构掌子面平衡控制方法，其特征在于，若6道压力传感器量值普遍大于经验值和理论计算值，则土仓压力整体偏大，以降低气压为主，加快排土为辅；

若6道传感器量值普遍小于经验值和理论计算值，则土仓压力整体偏小，应以减慢出土为主，增大进气压力为辅。

8.如权利要求6所述的气土联合平衡盾构掌子面平衡控制方法，其特征在于，

维持进气管的进气流量V与螺旋输送机转速r满足：

式中：P——土仓内气体压力；

A——盾构机横截面面积；

P₀——空压机中的气体压力；

f(r)——掘进速度与螺旋输送机转速的关系函数v＝f(r)。

9.如权利要求6所述的气土联合平衡盾构掌子面平衡控制方法，其特征在于，该方法的一环管片施工包括三个阶段：

阶段Ⅰ，为盾构机开始掘进前的准备阶段，盾构机保持拼装模式，刀盘静止，储存运送渣土的运输车就位，螺旋输送机往外逐渐排土，保持气土平衡，土仓内渣土高度逐渐下降，当空仓率达到设定值时，进入下一阶段；

阶段Ⅱ，为正常掘进阶段，盾构机首先由拼装模式转变为掘进模式，根据包含设定刀盘转速、推进速度、螺旋输送机转速、土仓进气流量的施工参数进行掘进，掘进过程中，通过观测土仓压力传感器数值大小及变化情况判断土仓压力状态；除土仓压力之外，还关注包括推进压力、刀盘扭矩的关键施工参数，察看渣土流动性能是否影响进出土，观测地表沉降控制效果是否理想，根据实际情况采取应对措施以改善掘进状态；当推进千斤顶行程达到控制值时，进入下一阶段；

阶段Ⅲ，拼装管片的准备阶段，提高土仓内渣土高度，降低气压的作用，减小拼装管片时掌子面失稳的风险，在向前掘进的同时螺旋输送机减慢出土，空压机减小进气量，同样需要保持气土平衡；

待渣土满仓、千斤顶行程满足拼装要求后，运送管片就位，盾构机转变为拼装模式，进行管片拼装，至此，一环管片施工完成，进入下一环管片施工。