盾構(gòu)刀盤泡沫噴口防堵裝置研究

呂專真/LYU Zhuan-zhen

（廈門廈工機(jī)械股份有限公司，福建 廈門 361023）

在隧道施工過程中，根據(jù)施工地質(zhì)條件，盾構(gòu)掘進(jìn)時通過刀盤噴口向土倉內(nèi)注入泡沫來對渣土特性進(jìn)行改善，穩(wěn)定掌子面，降低渣土滲透系數(shù)，同時起到隔水作用，便于施工，同時降低刀盤扭矩，減少刀具磨損。泡沫的正常注入關(guān)系到盾構(gòu)能否正常掘進(jìn)，目前，刀盤泡沫防護(hù)主要是在噴口安裝橡膠墊，但是橡膠墊在掘進(jìn)過程中由于磨損和反復(fù)使用會發(fā)生疲勞，從而失去保護(hù)作用，渣土?xí)M(jìn)入刀盤噴口內(nèi)，從而將噴口堵死，導(dǎo)致噴口無法使用，以往當(dāng)需要對刀盤噴口堵塞進(jìn)行清理時，工作人員只能帶壓進(jìn)倉清理或隧道掘通以后再進(jìn)行清理，工人勞動強度大，且具有一定的危險性。本文主要全面介紹刀盤泡沫噴口防堵裝置的構(gòu)成及原理，并進(jìn)一步分析防堵裝置的故障排除方法。

1 刀盤泡沫噴口沖洗防堵裝置的構(gòu)成

盾構(gòu)刀盤泡沫噴口防堵裝置如圖1所示，主要包含相互獨立的泡沫注入管路通道、壓力傳感器、流量計、高壓水清洗管路、控制球閥、下位機(jī)、上位機(jī)和聲光報警裝置等。

圖1 盾構(gòu)刀盤泡沫噴口防堵裝置

2 盤泡沫噴口沖洗防堵裝置的原理

該防堵系統(tǒng)是通過下位機(jī)直接與各個泡沫注入管路的壓力傳感器、泡沫泵及各個高壓水清洗管路中的控制球閥相連接，根據(jù)各個壓力傳感器所反饋的壓力信號并控制泡沫泵及控制球閥的啟/閉運轉(zhuǎn)。

在盾構(gòu)刀盤泡沫噴口防堵系統(tǒng)內(nèi)包括多條相互獨立的泡沫注入管路，該泡沫注入管路中，由泡沫泵、壓力表、第一單向閥、流量計、泡沫發(fā)生器、泡沫視鏡、壓力傳感器、球閥及第二單向閥依次串聯(lián)形成，同時在泡沫泵上還并聯(lián)一安全閥，確保泡沫泵的正常工作，在該泡沫注入管路的末端設(shè)有泡沫噴口，該泡沫噴口設(shè)置在刀盤裝置中；在各個泡沫注入管路上的第一單向閥與第二單向閥之間皆單獨旁接高壓水清洗管路，該各個高壓水清洗管路中皆設(shè)有用于水路通斷的控制球閥，且各個高壓水清洗管路的進(jìn)水端匯集到一起通過外接一高壓水泵及單向閥與水源端導(dǎo)通。

如圖2所示，下位機(jī)通常為可編程邏輯控制器（PLC單片機(jī)），其與各個泡沫注入管路的壓力傳感器、泡沫泵及各個高壓水清洗管路中的控制球閥相連接，用于接收各個壓力傳感器所反饋的壓力信號并控制泡沫泵及控制球閥的啟/閉運轉(zhuǎn)；上位機(jī)通常為帶屏幕及鍵盤的計算機(jī)，該上位機(jī)操作平臺上還包括聲光報警裝置，該上位機(jī)與下位機(jī)相連，可接收下位機(jī)所反饋的壓力值，并對下位機(jī)發(fā)出控制指令。

圖2 PLC控制器

3 刀盤泡沫噴口沖洗防堵裝置的作用

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，刀盤噴口處于盾構(gòu)的最前端，一旦發(fā)生噴口堵塞，不僅影響盾構(gòu)的正常施工，而且對盾構(gòu)噴口的維修造成較大的困難。大部分情況，泡沫噴口是由于刀盤的切削作用和碴土自身的粘著性,使碴土在泡沫噴口一點一點地堆積,最后形成土堆,導(dǎo)致堵塞管路。刀盤泡沫噴口沖洗防堵裝置，可實時監(jiān)測刀盤泡沫的壓力情況，并且在壓力異?；蛘邏毫ι舷迺r，通過警報和智能控制，完成對噴口的沖洗。該裝置可有效地降低刀盤泡沫噴口堵塞，減少堵塞造成的工期延誤；可有效地減少人員開倉的次數(shù)，降低處理問題的風(fēng)險；可有效地降低人力和物力，降低人員操作的失誤。

4 刀盤泡沫噴口沖洗防堵裝置的控制方法

如圖3所示，當(dāng)盾構(gòu)在進(jìn)行泡沫注入作業(yè)時，泡沫經(jīng)泡沫泵、壓力表、第一單向閥、流量計、泡沫發(fā)生器、泡沫視鏡、壓力傳感器、第二單向閥，最終從泡沫注入管路的末端泡沫噴口噴出，對土艙內(nèi)的渣土進(jìn)行改良作業(yè)，在這個過程中壓力傳感器實時將壓力數(shù)值傳遞下位機(jī)，并通過下位機(jī)將上述壓力信息傳遞向主控室的上位機(jī)上，當(dāng)上位機(jī)通過下位機(jī)實時接收任一泡沫注入管路內(nèi)的壓力值P1，當(dāng)其中任一泡沫注入管路內(nèi)的壓力值P1大于下位機(jī)內(nèi)預(yù)存的泡沫注入管路內(nèi)核定的堵塞故障工作壓力P2時，本實施例P2=6bar，上位機(jī)進(jìn)行報警提示，提示工作人員需對該條堵塞的泡沫注入管路進(jìn)行清洗，會出現(xiàn)以下兩種操作選擇。

情況1：如果此時工作人員發(fā)現(xiàn)上位機(jī)發(fā)出的報警提示，及時通過上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送清洗指令，則下位機(jī)會對所有泡沫注入管路中的泡沫泵發(fā)出停止工作指令，并將與該路泡沫注入管路相連接的高壓水清洗管路中的控制球閥切換為開啟狀態(tài)，將高壓水清洗管路中的高壓水引入該路泡沫注入管路中，對泡沫注入管路末端的泡沫噴口進(jìn)行沖洗，沖洗持續(xù)時間為10s，10s過后關(guān)閉高壓水清洗管路中的控制球閥，間隔5s后，待該泡沫注入管路內(nèi)的壓力值穩(wěn)定時，下位機(jī)重新檢測該泡沫注入管路中的壓力值，直至重新檢測的壓力值小于下位機(jī)內(nèi)預(yù)存泡沫注入管路內(nèi)核定的正常工作壓力的最大值P3，P3=5bar，則系統(tǒng)恢復(fù)正常工作，泡沫泵啟動，泡沫注入管路繼續(xù)進(jìn)行泡沫注入作業(yè)。

情況2：如果此時工作人員由于工作疏忽，未及時通過上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送清洗指令，該路堵塞的泡沫注入管路內(nèi)的壓力值會持續(xù)升高，當(dāng)壓力值P1大于下位機(jī)預(yù)存的泡沫注入管路內(nèi)核定的緊急停機(jī)故障壓力值P4時，該實施例P4=8bar，則下位機(jī)會自動向所有泡沫注入管路中的泡沫泵發(fā)出停止工作指令，并將與該路泡沫注入管路1相連接的高壓水清洗管路2中的控制球閥切換為開啟狀態(tài)，將高壓水清洗管路2中的高壓水引入該路泡沫注入管路1中，對對泡沫注入管路末端的泡沫噴口進(jìn)行沖洗，沖洗持續(xù)時間為10s，間隔5s后，待該泡沫注入管路1內(nèi)的壓力值穩(wěn)定時，下位機(jī)重新檢測該泡沫注入管路1中的壓力值P1，如果P1＜5bar，則系統(tǒng)恢復(fù)正常工作；如果P1≥5bar，則下位機(jī)如情況2前述所述的沖洗流程，重新對該堵塞的泡沫注入管路進(jìn)行高壓沖洗，再檢測，該下位機(jī)預(yù)設(shè)的沖洗循環(huán)次數(shù)為3次，循環(huán)沖洗3次后，如果5bar≤P1＜8bar，則通過上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)出沖洗控制控制指令，直至P1＜5bar，系統(tǒng)恢復(fù)正常工作；如果P1＞8bar，則下位機(jī)停止發(fā)出自動沖洗指令，上位機(jī)發(fā)出需人工介入進(jìn)行清除堵塞管路的報警提示,由人員進(jìn)入盾構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行人工疏通堵塞管路。

圖3 刀盤泡沫噴口沖洗防堵裝置的控制方法

5 結(jié) 論

本文為保證泡沫系統(tǒng)正常運作，設(shè)計一款刀盤防堵裝置及控制方法，裝置進(jìn)行相應(yīng)的軟硬件設(shè)計。根據(jù)泡沫系統(tǒng)的實際情況，一旦發(fā)現(xiàn)泡沫系統(tǒng)異常，防堵裝置可進(jìn)行智能報警沖洗，排除故障，該裝置實現(xiàn)對泡沫發(fā)生系統(tǒng)工作過程的監(jiān)控，從而提高控制系統(tǒng)的可操作性，全面提升盾構(gòu)的安全使用。