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1、海瑞克土压平衡盾构机泡沫系统浅析中铁一局城轨公司张新义1 工作原理概述： 在盾构掘进过程中，为了对渣土进行改良设置了渣土改良系统，包括泡沫系统和膨润土系 统。作为土体改良的媒介，泡沫特别适用于坚硬地质的复合地层的盾构掘进。经泡沫改良 后的土体具有如下的性能：提供压力稳定的切削面 足够的柔软性 低透水性减小土体对盾构机的粘着力 减小摩擦力 减小驱动力EPB 模式下，用泡沫改良的原理是空气和液体的机械混合，在泡沫储存罐里将水和泡沫混 合，泡沫通过计量容器泵入泡沫，水来自工业用水，并在管线上加装了流量计。泡沫本身 是一组泡沫桶内空气和液体的机械组合，这两种成分必须经过SPC操作元件的计量后注入 泡沫
2、发生器，并且要根据推进速度、所保持的压力以及按有关公式来调整。在控制室里操 作人员可通过操作有关的可控球阀将泡沫通过相关入口注入到刀盘前方、土仓和螺旋输送 机，刀盘前有八个泡沫喷嘴，土舱里有四个泡沫喷嘴，螺旋输送机前后两端各有四个泡沫 喷嘴。此外，该泡沫系统还可兼作注水或膨润土用。2泡沫系统元件和管路布置21 系统元件 IX泡沫储存罐（lm3） 4X液体控制装置（带有流量计） 4X空气控制装置（带有流量计） 4X压力检查表 4X泡沫发生器 1X水泵（功率6.3kw,最小额定流量133L/min,额定压力8bar） 1 X泡沫泵（功率0.4kw,额定流量5300L/h，额定压力9bar） 4X泡
3、沫压力传感器 1 X操作装置的控制元件 4X连接回转中心泡沫管 清洗水切换装置 膨润土切换装置22 管路布置 泡沫注入管路的布置应该使泡沫达到快速混合搅拌渣土的效果，以免渣土粘结在刀盘和刀 具上 因此就应在刀盘和掘进工作面设置多个泡沫注入口，一方面可以避免渣土粘结在刀盘或者 刀具上，另一方面在渣土输送到螺旋输送机之前渣土能得到最大限度的搅拌。另外由于接 触刀盘和刀具渣土的流动性，更使得泡沫和渣土能够尽快得到混合，同时掘进工作面被泡 沫所密封。所以在刀盘上设置了四根泡沫管八个泡沫注入口，土舱的搅拌棒上也设置了四个泡沫主入 口，螺旋输送机前后两端各设有四个注入口。SchneidradCuHing
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9、=泡沫流量(Q foam ) /液体流量(Q liquid ) 泡沫膨胀率标准值 12:1泡沫注入量FIR=泡沫流量(Q foam ) /渣土流量(Q soil )Q foam = FIR x Q soilQ soil = A face x V tbm 其中：A face =掘进工作面面积V t bm=盾构机掘进速度泡沫空气压力Q air = ( FER - 1 ) x Qliquid x (Pchamber + 1 ) 其中：Pchambe = 土舱绝对压力 33 参数设置正常设置值为半自动模式FER 12:1自动模式 30% - 50% 泡 沫3% - 5% 34 泡沫加注原则 操作手要根
10、据地质条件和螺旋输送机出土口渣土的和易性情况，随时相应调整泡沫系统的 几种参数。在软土层应选择 5泡沫含量的百分比，渣土应呈牙膏状的流体被输送到皮带 输送机上；遇到硬岩富水层，可以将气和液体比例调高些，有 1： 14 调到 1： 17 或这者 1： 20，这样较大的气体就可以把水压在掘进工作面的土体里。4 泡沫系统的操作41 液体供应 液体供应是通过流量计控制自动供应的。42 泡沫发生 泡沫发生有三种模式手动半自动 自动(泡沫加注量和掘进速度有关) 421 手动 操作者可以选择使用泡沫发生器的数量，而且可以预先设置泡沫发生器的液体流量(液 体、水或者膨润土)和空气流量。422半自动 操作者可以
11、选择使用泡沫发生器的数量，预设FER值（泡沫膨胀率）。每个泡沫流量可以 调整。开始进行管片拼装时泡沫装置会自动停止工作。操作者可通过开启启动开关重新启 动装置。423 自动模式 操作者可选择使用泡沫发生器，预设所开启泡沫发生器吸入泡沫流量的百分比。所输入的 FER值（泡沫膨胀率）和FIR值（泡沫注入量）都会其作用。自动操作模式可以按照掘进速度自动调整泡沫的注入量。 100%的掘进速度对应 100%的预 设泡沫量， 10%的掘进速度对应 10%的预设泡沫量。由于泡沫装置和掘进速度相联系在一起，掘进停止时（即管片拼装）泡沫发生器也停止工 作，掘进开始时泡沫发生器也重新启动。43 水的注入 水可以通
12、过流量控制方式加注到各个注入口。44 膨润土注入 膨润土可以通过膨润土泵注入到各个注入口。各个注入口可分别注入膨润土。5常见故障及处理方法51 泡沫管被堵：在硬岩地层时，被滚刀切削下来的岩石碎块很容易被挤进刀盘前的泡沫 管里，如果不及时疏通就有可能使泡沫管被堵死，泡沫无法喷出。处理办法：一旦发 现泡沫管被堵，应立刻进行疏通，调高被堵泡沫管的空气流量，用高压气体将被堵的 岩石碎块冲出去。为了防止泡沫管被堵，在硬岩掘进时应将泡沫系统开启，同时喷向 刀盘上的泡沫还可为刀盘和刀具降温。5 2 泡沫流量和空气流量计量不准确：应检查流量计是否损坏，如果损坏就应该立即更 换。53 土舱空气压力过大：泡沫质量不好，泡沫不能够充分的渗透到渣土中，过大的气压会 影响推进速度；过高的气压通过盾构机和岩层之间的空间作用到注浆管口，使注浆压力增 大，影响注浆效果；过高的土舱气压不利于土压平衡的建立，影响刀盘顶部地面建筑物的 沉降。54 空气流量过大或过小：检查空气系统中的单向阀，有可能单向阀被卡住。6 结束语：泡沫系统对土体的改良效果直接影响着盾构掘进工程的质量和进度，合理有效的使用泡沫 系统会起到事半功倍的效果，由于泡沫是一种比较昂贵的渣土改良剂，使用合理会极大降 低工程成本造价。
张总：海瑞克土压平衡盾构机泡沫系统浅析
