本发明涉及盾构设备及施工领域，特别是一种能够快速切换的泥水土压双模式盾构系统及方法。
背景技术：
常见的盾构机分为土压平衡式盾构和泥水平衡式盾构。土压平衡式盾构的基本原理是由刀盘切削土层，切削后的泥土进入土舱，土舱内的泥土与开挖面压力取得平衡的同时由土舱内的螺旋输送机出土，装于排土口的排土装置在出土量与推进量取得平衡的状态下，进行连续出土。泥水平衡式盾构的基本原理是在盾构机正面与支承环前面装置隔板的密封舱中，注入适当压力的泥浆使其在开挖面形成泥膜，支承正面土体，实现开挖面稳定，并以安装在正面的刀盘切削土体，渣土与泥浆混合后形成高密度泥浆，用排泥泵及管道输送至地面处理。
以上两种盾构机掘进方式只能为土压平衡式和泥水平衡式的其中一种，因此盾构机适应地层变化的工作能力受到极大限制，现阶段我国城市轨道交通、引水隧道、电力隧道大力发展，隧道穿越地区地质变化较大，在大量的复杂地段，单一掘进方式的盾构机容易出现掘进困难，影响施工工期，增加工程成本，对城市轨道交通等各类建设造成不利影响。
中国专利文献cn202707070u记载了一种土压平衡和泥水平衡双模式复合盾构机，通过切换集石破碎箱和输送带，配合管路实现土压平衡和泥水平衡施工方式的切换。存在的问题是，切换到泥水平衡施工方式时需要撤掉输送带，更换集石破碎箱，而在土压平衡施工方式时需要以输送带替换集石破碎箱，操作较为麻烦。中国专利文献cn110306991a记载的泥水土压双模式盾构机的技术方案也存在上述的技术问题。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种泥水土压双模式盾构系统及方法，能够同时适应泥水平衡盾构施工和土压平衡盾构施工。优选的方案中，能够快速切换泥水平衡盾构施工和土压平衡盾构施工的工作模式，能够提高泥浆循环处理的效率，能够提高泥浆循环的经济效益，能够自动在不同的泥浆循环模式下进行切换。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种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；
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；
在压力泥浆进管设有第二阀，在润滑泥浆进管设有第一阀。
优选的方案中，在螺旋输送机的出料口下方设有采石箱，采石箱的溢流口通过第二循环管与第一排出管和第一循环管连通；
第二循环管上设有第二循环阀，第二循环管上还设有第二泥浆循环泵，第一排出管上设有第一排出阀，第一循环管上设有第一循环阀；
在第一排出管的出口设有泥浆处理装置。
优选的方案中，在采石箱的底部设有可启闭的闸板，在采石箱的底部设有输送带。
优选的方案中，所述的泥浆处理装置包括振动筛，第一排出管的出口位于振动筛的上方，振动筛的筛上通过溜槽与输送带连接，振动筛的筛下设有沉淀箱，沉淀箱内设有溢流箱体，沉淀箱的溢流口与第三循环管连接，第三循环管与膨润土泥浆制备罐连接。
优选的方案中，所述的膨润土泥浆制备罐内设有搅拌装置，膨润土泥浆制备罐的上方设有进液管，进液管上设有进液泵；
膨润土泥浆制备罐通过润滑泥浆管与润滑泥浆进管连接，润滑泥浆管上设有润滑泥浆阀。
优选的方案中，采石箱的底部倾斜，倾斜角度与输送带的倾角大致相同，闸板与采石箱底部的滑槽滑动连接，闸板与驱动开合的驱动装置连接；
驱动装置包括由电机驱动的齿轮齿条机构、丝杠螺母机构、气缸或液压缸。
优选的方案中，所述的泥浆排出装置位于靠近螺旋输送机进料端的位置，在泥浆排出装置上设有筛网。
优选的方案中，泥浆排出装置的结构为：在靠近螺旋输送机进料端的位置，进料端管体通过连接法兰与管体本体连接，在进料端管体上设有排泥开口，排泥开口的周边设有卡槽，排泥管连接板固定安装在卡槽，在排泥管连接板的端头设有法兰结构，排泥管连接板上设有排泥管，排泥管与第一循环管连通，排泥管与排泥管连接板连接的位置设有筛网。
优选的方案中，在第一循环管上设有粘度计；
在土仓内设有土仓压力传感器。
一种采用上述的泥水土压双模式盾构系统的施工方法，土压平衡盾构工况下，关闭第一循环管上的第一循环阀，开启采石箱的闸板，根据土仓内设置的土仓压力传感器调节螺旋输送机的转速，螺旋输送机出料口的石块经过采石箱排出到输送带，进行土压盾构施工；
在泥水平衡盾构工况下，启动第一泥浆循环泵，开启第一循环管的第一循环阀，第一泥浆循环泵从泥浆排出装置循环排出泥浆为土仓内提供压力泥浆，或者通过控制第一阀的启闭为润滑泥浆进管提供润滑泥浆，或者通过第一排出管送到泥水分离装置，螺旋输送机转动将泥浆中的石块输送至采石箱，采石箱的溢流泥浆输送至压力泥浆进管或泥浆处理装置，间歇开启采石箱底部的闸板，将采石箱内的石块排出到输送带，进行泥水盾构施工；
通过以上步骤实现土压平衡盾构工况和泥水平衡盾构工况的快速切换。
本发明提供的一种泥水土压双模式盾构系统及方法，通过采用螺旋输送机作为土仓的单一排泥口出口，从而减少安装空间，设置在螺旋输送机靠近进料端的泥浆排出装置，在泥水平衡盾构模式中，能够通过螺旋输送机的泥浆排出装置快速实现泥浆与石块的分离，完成排泥过程。在土压平衡盾构模式中，能够通过采石箱的底部直接排出石块，而在泥水平衡盾构模式中，采石箱也能够单独实现泥浆和石块分离，实现泥浆循环利用。设置的泥浆分离台车，能够在现场对泥浆进一步进行分离，减少泥浆运输难度，进一步减少泥浆对施工现场的污染。本发明能够实现自动控制的泥浆循环利用，节省了资源，降低了能耗，能够实现泥水平衡盾构模式和土压平衡盾构模式的无缝切换，提高了施工效率，大幅降低现场施工的劳动强度。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明泥水衡盾构模式的整体结构图。
图2为本发明土压衡盾构模式的整体结构图。
图3为本发明的整体结构示意图。
图4为本发明中采石箱和输送带的局部结构示意图。
图5为本发明中振动筛与输送带连接时的局部结构示意图。
图6为本发明中螺旋输送机的泥浆排出装置的结构示意图。
图7为本发明中泥浆排出装置的爆炸立体图。
图中：盾构刀盘1，土仓2，压力泥浆进管3，润滑泥浆进管4，螺旋输送机5，采石箱6，箱体61，侧挡板62，闸板开启装置63，闸板64，泥浆排出装置7，进料端管体71，连接法兰72，筛网73，排泥管连接板74，排泥管75，卡槽76，排泥开口77，管体本体78，泥浆分离台车8，膨润土泥浆制备台车9，输送带10，振动筛11，沉淀箱12，膨润土泥浆制备罐13，第一泥浆循环泵14，粘度计15，第二泥浆循环泵16，润滑泥浆泵17，进液泵18，第一循环阀19，第一阀20，第二阀21，润滑泥浆阀22，第二循环阀23，第一排出阀24，第二排出阀25，第三阀26，第一循环管27，第二循环管28，第一排出管29，润滑泥浆管30，第三循环管31，第三循环泵32，土仓压力传感器33，排浆管34。
具体实施方式
实施例1：
如图1~3中，一种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8和膨润土泥浆制备台车9；泥浆分离台车8上设有泥浆分离装置，用于在现场将泥浆和石块进行分离，从而泥浆能够尽量循环利用，节省资源，降低能耗。也便于石渣的运输，避免在运输石渣的过程中，泥浆滴落到路面上。膨润土泥浆制备台车9用于制备润滑和冷却盾构刀盘1用的膨润土泥浆。
在盾构部前端设有盾构刀盘1，盾构刀盘1后设有土仓2，螺旋输送机5的入口倾斜的接入到土仓2的下段内；螺旋输送机5旋转轴叶片，部分裸露的伸入到土仓2内。由此结构，以螺旋输送机5的入口作为土仓2唯一的出泥或出渣口，从而减少其他部件的安装空间。
还设有连接到盾构刀盘1的润滑泥浆进管4，用于润滑盾构刀盘1。还设有连接到土仓2的压力泥浆进管3，用于给土仓2内输送泥浆平衡盾构压力；螺旋输送机5与泥浆排出装置7连接，泥浆排出装置7与第一循环管27连接，第一循环管27与润滑泥浆进管4和压力泥浆进管3连接；
在压力泥浆进管3设有第二阀21，在润滑泥浆进管4设有第一阀20。通过对第二阀21和第一阀20的启闭状态控制，切换循环泥浆送入位置。优选的，含膨润土高的泥浆被送入到润滑泥浆进管4，而膨润土含量较低的泥浆被送入到压力泥浆进管3,膨润土含量的高低由设置在第一循环管27的粘度计15给出，粘度计15采用例如亚铭北京科技有限公司的振动式在线粘度计。由上述的结构，实现利用螺旋输送机5排出泥浆或石渣，并且泥浆在进入到螺旋输送机5后即可实现泥浆与石块的分离，并且能够充分循环利用膨润土泥浆。上述的连接关系如图3中所示，为便于观察，图3采用了简要制图法，便于了解各个部件之间的连接关系。
优选的方案如图4中，在螺旋输送机5的出料口下方设有采石箱6，用于实现第二步的泥水分离，在采石箱6内设有溢流板，出料口的石渣落在溢流板隔开的一个腔体内，泥浆经过溢流进入到另一个腔体，采石箱6的溢流口通过第二循环管28与第一排出管29和第一循环管27连通；
第二循环管28上设有第二循环阀23，第二循环管28上还设有第二泥浆循环泵16，第一排出管29上设有第一排出阀24，第一循环管27上设有第一循环阀19；通过有第二泥浆循环泵16将溢流的泥浆输送至泥浆处理装置或者直接循环回用至土仓2内，通过第二阀21和第一排出阀24之间的启闭状态调节，控制泥浆的输送位置。
在第一排出管29的出口设有泥浆处理装置。由上述的结构，本发明能够根据工况从三种途径获得可循环利用的泥浆，例如从泥浆排出装置7直接循环利用的泥浆，该位置的回用泥浆被送入到压力泥浆进管3和润滑泥浆进管4，其中进入到润滑泥浆进管4的占比通常更高。而从采石箱6溢流的循环泥浆被送入到压力泥浆进管3、润滑泥浆进管4和第一排出管29的位置，通常进入到压力泥浆进管3的占比更高。而从泥浆处理装置排出的泥浆通常被送入到膨润土泥浆制备罐13内和进液泵来的膨润土泥浆一起用于配制新的膨润土泥浆。或者从排浆管34被排出，或者通过阀门的切换被送入到润滑泥浆进管4。
优选的方案如图4中，在采石箱6的底部设有可启闭的闸板64，在采石箱6的底部设有输送带10。由此结构，通过控制采石箱6底部的闸板64启闭，能够方便地在土压平衡盾构模式和泥水平衡盾构模式之间切换，而不用每次拆卸相关设备。
优选的方案如图3、5中，所述的泥浆处理装置包括振动筛11，第一排出管29的出口位于振动筛11的上方，振动筛11的筛上通过溜槽与位于一侧的输送带10连接，振动筛11的筛下设有沉淀箱12，沉淀箱12内设有溢流箱体，沉淀箱12的溢流口与第三循环管31连接，第三循环管31与膨润土泥浆制备罐13连接。振动筛11优选采用多层筛网，并能够根据工况更换不同目数的筛网。通过筛网能够滤除泥浆中的砂粒，从而减少对盾构刀盘1的磨损。进一步优选的，在振动筛11的筛下还通过管路，或者管路和泥浆泵与旋流设备连接，通过旋流对泥浆进一步分离，以得到能够配制膨润土泥浆的溶剂。
优选的方案如图3中，所述的膨润土泥浆制备罐13内设有搅拌装置，搅拌装置采用竖直轴驱动浆叶旋转的结构，用于驱动的电机设置在膨润土泥浆制备罐13的上方，膨润土泥浆制备罐13的上方还设有进液管，进液管上设有进液泵18；进液管内接入的是预配好的膨润土泥浆。
膨润土泥浆制备罐13通过润滑泥浆管30与润滑泥浆进管4连接，润滑泥浆管30上设有润滑泥浆阀22。膨润土泥浆制备罐13用于制备基于润滑用的泥浆，从润滑泥浆管30来的泥浆通常浓度较高，配合从沉淀箱12输出的分离泥浆加以稀释，从而减少润滑泥浆进管4的输入工作量。
优选的方案如图3、4中，采石箱6的底部倾斜，倾斜角度与输送带10的倾角大致相同，闸板64与采石箱6底部的滑槽滑动连接，闸板64与驱动开合的驱动装置连接；由此结构，能够方便的在土压平衡盾构模式和泥水平衡盾构模式之间方便的切换。
驱动装置包括由电机驱动的齿轮齿条机构、丝杠螺母机构、气缸或液压缸。本例中采用的是齿轮齿条机构，齿条安装在闸板64上，齿条位于箱体61的侧壁之外，闸板64与采石箱6底部的滑槽形成密封，将齿条置于箱体61的侧壁之外能够减少密封结构的难度。齿轮固定在箱体61的侧壁，并有独立的电机和减速机构驱动，齿轮与齿条啮合连接，在闸板64的行程两端设有行程开关，用于控制电机的行程。丝杠螺母机构的安装方式则是将螺母安装在闸板64上，螺杆和用于驱动螺杆旋转的电机安装在箱体61的侧壁，螺母位于箱体61的侧壁之外。
优选的方案如图1~3中，所述的泥浆排出装置7位于靠近螺旋输送机5进料端的位置，在泥浆排出装置7上设有筛网73。由此结构，能够以最短的距离实现泥浆回用。尤其是在砾石工况段中，泥浆很容易和石渣分离，从而提高膨润土泥浆的回收比例。泥浆排出装置7的位置能够避免泥浆在螺旋输送机5内与泥土和砂石的充分克混合，便于分离。
优选的方案如图6、7中，泥浆排出装置7的结构为：在靠近螺旋输送机5进料端的位置，进料端管体71通过连接法兰72与管体本体78连接，在进料端管体71上设有排泥开口77，排泥开口77的周边设有卡槽76，排泥管连接板74固定安装在卡槽76，在排泥管连接板74的端头设有法兰结构，排泥管连接板74上设有排泥管75，排泥管75与第一循环管27连通，排泥管75与排泥管连接板74连接的位置设有筛网73。由此结构，便于泥浆排出装置7的加工和安装。尤其是能够避免直接焊接导致的螺旋输送机5壳体的变形。
优选的方案如图3中，在第一循环管27上设有粘度计15；通常膨润土泥浆具有更高的粘度，而普通石粉浆的粘度较低，通过对泥浆粘度的检测，能够方便的通过对第一循环阀19、第一阀20、第二阀21和第一排出阀24，分别将从泥浆排出装置7排出的泥浆输送至压力泥浆进管3、润滑泥浆进管4和第一排出管29。
如图1~3，在土仓2内设有土仓压力传感器33。由此结构，用于控制土仓2内的压力大小。
实施例2：
如图1~3中，一种采用上述的泥水土压双模式盾构系统的施工方法，在土压平衡盾构工况下，关闭第一循环管27上的第一循环阀19，开启采石箱6的闸板64，根据土仓2内设置的土仓压力传感器33调节螺旋输送机5的转速，以使土仓2内的压力符合预期。螺旋输送机5出料口的石块经过采石箱6排出到输送带10，并从后继的输送带10或运渣小车将石块或石渣输送至洞外，进行土压盾构施工；
在泥水平衡盾构工况下，启动第一泥浆循环泵14，开启第一循环管27的第一循环阀19，第一泥浆循环泵14从泥浆排出装置7循环排出泥浆为土仓2内提供压力泥浆，或者通过控制第一阀20的启闭为润滑泥浆进管4提供润滑泥浆，或者通过第一排出管29送到泥水分离装置。优选的，具体切换的选择通过粘度计15检测到的粘度进行选择。通常粘度较高的泥浆，即膨润土含量较高的泥浆输送会至润滑泥浆进管4，用于盾构刀盘1的润滑和清洗。而粘度较低的泥浆用于输送至压力泥浆进管3或第一排出管29，用于泥水压力平衡，或者用于泥浆分离装置处理后用于配制膨润土泥浆，或者用不完之后输送至洞外。而粘度最低的泥浆，则用于输送至泥浆分离装置，获得接近清水的泥浆后输送至膨润土泥浆制备罐13用于制备膨润土泥浆。
螺旋输送机5转动将泥浆中的石块输送至采石箱6，采石箱6的溢流泥浆输送至压力泥浆进管3用于泥水压力平衡或输送至泥浆处理装置进行泥水分离，得到接近清水的泥浆。间歇开启采石箱6底部的闸板64，将采石箱6内的石块排出到输送带10，进行泥水盾构施工；
通过以上步骤实现土压平衡盾构工况和泥水平衡盾构工况的快速切换。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
1.一种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（8）和膨润土泥浆制备台车（9）；
在盾构部前端设有盾构刀盘（1），盾构刀盘（1）后设有土仓（2），螺旋输送机（5）的入口接入到土仓（2）的下段内；
还设有连接到盾构刀盘（1）的润滑泥浆进管（4），和连接到土仓（2）的压力泥浆进管（3）；其特征是：螺旋输送机（5）与泥浆排出装置（7）连接，泥浆排出装置（7）与第一循环管（27）连接，第一循环管（27）与润滑泥浆进管（4）和压力泥浆进管（3）连接；
在压力泥浆进管（3）设有第二阀（21），在润滑泥浆进管（4）设有第一阀（20）。
2.根据权利要求1所述的一种泥水土压双模式盾构系统，其特征是：在螺旋输送机（5）的出料口下方设有采石箱（6），采石箱（6）的溢流口通过第二循环管（28）与第一排出管（29）和第一循环管（27）连通；
第二循环管（28）上设有第二循环阀（23），第二循环管（28）上还设有第二泥浆循环泵（16），第一排出管（29）上设有第一排出阀（24），第一循环管（27）上设有第一循环阀（19）；
在第一排出管（29）的出口设有泥浆处理装置。
3.根据权利要求2所述的一种泥水土压双模式盾构系统，其特征是：在采石箱（6）的底部设有可启闭的闸板（64），在采石箱（6）的底部设有输送带（10）。
4.根据权利要求3所述的一种泥水土压双模式盾构系统，其特征是：所述的泥浆处理装置包括振动筛（11），第一排出管（29）的出口位于振动筛（11）的上方，振动筛（11）的筛上通过溜槽与输送带（10）连接，振动筛（11）的筛下设有沉淀箱（12），沉淀箱（12）内设有溢流箱体，沉淀箱（12）的溢流口与第三循环管（31）连接，第三循环管（31）与膨润土泥浆制备罐（13）连接。
5.根据权利要求4所述的一种泥水土压双模式盾构系统，其特征是：所述的膨润土泥浆制备罐（13）内设有搅拌装置，膨润土泥浆制备罐（13）的上方设有进液管，进液管上设有进液泵（18）；
膨润土泥浆制备罐（13）通过润滑泥浆管（30）与润滑泥浆进管（4）连接，润滑泥浆管（30）上设有润滑泥浆阀（22）。
6.根据权利要求3所述的一种泥水土压双模式盾构系统，其特征是：采石箱（6）的底部倾斜，倾斜角度与输送带（10）的倾角大致相同，闸板（64）与采石箱（6）底部的滑槽滑动连接，闸板（64）与驱动开合的驱动装置连接；
驱动装置包括由电机驱动的齿轮齿条机构、丝杠螺母机构、气缸或液压缸。
7.根据权利要求1所述的一种泥水土压双模式盾构系统，其特征是：所述的泥浆排出装置（7）位于靠近螺旋输送机（5）进料端的位置，在泥浆排出装置（7）上设有筛网（73）。
8.根据权利要求7所述的一种泥水土压双模式盾构系统，其特征是：泥浆排出装置（7）的结构为：在靠近螺旋输送机（5）进料端的位置，进料端管体（71）通过连接法兰（72）与管体本体（78）连接，在进料端管体（71）上设有排泥开口（77），排泥开口（77）的周边设有卡槽（76），排泥管连接板（74）固定安装在卡槽（76），在排泥管连接板（74）的端头设有法兰结构，排泥管连接板（74）上设有排泥管（75），排泥管（75）与第一循环管（27）连通，排泥管（75）与排泥管连接板（74）连接的位置设有筛网（73）。
9.根据权利要求7所述的一种泥水土压双模式盾构系统，其特征是：在第一循环管（27）上设有粘度计（15）；
在土仓（2）内设有土仓压力传感器（33）。
10.一种采用权利要求1~9任一项所述的泥水土压双模式盾构系统的施工方法，其特征是：
土压平衡盾构工况下，关闭第一循环管（27）上的第一循环阀（19），开启采石箱（6）的闸板（64），根据土仓（2）内设置的土仓压力传感器（33）调节螺旋输送机（5）的转速，螺旋输送机（5）出料口的石块经过采石箱（6）排出到输送带（10），进行土压盾构施工；
在泥水平衡盾构工况下，启动第一泥浆循环泵（14），开启第一循环管（27）的第一循环阀（19），第一泥浆循环泵（14）从泥浆排出装置（7）循环排出泥浆为土仓（2）内提供压力泥浆，或者通过控制第一阀（20）的启闭为润滑泥浆进管（4）提供润滑泥浆，或者通过第一排出管（29）送到泥水分离装置，螺旋输送机（5）转动将泥浆中的石块输送至采石箱（6），采石箱（6）的溢流泥浆输送至压力泥浆进管（3）或泥浆处理装置，间歇开启采石箱（6）底部的闸板（64），将采石箱（6）内的石块排出到输送带（10），进行泥水盾构施工；
通过以上步骤实现土压平衡盾构工况和泥水平衡盾构工况的快速切换。
技术总结