(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 112473408 A(43)申请公布日 2021.03.12
(21)申请号 202011474162.0(22)申请日 2020.12.15
(71)申请人 中国电建集团铁路建设有限公司
地址 100044 北京市海淀区车公庄西路22
号
申请人 成都轨道交通集团有限公司
中电建成都建设投资有限公司(72)发明人 王国义 蒋岿松 任国庆 杨平
李宁 张建明 刘秀争 胡秋芳 (74)专利代理机构 成都拓荒者知识产权代理有
限公司 51254
代理人 邹广春(51)Int.Cl.
B01F 3/04(2006.01)B01F 13/04(2006.01)
权利要求书2页 说明书9页 附图5页
B01F 15/04(2006.01)B01F 15/00(2006.01)E21D 9/06(2006.01)
CN 112473408 A(54)发明名称
土压平衡盾构泡沫系统、工作方法及计算方法
(57)摘要
包括本发明公开了土压平衡盾构泡沫系统，
溶液产生单元和气体传输单元，溶液产生单元和气体传输单元的输出管道均连接至泡沫发生器，泡沫发生器内生成用于提供土压平衡盾构渣土改良所需的泡沫。本发明结构合理，通过溢流段保证系统的正常运行。溶液和气体分为两路进入泡沫发生器，其中溶液支路设置有混合箱，保证原液与水的充分混合，气路设置有冷凝器和减压阀，保证气路安全。整个系统的工作过程合理，控制逻辑清晰，保证系统的安全、正常运行。电动开关与气体流量传感器之间设置气体压力传感器。计算方法主要针对半自动模式和全自动模式，两种注入模式的计算方法新颖，计算出来的气体量合理、准确，为系统正常运行提供保障。
CN 112473408 A
权 利 要 求 书
1/2页
1.土压平衡盾构泡沫系统，其特征在于：包括溶液产生单元和气体传输单元，溶液产生单元和气体传输单元的输出管道均连接至泡沫发生器，泡沫发生器内生成用于提供土压平衡盾构渣土改良所需的泡沫；
泡沫发生器连接泡沫管道，泡沫管道内的泡沫需能够喷射到刀盘前方；溶液产生单元包括用于盛装泡沫剂原液的容器、原液管道和进水管道，原液管道连接容器，进水管道的端部为水进口；原液管道和进水管道分别连接至混合箱或者原液管道与进水管道连接至一个三通，三通与混合箱之间设置一根汇流管道；混合箱与泡沫发生器之间设置溶液管道；
气体传输单元包括进气管道、冷凝器、减压阀、气压表、气体压力传感器和电动开关；进气管道包括进气一段和进气二段，气压表包括第一气压表和第二气压表；进气一段沿着进气的方向依次设置冷凝器、减压器和第一气压表，进气二段沿着进气方向依次设置气体压力传感器、电动开关和第二气压表；进气二段连接至泡沫发生器。
2.根据权利要求1所述的土压平衡盾构泡沫系统，其特征在于：盛装泡沫剂原液的容器为储存罐，储存罐的底部与原液管道连接。
3.根据权利要求1所述的土压平衡盾构泡沫系统，其特征在于：原液管道包括四段，所述四段分别为第一原液管段、第二原液管段、第三原液管段和第四原液管段；第二原液管段和第三原液管段设置在第一原液管段和第四原液管段之间且第二原液管段和第三原液管段并行设置。
4.根据权利要求3所述的土压平衡盾构泡沫系统，其特征在于：第二原液管段设置为溢流段，第二原液管段上安装第一安全溢流阀；第三原液管段上安装第一变频螺杆泵；第三原液管段上还安装有第一液位传感器；第三原液管段上设置有第一液体流量传感器，原液的流向上依次设置第一液位传感器、第一变频螺杆泵和第一液体流量传感器。
5.根据权利要求1所述的土压平衡盾构泡沫系统，其特征在于：混合箱上安装第二液位传感器、第三液位传感器和第四液位传感器。
6.根据权利要求1所述的土压平衡盾构泡沫系统，其特征在于：溶液管道上设置第二变频螺杆泵和第三液体流量传感器；第二变频螺杆泵的两侧并联第二溢流段，第二溢流段上设置第二安全溢流阀。
7.土压平衡盾构泡沫系统工作方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一变频螺杆泵启动后储存罐内的泡沫剂原液进入第一变频螺杆泵入口，高压液体从第一变频螺杆泵出口泵出，经第一单向阀与从高压水进口经第一电动开关的水相混合，进入混合箱；
生成泡沫顺序如下：混合箱内泡沫剂混合液经第二截止阀、第二变频螺杆泵、第二单向阀、第三截止阀进入泡沫发生器；高压气体经进气口、第五截止阀、冷凝器、减压器、第二电动开关、第四单向阀、第六截止阀进入泡沫发生器；高压泡沫剂混合液和高压气体在泡沫发生器内生成泡沫，经泡沫检查窗、第三单向阀后，对刀盘前方渣土进行改良。
8.土压平衡盾构泡沫系统工作方法，其特征在于，包括：(1)当储存罐内无泡沫剂原液时，第一液位传感器显示为空，第一变频螺杆泵不允许启动；
(2)当第一变频螺杆泵出口压力超过泵的安全压力时，第一安全溢流阀打开溢流回储
2
CN 112473408 A
权 利 要 求 书
2/2页
存罐；
(3)当第一变频螺杆泵启动，根据第一液体流量传感器的流量和泡沫剂浓度值可计算出所需水流量，根据第二液体流量传感器的值调节第一电动开关的开度，以达到所需水流量值；
(4)混合箱内设置三个液位传感器：第二液位传感器、第三液位传感器和第四液位传感器；当第二液位传感器得电，说明混合箱液体已满，第一变频螺杆泵停机；第三液位传感器失电，说明混合箱液体快用完，第一变频螺杆泵启动；第四液位传感器失电，说明混合箱液体已经用完，溶液管道上设置的第二变频螺杆泵停机，不允许启动；
(5)第二变频螺杆泵出口液体压力超过泵的安全压力时，第二安全溢流阀打开溢流；(6)根据第三液体流量传感器的流量值可实时调整第二变频螺杆泵的转速，以达到所需液体流量的目的；
(7)根据气体流量传感器的流量值可实时调整第二电动开关的开度，以达到所需气体流量的目的；
(8)通过泡沫压力传感器压力值可判断泡沫管路是否堵塞。9.土压平衡盾构泡沫系统计算方法，其特征在于，包括：泡沫系统包括半自动和全自动注入模式计算方法；
半自动模式下：
进气二段上的气体流量传感器和第二电动开关之间设置气体压力传感器，测量此处的气体压力值；设气体压力传感器的气体压力为PGas；
设土舱压力为Pe，发泡率为x，泡沫剂混合液为QLiquid，气体量为QGas，生成泡沫量为Q；泡沫剂混合液量计算：QLiquid＝Q/x通过气体压力与体积关系，可精确推导出泡沫所需气体量：半自动模式：QGas＝Q×(1‑1/x)×Pe/PGas全自动模式下：
设盾构开挖掌子面面积为A，掘进速度为v，泡沫注入率为y，所需生成总泡沫量为Q总；通过盾构掘进速度计算出所需总泡沫量Q总＝A×v×y，然后根据每根泡沫管道泡沫所占比率计算出每根泡沫管道所需泡沫量，最后根据QLiquid＝Q/x计算出泡沫剂混合液量，并根据QGas＝Q×(1‑1/x)×Pe/PGas计算出气体量。
3
CN 112473408 A
说 明 书
土压平衡盾构泡沫系统、工作方法及计算方法
1/9页
技术领域
[0001]本发明涉及土压平衡盾构施工，特别涉及一种土压平衡盾构泡沫系统、工作方法及计算方法。
背景技术[0002]盾构法凭借其安全、可靠、快速、经济、环保等优势广泛应用于各大城市地铁。土压平衡盾构越来越多地应用于城市地铁隧道施工。
[0003]土压平衡盾构渣土改良在盾构施工中占有十分重要的地位。现在渣土改良材料主要有泡沫、膨润土泥浆、聚合物水溶液和水等。泡沫由于发泡率高、润滑性好、成本低、操作方便等多种优势在土压平衡盾构渣土改良中占有重要地位，广泛应用于淤泥质地层、泥岩地层、砂层和砂卵石地层等各种岩土地层中。[0004]泡沫系统一般有手动、半自动和全自动三种注入模式，现阶段一般采取半自动注入模式。但在采用半自动泡沫注入模式中泡沫系统中设定气体量各盾构制造厂家计算方法不同，不能达成一致意见。有的盾构泡沫系统参数设定后，计算出来的气体量非常大，导致土压平衡盾构掘进产生喷涌、超方等不良后果。发明内容
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种土压平衡盾构泡沫系统、工作方法及计算方法，土压平衡盾构泡沫系统结构合理，整个系统的控制逻辑清晰，保证系统的安全、正常运行。计算方法计算出来的气体量合理，为系统正常运行提供保障。[0006]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：[0007]土压平衡盾构泡沫系统，包括溶液产生单元和气体传输单元，溶液产生单元和气体传输单元的输出管道均连接至泡沫发生器，泡沫发生器内生成用于提供土压平衡盾构渣土改良所需的泡沫；
[0008]泡沫发生器连接泡沫管道，泡沫管道内的泡沫需能够喷射到刀盘前方；[0009]溶液产生单元包括用于盛装泡沫剂原液的容器、原液管道和进水管道，原液管道连接容器，进水管道的端部为水进口；原液管道和进水管道分别连接至混合箱或者原液管道与进水管道连接至一个三通，三通与混合箱之间设置一根汇流管道；混合箱与泡沫发生器之间设置溶液管道；
[0010]气体传输单元包括进气管道、冷凝器、减压阀、气压表、气体压力传感器和电动开关；进气管道包括进气一段和进气二段，气压表包括第一气压表和第二气压表；进气一段沿着进气的方向依次设置冷凝器、减压器和第一气压表，进气二段沿着进气方向依次设置气体压力传感器、电动开关(第二电动开关)和第二气压表；进气二段连接至泡沫发生器。[0011]作为优选方式，盛装泡沫剂原液的容器为储存罐，储存罐的底部与原液管道连接。[0012]作为优选方式，原液管道包括四段，所述四段分别为第一原液管段、第二原液管段、第三原液管段和第四原液管段；第二原液管段和第三原液管段设置在第一原液管段和
4
CN 112473408 A
说 明 书
2/9页
第四原液管段之间且第二原液管段和第三原液管段并行设置。[0013]作为优选方式，第二原液管段设置为溢流段，第二原液管段上安装第一安全溢流阀；第三原液管段上安装第一变频螺杆泵；第三原液管段上还安装有第一液位传感器；第三原液管段上设置有第一液体流量传感器，原液的流向上依次设置第一液位传感器、第一变频螺杆泵和第一液体流量传感器。[0014]作为优选方式，混合箱上安装第二液位传感器、第三液位传感器和第四液位传感器。
[0015]作为优选方式，溶液管道上设置第二变频螺杆泵和第三液体流量传感器。第二变频螺杆泵的两侧并联第二溢流段，第二溢流段上设置第二安全溢流阀。[0016]土压平衡盾构泡沫系统工作方法，包括如下步骤：[0017]储存罐内的泡沫剂原液进入第一变频螺杆泵入口，第一变频螺杆泵启动后高压液体从第一变频螺杆泵出口泵出，经第一单向阀与从高压水进口经第一电动开关的水相混合，进入混合箱；
[0018]生成泡沫顺序如下：混合箱内泡沫剂混合液经第二截止阀(第一截止阀安装在第一原液管段上)、第二变频螺杆泵、第二单向阀、第三截止阀进入泡沫发生器；高压气体经进气口、第五截止阀、冷凝器、减压器、第二电动开关、第四单向阀、第六截止阀进入泡沫发生器；高压泡沫剂混合液和高压气体在泡沫发生器内生成泡沫，经泡沫检查窗、第三单向阀后，对刀盘前方渣土进行改良。土压平衡盾构泡沫系统工作方法，包括：[0019]第一液位传感器显示为空，第一变频螺杆泵不允(1)当储存罐内无泡沫剂原液时，许启动；[0020](2)当第一变频螺杆泵出口压力超过泵的安全压力时，第一安全溢流阀打开溢流回储存罐；[0021](3)当第一变频螺杆泵启动，根据第一液体流量传感器的流量和泡沫剂浓度值可计算出所需水流量，根据第二液体流量传感器的值调节第一电动开关的开度，以达到所需水流量值；[0022](4)混合箱内设置三个液位传感器：第二液位传感器、第三液位传感器和第四液位传感器；当第二液位传感器得电，说明混合箱液体已满，第一变频螺杆泵停机；第三液位传感器失电，说明混合箱液体快用完，第一变频螺杆泵启动；第四液位传感器失电，说明混合箱液体已经用完，溶液管道上设置的第二变频螺杆泵停机，不允许启动；[0023](5)第二变频螺杆泵出口液体压力超过泵的安全压力时，第二安全溢流阀打开溢流；[0024](6)根据第三液体流量传感器的流量值可实时调整第二变频螺杆泵的转速，以达到所需液体流量的目的。[0025](7)根据气体流量传感器的流量值可实时调整第二电动开关的开度，以达到所需气体流量的目的；[0026](8)通过泡沫压力传感器压力值可判断泡沫管路是否堵塞。[0027]土压平衡盾构泡沫系统计算方法，包括：泡沫系统包括手动、半自动和全自动三种注入模式；
[0028]手动注入模式下，通过调节第二变频螺杆泵的转速控制泡沫剂混合液流量，通过
5
CN 112473408 A
说 明 书
3/9页
调节第二电动开关的开度控制气体流量；[0029]半自动模式下：
[0030]进气二段上的气体流量传感器和第二电动开关之间设置气体压力传感器，测量此处的气体压力值；设气体压力传感器的气体压力为PGas；[0031]设土舱压力为P，泡沫剂混合液为QLiquid，气体量为QGas，生成泡沫e发泡率为x，量为Q；
[0032]泡沫剂混合液量计算：QLiquid＝Q/x；[0033]通过气体压力与体积关系，可精确推导出泡沫所需气体量：[0034]半自动模式：QGas＝Q×(1‑1/x)×Pe/PGas[0035]全自动模式下：
[0036]设盾构开挖掌子面面积为A，掘进速度为v，泡沫注入率为y，所需生成总泡沫量为Q总；
[0037]通过盾构掘进速度计算出所需总泡沫量Q＝A×v×y，然后根据每根泡沫管道泡总沫所占比率计算出每根泡沫管道所需泡沫量，最后根据QLiquid＝Q/x计算出泡沫剂混合液量，并根据QGas＝Q×(1‑1/x)×Pe/PGas计算出气体量。[0038]本发明的有益效果是：本发明提供一种土压平衡盾构泡沫系统、工作方法及计算方法，整个泡沫系统的结构合理，通过溢流段保证系统的正常运行。溶液和气体分为两路进入泡沫发生器，其中溶液支路设置有混合箱，保证原液与水的充分混合，气路设置有冷凝器和减压阀，保证气路安全。整个系统的工作过程合理，控制逻辑清晰，保证系统的安全、正常运行。计算方法主要针对半自动模式和全自动模式，两种注入模式的计算方法新颖，为系统正常运行提供保障。[0039]另外，气体流量传感器与第二电动开关之间增加一个气体压力传感器，准确计算所需气体量，并提出了全自动模式下的泡沫剂最低流量的控制方法，解决了泡沫系统气体量计算方法不准确，无法使用全自动泡沫注入模式的难题。本发明在气体管路上设置一个气体压力传感器，精确计算生成泡沫所需的气体量，从而能够生成优良泡沫。附图说明
[0040]为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0041]图1为土压平衡盾构泡沫系统结构示意图；[0042]图2为图1的A部结构示意图；[0043]图3为图1的B部结构示意图；[0044]图4为图1的C部结构示意图；[0045]图5为图1的D部结构示意图；[0046]图中，1‑储存罐，2‑第一截止阀，3‑第一液位传感器，4‑第一变频螺杆泵，5‑第一安全溢流阀，6‑第一液体流量传感器，7‑第二液体流量传感器，8‑第一单向阀，9‑第一电动开关，10‑混合箱，11‑第二液位传感器，12‑第三液位传感器，13‑第四液位传感器，14‑第二截
6
CN 112473408 A
说 明 书
4/9页
止阀，15‑第二变频螺杆泵，16‑第二安全溢流阀，17‑第二单向阀，18‑第三截止阀，19‑第三液体流量传感器，20‑压力表，21‑泡沫发生器，22‑泡沫检查窗，23‑泡沫压力传感器，24‑第三单向阀，25‑第四截止阀，26‑第五截止阀，27‑第三气压表，28‑冷凝器，29‑减压器，30‑第一气压表，31‑气体流量传感器，32‑第二电动开关，33‑第二气压表，34‑第四单向阀，35‑第六截止阀，36‑气体压力传感器。具体实施方式
[0047]下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
[0048]为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领
都属于本发明域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，
保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
[0049]在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。[0050]在本发明中，除非另有明确的规定和限定，如果含有术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。[0051]在本发明中，除非另有明确的规定和限定，如果存在第一特征在第二特征之上或之下，可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。如果存在第一特征在第二特征之下、下方和下面，包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。[0052]实施例一
[0053]如图1‑图5所示，土压平衡盾构泡沫系统，包括溶液产生单元和气体传输单元，溶液产生单元和气体传输单元的输出管道均连接至泡沫发生器21，泡沫发生器21内生成用于提供渣土改良所需的泡沫；
[0054]泡沫发生器21连接泡沫管道，泡沫管道内的泡沫需能够喷射到刀盘前方；进一步地，泡沫管道内的泡沫经旋转接头、管路以及刀盘前方多个喷口，直接均匀喷射到刀盘前方掌子面上，对刀盘切削下来的渣土进行改良；改良好后的渣土经刀盘开口进入土舱，最后经螺旋输送机输出。
7
CN 112473408 A[0055]
说 明 书
5/9页
溶液产生单元包括用于盛装泡沫剂原液的容器、原液管道和进水管道，原液管道
连接容器，进水管道的端部为水进口；原液管道和进水管道分别连接至混合箱10或者原液管道与进水管道连接至一个三通，三通与混合箱10之间设置一根汇流管道；混合箱10与泡沫发生器21之间设置溶液管道；
[0056]气体传输单元包括进气管道、冷凝器28、减压阀(减压器29)、气压表、气体压力传感器36和第二电动开关32；进气管道包括进气一段和进气二段，气压表包括第一气压表30和第二气压表33；进气一段沿着进气的方向依次设置冷凝器28、减压器29和第一气压表30，进气二段沿着进气方向依次设置气体压力传感器36、第二电动开关32和第二气压表33；进气二段连接至泡沫发生器21。[0057]实施例二
[0058]为了更好地实现储存，盛装泡沫剂原液的容器为储存罐1，储存罐1的底部与原液管道连接。原液管道与储存罐1的连接位置能够使储存罐1内的原液在重力的作用下全部流出。储存罐1的安装位置高于第一变频螺杆泵4的安装位置。混合箱10的安装位置高于第二变频螺杆泵15的安装位置。这样设置，以便使得液体在重力作用下流至变频螺杆泵入口。[0059]实施例三
[0060]原液管道包括四段，所述四段分别为第一原液管段、第二原液管段、第三原液管段和第四原液管段；第二原液管段和第三原液管段设置在第一原液管段和第四原液管段之间且第二原液管段和第三原液管段并行设置。[0061]第二原液管段设置为溢流段，第二原液管段上安装第一安全溢流阀5。第一安全溢流阀5能够保证原液管道的正常运行，避免发生因压力过大损坏第一变频螺杆泵4的情况。当第一变频螺杆泵4出口压力超过泵的安全压力时，第一安全溢流阀5打开溢流回储存罐1。[0062]为了提供高压原液，第三原液管段上安装第一变频螺杆泵4。[0063]实施例四
[0064]在实施例三的基础上，第三原液管段上还安装有第一液位传感器3。第三原液管段上设置有第一液体流量传感器6，原液的流向上依次设置第一液位传感器3、第一变频螺杆泵4和第一液体流量传感器6。通过第一液位传感器3可以监测第三原液或者储存罐1的液位，比如当储存罐1中没有原液时，第一液位传感器3失电，控制器接收到第一液位传感器3的信号后可以向显示器发出储存罐1没有原液的显示信号(比如数字0)。第一液位传感器3失电后也可通过控制器关闭第一变频螺杆泵4或者操作人员获得储存罐1没有液体的信号后向储存罐1中补充原液。通过第一液体流量传感器6，可以获取第三原液管段的流量。[0065]实施例五
[0066]混合箱10上安装第二液位传感器11、第三液位传感器12和第四液位传感器13；第二液位传感器11用于检测混合箱10内的液体是否装满，第三液位传感器12用于检测混合箱10内的液体是否达到临界值，该临界值可以取10％‑30％混合箱10高度或者容积，第四液位传感器13用于检测混合箱10内的液体是否为空。
[0067]溶液管道上设置第二变频螺杆泵15和第三液体流量传感器19。第二变频螺杆泵15的两侧并联第二溢流段，第二溢流段上设置第二安全溢流阀16，保证溶液管道的正常运行。[0068]实施例六[0069]如图1‑图5，本实施例将涉及到的器件进行整理，具体如下：
8
CN 112473408 A[0070]
说 明 书
6/9页
截止阀包括：第一截止阀2、第二截止阀14、第三截止阀18、第四截止阀25、第五截
止阀26和第六截止阀35。第一截止阀2安装在第一原液管段上。第二截止阀14安装在靠近混合箱10的溶液管道上。第三截止阀18安装在靠近泡沫发生器21的溶液管道上。第四截止阀25安装在泡沫管道上。第五截止阀26安装在靠近进气口的进气一段上。第六截止阀35安装在靠近泡沫发生器21的进气二段上。[0071]液位传感器包括：第一液位传感器3、第二液位传感器11、第三液位传感器12和第四液位传感器13。第一液位传感器3设置在第三原液管段上。第二液位传感器11、第三液位传感器12和第四液位传感器13设置在混合箱10上用于检测液位。[0072]变频螺杆泵包括：第一变频螺杆泵4和第二变频螺杆泵15。第三原液管段上安装第一变频螺杆泵4；溶液管道上设置第二变频螺杆泵15。[0073]安全溢流阀包括：第一安全溢流阀5和第二安全溢流阀16。第二原液管段上安装第一安全溢流阀5；第二溢流段上设置第二安全溢流阀16。[0074]液体流量传感器包括：第一液体流量传感器6、第二液体流量传感器7和第三液体流量传感器19。第三原液管段上设置有第一液体流量传感器6；第二液体流量传感器7设置在靠近水进口的进水管道上。第三液体流量传感器19设置在溶液管道上。[0075]压力表20：压力表20设置在第三液体流量传感器19和泡沫发生器21之间的溶液管段上。
[0076]气压表包括：第一气压表30、第二气压表33和第三气压表27。第一气压表30设置在进气一段上。第二气压表33设置在进气二段上。第三气压表27安装在第五截止阀26和冷凝器28之间。
[0077]电动开关包括：第一电动开关9和第二电动开关32。第一电动开关9设置在进水管上；第二电动开关32安装在进气二段上。[0078]单向阀包括：第一单向阀8、第二单向阀17、第三单向阀24和第四单向阀34。第一单向阀8安装在第四原液管段上；第二单向阀17安装在溶液管道上并位于第二变频螺杆泵15之后；第三单向阀24设置在泡沫管道上并位于泡沫压力传感器23和第四截止阀25之间；第四单向阀34设置在进气二段上并位于第二气压表33与第六截止阀35之间。[0079]本实施例对于大部分的器件都做了安装限定，与其他实施例一起，可以构成更优的土压平衡盾构泡沫系统，各部件设置合理，便于控制和调整。[0080]实施例七
[0081]土压平衡盾构泡沫系统工作方法，包括如下步骤：
[0082]第一变频螺杆泵4启动后储存罐1内的泡沫剂原液进入第一变频螺杆泵4入口，高压液体从第一变频螺杆泵4出口泵出，经第一单向阀8与从高压水进口经第一电动开关9的高压水相混合，进入混合箱10；[0083]生成泡沫顺序如下：混合箱10内泡沫剂混合液经第二截止阀14(第一截止阀2安装在第一原液管段上)、第二变频螺杆泵15、第二单向阀17、第三截止阀18、第三液体流量传感器19、压力表20，进入泡沫发生器21；高压气体经进气口、第五截止阀26、第三气压表27、冷凝器28、减压器29、第一气压表30、气体流量传感器31、第二电动开关32、第二气压表33、第四单向阀34、第六截止阀35进入泡沫发生器21；高压泡沫剂混合液和高压气体在泡沫发生器21内生成泡沫，经泡沫检查窗22、泡沫压力传感器23、第三单向阀24后经旋转接头喷射到
9
CN 112473408 A
说 明 书
7/9页
刀盘前方，对刀盘前方渣土进行改良。[0084]实施例八
[0085]土压平衡盾构泡沫系统工作方法，包括：[0086](1)当储存罐1内无泡沫剂原液时，第一液位传感器3显示为空，第一变频螺杆泵4不允许启动。[0087](2)当第一变频螺杆泵4出口压力超过泵的安全压力时，第一安全溢流阀5打开溢流回储存罐1。[0088](3)当第一变频螺杆泵4启动，根据第一液体流量传感器6的流量和输入的泡沫剂浓度值可计算出所需水流量，根据第二液体流量传感器7的值调节第一电动开关9的开度，以达到所需水流量值。[0089](4)混合箱10内设置三个液位传感器：第二液位传感器11、第三液位传感器12和第四液位传感器13；当第二液位传感器11得电，说明混合箱10液体已满，第一变频螺杆泵4停机；第三液位传感器12失电，说明混合箱10液体快用完，第一变频螺杆泵4启动；第四液位传感器13失电，说明混合箱10液体已经用完，溶液管道上设置的第二变频螺杆泵15停机，不允许启动。[0090](5)第二变频螺杆泵15出口液体压力超过泵的安全压力时，第二安全溢流阀16打开溢流。[0091](6)根据盾构泡沫参数设定，可计算出每根泡沫管路所需液体流量。根据第三液体流量传感器19的流量值可实时调整第二变频螺杆泵15的转速，以达到所需液体流量的目的。[0092](7)根据盾构泡沫参数设定，可计算出每根泡沫管路所需气体流量。根据气体流量传感器31的流量值可实时调整第二电动开关32的开度，以达到所需气体流量的目的。[0093](8)通过泡沫检查窗22或打开第四截止阀25可检查生成的泡沫效果，根据泡沫效果可适当调整泡沫相关参数设定。[0094](9)通过泡沫压力传感器23压力值可判断泡沫管路是否堵塞。[0095](10)单向阀防止相关介质反向流动。各个截止阀在需要检修或维护时进行开启或关闭。各个压力表可实时观察压力。[0096](11)每台盾构泡沫管的数量要根据盾构开挖面面积和每根泡沫的流量等因素设计。如图1和图2所示，设置了6根泡沫管道。混合箱10输出6路溶液管道；设置6个进气二段，6个进气二段均接入进气一段。每路溶液管道上的设置均相同，每个进气二段的设置也相同。[0097]实施例九
[0098]现今施工情况下由于泡沫系统全自动模式下容易堵塞泡沫喷口，大部分盾构司机都采用半自动泡沫注入模式，而不选用全自动泡沫注入模式，但半自动泡沫注入模式下在掘进速度较低时泡沫注入量大，渣土状态难以控制，成本高。[0099]土压平衡盾构泡沫系统急需进行设备优化，找到合理的气体量计算方法，并采用全自动泡沫注入模式，解决泡沫系统渣土改良的难题，降低泡沫使用成本。[0100]泡沫系统一般有手动、半自动和全自动三种注入模式。手动注入模式下，通过调节第二变频螺杆泵15的转速控制泡沫剂混合液流量，通过调节第二电动开关32的开度控制气体流量；半自动模式下，通过输入每根泡沫管生成泡沫的流量、发泡率、泡沫剂原液浓度等
10
CN 112473408 A
说 明 书
8/9页
参数后自动注入；全自动模式下，通过输入每根泡沫管发泡率、泡沫剂原液浓度、每根泡沫管生成泡沫所占总泡沫的比率、注入率等参数并结合盾构掘进速度自动注入。[0101]土压平衡盾构泡沫系统计算方法，包括：半自动和全自动二种注入模式的计算方法；
[0102]半自动模式下：
[0103]为准确计算气体量，进气二段上的气体流量传感器31和第二电动开关32之间设置气体压力传感器36，测量此处的气体压力值；设气体压力传感器36的气体压力为PGas；[0104]设土舱压力为P，每根泡沫管的泡沫剂混合液为QLiquid，e每根泡沫管的发泡率为x，每根泡沫管的气体量为QGas，每根泡沫管生成泡沫量为Q；[0105]泡沫剂混合液的计算方法：QLiquid＝Q/x[0106]现今泡沫气体量有两种计算方法：[0107]①Q＝Q×(1‑1/x)Gas
[0108]②Q＝Q×(1+P)×(1‑1/x)Gase
[0109]①气体量计算方法是将生成泡沫的气体压力与土舱压力相等对待，②气体量计算方法是将生成泡沫的气体认为是标准大气压下的气体，但由于生成泡沫气体的压力既不与土舱压力相等，也不是标准大气压，因此两种气体量计算方法存在偏差。[0110]本发明通过气体压力与体积关系，可精确推导出泡沫所需气体量：[0111]半自动模式：QGas＝Q×(1‑1/x)×Pe/PGas[0112]全自动模式下：
[0113]设盾构开挖掌子面面积为A，掘进速度为v，泡沫注入率为y，所需泡沫管生成总泡沫量为Q总；
[0114]通过盾构掘进速度计算出所需总泡沫量Q＝A×v×y，然后根据每根泡沫管道泡总沫所占比率计算出每根泡沫管道所需泡沫量，最后根据QLiquid＝Q/x计算出每根泡沫管泡沫剂混合液量，并根据QGas＝Q×(1‑1/x)×Pe/PGas计算出气体量。通过控制第二变频螺杆泵15转速以满足泡沫剂混合液量，准确计算所需气体量后，控制第二电动开关32开度，以达到所需气体量的目的。
[0115]本发明设置溶液产生单元和气体传输单元，溶液和气体在泡沫发生器21中汇合并在泡沫发生器21内生成泡沫。气体流量传感器31与第二电动开关32之间设置一个气体压力传感器36，准确计算所需气体量，解决了泡沫系统气体量计算方法不准确的难题。[0116]实施例十[0117]盾构掘进增加每根泡沫管道泡沫最小注入量参数，并优化盾构刀盘旋转与泡沫开启顺序，避免堵塞泡沫管喷口。
[0118]泡沫系统全自动注入模式容易堵塞泡沫管的主要原因是泡沫注入量是随着盾构掘进速度进行调节，当盾构刚开始掘进或掘进速度低时基本无泡沫产生，容易造成泡沫喷口的堵塞。因此，经过反复试验设置最低泡沫注入量加以限制(如每根泡沫管最低泡沫注入量为20L/min)，并且要先启动全自动泡沫注入，泡沫注入正常后再启动刀盘旋转，停机时先停刀盘再关泡沫，就可以有效避免泡沫管喷口的堵塞。盾构全自动注入模式下每根泡沫管路设定了最低泡沫流量限制，可有效降低泡沫管堵塞机率。[0119]随着盾构掘进速度提升，当优化的泡沫系统全自动注入模式分配到每根泡沫管路
11
CN 112473408 A
说 明 书
9/9页
的泡沫注入量大于最低泡沫注入(如20L/min‑30L/min)时，就可以进行全自动控制，提升渣土改良效果，降低泡沫的使用成本。盾构全自动注入模式下每根泡沫管路设定了最低泡沫流量限制，可有效降低泡沫管堵塞机率，降低施工成本。
[0120]以上所述只是用图解说明本发明土压平衡盾构泡沫系统、工作方法及计算方法的一些原理及功能，并非是要将本发明局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物均属于本发明所申请的专利范围。[0121]尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
12
CN 112473408 A
说 明 书 附 图
1/5页
图1
13
CN 112473408 A
说 明 书 附 图
2/5页
图2
14
CN 112473408 A
说 明 书 附 图
3/5页
图3
15
CN 112473408 A
说 明 书 附 图
4/5页
图4
16
CN 112473408 A
说 明 书 附 图
5/5页
17
图5
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容