盾构刀盘泡沫喷口防堵装置研究

吕专真/LYU Zhuan-zhen

（厦门厦工机械股份有限公司，福建 厦门 361023）

在隧道施工过程中，根据施工地质条件，盾构掘进时通过刀盘喷口向土仓内注入泡沫来对渣土特性进行改善，稳定掌子面，降低渣土渗透系数，同时起到隔水作用，便于施工，同时降低刀盘扭矩，减少刀具磨损。泡沫的正常注入关系到盾构能否正常掘进，目前，刀盘泡沫防护主要是在喷口安装橡胶垫，但是橡胶垫在掘进过程中由于磨损和反复使用会发生疲劳，从而失去保护作用，渣土会慢慢进入刀盘喷口内，从而将喷口堵死，导致喷口无法使用，以往当需要对刀盘喷口堵塞进行清理时，工作人员只能带压进仓清理或隧道掘通以后再进行清理，工人劳动强度大，且具有一定的危险性。本文主要全面介绍刀盘泡沫喷口防堵装置的构成及原理，并进一步分析防堵装置的故障排除方法。

1 刀盘泡沫喷口冲洗防堵装置的构成

盾构刀盘泡沫喷口防堵装置如图1所示，主要包含相互独立的泡沫注入管路通道、压力传感器、流量计、高压水清洗管路、控制球阀、下位机、上位机和声光报警装置等。

图1 盾构刀盘泡沫喷口防堵装置

2 盘泡沫喷口冲洗防堵装置的原理

该防堵系统是通过下位机直接与各个泡沫注入管路的压力传感器、泡沫泵及各个高压水清洗管路中的控制球阀相连接，根据各个压力传感器所反馈的压力信号并控制泡沫泵及控制球阀的启/闭运转。

在盾构刀盘泡沫喷口防堵系统内包括多条相互独立的泡沫注入管路，该泡沫注入管路中，由泡沫泵、压力表、第一单向阀、流量计、泡沫发生器、泡沫视镜、压力传感器、球阀及第二单向阀依次串联形成，同时在泡沫泵上还并联一安全阀，确保泡沫泵的正常工作，在该泡沫注入管路的末端设有泡沫喷口，该泡沫喷口设置在刀盘装置中；在各个泡沫注入管路上的第一单向阀与第二单向阀之间皆单独旁接高压水清洗管路，该各个高压水清洗管路中皆设有用于水路通断的控制球阀，且各个高压水清洗管路的进水端汇集到一起通过外接一高压水泵及单向阀与水源端导通。

如图2所示，下位机通常为可编程逻辑控制器（PLC单片机），其与各个泡沫注入管路的压力传感器、泡沫泵及各个高压水清洗管路中的控制球阀相连接，用于接收各个压力传感器所反馈的压力信号并控制泡沫泵及控制球阀的启/闭运转；上位机通常为带屏幕及键盘的计算机，该上位机操作平台上还包括声光报警装置，该上位机与下位机相连，可接收下位机所反馈的压力值，并对下位机发出控制指令。

图2 PLC控制器

3 刀盘泡沫喷口冲洗防堵装置的作用

在盾构掘进过程中，刀盘喷口处于盾构的最前端，一旦发生喷口堵塞，不仅影响盾构的正常施工，而且对盾构喷口的维修造成较大的困难。大部分情况，泡沫喷口是由于刀盘的切削作用和碴土自身的粘着性,使碴土在泡沫喷口一点一点地堆积,最后形成土堆,导致堵塞管路。刀盘泡沫喷口冲洗防堵装置，可实时监测刀盘泡沫的压力情况，并且在压力异常或者压力上限时，通过警报和智能控制，完成对喷口的冲洗。该装置可有效地降低刀盘泡沫喷口堵塞，减少堵塞造成的工期延误；可有效地减少人员开仓的次数，降低处理问题的风险；可有效地降低人力和物力，降低人员操作的失误。

4 刀盘泡沫喷口冲洗防堵装置的控制方法

如图3所示，当盾构在进行泡沫注入作业时，泡沫经泡沫泵、压力表、第一单向阀、流量计、泡沫发生器、泡沫视镜、压力传感器、第二单向阀，最终从泡沫注入管路的末端泡沫喷口喷出，对土舱内的渣土进行改良作业，在这个过程中压力传感器实时将压力数值传递下位机，并通过下位机将上述压力信息传递向主控室的上位机上，当上位机通过下位机实时接收任一泡沫注入管路内的压力值P1，当其中任一泡沫注入管路内的压力值P1大于下位机内预存的泡沫注入管路内核定的堵塞故障工作压力P2时，本实施例P2=6bar，上位机进行报警提示，提示工作人员需对该条堵塞的泡沫注入管路进行清洗，会出现以下两种操作选择。

情况1：如果此时工作人员发现上位机发出的报警提示，及时通过上位机向下位机发送清洗指令，则下位机会对所有泡沫注入管路中的泡沫泵发出停止工作指令，并将与该路泡沫注入管路相连接的高压水清洗管路中的控制球阀切换为开启状态，将高压水清洗管路中的高压水引入该路泡沫注入管路中，对泡沫注入管路末端的泡沫喷口进行冲洗，冲洗持续时间为10s，10s过后关闭高压水清洗管路中的控制球阀，间隔5s后，待该泡沫注入管路内的压力值稳定时，下位机重新检测该泡沫注入管路中的压力值，直至重新检测的压力值小于下位机内预存泡沫注入管路内核定的正常工作压力的最大值P3，P3=5bar，则系统恢复正常工作，泡沫泵启动，泡沫注入管路继续进行泡沫注入作业。

情况2：如果此时工作人员由于工作疏忽，未及时通过上位机向下位机发送清洗指令，该路堵塞的泡沫注入管路内的压力值会持续升高，当压力值P1大于下位机预存的泡沫注入管路内核定的紧急停机故障压力值P4时，该实施例P4=8bar，则下位机会自动向所有泡沫注入管路中的泡沫泵发出停止工作指令，并将与该路泡沫注入管路1相连接的高压水清洗管路2中的控制球阀切换为开启状态，将高压水清洗管路2中的高压水引入该路泡沫注入管路1中，对对泡沫注入管路末端的泡沫喷口进行冲洗，冲洗持续时间为10s，间隔5s后，待该泡沫注入管路1内的压力值稳定时，下位机重新检测该泡沫注入管路1中的压力值P1，如果P1＜5bar，则系统恢复正常工作；如果P1≥5bar，则下位机如情况2前述所述的冲洗流程，重新对该堵塞的泡沫注入管路进行高压冲洗，再检测，该下位机预设的冲洗循环次数为3次，循环冲洗3次后，如果5bar≤P1＜8bar，则通过上位机向下位机发出冲洗控制控制指令，直至P1＜5bar，系统恢复正常工作；如果P1＞8bar，则下位机停止发出自动冲洗指令，上位机发出需人工介入进行清除堵塞管路的报警提示,由人员进入盾构内部进行人工疏通堵塞管路。

图3 刀盘泡沫喷口冲洗防堵装置的控制方法

5 结 论

本文为保证泡沫系统正常运作，设计一款刀盘防堵装置及控制方法，装置进行相应的软硬件设计。根据泡沫系统的实际情况，一旦发现泡沫系统异常，防堵装置可进行智能报警冲洗，排除故障，该装置实现对泡沫发生系统工作过程的监控，从而提高控制系统的可操作性，全面提升盾构的安全使用。