ПЕНОГЕНЕРАТОР ДЛЯ СНАБЖЕННОЙ ПРОХОДЧЕСКИМ ЩИТОМ ТОННЕЛЕПРОХОДЧЕСКОЙ МАШИНЫ И СПОСОБ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВЫНИМАЕМОГО МАТЕРИАЛА ГРУНТА В КАЧЕСТВЕ ОПОРНОЙ СРЕДЫ ДЛЯ ПРОХОДЧЕСКОГО ЩИТА
FOAM GENERATOR FOR EARTH PRESSURE SHIELD TUNNEL PROPULSION MACHINE AND METHOD FOR CONDITIONING REMOVED SOIL MATERIAL AS SUPPORT MEDIUM FOR EARTH PRESSURE SHIELD

Изобретение касается пеногенератора для снабженной проходческим щитом (служащим для стабилизации забоя ранее отделенным от массива материалом грунта) тоннелепроходческой машины, включающего в себя смесительную камеру, имеющую первое впускное отверстие для вспениваемой жидкости и второе впускное отверстие для газа, а также отверстие для выхода пены, соединенное с впускным отверстием для вспениваемой жидкости устройство для подачи жидкости и соединенное с впускным отверстием для газа устройство для подачи газа, при этом смесительная камера содержит трубчатую проточную камеру, на одном конце которой находится впускное отверстие для вспениваемой жидкости, а на другом конце – выпускное отверстие для пены, а также способа кондиционирования вынимаемого материала грунта в качестве опорной среды для проходческого щита тоннелепроходческой машины, при котором вынимается грунт и подается в выемочную камеру тоннелепроходческой машины, в зависимости от особенностей вынимаемого грунта, приготавливается пена за счет того, что предоставляется по меньшей мере один пеногенератор с трубчатой проточной камерой, и в этот пеногенератор на одном конце трубчатой проточной камеры подается вспениваемая жидкость, и пена, выходящая на другом конце из трубчатой проточной камеры, подается в выемочную камеру и смешивается с вынимаемым грунтом.
Пеногенератор для подобной щитовой тоннелепроходческой машины и способ кондиционирования вынимаемого материала грунта в качестве опорной среды для проходческого щита тоннелепроходческой машины известны из M.Thewe und C.Budach, „Schildvortrieb mit Erddruckschilden: Möglichkeit und Grenzen der Konditionierung des Stützmediumsʺ, 7.Kolloquium Bauen in Boden und Fels, Technische Akademie Esslingen, 26.-27.01.2010, стр.171-183.
У этих известных пеногенераторов сначала путем смешивания воды и тензида приготавливается раствор тензида, и этот раствор тензида подается в пеногенератор и там смешивается с воздухом. Затем эта смесь воздуха и раствора тензида направляется через проточный канал, который содержит турбулизаторы. Эти турбулизаторы включают в себя решетки, расположенные поперек направления течения, и/или стеклянные шарики, расположенные в поперечном сечении течения между удерживающими ситами. Эти турбулизаторы создают завихрения и в результате пену, которая затем направляется в выемочную камеру.
Структура и размер полученных таким образом пузырьков пены более или менее случайны и не могут согласовываться с особенностями залегающего грунта.
Кроме того, заявки на полезную модель DE 20 2004 015 637 U1 известно сопло пеногенератора, у которого в трубчатый проточный канал на одном конце втекает сжатый воздух, а жидкое пенообразующее средство разбрызгивается на расположенный поперек потока воздуха дисковый отражатель, затем эта завихренная смесь воздуха и пенообразующего средства на другом конце проточной трубы продавливается через пористый пенообразователь, перекрывающий проточный канал, при этом образовавшаяся по другую сторону пенообразователя пена входит в корпусную емкость и выходит из корпуса через выпускное отверстие.
В основе изобретения лежит задача, создать пеногенератор вышеназванного рода, соответственно, способ вышеназванного рода, который позволит согласовать структуру и размер получаемых пузырьков пены с особенностями залегающего грунта и одновременно позволит подмешивать к образовавшейся пене добавки, такие как, в частности, твердые компоненты.
Эта задача в соответствии с изобретением решается с помощью пеногенератора для снабженной проходческим щитом тоннелепроходческой машины с признаками п.1 формулы изобретения, соответственно, способа кондиционирования вынимаемого материала грунта в качестве опорной среды для проходческого щита тоннелепроходческой машины с признаками п.10 формулы изобретения.
Предлагаемый изобретением пеногенератор для снабженной проходческим щитом тоннелепроходческой машины включает в себя смесительную камеру, имеющую первое впускное отверстие для вспениваемой жидкости и второе впускное отверстие для газа, а также выпускное отверстие для пены, соединенное с впускным отверстием для вспениваемой жидкости устройство для подачи жидкости и соединенное с впускным отверстием для газа устройство для подачи газа. Дополнительно к первому и второму впускному отверстию, а также выпускному отверстию могут быть также предусмотрены другие такие впускные, соответственно, выпускные отверстия. Смесительная камера имеет трубчатую проточную камеру, на одном конце которой находится впускное отверстие для вспениваемой жидкости, а на другом конце – выпускное отверстие для пены. Эта трубчатая проточная камера, в принципе, не должна иметь ни постоянное, ни круглое поперечное сечение, и, кроме того, может быть также искривленной. Участок трубчатой проточной камеры выполнен в виде газационной области, имеющей газопроницаемую пористую стенку. Этот выполненный в виде газационной области участок трубчатой проточной камеры окружен напорной камерой. Напорная камера имеет впускное отверстие для газа и охватывает выполненный в виде газационной области участок трубчатой проточной камеры таким образом, что подаваемый через впускное отверстие под давлением газ через газопроницаемую пористую стенку входит в трубчатую проточную камеру и там смешивается с вспениваемой жидкостью с образованием пены. Устройство для подачи газа и устройство для подачи жидкости выполнены так, что давление подаваемого в напорную камеру газа может устанавливаться таким образом, чтобы это давление было больше, чем давление, оказываемое жидкостью на газопроницаемую пористую стенку, и чтобы достигалось желаемое отношение подаваемого газа к подаваемой жидкости.
Основная идея изобретения заключается в том, чтобы убрать мелкоячеистые барьеры, какими являются решетки, удерживающие сита или набивки из стеклянных шариков или известные из указанной выше полезной модели пористые пенообразователи, с пути потока между входом для раствора тензида и выпускным отверстием для пены, потому что такие мелкоячеистые барьеры могут засоряться вследствие содержащихся в растворе частиц.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого изобретением способа устройство для подачи газа и устройство для подачи жидкости выполнены так, что давление подаваемого в напорную камеру газа может устанавливаться таким образом, чтобы это давление было на 0,5-2 бар, предпочтительно 1-2 бар больше, чем давление жидкости. Это позволяет получить достаточный доступ воздуха для желаемого отношения между расходом пены и подачей жидкости, т.е. желаемый FER (Foam Expansion Ratio, англ. коэффициент расширения пены).
Напорная камера может с одной стороны примыкать к проточной камере; предпочтительно она окружает или охватывает проточную камеру частично или полностью (за исключением впускного и выпускного отверстия).
В одном из вариантов осуществления выполненный в виде газационной области участок трубчатой проточной камеры имеет постоянное проточное поперечное сечение. Предпочтительно этот участок трубчатой проточной камеры имеет также круглое поперечное сечение. Это упрощает изготовление.
В одном из вариантов осуществления пеногенератора выполненный в виде газационной области участок трубчатой проточной камеры представляет собой полый цилиндр, распространяющийся между впускным отверстием для вспениваемой жидкости и выпускным отверстием для пены, имеющий газопроницаемую пористую стенку. Предпочтительно этот полый цилиндр имеет газопроницаемую пористую стенку постоянной толщины.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления подаваемый газ представляет собой воздух (т.е. сжатый воздух), и устройство для подачи газа включает в себя компрессор. При этом вспениваемая жидкость представляет собой смесь воды с тензидом, и устройство для подачи жидкости включает в себя устройство для смешивания воды с тензидом, с помощью которого может устанавливаться количественное отношение воды и тензида.
В предлагаемом изобретением способе кондиционирования вынимаемого материала грунта в качестве опорной среды для проходческого щита тоннелепроходческой машины грунт вынимается и подается в выемочную камеру тоннелепроходческой машины. В зависимости от особенностей вынимаемого грунта, приготавливается пена, при этом предоставляется по меньшей мере один пеногенератор, имеющий трубчатую проточную камеру, в этот пеногенератор на одном конце трубчатой проточной камеры подается вспениваемая жидкость, и в выполненный в виде газационной области участок трубчатой проточной камеры сквозь его газопроницаемую пористую стенку подается газ, смешивающийся в проточной камере со вспениваемой жидкостью с образованием пены, при этом в напорную камеру, которая охватывает участок, выполненный в виде газационной области, подается газ под давлением, которое больше, чем давление, оказываемое жидкостью на газопроницаемую пористую стенку. При этом в зависимости от особенностей вынимаемого грунта, предоставляется пеногенератор, имеющий газационную область заданной длины, заданного проточного поперечного сечения и с заданным размером и плотностью пор, и отношение подаваемого газа к подаваемой жидкости устанавливается так, что получаются желаемая структура и размер пузырьков пены. Выходящая на другом конце трубчатой проточной камеры пена подается в выемочную камеру и смешивается с вынимаемым грунтом.
В одном из предпочтительных усовершенствований предлагаемого изобретением способа газ подается в напорную камеру под давлением, которое на 0,5-2 бар, предпочтительно 1-2 бар больше, чем давление жидкости. Это позволяет получить желаемое отношение между расходом пены и подачей жидкости, т.е. желаемый FER (Foam Expansion Ratio, англ. коэффициент расширения пены).
В одном из предпочтительных усовершенствований предлагаемого изобретением способа пена подается в выемочную камеру под давлением, которое на 1-2 бар больше, чем давление в выемочной камере. Это позволяет продавливать желаемые количества пены.
Предпочтительно пена, выходящая из трубчатой проточной камеры, подается к нескольким местам инъекции в выемочной камере, чтобы достичь желательного распределения пены. При этом пена, выходящая из трубчатой проточной камеры, подается к местам инъекции на режущем колесе, а также на обращенной к выемочной камере стороне напорной стенки. Дополнительно пена, выходящая из трубчатой проточной камеры, может подаваться к местам инъекции в шнековом конвейере, выгружающем вынимаемый грунт из выемочной камеры.
В одном из предпочтительных усовершенствований способа кондиционирования вынимаемого материала грунта в качестве опорной среды для проходческого щита тоннелепроходческой машины в пеногеренатор на одном конце трубчатой проточной камеры вместе с вспениваемой жидкостью подается твердое вещество. Предпочтительно это твердое вещество содержит порошок или гранулят бентонита. При этом используется преимущество протекания раствора тензида через проточный канал с отсутствием барьеров.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления предоставляется пеногенератор, имеющий газационную область заданной длины, заданного проточного поперечного сечения и с заданным размером и плотностью пор, в зависимости от особенностей вынимаемого грунта, при этом на основании выбранных параметров вынимаемого грунта для парогенератора выбирается служащий газационной областью полый цилиндр заданной длины и заданного внутреннего поперечного сечения, имеющий газопроницаемую пористую стенку с заданным размером и плотностью пор. Это позволяет легко адаптировать состав пены к изменяющимся условиям грунта. Различно выполненные, служащие газационными областями полые цилиндры могут легко заменяться.
Альтернативно в одном из вариантов осуществления несколько газационных областей могут быть расположены гидравлически параллельно, причем тогда из этих нескольких расположенных гидравлически параллельно газационных областей выбирается одна газационная область с выбранными параметрами, при этом подача жидкости и газа к другим газационным областям перекрывается.
Предпочтительные и/или предпочитаемые варианты осуществления изобретения названы в зависимых пунктах формулы изобретения.
Ниже следует пояснить изобретение на предпочитаемых примерах осуществления, изображенных на чертежах. На чертежах показано:
фиг.1: схематичное изображение тоннелепроходческой машины с существенными для изобретения элементами;
фиг.2: схематичное продольное сечение предлагаемого изобретением пеногенератора; и
фиг.3: схематичный вид поперечного сечения пеногенератора в соответствии с фиг.2.
На фиг.1 схематично показаны некоторые элементы тоннелепроходческой машины 1, существенные для настоящего изобретения. Режущее колесо (то есть роторный исполнительный орган машины) 2 с помощью струговых ножей и режущих роликов вынимает грунт на груди забоя тоннеля. После этого вынимаемый грунт падает в выемочную камеру 3. Выемочная камера 3 с задней стороны ограничивается напорной стенкой 4 тоннелепроходческой машины 1. В выемочной камере 3 вынимаемый грунт с помощью смесительных лопастей, которые находятся как на режущем колесе 2, так и на напорной стенке 4, перемешивается и обычно смешивается со средствами для кондиционирования. Затем образовавшаяся в выемочной камере 3 смесь посредством шнекового конвейера 5 выгружается из выемочной камеры 3 и направляется на ленточный конвейер 6 для откатки. Посредством частоты вращения шнекового конвейера 5 регулируются отводимое из выемочной камеры 3 количество и вместе с тем необходимое опорное давление. Проходка регулируется посредством (не изображенных на фиг.1) гидравлических проходческих цилиндров, которые с задней стороны опираются на сооруженное в последнюю очередь кольцо тоннеля, причем это кольцо тоннеля состоит из железобетонных сегментов, называемых тюбингами.
Конечно, коренные грунты (порода в массиве) часто не обладают теми геологическими свойствами, которые были бы необходимы, чтобы один только вынимаемый грунт в выемочной камере мог служить опорной средой. Поэтому подмешиваются средства для кондиционирования. В настоящее время в проходческих щитах (щиты для стабилизации забоя ранее отделенным от массива материалом) в качестве средств для кондиционирования применяются вода, глины (в том числе бентонит), полимеры и пены. В то время как вода, глины и полимеры используются в основном для кондиционирования мелкозернистых грунтов, в случае крупнозернистых грунтов для их кондиционирования обычно в наполненную отделенным грунтом выемочную камеру 3 вводятся тензидные пены. Тензидные пены состоят обычно из большей части воздуха, некоторой доли воды и небольшого количества тензида.
Для создания тензидных пен сначала приготавливается тензидный раствор, при этом вода и тензид объединяются в заданном отношении и смешиваются с получением раствора тензида. На фиг.1 показан бак 16 для раствора тензида, в который подаются тензид из сборной емкости 17 и вода по трубопроводу 18. Раствор тензида по трубопроводу 15 подается в пеногенератор 14. Одновременно в пеногенератор 14 по трубопроводу 19 подается сжатый воздух. Устройство управления (не показанное на фиг.1) служит для того, чтобы тензиды и подаваемая вода смешивались в заданном отношении и подавались в бак 16 и чтобы раствор тензида по трубопроводу 15, а также сжатый воздух по трубопроводу 19 подавались в пеногенератор 14 в заданном количественном отношении и при заданных давлениях.
В описанном подробнее ниже пеногенераторе 14 из раствора тензида и сжатого воздуха получается пена, которая затем по трубопроводу 8 подается в распределитель 9. Распределитель 9 по трубопроводам 10 распределяет пену по местам 11 инъекции в режущем колесе 2 и по другим трубопроводам 7 по местам 12 инъекции на напорной стенке 4, а также местам 13 инъекции в шнековом конвейере 5.
Устройство управления (не показанное на фиг.1) управляет количествами пены, подаваемыми к данным местам 11, 12 и 13 инъекции, путем соответствующей установки клапанов, расположенных в трубопроводах.
На фиг.1 схематично показан пеногенератор 14. В альтернативных и/или предпочтительных вариантах осуществления могут быть также предусмотрены несколько пеногенераторов, которые альтернативно могут быть введены в путь потока и которые также могут создавать различные пены. Альтернативно могут быть также предусмотрены отдельные пеногенераторы для различных мест инъекции, что позволяет адаптировать параметры пен, которые инъецируются в различных местах инъекции, к свойствам смеси в данных местах инъекции.
Во время проходки свойства грунта могут изменяться, так что параметры пены, такие как, например, отношение воздуха и жидкости или размер пузырьков пены, в зависимости от установленного качества грунта, могут варьироваться, пока не будет достигнут удовлетворительный для проходки результат. Путем предварительных опытов можно определять оптимальный размер пор тензидной пены для состава грунта, встречающегося в каждом случае. Затем на основании этих экспериментально определенных зависимостей с помощью предлагаемого изобретением пеногенератора, подробнее описанного ниже, в зависимости от залегающего грунта, можно устанавливать желаемые параметры пены, такие как, например, коэффициент расширения пены FER и размер пор пены. Кроме того, предлагаемый изобретением пеногенератор 14, дополнительно к подаваемому по трубопроводу 15 раствору тензида, позволяет добавлять некоторую долю твердого вещества, например, глины (в частности, бентонита). Это служит, например, для стабилизации рыхлых грунтов. Благодаря этой возможности область применения щитов с компенсацией давления горных пород расширяется.
На фиг.2 показан схематичный вид продольного сечения предлагаемого изобретением пеногенератора 14. Корпус состоит из двух полуоболочек 20, 21 корпуса, которые прижимаются друг к другу посредством болтов 31 с резьбой, при этом между половинами 20 и 21 корпуса расположено уплотнение 30. Изображенная на фиг.2 внизу половина 21 корпуса имеет впускное отверстие 22, в которое может входить раствор тензида. Верхняя полуоболочка 20 корпуса имеет выпускное отверстие 24 для пены. Внутри пеногенератора 14 между полуоболочками 20 и 21 корпуса расположен полый цилиндр 25, имеющий пористую стенку 26, таким образом, что торцевая сторона 27A полого цилиндра 25 плотно прилегает к торцевой стенке полуоболочки 21 корпуса, так что втекающая во впускное отверстие 22 тензидная жидкость полностью входит в проточную камеру 28 внутри полого цилиндра 25. На противоположной стороне другая торцевая сторона 27B полого цилиндра тоже плотно соединена с торцевой поверхностью полуоболочки 20 корпуса, так что выходящая из проточной камеры 28 пена полностью выходит из выпускного отверстия 24.
Когда полуоболочки 20 и 21 корпуса отделены друг от друга, полый цилиндр 25, имеющий пористую стенку 26, может вставляться между полуоболочками 20 и 21 корпуса, так что после сборки и затягивания болтов 31 с резьбой как полый цилиндр своими торцевыми сторонами 27A и 27B прилегает к уплотнительным поверхностям полуоболочек корпуса, так и две полуоболочки 20 и 21 корпуса плотно прижаты друг к другу. Внутри полуоболочек 20 и 21 корпуса напорная камера 29 окружает полый цилиндр 25. Эта напорная камера 29 соединена с впускным отверстием 23 для сжатого воздуха. Сжатый воздух, втекающий через впускное отверстие 23 в напорную камеру 29, проникает через поры стенки 26 полого цилиндра 25 в проточную камеру 28, так что мелкие пузырьки воздуха подмешиваются к раствору тензида, текущему через проточную камеру 28. При этом возникает пена, которая выходит через выпускное отверстие 24. Размер пор пены, а также отношение между жидкостью и воздухом, т.е. коэффициент расширения пены, зависят, с одной стороны, от размеров полого цилиндра и размера пор стенки 26, с другой стороны, от условий давления, т.е. давления воздуха в напорной камере 29 и давления жидкости на впускном отверстии 22, а также давления в выемочной камере 2, соединенной с выпускным отверстием 24. При этом следует учитывать, что давление пены на выпускном отверстии 24 предпочтительно должно быть на 1-2 бар выше давления в выемочной камере 24. Тогда давление воздуха в напорной камере 29 на 1-2 бара выше давления смеси тензида и воды на впускном отверстии 22. Тогда при давлениях, возникающих обычно в выемочной камере 3, давление воздуха в напорной камере 29 получается равным 1,5-6,5 бар.
На фиг.3 показан вид поперечного сечения пеногенератора 14, схематично изображенного на фиг.2. В изображенном примере осуществления две половины 20 и 21 корпуса удерживаются друг с другом шестью болтами 31 с резьбой. На фиг.3 можно видеть радиально прифланцованный к полуоболочке 21 корпуса штуцер, имеющий входное отверстие 23 для воздуха.
В рамках идеи изобретения возможны многочисленные альтернативные варианты осуществления. Например, в напорной камере, образованной полуоболочками 20, 21 корпуса, могут быть установлены несколько параллельно расположенных полых цилиндров, имеющих проточные камеры 28. Возможно также, чтобы, наоборот, внутри цилиндрической проточной камеры, через которую протекает тензидная жидкость, была расположена, например, концентрическая труба, имеющая пористую стенку, при этом сжатый воздух подается во внутреннее пространство этой трубы, так что воздух через пористую стенку выдавливается наружу в окружающую ее проточную камеру. Еще в одном варианте осуществления пористые стенки могут представлять собой плоские пластины между одной или несколькими напорными камерами и одной или несколькими проточными камерами, причем эти камеры расположены параллельно рядом друг с другом.