一种泥水盾构排浆管路防沉积与快速解堵碎石方法及系统与流程

本发明涉及盾构施工，具体为一种泥水盾构排浆管路防沉积与快速解堵碎石方法。

背景技术：

1、泥水平衡盾构机是城市地下空间开发、跨江跨海隧道建设的核心装备，其排浆系统承担着维持开挖面压力平衡与输送切削渣土的关键功能，被称为盾构机的"血管"。在穿越孤石、硬岩或复合地层时，刀盘切削会产生大量大块岩石和高粘性泥饼，这些固相物质随泥浆流进入排浆管路后，极易引发管路堵塞和排浆泵故障。

2、现有技术通常在排浆系统中设置一级格栅进行被动拦截，但格栅孔径过大则无法有效阻挡大块渣石，孔径过小则容易被泥饼和细颗粒堵塞，导致排浆效率大幅下降。一旦大块渣石突破格栅，会在管路低洼处沉积或卡滞在排浆泵叶轮处，造成泵机过载甚至损坏。

3、目前针对排浆系统堵塞的处理方式主要是被动式的：当监测到流量骤降或泵机过载后，必须先停机、泄压，然后由人工拆卸管路进行清理。这种"事后补救"方式存在诸多缺陷：首先，每次清理平均耗时4小时以上，严重影响盾构掘进效率；其次，在带压管路操作中存在泥浆喷涌的重大安全隐患；最后，频繁的停机和管路拆卸会加速设备磨损，增加维护成本。

4、因此，亟需开发一种能够实现大块渣石主动分离、在线破碎和智能解堵的技术方案，从根本上解决泥水盾构排浆系统堵塞问题，提升施工效率和安全性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种泥水盾构排浆管路防沉积与快速解堵碎石方法及系统，基于固液两相流离心沉降理论，构建"旋流分级-沉淀捕获-智能破碎"的耦合处理机制，实现对排浆管路中大块固相物质的主动防御与在线清除，无需人工干预和停机操作。

2、为实现上述目的，本发明提供一种泥水盾构排浆管路防沉积与快速解堵碎石方法，安装于盾构排浆泵吸口前段，包括以下步骤：

3、s1、构建离心式漩涡流场：在排浆主泵前段设置离心式漩涡碎石箱主体，采用切向进浆结构诱导高压泥浆形成高速旋流，利用固液两相流的密度差特性，使大块重质渣石在离心力作用下贴壁沉降进入箱底破碎腔，轻质携渣泥浆通过中心流场直接流向排浆泵；

4、s2、设置独立破碎机构：在碎石箱主体底部的沉淀捕获区设置破碎腔，内置由外部独立高扭矩电机驱动的高强合金破碎组件，破碎机构与排浆泵动力解耦；

5、s3、实时监测堵塞前兆：构建智能控制系统，实时采集排浆泵前压力与碎石箱进出口压差，计算压力突变率与流阻变化，建立堵塞前兆判据函数；

6、s4、执行闭环自动解堵：当堵塞前兆判据函数值超过设定的报警阈值时，判定存在大块岩石沉积或泥饼滞留风险，plc控制器自动启动破碎电机对沉淀物进行破碎，待压力与压差恢复至正常区间后，自动停止破碎电机，恢复常规过流状态。

7、优选的，步骤s1中，对于粒径为、密度为的固体颗粒，其在旋流场中的离心沉降速度满足以下动力学关系：

8、

9、其中，为泥浆流体密度，为切向速度，为泥浆动力粘度，为旋流半径；通过流场设计，确保大块重质渣石的远大于径向流速，从而在离心力作用下贴壁沉降进入箱底破碎腔，而轻质携渣泥浆则通过中心流场直接过泵。

10、优选的，步骤s2中，破碎腔几何结构遵循"咬合-剪切"力学模型，高强合金破碎组件采用碳化钨镶嵌结构，将落入破碎腔的大块岩石粉碎至排浆泵允许通过的临界粒径以下。

11、优选的，步骤s3中，实时采集泵前压力与碎石箱压差，定义堵塞前兆判据函数，则并堵塞前兆判据函数为：

12、

13、其中，表征压力突变率，为正常流阻，,为权重系数。

14、优选的，步骤s4中，当监测到时，其中为设定的报警阈值，判定为大块岩石沉积或泥饼滞留风险，plc控制器自动执行以下逻辑：

15、(1)启动破碎电机，对沉淀物进行强力破碎；

16、(2)破碎完成后，监测到恢复平稳且回落至正常区间，自动停止电机，恢复常规过流状态。

17、一种泥水盾构排浆管路防沉积与快速解堵碎石系统，该系统安装于盾构排浆泵吸口前段，包括：

18、离心式漩涡碎石箱主体，采用切向进浆结构，内部形成高速旋流场，利用固液两相流密度差实现大块重质渣石与轻质携渣泥浆的分离，箱底设有沉淀捕获区和破碎腔；

19、独立驱动破碎机构，设置于破碎腔内，包括高强合金破碎组件和位于箱体外部的独立高扭矩电机，破碎机构与排浆泵动力解耦；

20、智能监测系统，包括安装于排浆泵前的第一压力传感器、安装于碎石箱进口的第二压力传感器和安装于碎石箱出口的第三压力传感器，用于实时采集压力数据；

21、plc控制器，与压力传感器和破碎电机电连接，内置堵塞前兆判据模型和闭环自动解堵控制逻辑。

22、优选的，离心式漩涡碎石箱主体上部为圆柱形旋流区，下部为圆锥形沉淀区，切向进浆口设置于圆柱形旋流区上部，中心出浆口设置于箱体顶部中心。

23、优选的，高强合金破碎组件为齿颚式结构，采用碳化钨硬质合金镶嵌于合金钢基体上，齿颚间隙可根据排浆泵允许通过的最大粒径进行调节。

24、优选的，plc控制器能够根据不同地层条件和泥浆参数，自动调整堵塞前兆判据函数的权重系数,和报警阈值。

25、优选的，系统还包括人机交互界面，用于显示实时压力曲线、系统运行状态和报警信息，并支持手动控制破碎电机的启动和停止。

26、本发明与现有技术相比的优点在于：

27、1.主动分选防堵，拦截效率高：离心式漩涡流场利用固液两相流的密度差实现渣石无动力自动分选，能够高效拦截大块重质渣石，解决了传统格栅被动拦截易堵塞、拦截效率低的不足。

28、2.精准破碎节能，设备损耗小：独立破碎机构仅针对分离后的大块渣石工作，避免了无差别破碎导致的能耗浪费；同时采用碳化钨镶嵌结构的高强合金齿颚，耐磨性强，显著延长了设备使用寿命。

29、3.智能主动解堵，效率提升显著：基于压力梯度的监测模型能够提前识别堵塞前兆，实现主动预警；解堵过程无需停机、无需人工干预，实现了"毫秒级监测、分钟级处理"，排浆效率提升约20%。

30、4.安全可靠，适应性广：彻底消除了人工带压拆管清理带来的泥浆喷涌安全隐患；可适配不同直径排浆管路与盾构机型，兼容孤石、硬岩、复合地层等多种复杂工况。

31、5.安装便捷，改造成本低：系统采用串联方式安装于排浆泵吸口前段，无需大幅改造原有排浆系统，单台装置安装调试时间短，改造成本低，便于在现有工程中推广应用。

1.一种泥水盾构排浆管路防沉积与快速解堵碎石方法，其特征在于：安装于盾构排浆泵吸口前段，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的泥水盾构排浆管路防沉积与快速解堵碎石方法，其特征在于：步骤s1中，对于粒径为、密度为的固体颗粒，其在旋流场中的离心沉降速度满足以下动力学关系：

3.根据权利要求1所述的泥水盾构排浆管路防沉积与快速解堵碎石方法，其特征在于：步骤s2中，破碎腔几何结构遵循"咬合-剪切"力学模型，高强合金破碎组件采用碳化钨镶嵌结构，将落入破碎腔的大块岩石粉碎至排浆泵允许通过的临界粒径以下。

4.根据权利要求1所述的泥水盾构排浆管路防沉积与快速解堵碎石方法，其特征在于：步骤s3中，实时采集泵前压力与碎石箱压差，定义堵塞前兆判据函数，则并堵塞前兆判据函数为：

5.根据权利要求1所述的泥水盾构排浆管路防沉积与快速解堵碎石方法，其特征在于：步骤s4中，当监测到时，其中为设定的报警阈值，判定为大块岩石沉积或泥饼滞留风险，plc控制器自动执行以下逻辑：

6.一种泥水盾构排浆管路防沉积与快速解堵碎石系统，其特征在于：该系统安装于盾构排浆泵吸口前段，包括：

7.根据权利要求6所述的泥水盾构排浆管路防沉积与快速解堵碎石系统，其特征在于：所述离心式漩涡碎石箱主体上部为圆柱形旋流区，下部为圆锥形沉淀区，切向进浆口设置于圆柱形旋流区上部，中心出浆口设置于箱体顶部中心。

8.根据权利要求6所述的泥水盾构排浆管路防沉积与快速解堵碎石系统，其特征在于：所述高强合金破碎组件为齿颚式结构，采用碳化钨硬质合金镶嵌于合金钢基体上，齿颚间隙可根据排浆泵允许通过的最大粒径进行调节。

9.根据权利要求6所述的泥水盾构排浆管路防沉积与快速解堵碎石系统，其特征在于：所述plc控制器能够根据不同地层条件和泥浆参数，自动调整堵塞前兆判据函数的权重系数,和报警阈值。

10.根据权利要求6所述的泥水盾构排浆管路防沉积与快速解堵碎石系统，其特征在于：还包括人机交互界面，用于显示实时压力曲线、系统运行状态和报警信息，并支持手动控制破碎电机的启动和停止。