本发明涉及机械化隧道掘进施工的技术领域，尤其是涉及一种提高土压平衡式隧道掘进机开挖面支护效果的装置及方法。
背景技术：
土压平衡式隧道掘进机施工过程中采用改良后的渣土支撑并控制开挖面变形，泡沫剂是最常用的渣土改良剂之一。泡沫剂通过与加压空气混合产生大量均匀而又稳定的泡沫，泡沫在刀盘的搅动下均匀填充于土颗粒间孔隙，可有效降低渣土的内摩擦角，提高改良渣土的流塑性。但泡沫会随时间逐渐消散，消散后产生的气体密度远小于改良渣土的，因此气体将慢慢上浮至土仓顶部，在长时间停机时气体将越聚越多，形成大的空腔。当空腔内气体压力小于开挖面相同高度处的地下水压力时，地下水将向土仓渗透，开挖面土体也将产生较大的变形，最终导致地表沉降增加，影响工程质量，严重时引起地表建筑物破坏，造成财产和生命损失。目前，现场尚无对该问题的处理措施，也未有解决该问题的相关专利。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种提高土压平衡式隧道掘进机开挖面支护效果的装置及方法，其通过增加排气系统和注浆系统，从而达到稳定开挖面、减小地表沉降的效果，操作比较方便，可有效提高施工质量和安全。
本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种提高土压平衡式隧道掘进机开挖面支护效果的装置，它包括排气系统和注浆系统；所述排气系统包括分别设置在土仓内部最高处盾壳上的排气管和压力传感器、分别设置在排气管伸出至土仓壁外部管体上的气体流量计和电动调节阀，在所述排气管位于土仓内部的管段上等间距设置有多个排气孔，所述排气孔的开口均向下设置，所述电动调节阀设置在排气管伸出至土仓外的末端，用于控制排气管排气的开关；所述注浆系统包括设置在土仓内部最高处盾壳上的注浆管、连通在注浆管伸出至土仓壁外端的注浆泵、以及与注浆泵进浆口连通的制浆罐；在所述注浆管位于土仓内的管段上等间距设置有多个注浆孔，所述注浆孔开口均向下设置；所述的气体流量计、压力传感器、电动调节阀和注浆泵均通过信号电缆与盾构机驾驶室内的工控机相连。
本发明还公开了一种提高土压平衡式隧道掘进机开挖面支护效果的方法，所述方法具体步骤如下：
步骤s1：在盾构机停机期间压力传感器监测值为p1，同时根据地勘资料得到相同高度处地下水压力为p2；若p1≥p2，则无需进行排气和注浆操作；若p1＜p2，则表明土仓顶部未被改良渣土充满，即改良渣土内泡沫逸出后在土仓顶部积聚形成了空腔，需进行排气和注浆操作；
步骤s2：当p1＜p2时，通过工控机打开电动调节阀进行排气，观察气体流量计的测量值v，当v值基本为0时关闭电动调节阀停止排气；
步骤s3：停止排气后通过工控机打开注浆泵并设置注浆压力为为p2，将制浆罐内储存的泥浆通过注浆孔注入到土仓内。注浆过程中观察p1大小，当p1=p2时，关闭注浆泵，停止注浆；
步骤s4：停机后每隔1h比较一次p1和p2的大小，当p1＜p2时重复步骤s2-s3。
综上所述，本发明的有益技术效果为：
由于采用了上述技术方案，本发明能有效降低土压平衡式隧道掘进机长时间停机过程中土仓顶部形成空腔后对开挖面支撑效果差、造成开挖面变形和地表沉降较大的问题。通过增加排气系统和注浆系统，可方便排出长时间停机过程中从改良渣土中逸出并积聚到土仓顶部的气体，之后通过注浆系统将配置好的泥浆注入到土仓顶部替代气体，从而实现对开挖面土体的有效支撑，达到稳定开挖面、减小地表沉降的效果。该方法原理简单，操作方便，可有效提高施工质量和安全。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明土仓内部结构示意图。
图中，1、压力传感器；2、排气管；3、气体流量计；4、电动调节阀；5、注浆管；6、注浆泵；7、制浆罐；8、工控机；9、信号电缆；10、土仓；11、土仓壁；12、盾壳；13、刀盘；14、排气孔；15、注浆孔。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
参考图1和图2，为本发明公开的一种提高土压平衡式隧道掘进机开挖面支护效果的装置，包括排气系统和注浆系统，排气系统包括分别设置在盾构机土仓10内部最高处盾壳12上的排气管2和压力传感器1、分别设置在排气管2伸出至土仓壁11外部管体上的气体流量计3和电动调节阀4。压力传感器1用于监测土仓10顶部的水土压力或气体压力。在排气管2位于土仓10内部的管段上等间距设置有排气孔14，排气孔14的开口均向下设置。电动调节阀4设置在排气管2伸出至土仓10外的末端，用于控制排气管2排气的开关。注浆系统包括设置在土仓10内部最高处盾壳12上的注浆管5、连通在注浆管5伸出至土仓壁11外端的注浆泵6、以及与注浆泵6进浆口连通的制浆罐7。在注浆管5位于土仓10内的管段上等间距设置有注浆孔15，注浆孔15开口均向下设置。气体流量计3、压力传感器1、电动调节阀4和注浆泵6均通过信号电缆9与盾构机驾驶室内的工控机8相连。
本发明还公开了一种提高土压平衡式隧道掘进机开挖面支护效果的方法，包括如下步骤：
步骤s1：在盾构机停机期间压力传感器1监测值为p1，同时根据地勘资料得到相同高度处地下水压力为p2；若p1≥p2，则无需进行排气和注浆操作；若p1＜p2，则表明土仓顶部未被改良渣土充满，即改良渣土内泡沫逸出后在土仓顶部积聚形成了空腔，需进行排气和注浆操作；
步骤s2：当p1＜p2时，通过工控机8打开电动调节阀4进行排气，观察气体流量计3的测量值v，当v值基本为0时关闭电动调节阀4停止排气；
步骤s3：停止排气后通过工控机8打开注浆泵6并设置注浆压力为为p2，将制浆罐7内储存的泥浆通过注浆孔15注入到土仓10内。注浆过程中观察p1大小，当p1=p2时，关闭注浆泵6停止注浆；
步骤s4：停机后每隔1h比较一次p1和p2的大小，当p1＜p2时重复步骤s2-s3。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
1.一种提高土压平衡式隧道掘进机开挖面支护效果的装置，其特征在于：它包括排气系统和注浆系统；所述排气系统包括分别设置在土仓（10）内部最高处盾壳（12）上的排气管（2）和压力传感器（1）、分别设置在排气管（2）伸出至土仓壁（11）外部管体上的气体流量计（3）和电动调节阀（4），在所述排气管（2）位于土仓（10）内部的管段上等间距设置有多个排气孔（14），所述排气孔（14）的开口均向下设置，所述电动调节阀（4）设置在排气管（2）伸出至土仓（10）外的末端，用于控制排气管（2）排气的开关；所述注浆系统包括设置在土仓（10）内部最高处盾壳（12）上的注浆管（5）、连通在注浆管（5）伸出至土仓壁（11）外端的注浆泵（6）、以及与注浆泵（6）进浆口连通的制浆罐（7）；在所述注浆管（5）位于土仓（10）内的管段上等间距设置有多个注浆孔（15），所述注浆孔（15）开口均向下设置；所述的气体流量计（3）、压力传感器（1）、电动调节阀（4）和注浆泵（6）均通过信号电缆（9）与盾构机驾驶室内的工控机（8）相连。
2.一种利用权利要求1所述装置提高土压平衡式隧道掘进机开挖面支护效果的方法，其特征在于：所述方法具体步骤如下：
步骤s1：在盾构机停机期间压力传感器（1）监测值为p1，同时根据地勘资料得到相同高度处地下水压力为p2；若p1≥p2，则无需进行排气和注浆操作；若p1＜p2，则表明土仓顶部未被改良渣土充满，即改良渣土内泡沫逸出后在土仓顶部积聚形成了空腔，需进行排气和注浆操作；
步骤s2：当p1＜p2时，通过工控机（8）打开电动调节阀（4）进行排气，观察气体流量计（3）的测量值v，当v值基本为0时关闭电动调节阀（4）停止排气；
步骤s3：停止排气后通过工控机（8）打开注浆泵（6）并设置注浆压力为为p2，将制浆罐（7）内储存的泥浆通过注浆孔（15）注入到土仓（10）内。注浆过程中观察p1大小，当p1=p2时，关闭注浆泵（6），停止注浆；
步骤s4：停机后每隔1h比较一次p1和p2的大小，当p1＜p2时重复步骤s2-s3。
技术总结