基于脉冲电流的土压平衡盾构电渗降黏装置及方法

本发明属于盾构掘进降黏，具体涉及一种基于脉冲电流的土压平衡盾构电渗降黏装置及方法。

背景技术：

1、随着我国城市化进程的加速发展，城市地下空间逐步成为缓解地面交通压力、扩宽城市边界范围的重要渠道。土压平衡盾构由于地层适应性强，安全度高和环境影响小等优点成为城市轨道交通建设的主流工法。土压平衡盾构掘进过程中，盾构刀盘会在坚硬盾壳支护下不断切削掌子面前方土体，再由螺旋输送机运送至隧道外部。

2、当土压平衡盾构遭遇强黏性地层时，土体中的黏性颗粒在掘进温度与刀盘压力的作用下容易聚集成团，形成黏附于刀盘上的泥饼。伴随着泥饼增大，刀盘扭矩与推力不断增加，掘进速度减慢，从而大大降低了掘进效率，最终导致刀盘结泥饼、土仓堵塞、排渣不畅等系列工程难题。

3、目前针对盾构结泥饼后的解决办法主要有化学改良方法与人工开仓处理两种手段，化学改良方法通过改良剂增大黏土颗粒之间距离以达到减小黏聚力的作用，但当泥饼形成后，化学改良剂无法深入黏土颗粒与金属界面，难以起到去除泥饼的效果；开仓处理可以很好地对泥饼进行清除，但却需要损耗大量的时间与成本，凿除泥饼的工人生命安全也会受到巨大威胁。

4、电渗法作为一种新兴的电渗降黏方法，通过施加电场使得带电荷的水分子朝着刀盘运动，从而增加液膜厚度，可以有效降低刀盘与黏土之间的黏附作用。然而，目前电渗方法多用于农业领域的机械脱土方面，在土压平衡盾构上的应用还处在试验阶段，尚未有针对实际工程可用的电渗降黏装置；除此以外，现有的电渗降黏方法多采用稳定电流，能耗高且不安全。因此亟需一种基于脉冲电流的土压平衡盾构电渗降黏装置及方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于脉冲电流的土压平衡盾构电渗降黏装置及方法，用以解决现有技术中盾构结泥饼后清除不便的技术问题。

2、为实现上述目的，在本发明的一个方面，本发明提供一种基于脉冲电流的土压平衡盾构电渗降黏装置，设置在盾构刀盘上，包括电渗脉冲模块，所述电渗脉冲模块的负极电性连接有多个电渗阴极，所述电渗阴极布置在刀盘中央和刀盘滚刀上；所述电渗脉冲模块的正极电性连接有多个阳极锚杆，所述阳极锚杆一端固接于盾壳的外周侧，另一端深入黏性土体与围岩锚固。

3、优选地，所述电渗脉冲模块包括振荡器、信号放大器、整形电路、定时元件、控制单元和电源，所述信号放大器放大所述振荡器产生的脉冲信号，所述整形电路将放大后的所述脉冲信号转换为所需波形的脉冲电流，所述脉冲电流通过所述定时元件确定宽度与频率后，经所述控制单元调整输出。

4、优选地，所述振荡器为谐波振荡器，产生原始的脉冲信号，并将直流电转换为具有一定频率的交流电；所述信号放大器为中频放大器，用于放大特定频率范围的所述脉冲信号；所述整形电路为波形变换器，用于将所述脉冲信号转换为所需波形的脉冲电流；所述定时元件为电阻器，用于确定所述脉冲电流的宽度与频率。

5、优选地，所述脉冲电流的电压为25～100v，频率为50～100hz。

6、优选地，所述电渗阴极分布在所述刀盘中央、所述刀盘滚刀结有泥饼的部位。

7、优选地，所述电渗阴极为钛涂钌电极材料。

8、优选地，所述阳极锚杆包括杆体，所述杆体为中空水泥锚杆，其上段具有电渗阳极，所述电渗阳极内填充有导电锚固剂，所述电渗阳极上设有微孔，以供所述导电锚固剂填充至锚杆与围岩边界；所述杆体与所述盾壳固接的一端设有夹具，所述夹具为金属材质，通过连接线与所述电渗阳极相连，所述夹具连接在所述电渗脉冲模块的正极；所述杆体远离所述盾壳的一端固接有锚固体。

9、优选地，所述导电锚固剂为水泥基材料，并混合有一定比例的聚苯胺材料，使其具有导电性。

10、优选地，所述导电锚固剂中聚苯胺材料与水泥基材料的配比为1:5～1:10。

11、优选地，所述电渗阳极的表面具有粗糙纹理，用于增加电极与电解液之间的接触面积。

12、在本发明的另一方面，本发明提供一种基于脉冲电流的土压平衡盾构电渗降黏方法，使用上述任一项所述的基于脉冲电流的土压平衡盾构电渗降黏装置，所述方法包括以下步骤：

13、步骤1、根据盾构刀盘结泥饼的情况，结合异常的盾构掘进参数，设定所述电渗脉冲模块的脉冲电流参数；

14、步骤2、连接所述阳极锚杆；

15、步骤3、连接所述电渗阴极至所述电渗脉冲模块的负极，连接所述阳极锚杆至所述电渗脉冲模块的正极；

16、步骤4、调整所述脉冲电流的频率与幅度，并开始通电；

17、步骤5、实时观测盾构刀盘的推力与扭矩，若达到正常值，则拆除所述土压平衡盾构电渗降黏装置，继续掘进。

18、本发明公开了以下技术效果：

19、本发明提供了一种基于脉冲电流的土压平衡盾构电渗降黏装置，该装置通过电渗作用起到了降低黏土与金属界面黏附力的作用，可有效治理刀盘结泥饼的难题。电渗脉冲模块的使用可以减小能耗，降低工程造价，整体设备为可拆卸式设备，操作方便，保障了施工作业人员的安全性。

技术特征：

1.一种基于脉冲电流的土压平衡盾构电渗降黏装置，设置在盾构刀盘上，其特征在于，包括电渗脉冲模块(1)，所述电渗脉冲模块(1)的负极电性连接有多个电渗阴极(2)，所述电渗阴极(2)布置在刀盘中央和刀盘滚刀上；所述电渗脉冲模块(1)的正极电性连接有多个阳极锚杆(3)，所述阳极锚杆(3)一端固接于盾壳(5)的外周侧，另一端深入黏性土体(6)与围岩锚固。

2.根据权利要求1所述的基于脉冲电流的土压平衡盾构电渗降黏装置，其特征在于，所述电渗脉冲模块(1)包括振荡器(12)、信号放大器(13)、整形电路(14)、定时元件(15)、控制单元(16)和电源(11)，所述信号放大器(13)放大所述振荡器(12)产生的脉冲信号，所述整形电路(14)将放大后的所述脉冲信号转换为所需波形的脉冲电流，所述脉冲电流通过所述定时元件(15)确定宽度与频率后，经所述控制单元(16)调整输出。

3.根据权利要求2所述的基于脉冲电流的土压平衡盾构电渗降黏装置，其特征在于，所述脉冲电流的电压为25～100v，频率为50～100hz。

4.根据权利要求1所述的基于脉冲电流的土压平衡盾构电渗降黏装置，其特征在于，所述电渗阴极(2)分布在所述刀盘中央、所述刀盘滚刀结有泥饼的部位。

5.根据权利要求4所述的基于脉冲电流的土压平衡盾构电渗降黏装置，其特征在于，所述电渗阴极(2)为钛涂钌电极材料。

6.根据权利要求1所述的基于脉冲电流的土压平衡盾构电渗降黏装置，其特征在于，所述阳极锚杆(3)包括杆体(33)，所述杆体(33)为中空水泥锚杆，其上段具有电渗阳极(32)，所述电渗阳极(32)内填充有导电锚固剂(34)，所述电渗阳极(32)上设有微孔，以供所述导电锚固剂(34)填充至锚杆与围岩边界；所述杆体(33)与所述盾壳(5)固接的一端设有夹具(37)，所述夹具(37)为金属材质，通过连接线(38)与所述电渗阳极(32)相连，所述夹具(37)连接在所述电渗脉冲模块(1)的正极；所述杆体(33)远离所述盾壳(5)的一端固接有锚固体(31)。

7.根据权利要求6所述的基于脉冲电流的土压平衡盾构电渗降黏装置，其特征在于，所述导电锚固剂(34)为水泥基材料，并混合有一定比例的聚苯胺材料，使其具有导电性。

8.根据权利要求7所述的基于脉冲电流的土压平衡盾构电渗降黏装置，其特征在于，所述导电锚固剂(34)中聚苯胺材料与水泥基材料的配比为1:5～1:10。

9.根据权利要求6所述的基于脉冲电流的土压平衡盾构电渗降黏装置，其特征在于，所述电渗阳极(32)的表面具有粗糙纹理，用于增加电极与电解液之间的接触面积。

10.一种基于脉冲电流的土压平衡盾构电渗降黏方法，其特征在于，使用权利要求1至9中任一项所述的基于脉冲电流的土压平衡盾构电渗降黏装置，所述方法包括以下步骤：

技术总结本发明公开一种基于脉冲电流的土压平衡盾构电渗降黏装置及方法，涉及盾构掘进降黏技术领域，装置包括电渗脉冲模块，所述电渗脉冲模块的负极电性连接有多个电渗阴极，所述电渗阴极布置在刀盘中央和刀盘滚刀上；所述电渗脉冲模块的正极电性连接有多个阳极锚杆，所述阳极锚杆一端固接于盾壳的外周侧，另一端深入黏性土体与围岩锚固。本发明装置通过盾壳连接阳极锚杆，并使用电渗脉冲模块与电渗阴极和阳极锚杆相连，释放电流，从而使得带电荷水分子朝着盾构刀盘移动，以增大液膜厚度，减小黏聚力。本方法不需开仓也能解决刀盘结泥饼难题，脉冲电流的使用可以极大程度降低能源消耗，操作方便，保障了施工作业人员的安全性。技术研发人员：袁超,彭科峰,王善娟,李树忱,王馨,王修伟,万泽恩,赵世森受保护的技术使用者：山东大学技术研发日：技术公布日：2024/6/20