泥水盾构工作原理.ppt

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泥水盾构施工简介,目录,一、泥水盾构的基本原理和特点二、泥水盾构简介三、泥水盾构工作原理介绍四、泥水处理系统五、泥水盾构施工的几点经验,一、泥水平衡式盾构的基本原理和特点,1、泥水平衡式盾构工作原理该型式盾构是在机械式盾构的刀盘的后侧，设置一道封闭隔板，隔板与刀盘间的空间定名为泥水仓。

把水、粘土及其添加剂混合制成的泥水，经输送管道压入泥水仓，待泥水充满整个泥水仓，并具有一定压力，形成泥水压力室。

通过泥水的加压作用和压力保持机构，能够维持开挖工作面的稳定。

盾构推进时，旋转刀盘切削下来的土砂经搅拌装置搅拌后形成高浓度泥水，用流体输送方式送到地面泥水分离系统，将碴土、水分离后重新送回泥水仓，这就是泥水加压平衡式盾构法的主要特征。

因为是泥水压力使掘削面稳定平衡的，故得名泥水加压平衡盾构，简称泥水盾构。

泥水平衡盾构工作原理图,2、泥水盾构施工的特点：

在易发生流沙的地层中能稳定开挖面，可在正常大气压下施工作业；泥水传递速度快而且均匀，开挖面平衡土压力的控制精度高，对开挖面周边土体的干扰少，地面沉降量控制精度高；盾构出土，减少了运输车辆，进度快；刀盘、刀具磨损小，适合长距离施工；刀盘所受扭矩小，更适合大直径隧道施工；适用于软弱的淤泥质粘土层、松散的砂土层、沙砾层、卵石层和硬土的互层等地层。

特别适用于地层含水量大、上方有水体的越江隧道和海底隧道。

二、泥水盾构简介,泥水盾构分为英国体系、日本体系和德国体系。

目前使用比较广泛是日本体系和德国体系。

日本体系为直接控制模式，由泥浆液体直接支护开挖面并提供维持平衡压力的盾构，德国体系是间接控制式盾构，其通过支护液体的压力插入一个空气缓冲层加以控制，即通过空气缓冲层的压力控制，间接控制开挖面的压力。

两种泥水盾构的主要区别如下,日本体系泥水盾构的泥浆压力，在循环掘进时，通过调整进浆泵的转速或者调整进浆泵出口节流阀的开口比值来实现压力控制的。

因此掘进速度、地层变化、掘进深度及其掘进长度对压力均有影响。

调节泵的压力是通过中心控制室的自动调节完成。

德国体系的空气室的压力是根据开挖面需要的支护泥浆压力设定的，空气压力可通过空气控制阀使压力保持恒定。

同时由于空气缓冲层的弹性作用，即使液位波动或出现突然的泄漏，对土仓压力也无明显影响。

间接控制型泥水平衡盾构与直接控制型相比，控制系统更为简化，对开挖面土层支护更为稳定，对地表沉陷的控制更为方便。

三、泥水盾构原理介绍,泥水盾构与土压盾构工作系统和结构上，有很多相同之处，这里以德国体系的泥水盾构为例，介绍泥水盾构特有的系统，主要内容包括盾构结构简单介绍、泥水平衡原理、泥水循环系统、气体保压系统、泥水处理系统等。

1、泥水盾构结构简单介绍,泥水盾构结构主要包括刀盘、前体、中体、盾尾、主轴承、人仓、安装机轨道梁、管片安装机和吊机、拖车结构以及在拖车上布置的设备包括控制室、空压机、电器设备、水泵水箱、泥浆管延伸装置等。

不同的盾构厂家，其布置不同。

泥水盾构主机图,主机前体部分为两个仓室，分别是泥水仓（或称刀盘仓）和气垫仓。

其中泥水仓掘进时一般充满泥水，气垫仓在掘进时一般底部为泥水，上部为压缩空气。

泥水仓主要功能为切削渣土的携带，气仓的主要功能为储存足够体积的压缩空气，以保证压力稳定的需要。

碎石机结构：

在气仓底部设置排浆口，在排浆口布置有专用的碎石结构即碎石机，对大颗粒的岩石进行破碎，避免大颗粒进入泥浆循环系统损坏相应部件。

泥浆门结构：

泥浆门布置在泥水仓和气仓之间的隔板底部，主要作用是通过泥浆门的关闭，将气仓和泥水仓隔离，使作业人员能在长压下进入气仓，在气仓里进行维修或检查等作业。

泥浆门的布置位置有所不同，海瑞克和NFM有所不同。

海瑞克的布置在气仓侧，NFM公司的布置在泥水仓内。

2、泥水平衡原理简述,泥水加压式盾构工作面土体是依靠泥水压力对工作面上的水压力发挥平衡作用以求得稳定。

泥水压力主要是在掘进中起支护作用。

工作面任何一点的泥水压力总是大于地下水压力，从而形成了一个向外的水力梯度，这是保持工作面稳定的基本条件。

在泥水平衡理论中，泥膜的形成是至关重要的，当泥水压力大于地下水压力时，泥水渗入土壤，形成与土壤间隙成一定比例的悬浮颗粒，被捕获并集聚与泥水的接触表面，泥膜就此形成。

随着时间的推移，泥膜的厚度不断增加，渗透抵抗力逐渐增强。

当泥膜抵抗力远大于正面土压时，产生泥水平衡效果。

3、泥水循环系统,泥水循环系统的控制包括泥浆循环模式的选择泥浆循环参数选择泥浆碎石处理管路延伸以及止浆处理等。

3.1泥浆循环模式介绍泥浆循环的方式包括旁通模式、开挖模式、反循环模式、隔离模式和长时间停机模式。

旁通模式,这个模式是待机模式，用于盾构不进行开挖时执行其它功能。

这个模式也用于当盾构从一种功能切换到另一种功能时。

特别是，旁通功能是用于安装管片衬砌环的情况。

它使开挖室被隔离。

在旁通模式，各泥浆泵都根据泵的超载压力和所要求的排渣流量所控制的转速保持旋转。

由于此时开挖室没有泥浆的供给，因此理论上并不需要控制泥浆气垫界面液位。

然而泥浆气垫界面的液位可能由于水从界面上流失或进入而发生变动。

在这些情况下，可能需要补充泥浆（只要注入管道压力许可的话）或排出泥浆以调整这个液位。

开挖模式：

这个模式于开挖时使用。

根据气垫室里泥浆的液位以及所要求的排渣流量，对伺服的泵P1.1和P2.1的转速分别进行调整。

调整P1.1泵的转速用以校正泥浆气垫界面液位达到所要求的值，同时确保它沿程的下一个泵的超载压力要大于所要求的净吸压头。

调整P2.2泵的转速，用以校正排渣流量达到所要求的排渣模式的值，同时确保沿程的下一个泵的超载压力要大于所要求的净吸压头。

P2.2泵的转速必须能确保排渣的流体能被泵送到地面的分离厂。

调整P2.2泵的转速以便在泥浆分离厂入口处达到必要的压力。

反循环模式,这个模式使开挖室里的泥浆逆向流动。

仅用于一些特别的情况，特别是在开挖室内发生阻塞，或用于清理盾构内的排渣管道。

为了不让泥浆充满开挖室，气垫压力与泥浆气垫界面液位的控制仍需维持。

隔离模式,这个模式使隧道里的泥浆管道系统与地面系统处于完全隔离的状态，但此时设在地面的分离厂和制备厂之间的回路仍保持连通。

特别是，这种模式是用于隧道泥浆管道延伸时的情况。

各排渣泵（P2.1，P2.2）停止运转。

而P1.1仍保持运行，以保持制备厂和分离厂之间回路的循环。

始发井中的旁通阀V18控制着这个回路。

长时间停机模式,这个模式是自动控制的。

此时所有泵都停止运转。

开挖面压力由压缩气回路来控制。

当气垫室泥浆液位低于预定的低限时，便进行校正。

3.2泥浆循环参数控制,泥浆循环参数包括泥浆流量和液位、压力、比重等，循环部件包括进出泥浆泵、流量计、比重计、各种泥浆阀门等。

对于不同厂家的盾构的，其泥浆循环略有区别。

泥浆循环的控制包括：

流量和液位的控制泥浆压力的控制比重的控制等。

流量和液位的控制：

对于掘进循环，泥浆的循环流量的目的是携带渣土。

为能够携带渣土避免沉淀，必须具备一定的流速，对于不同的地质，其要求的流速是不同的，与渣土的比重、泥浆的粘度有关。

对于泥浆的液位，为避免泥水仓压力波动太大，需要保证泥浆液位的相对稳定，液位的稳定通过调节进浆和出浆的流量差值来实现。

流量的调节，通过增大进浆泵和出浆泵的转速来实现。

由于携带渣土的原因，进浆流量和出浆流量存在一定的差值，操作时，其流量调节的基准是调节出浆泵的转速，确保最低的出浆流量（根据理论计算和实践证实相结合确定），此时根据根据液位变化，调节进浆流量，使气垫仓液位保持在某一个中间的稳定位置。

泥浆的压力控制：

泥浆的压力调整是个被动参数，为能够保证足够的流量，调整泥浆泵的转速，其泥浆泵的进出口的压力均因之而变化。

对于系统压力，根据泵的工作能力，一般只限制最高值。

泵的压力随着管路的延长，延程损失的增加而增加。

泥浆比重的调整：

泥浆的进浆比重，由泥水处理厂控制，对于盾构掘进而言，对既有的进浆比重，只能通过掘进速度的改变来调整出浆的比重。

如果出浆比重很高，可以通过降低推进速度来降低泥浆比重。

一般进浆比重在1.051.25之间，出浆比重在1.11.4之间。

3.3碎石机,为保证泥浆循环的顺畅，对于大块的石块需要进行破碎。

在泥水盾构的气仓底部，排浆管的入口处，一般布置有碎石机和隔栅。

碎石机的动作，海瑞克有两种模式，即破碎模式和摆动模式，破碎模式主要目的使对岩石进行破碎，摆动模式主要是对底部渣土的搅拌，避免淤塞进浆口。

3.4管路延伸及其泥浆处理,掘进循环达到一定距离，需要延伸泥浆管，泥浆管延伸装置，目前了解有两种方式，一种是活塞式，一种是软管式。

活塞式,软管式,活塞式延伸时，先将泥浆管内泥浆泵送到刀盘里，再进行活塞收缩，然后安装泥浆管，再重新进行连接。

软管式延伸时，先用清水将延伸管内的止浆塞推入隧道内的泥浆管内，然后移动收回软管，此时因为止浆塞的在隧道内的泥浆管内，能够阻止泥浆的倒流进入隧道。

这时安装新的泥浆管后，重新连接，再浆止浆塞打回原有的延伸系统内。

4、气体保压系统,泥水盾构的有一套气体保压系统，该系统作用是专门提供压力稳定泥水仓的压力。

这也是间接控制式泥水盾构的主要特点。

泥水仓的压力稳定是直接关系到掌子面稳定的重要因素，为保证工作面压力的稳定，泥水盾构提供了一套专门的压缩空气系统。

该系统气源一般由一台空压机提供。

气体通过空压机出口上方的粗滤器，然后通过两条独立的管线分配到人闸和开挖室。

该系统布置了两套独立的压力调节系统，能根据设定值，自动调节气仓内压力，使气仓内压力一直稳定在设定值。

由于气仓和泥水仓联通，因此能够稳定泥水仓的压力在某一个设定值范围内。

气压调节系统,目前是使用的一般是SAMSON公司产品。

其原理为，当压力降低或升高，与设定值有偏差时，通过压力的反馈，调整进气阀或者排气阀，对气仓内进行补气或排气，使压力逐渐升高或降低到设定压力值，直至与设定值平衡。

因为掘进时液位总是存在一定的波动，其压力有一定变化，SAMSON系统能根据压力的反馈，及时对气压进行调整。

压力调节器,进排气阀,一般气仓压力一经设定，一个掘进循环内不再进行调整，所以掘进循环内，刀盘压力稳定在某个恒定值。

只有当掘进条件发生变化，需要调整掘进压力时，再对压力调节器重新进行压力设定。

气压调节系统功能是保证泥水仓的压力，泥浆循环系统的功能是出渣。

四、泥水处理系统,泥水盾构掘进，其泥浆质量是控制盾构掘进质量的重要基础，对于盾构掘进循环回来的污浆，其性能不能满足循环使用要求，为能够保证掘进质量，需要对泥浆的比重、粘度、颗粒等进行处理，其中泥水分离设备是对泥浆性能有最直接影响的设备,1、泥水分离设备主要用于将含有渣土的泥水进行分离，使渣土被分离脱水后，直接外运，分离后的泥水经过调整重新回到盾构使用。

泥水分离设备流程图如下：

其处理过程为：

盾构机排出的污浆，由排泥泵送入泥浆分离站，经过第一步预筛分器的粗筛振动筛选后，将粒径在3mm以上的渣料分离出来；筛余的泥浆由渣浆泵加压，沿输浆软管从旋流除砂器进浆口切向泵入，经过旋流除砂器分选，74m以上粒径微细的泥砂由下端的沉砂嘴排除落入细筛；细筛脱水筛选后，干燥的细渣料分离出来；经过筛选的泥浆经渣浆泵泵送，循环再进入二级旋流器，分选30m以上的颗粒，由细筛脱水分离。

分离后的泥浆进入储浆池，再经过处理后进入盾构机。

分离后浆液，在必要的情况下，可以通过离心机、滤压机或带压机分离出浆液中的更细的微粒，以确保满足环境要求。

对于不同厂家的设备或不同地质，预筛、一级旋流和二级旋流的分选颗粒大小有所不同。

比重的调整：

盾构持续掘进时，因为地层中含有一些泥水分离设备分离不了的微细颗粒，该颗粒在浆液中累积，会导致浆液比重逐渐升高，此时需要对浆液比重进行处理。

或者对浆液进行部分丢弃补充新浆方式，或者采用更精细的分离设备对浆液中的微细颗粒进行处理。

粘度调整：

为获得高质量浆液，需要对泥浆的粘度进行调整。

粘度的调整通过添加一些辅助材料的方式实现。

2、浆液调整,五、泥水盾构施工的几点经验,本人参与了重庆过江隧道和武汉长江隧道的整个泥水盾构施工过程，在泥水盾构施工的过程中，有一些经验和教训，这里与大家介绍一下，希望能有借鉴意义。

1、刀盘的结构及其操作,重庆刀盘切削直径围6.6m，前盾直径围6.57m,实际工况：

换刀频繁推力大卡盾壳,刀盘的直径,刀盘的切削控制,症状：

刀具损坏、正反扭矩差值大原因：

控制加固体强度掘进控制，正反操作比例不平衡措施：

控制加固体强度及其辅助材料的强度合理分配正反转比例,2、气垫仓内问题处理,气垫仓内条件恶劣，处理困难常见的问题：

泥浆门问题：

泄漏、异常损坏碎石机问题：

泄漏、淤塞、管路损坏、异常损坏传感器问题：

工作不正常、损坏原因：

管路磨损安装质量保护管路泄漏,措施:

预防：

严格试运转和防护和固定，并认真检查管路和连接情况，并对油缸进行加压试验。

处理：

关闭泥浆门，创造常压处理故障的条件：

特殊情况为泄漏量大和泄漏量小时带压进仓：

3、管片破损,症状：

转弯半径为800m时，管片破损严重原因：

盾壳失圆处理措施：

管片拼装点位选择掘进姿态控制,4、注浆控制,症状：

管路堵塞，清理困难原因：

注浆配比及其原材料质量地质原因措施：

优化配比、严格材料进场掌握管理清洗技巧,5、泥浆循环操作技巧,管路堵塞：

掘进时流量变小措施：

降低掘进速度；提高掘进流速；提高浆液粘度管路冲击：

症状是震动和爆管措施：

减小流量变化速度管路磨损和损坏：

症状是管漏和破裂措施：

减少软管数量增加弯头外弧厚度管路分配：

症状是堵管措施：

合理分配管路,6、泥浆质量控制,比重控制比重控制：

理论进浆比重1.051.25，出浆比重1.11.4武汉进浆比重，粘土段1.151.25之间，粗砂段1.071.17之间，比重有点偏高。

比重偏高的影响主要是泵的负荷增大、泵阀的磨损加快。

原因：

分离设备分离极限达不到；废浆排放的成本考虑和环境受限；沉淀效果不理想。

措施：

优化沉淀效果和分离能力优化掘进速度,粘度控制：

理论要求粘度要达到18s（漏斗粘度）以上。

武汉实际粘度17s左右。

主要影响：

泥浆的携渣能力差；泥膜质量较差；原因：

粘度高，影响分离设备效果，比重更高，比重和粘度进行折中考虑措施：

提高分离效率，对粘度进行再调整,7、带压进仓,重点：

泥膜的形成质量气压的波动处理,完！

谢谢大家,