土压平衡盾构与泥水平衡盾构的结构原理Word下载.docx
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③螺旋输出机排土滑动闸门的控制作用
冲积粘土：
粉土、粘土、砂质粉土、砂质粘土、夹砂粉质粘土
加水式土压盾构
②向排槽内加水，与掘削面水压平衡，增土体的流动性。
③滞留于土舱内掘削土通过螺旋传送机滑动闸门作用挡土。
含水砂砾层
亚粘土层
高浓度泥水加压式土压盾构
②高浓度泥水加压平衡，并确保土体流动。
③转斗排土器的泥水压的保持调节作用。
松软渗透系数大的含水砂层，砂砾层，易坍层
加泥土压盾构
①向土舱内注入泥土、泥浆或高浓度泥浆，经搅拌后塑流性提高，且不渗水稳定掘削面
②检测土舱内压控制推进量，确保掘削面稳定。
软弱粘土层，易坍的含水砂层及混有卵石的砂砾层。
图2土压平衡盾构种类
面板式土压盾构辐条式土压盾构,不
1.1.2.构成系统
采用土压盾构时，必须根据地层土质条件建立一个施工系统。
该系统由掘削推进装置、掘削面稳定装置、添加材注入装置、搅拌装置、碴土运出排放装置等装置构成。
因该施工系统与土压、地下水压、土质、最大粒径、颗粒级配、含水量，加材的种类、配比、浓度、注入量、注入速度，刀盘扭矩，推进速度、排土装置等诸多因素有关。
所以必须事先对这些因素的影响进行周密细致的调查，以便选择满足设计要求的有充足裕度的且可进行恰当管理的各种装置、设备、系统。
1.1.2.1盾构机构造设计时的注意事项
因土压盾构掘削面与隔板之间充满掘削泥土，各种机械零部件的更换和改造极为困难，所以必须考虑其耐久性和耐磨性。
各机械单元应注意的事项如下：
（1）掘削刀盘的支承方式:
必须根据土质条件选择可以充分发挥其特长的支承方式。
（2）刀盘
①面板：
要不要面板应根据掘削面的稳定性、土舱内检修和掘削刀具更换的安全性等条件确定。
使用面板时应据土质条件（粘聚力、砾石）、障碍物状况，总之以不妨碍泥土流入为原则选择面板开口的宽度和数量。
②扭矩：
通常根据土质条件，有无砾石确定。
一般情况下，掘削时的摩擦扭矩、土的搅拌（向上）扭矩都比泥水盾构的情形要大，另外，也要考虑开挖面不能自立时的富裕度。
③盾尾密封：
特别重要的是对于地下水压、壁后注浆压应具有良好的密封性，为了提高止水性能，止水带的设置层数不能太少。
④土压计：
为测量土舱内的泥土压力，必须选用精度高、耐久性好的优质产品，并设置在适当的位置上。
⑤千斤顶安全锁：
在开挖面土压力作用下，盾构始终受到正面土压作用，为了在管片组装等推进停止过程中盾构机不发生后退，液压系统应设置销定装置。
（3）掘削面稳定测量
为了判断开挖面的稳定性，可在盾构上装设土压、排土量、刀盘扭矩、盾构千斤顶推力等计测仪器和开挖面坍塌探测仪等。
通过实测数据的分析，判断掘削面的稳定状况。
（4）添加材注入装置
土压平衡式盾构上的加材注入装置由添加材注入泵、设置在刀盘和土舱内等处的添加材注入口等组成。
注入位置、注入口径、注入口数量应根据土质、盾构直径、机械构造进行选择。
因注入口被土砂堵塞时，修理、清扫等都很困难，故应采用防堵结构。
添加材注入装置必须能跟踪刀盘扭矩的变动，及时改变注入材料在地层中的渗透，排出碴土的状态，土舱内的泥土压等参数，即调节注入压和注入量。
（5）搅拌装置
搅拌装置必须在刀盘的开挖部位，取土部位有效地使土砂进行相对运动，防止发生共转、粘附、沉积等现象。
搅拌装置有以下几种，可单独使用，也可组合使用。
①刀盘（刀头、轮辐、中间梁）。
②刀盘背面的搅拌翼。
③调协在螺旋排土器芯轴上的搅拌翼。
④设置在隔壁上的固定翼。
⑤独立驱动搅拌翼。
（6）排土装置
土压平衡式盾构上的排土装置必须是能够保持渣土和土压力、地下水压力的平衡，并具有按盾构推进量调节排土量的控制功能。
排土机构有以下方式：
①螺旋式排土器+闸门方式
②螺旋式排土器+排土口加压装置方式
③螺旋式排土器+旋转式送料器（旋转料斗、阀门）方式
④螺旋式排土器+压力泵方式
⑤螺旋式排土器+泥浆泵
考虑排土装置时，必须考虑与土质、砾石直径、地下水等地层条件和盾构直径、隧道内外条件选择最为合适的设备。
螺旋式排土器的型式大致区分为[有轴螺旋式排土器]和[无轴螺旋式排土器]。
挖掘砾石地层时，需按排土能力考虑输送机型式和尺寸大小（直径）。
尤其在透水性好的土质条件下使用无轴螺旋式排土器时，需认真研究止水性等压力保持能力。
1.2削土加压式盾构
削土加压盾构，即利用刀盘掘削下来的原状土稳定掘削面的盾构。
这种盾构主要适用的土质为粉砂粘土、细粉砂粘土、含少量砾石的细砂粘土等冲积层细粒软土（N值不超过15，天然含水率≥25%，渗透系数K<
5×
10-2cm/s），这些土体的摩擦角小，塑流性大）。
这种盾构是土压盾构的基本型式。
这种盾构靠刀盘掘削土体；
靠刀盘、搅拌叶片及螺旋输土机的旋转破坏土体的压密性，降低其强度，提高其塑流性。
推进装置通过掘削土对掘削面施加被动土压实现掘削面的稳定。
在维持掘削面稳定的前提下，由螺旋输土机的出土口排土给土车，运送至隧道外部。
1.2.1盾构机的构成特点
（1）刀盘:
掘削刀盘通常设置在盾构的前端，由加劲肋和面板构成。
加劲肋上装有刀具，用来掘削土体；
面板是承受掘削面水、土压力的第一道挡土机构。
切削刀盘一般选择周边支承，刀盘辐条、进土孔和面板的尺寸及布设主要取决于盾构外径和土质特点，设计原是可使掘削土顺利地流向螺旋输土机，并避免土舱处周边外的掘削土的压密固结。
图3刀盘和液压驱动,图4螺旋输送机
（2）排土机构:
由螺旋碴土输土机、排土控制器及泥土输出设备构成。
（3）土体搅拌机构
1.2.2运行管理
这里只介绍掘土量和排土量的运行管理，其目的是确保掘削面稳定。
避免地层沉降过大给邻近构造物带来的不良影响。
具体运行管理方式有以下三种：
①控制挖土量。
先将螺旋输土机的转速调整到某一定值，保持排土量基本不变，然后由设置在土舱内的土压计和刀盘的掘削扭矩的监测仪表控制盾构的推力和速度。
②控制排土量。
先将盾构的掘进速度调整到一定值，保持掘土量基本不变，然后由设置在螺旋输土机内的土压计的实测值控制螺旋输土机的转速，或转斗排土的转速。
③同时控制掘土量和排土量。
把上述两种方式组合起来同时控制。
效果较好，但运行管理复杂。
1.2.4加水土压盾构
1.工作原理
当掘削地层为渗水系数大的砂层、砂砾层时，若再利用削土加压土压盾构，尽管土舱内掘削土可以平衡掘削面上的土压，但由于孔隙率大（细粒成分少）无法阻止地下水的涌入，即地下水会从螺旋输土机的排土口喷出，使盾构掘进受阻。
作为阻止地下水涌入的措施，可在输土机的排土口处设置一个排土调整槽，该槽上部设一个加压水注入口，底部设一个泥水排放口。
由加压水注入口注入加压水，与掘削面上的水压平衡（阻止地下水涌入）起稳定掘削面的作用。
螺旋输土机把土舱内的掘削土运送给排土调整槽，掘削土在槽内与水混合成泥水，随后由管道输到地表，经地表的土、水分离后，分离水返回排土调整槽循环使用。
示意图如图2所示。
图5加水式土压平衡盾构
2．盾构机构造特点
加水土压盾构是一种装有面板的封闭型盾构。
刀盘的构造与削土加压盾构基本相同，区别在于除可安装一般掘削刀具外，还装有可切割砾石的刀具。
刀盘的开口率按预计砾石的最大直径决定，一般为20%～60%。
螺旋输土机排土口处设有排土调整槽，用来送入有压水确保掘削面稳定输出泥水经管道排至地表。
舱,,迟,
3.运行管理
加水式盾构开挖面稳定的管理系指排土量的管理和加入水压力的管理，要求随时掌握盾构掘进的挖掘土量和排土量的关系，使土腔内的土保持在最佳滞留状态，同时要求加压水的压力与地下水压力平衡。
（1）排土率的管理:
排土量基本上可由盾构的推进速度和螺旋输土机的转速来控制。
排土率可以通过盾构的推进速度和盾构开挖面的面积计算出的挖掘土量与装在入水管和排泥管上的流量计、密度计所反映的排土量相比较而求得（可用与泥水加压盾构相同的方法求得）。
为使土舱内的掘削土量保持最佳滞留状态，应对总推力、刀盘扭矩、螺旋输送机扭矩等进行测定，通过测定结果的反馈来进行最佳管理。
（2）加入水压力的管理:
加入水压力的管理是以土舱内孔隙水压力的测定结果作为地下水的压力基准值，进而控制排土调整槽中的加入水压力。
加入水压力的控制可根据流体输送泵的转速、阀门的开度进行调整。
加入水压力的管理是以开挖面稳定、容易挖掘为准则（最佳加入水压力），依据地层土质条件和掘削情况来制定，但是，在管理上，除考虑了以上基本条件之外，还规定了一个以盾构中心水压力为准的上、下容许变动值，并在此范围内进行管理。
1.4加泥土压盾构
1.4.1工作原理
加泥式土压平衡盾构，是靠向掘削面注入泥土、泥浆和高浓度泥水等润滑材料，借助搅拌翼在密封土舱内将其与切削土混合，使之在成为塑流性较好和不透水泥状土，以利于排土和使掘削面稳定的一类盾构机。
掘进施工中可随时调整施工参数，使掘削土量与排土量基本平衡。
盾构机仍由螺旋输送机排土、碴土由出土车运输。
加泥式土压平衡盾构（以下简称加泥土压盾构）的构造见图6。
这类盾构主要用于在软弱粘土层、易坍塌的含水砂层及混有卵石的砂砾层等地层中隧道的掘进施工。
图6.泥土加压式盾构机
1.4.2.盾构构造特点
与削土加压式盾构相比较，加泥式盾构是无面板的辐条式盾构，密封土舱内设有泥土注入装置和泥土搅拌装置、排土装置等与前者相同，这类盾构特点如下：
a）可改善切削土的性能。
在砂土或砂砾地层中，土体的塑流性差，开挖面有地下水渗入时还会引起崩塌。
盾构机有向切削土加注泥土等润滑材料并进行搅拌的功能，可使其成为塑流性好和不透水的泥状土。
b）以泥土压稳定开挖面。
泥状土充满密封舱和螺旋输送机后，在盾构推进力的作用下可使切削土对开挖面开成被动土压力，与开挖面上的水、土压力相平衡，以使开挖面保持稳定。
c）泥土压的监测和控制系统。
在密封舱内装有土压计、可随时监测切削土的压力，并自动调控排土量，使之与掘削土量保持平衡。
1.4.3.添加材料
添加材料一般采用由粘土、膨润土CMC、高吸水性树脂及发泡剂等材料制成的泥浆液。
切削土体为软弱粘性土时，可不需注入泥浆，但在砂土和砂砾等地层中则必须注入泥浆。
泥浆中泥土的含量可大致采用表2所示的数据。
表2不同土质时的泥浆浓度和使用量
土质类别
泥浆浓度（%）
使用量（l/m3）
砂土层
15～30
≤300
砂砾层
30～50
白色砂质沉积层
20～30
≤200
砂质粉土层
5～15
≤100
在掘进施工中，加泥量应根据刀盘扭矩、螺旋输送机转速、推进速度和排土量等随时进行调整。
1.4.4.运行管理
为使掘削面保持稳定，掘进施工中或应对排土量和土压进行管理和控制，排土量可按下述两种方法进行计算。
（1）测出空车和载重车的重量，据以算出排土量。
（2）根据盾构推进量和螺旋输送机的转速，按下式计算排土量：
（1.1）
式中：
——排土量；
——排土效率；
——螺旋输送机断面积；
——转速；
——螺旋翼片的间距。
由于刀盘不设面板，掘削面完全由密封舱内的泥土压支撑，故土压可通过安装在密封舱内的土压计直接进行测量和管理。
通常需使土压P处于以下范围：
（1.2）
——主动土压力；
——被动土压力；
——地下水压力。
通常先根据地质勘测结果确定设定土压力
，同时制定土压的上、下限，其允许范围为
1.5复合土压盾构
1.5.1引言
上面几节叙述的土压盾构可以说均为软土土压盾构。
这些盾构对穿越路线上强度差别较大的地层（如岩层、软岩、软土等）及掘削全断面内纵向强度不均匀等复杂地层而言，已失去适应性。
为此人们开发了适应上述复杂地层的所谓的土压复合盾构。
为了适应复杂地层条件需要复合盾构机的刀盘上装有2种（或2种以上）刀具，即可切削软土，也可切削软岩、砂砾和硬岩层。
图6.4示出的是复合盾构的构造图；
照片6.1是复合盾构刀盘正视外貌；
照片6.2、6.3、6.4均为复合盾构实物外貌。
其它装置与一般土压盾构相同，不再赘述。
本节重点叙述复合盾构的稳定掘削面的方式、适用范围、施工注意事项及工程实例。
图7复合盾构构造图
图8复合型土压盾构刀盘正视（土压、敞开并用）图
1.5.2工作原理
因为复合盾构掘削地层的对象为复合地层，即从软土层延伸到硬岩。
所以复合盾构工法与一般的软土盾构工法存在一定的差异。
归纳起来，存在以下几点：
①对硬地层而言，盾构的切削刀具以可以破碎岩层的滚刀为主。
就面板而言，多为穹形，即使面板最外缘也作滚动切削，以便确保外围岩层的破碎。
②就岩层而言，锚固千斤顶锚固在井壁上，取其反力推进盾构（TBM机）。
一次衬砌可据地层状况作如下处理，可以用简单的钢制支承和挡板作衬；
也可以用喷射混凝土法作衬；
也可不作衬（岩层强度极大）。
③就破碎带和软地层而言主，与通常的软土盾构掘进一样使用管片组装一次衬砌，并以该管片上取得的反力作为盾构的推进力。
④因为在岩层中采用以滚刀为主的面板，而在土砂层中采用以T刀具为主的面板，所以地层变化时应在变化点更换面板。
1.5.2．稳定掘削面的方式
复合盾构机运行多采用方式识别和智能控制系统，操作人员可据硬岩、软岩、复合地层及软土层的条件设定稳定掘削面的方式。
稳定方式大致分为以下3种，见表3。
表3稳定掘削面的方式及有关事项
有关事项
稳定掘削面的方式
不加压稳定式
气压稳定式
土压平衡稳定式
适应地层
掘削地层完全可以自立，且地下水少，即使有少量地下涌水，也完全可以控制。
多数为硬岩层。
掘削地层的地下水压力为0.1～0.2MPa，且地下水丰富。
具体地层多为硬岩层，局部强风化岩层，局部全风化岩层、软岩层。
掘削地层系不能自立的土层、地下水压较大（超过0.2MPa），且地下水丰富。
具体系指隧道全断面或上部处于不稳定地层和强风化岩层、全断面处于断裂构造带及地层涌水量大的地层。
系统参数设定
土舱内无需建立压力（超过大气压的压力）。
螺旋输土机的转速可据出土状况设定。
向土舱内压注压缩空气，气压<
0.2MPa。
土舱内掘削土可顺利压往螺旋输送机入口。
可据具体情况随时改变螺旋输送机的转速，从而调节土舱内压，可适当加大泥浆（或泥水）的注入压力。
添加剂的使用状况
掘削土体粘度较大时，可向土舱内注入适量的水。
须往掘削面上的土舱内添加发泡剂。
须往掘削面上和土舱内添加发泡剂，有时也添加膨润土等添加材。
掘进速度
（8～12）cm/min
（5～8）cm/min
（2～5）cm/min
注意事项
注意观察渣出状况，一旦发现有水涌出或出土量不正常，则应立即建立土压或气压。
掘进结束后，土舱内应保持一定的渣土，以防止下次打开螺旋输送机时土舱发生喷涌。
控制好螺旋输送机的出土速度及盾构机的推进速度，使土舱内的压力保持在设定值上。
（1）不加压稳定方式
不加压稳定方式即土舱内的气压为大气压，无需在土舱内建立气压或土压平衡以支承掘削面上的土压和水压。
完全靠掘削地层自身的自立能力确保掘削面的稳定。
就这种掘削方式而言，盾构机的刀盘具有较大的切削和破碎硬岩的能力。
掘削下来的岩渣通过刀盘上的开口（即卸渣口）进入土舱，随后被深入土舱底部的螺旋输送机送出。
（2）气压稳定式
气压稳定式盾构掘进时，土舱内下半部是岩渣，上半部是压缩空气（气压<
0.2MPa），靠该气压对抗掘削面上的土压+地下水压，防止掘削面的土体坍塌及地下水的涌入。
（3）土压稳定式
这里的土压稳定式盾构的工作原理，就是前面叙述过的土压平衡盾构的工作原理。
即刀盘切削下来的渣土充满土舱，与此同时，螺旋输送机排土。
掘进过程中始终维持掘削土量与排土量相等来确保掘削面的稳定及防止地下水的渗入。
即确保盾构掘进的顺利正常进行。
3.适用地层的范围
复合盾构适用的地层范围是硬岩、软岩、硬土、软土及上述岩、土的复合层。
1.5.3施工注意事项
复合盾构工法施工成败的关键在于认真地作好掘进管理，实现信息化施工。
掘进管理包括掘削面的状态管理（土压、水压、推力、扭矩、推进量、排土量、注入土舱的泥浆的质量、背后注浆量等等）；
隧道中心轴线的偏移量；
一次衬砌的拼装质量；
背后注浆的状况及地层变形的状况等。
下面重点介绍施工中一些值得注意的事项。
硬因应,,
1．刀具更换
在岩层中施工时，如果盾构刀具受损，则可对土舱施加气压，作业人员入舱更换刀具。
更换刀具时要选择土体自立性好的层段进行，最好选择全断面均为岩层的区段。
在软土层或粘度较高的砾质粘土层中施工时，应尽可能不使用滚刀，同时增加刀盘的开口率。
在强度较高的风化岩中施工时应及时安装滚刀；
在强底较低的风化岩中施工时，应安装T型刀具或超前刀具。
2．盾构在不同地层分界面处的施工
盾构由软土层进入全断面岩层，即由土压平衡态向气压或不加压态过渡时，除适当降低土压设定值，增加同步注浆量、调整各区域油压差以及改变盾构千斤顶的合力位置外，还应放慢推进速度。
盾构由全断面岩层进入软土层，即由气压方式或不加压态，向土压平衡态过渡时，除适当提高土压设定值，减少同步注浆量外，还应提高盾构与设计轴线的相对坡度，调整各区域油压差改变盾构千斤顶的合力位置和方向，提高推进速度。
3．盾构穿越断裂带的施工
①施工前应确切地掌握断裂带的分布状态，视实际情况对隧道顶部以上的断裂带土层进行加固。
②盾构切口切入断裂带时，应考虑盾构正前方岩土性质的变化，对盾构姿态和出土量等参数作相应调整，以防止盾构产生下倾、上仰。
为了抑制沉降和断裂带涌水的不利影响，应及时实施同步注浆。
③盾构穿越后，为确保隧道稳定，防止断裂带向盾构切口涌水，必须及时的向隧道外周的断裂带土层进行背后注浆，以便切断向切口的涌水通路。
④配备抽水泵及时抽去盾构掘削面上的积水，确保盾构高速掘进，严格控制螺旋输送机闸门的开度，避免喷涌造成的地层沉降。
4．盾构在岩层中的施工
①合理利用超挖刀和中折千斤顶，以达到纠偏效果和控制盾构机的的姿态。
②孤石处理:
孤石出现后立即停止推进并锁定千斤顶，防止盾构后退。
若前方地层的自立性好，则先清空土舱内的泥土并建立气压平衡，随后作业人员通过人行闸进入土舱，对孤石进行粉碎；
若地层自立性差或根本不能自立，则需先对土体进行加固处理，随后方可允许作业人员进舱工作。
5．刀盘泥饼的形成及防止
当在裂隙水丰富且塑性较大的风化岩中掘时，若盾构土舱设定压力过高，经切削破碎后的风化岩与裂隙水混合，经刀盘碾压极易在刀盘正面及土舱内壁上形成粘附泥饼，从而致使刀盘的切削效率大降，刀盘扭矩、推力大增，设备故障率大增。
为了防止泥饼的产生，通常采用下列措施：
①土舱内水、土、气压力设定值不宜过高，应设法减少刀盘与正面岩土的挤压应力。
②采取压发泡剂等措施切断裂隙水的通道，防止地层中的裂隙水涌入。
③合理布设刀盘刀具，遇到塑性大在，裂隙水丰富的风化岩土时，应及时拆除滚刀。
④向刀盘正面压注一定量的发泡剂或润滑水，减小刀盘与正面土体的碾磨力，同时还可增加破碎土的塑流性。
⑤在土舱内加以适当的气压，提高螺旋输送机的排土能力。
2泥水平衡盾构的结构原理
2.1泥水盾构开挖面稳定机理及适用土层范围
泥水加压式盾构开挖面土体是依靠泥水压力对开挖面上的水土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，其原理见图9。
当盾构底部处于地下水位以下的深度为H时，其水压力为
，而在盾构正面密封舱（即泥水压力室）底部的泥水压力为
，由此可见地下水压力小于泥水压力。
因此在盾构正面密封舱内通入高于地下水位
的泥水，则在开挖面任何一点
处的地下水压力为
，泥水压力
。
一般情况下
取2m,而
大于
，开挖面任何一点的泥水压力总是大于地下水力，从而就形成了一个向外的水力梯度，这是保持开挖面稳定的基本条件。
此外，由于泥水中的粘粒受到上述压力差作用在开挖面形成一层泥膜，对提高开挖面的稳定性起到极其重要的作用，尤其在均匀系数较小的砂层中的稳定作用尤为显著。
泥水的容重随土层的不同而变化，在粘性土中容重可小一些，在砂层或砂砾层中容重要大一些，见表4。
图9泥水加压盾构作用原理
表4泥水容重参考值
土质
KN/m3
粘性土（亚粘土、轻亚粘土）
砂性土（粉砂、亚砂土）
细砂、中砂（含有粉粒及粘粒）
中粗砂（含有多少量粉粒）
砂砾（含有少量粉粒）
1.03-1.05
1.05-1.06
1.07-1.10
1.08-1.12
当盾构停止掘进时，开挖面切削土层的大刀盘便停止转动及进土，变成为一个大型的正面支撑板，对开挖面保护稳定是有利的。
随着泥水加压盾构施工技术的发展，有关泥水加压盾构开挖面稳定的理论亦随着深化和发展。
2.1.1开挖面稳定机理
2.1.1.1泥模形成机理
泥水加压盾构是通过在支承环前面装置隔板的密封舱中，注入适当压力的泥浆，使其在开挖面形成泥膜，支承正面土体，并由安装在正面的大刀盘切削土体表层泥膜，与泥水混合后、形成高密度泥浆，然后由排泥泵及管道把泥浆输送到地面处理。
整个过程是通过建立在地面中央控制室内的泥水平衡自动控制系统统一管理。
在泥水平衡的理论中，泥膜的形成是至关重要的，当泥水压力大于地下水压力时，泥水按达西定律渗入土壤，形成与土壤间隙成一定比例的悬浮颗粒
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