泥水与网格盾构施工技术简介PPT课件

1、1 1、特点、特点2 2、适应范围、适应范围3 3、工艺原理、工艺原理4 4、工艺流程、工艺流程5 5、施工要点、施工要点6 6、主要施工设备、主要施工设备 泥水加压平衡盾构工法是从地下连续墙以及钻孔等工程所使用的泥水工法中发展起来，它起源于英国，日本在1964年前后开始着手泥水加压平衡盾构工法的研究，1969年，日本铁道建设公司在京叶线森崎运河附近的工程中，成功地实施了泥水加压平衡盾构工法，由于它独特的创举，很快地在日本盛行起来。随着电子计算机和自动控制技术的不断发展，这一新技术在一些先进的欧美国家亦相继运用。在这一领域中，日本代表着当今世界的新潮流，无论是数量上、还是在施工技术上都独占鳌头

2、。 上海市隧道工程股份有限公司于1994年率先引进了日本三菱重工设计并制造的11220大型泥水平衡盾构，并将其运用于上海延安东路隧道南线的圆隧道施工，填补了我国用泥水加压平衡盾构进行隧道施工的空白。 下面从六个方面进行介绍： 第1页/共39页特点特点 泥水加压平衡盾构对地表沉降和隧道周围环境影响很小，最适宜于用在开挖面难以稳定、滞水砂层、含水量高的松软粘性土层及隧道上方有水体的场合。与其它类型盾构相比，它平衡效果好、施工速度快、质量和精度更高。泥水加压平衡盾构主要优缺点如下： 优点： (1)在不稳定地层中当盾构开挖面受阻时，采用泥水加压平衡盾构，能使开挖面保持稳定，确保隧道施工安全。 (2)处

3、在地下水位以下的隧道，能够在正常大气压下施工作业，无需用气压法施工。 第2页/共39页 (3)不会发生类似气压盾构那样的跑气喷发的危险。 (4)泥水加压盾构能适应在较广土层范围内施工，对于气压盾构无法施工的滞水砂层、含水量高的粘土层及高水压砾石层，泥水加压平衡盾构也能进行施工。 (5)对于大直径砾石地层，只需增添粉碎装置和取砾石装置便能施工。 (6)因采用管路排泥，井下施工作业环境能保持清洁良好，提高了作业人员的施工安全性。 (7)可以分离出能满足适合当地弃土场地和运输方式的含水率土砂。 (8)由于泥水在土层中的渗透性比空气在土中的透气性小，可在覆土较浅的条件下进行盾构法隧道施工。 (9)在覆

4、土深及地下水位高的条件下，若用气压盾构施工则要用很高的压力，对施工人员健康不利，用泥水加压平衡盾构施工则无此影响。更由于开挖是密闭的，即使土层发生坍塌和涌水等意外情况，也不致危及整条隧道施工。所以特别适用于地下水位高的不稳定软弱地层中及江河海底下修建隧道的施工。 第3页/共39页 (10)地层的透水性比透气性要小得多，因此在大孔隙地层中施工时可不必用化学灌浆等辅助措施来封闭加固地层，而且也可减少地下水的移动，从而减少由此而引起的地表沉降。 (11)挖土及出土等可全部实现机械化、管道化水力输送，并可在地面上控制，从而改善隧道内作业条件，提高了施工效率。 (12)可避免空压机振动带来的噪声公害。

5、缺点： （1）需要土砂分离装置，其设备费用高，占地面积大。 （2）对于微颗粒粘土，需用聚凝剂。 第4页/共39页适应范围适应范围 选用泥水加压平衡盾构工法施工需要大量的水，因此，施工场地应尽量靠近水源充足的地域。其次，还需要一套泥水处理系统来辅助施工。 泥水加压平衡盾构适合在下列场合掘进隧道： 第5页/共39页（1）在江、河、湖、海及运河等水体下的地层中建造隧道。（2）滞水砂层、滞水砾石层及其它松弛地层。（3）施工区域同时出现冲积层软土和洪积层硬土的两种地层。（4）滞水砂砾层和粘性土层的互层地层。（5）高水压层和高承压水层。（6）有大直径砾石的地层。（7）尽管砾石直径小，但砾石数量众多的地层。

6、（8）泥水加压平衡盾构的覆土层一般不小于1D的厚度，如果超过此范围，需采取特殊技术处理。 第6页/共39页工艺原理工艺原理（1）泥水加压平衡盾构 泥水加压式盾构是在机械掘削式盾构的前部刀盘后侧设置隔板，它与刀盘之间形成泥水压力室，将加压的泥水送入泥水压力室，当泥水压力室充满加压的泥水后，通过加压作用和压力保持机构，来谋求开挖面的稳定。盾构推进时由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，这是泥水加压平衡盾构法的主要特征。 第7页/共39页 在地面调整槽中，将泥水调整到适合地层土质状态后，由泥水输送泵加压后，经管路送到盾构开挖面泥水压力室，泥水在稳定开挖面的同

7、时，将刀盘切削下来的土砂搅成浓泥浆，再由排泥泵经管路输送到地面。被送到地面的泥水，根据土砂颗粒直径，通过一次分离设备和二次分离设备将土砂分离并脱水后，排去分离后的水，经调整槽进行再次调整，使其成为优质泥水后再循环到开挖面。排出的土砂量由排泥量测定装置进行测定，由此来推测开挖面情况。对于盾构设备及一系列系统装置必需进行综合管理。 （2）主要参数的控制 根据泥水加压平衡盾构中对泥水系统的压力控制方式的不同，泥水加压平衡盾构可划分为两种基本类型。 直接控制型(日本、英国式) 第8页/共39页 直接控制型泥水系统流程图见上图，P1为供泥浆泵，从地面泥水调整槽将压力泥水输入盾构泥水室，供入泥水比重在1.

8、051.25之间，在泥水室与开挖泥砂混合后形成厚泥浆由排泥泵输送到地面泥水处理场。排出泥水比重在1.11.4之间。排出泥水通常要进过振动筛、旋流器和压滤机或离心机等三级分离处理，将弃土排除，清泥水回到调整槽重复循环使用。 控制泥水室的泥水压力，通常有两种方法：若P1泵为变速泵，即可通过控制泵的转速来实现压力控制；若P1泵为恒速泵，则通过调节节流阀的开口比值来实现压力控制。 泥水管路中的泥水流速，必须保持在临界值以上，低于临界值时，泥水中的颗粒会产生沉淀而堵塞管路，尤其是排出泥水产生堵塞更为严重。在确定临界流速时，可按下式进行计算： dtQQVt) 1() 1(11112020第9页/共39页式

9、中：V-开挖排土量(m3) t-花费的时间(min) 0-排土比重(t/m3) 1-供泥水比重(t/m3) 2-排泥水比重(t/m3) Q1-供泥水流量(m3/min) Q2-排泥水流量(m3/min) 将检测到的排土量与理论掘进排土量进行比较，并使实际排土量控制在一定范围内，就可避免和减小地表沉陷。间接控制型(德国式)(见图439) 第10页/共39页 上图为间接控制型泥水系统流程图，这种间接控制型的工作特征，是由空气和泥水双重系统组成。在盾构泥水室内，装有一道半隔板，将泥水室分隔成两部分，在半隔板的前面充满压力泥浆，半隔板后面在盾构轴线以上部分加入压缩空气，形成气压缓冲层，气压作用在隔板后

10、面的泥浆接触面上。由于在接触面上的气、液具有相同的压力，因此只要调节空气压力，就可以确定开挖面上相应的支护压力。当盾构掘进时，由于泥浆的流失或盾构推进速度变化，进出泥浆量将会失去平衡，空气和泥浆接触面位置就会出现上下波动现象。通过液位传感器，可以根据液位的变化控制供泥泵的转速，使液位恢复到设定位置，以保持开挖面支护压力的稳定。当液位达到最高极限位置时，可以自动停止供泥泵，当液位到达最低极限位置时，可以自动停止排泥泵。 空气室的压力是根据开挖面需要的支护泥浆压力而确定的，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，使液位波动时对支护液也无明显影响。因此间接控制型泥水平衡

11、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。 第11页/共39页泥水加压平衡盾构间接控制型的工程实例：泥水加压平衡盾构间接控制型的工程实例： 1976年，比利时昂维斯地铁工程因土层含水、砂土密集，有三种支护工作面的盾构供选购，一种是日本产的，一种是英国产的，最终是选择了由比利时公司和德国Wayss & Treytag公司共同制造的盾构掘进机。这一工程计划包括四座长130m的矿山法施工的车站以及一条长约3.68km的单线隧道，隧道外径为6.40m，内径为5.70m。 通常在松散岩石层采用大刀盘盾构开挖，然后作衬砌。但是，在开挖有松软土层和地

12、下水时就产生了困难。由于考虑到沉陷因素的存在，就有必要在一些特别易沉陷地层控制地下水位，开挖应使用气压式盾构或泥水盾构。 由Wayss & Freytag公司生产的泥水盾构的原理，是在一定压力下将膨润土悬浮液支护工作面，就象槽壁法那样，把它注入开挖面与盾壳之间。悬浮液的压力匹配是借助空气缓冲装置，它与体积变化、盾构泥水室内膨润土的耗损保持协调；再送膨润土，达到足以支护为止。然后通过关闭输送管道使压力基本保持不变，以适应周围土层及地下水情况，见下图。 第12页/共39页比利时昂维斯地铁工程盾构泥水流程图 第13页/共39页 如果要检修机械设备、更换掘进机械或排除临时障碍，用压缩空气可绝对

13、去湿。在盾构的上部设置了供施工人员进出的门。该盾构重210t。 在设计液体支护工作面时，盾尾密封是至关重要的，因为它沿着整个开挖长度向前移动，还要保证内部的压力。多年来的成果设计出了一种密封圈，它按要求可承受2个巴的压力。 由刀盘开挖下来的土与悬浮液搅合泵送至地面。在地面上，开挖土经同膨润土分离后除去，而支护液尽可能重新利用，拌以新的悬浮液，进行循环使用。 尽管土质条件很差，但土层的沉陷却微乎其微，一般区段的土表沉陷仅为15mm左右。由于沉陷值特别小，区段V就在区段IV下开挖，上下间距很小，但丝毫不影响质量。最终沉降值为3040mm。 德国慕尼黑过伊萨河的地铁工程也有这方面成功的例子。 第14

14、页/共39页工艺流程工艺流程盾构推进同步注浆施工参数调整施工参数采集数据反馈成环测量管片运输管片拼装盾构进洞洞门处理接收井排水装置基座安装贯通测量拆除盾构、车架及其它设备竣工泥水调整水力出土劣浆外运泥水处理系统总调试盾构出洞泥水平衡系统调试泥水处理系统调试同步注浆系统调试A液、B液准备泥水预造浆双液浆配方试验泥水配方试验堵漏准备工作始发井排水装置洞门处理施工准备泥水系统设备安装泥水处理系统设备安装同步注浆设备安装中央控制室布置盾构就位后盾支撑布置盾构基座安装盾构安装调试第15页/共39页施工要点施工要点 （1）泥水管理 泥水管理就是对泥浆质量的控制，就是对泥浆四大要素的调整。 四大要素即：最大

15、颗粒粒径，粒径分布，泥浆水密度和泥浆水压力。 （2）切口水压 泥水舱压力的提高将有利于泥膜的形成，但泥水压力不应无限制地过高或过低，泥膜前后的任何压力差的绝对值的增大都对开挖不利，泥土压力泥水舱压力，会破坏泥膜的形成，造成开挖面不稳定；泥土压力74um的泥颗粒从一次处理后的泥浆中分离出来。 泥水处理可分为多级处理，一般为24级，其过程为：粗虑化学处理旋流器分离压虑。 粗虑是用振动筛将大块泥土或石块从泥浆中分离出来，另一种是通过沉淀池，利用特殊工艺使比重大的块状物自然沉淀。 化学处理是通过添加聚凝剂使大颗粒结成团从泥浆中分离出来。 旋流器分离如同矿山选矿一样对泥浆中的颗粒进行筛选，使回收的泥浆中

16、泥颗粒更细。 废弃的劣浆由于仍有相当高的含水量，不能直接装车，经过压滤工艺脱水，劣浆变成泥饼和水，泥饼即可外运，而水可重复使用。 如果对泥浆的要求很高，即对泥浆彻底处理，泥水处理的级数还可提高，如过滤可分粗虑、中虑、细虑；旋流器可分为除砂、除泥，甚至二次，三次等，但那样其设备费用是很高的。因此，施工时要因地制宜，不可盲目追求处理效果，成本的因素也要考虑。 第19页/共39页 （5）注浆管理 推进中应及时充填盾尾处建筑空隙，一般可采用同步双液注浆。对沉降量要求小的范围可作跟踪注浆或补压浆。 注浆管理的目的： 防止土体松弛和下沉，减少地表沉降。 保持隧道衬砌的早期稳定。 提高衬砌接逢处的防水性能。

17、 （6）泥水加压平衡盾构的进出洞 泥水加压平衡盾构进、出洞止水密封是盾构顺利进出洞掘进的基本条件。由于盾构工作井一般在建造过程中对周围的土体有不同程度的扰动，同时在对洞门处理中，难免对土体带来不稳定因素，以及进出洞盾构覆土较浅等不利工况条件，若不针对性地对洞门圈作处理，盾构将遇到许多不利情况。因此，在施工前必须要遵循泥水加压平衡盾构的特性，制定必要的进出洞施工工艺，施工中特别要注意以下三点： 洞门区加固不易采用旋喷桩、深层注浆等加固措施，以免造成盾构吸口堵塞，反复地清舱、逆洗会引起盾构周边土体的流失。 如果盾构开挖面面临的是回填土等杂土，必须使盾构吸口前具有破碎、粉碎装置。 洞圈止水装置易采用

18、可调节装置，以便在盾构姿态改变的情况下，及时调整止水体与盾壳的间隙。 第20页/共39页主要施工设备主要施工设备第21页/共39页网格水力机械盾构施工技术简介上海隧道工程股份有限公司盾构工程分公司上海隧道工程股份有限公司盾构工程分公司二二OOOO三年七月三年七月第22页/共39页 盾构法是在地面下暗挖建筑隧道的一种施工方法，网格式水力机械出土盾构是盾构法施工机具的一种类型。随着城市基础设施建设，采用盾构法对城市地下铁道、越江公路、上下水道、电力通讯及市政公用设施等各隧道工程具有明显优点。自1978年上海市隧道工程公司建造第一台网格式水力机械盾构成功地建成宝钢电厂排水隧道工程，在开发研制提高网格

19、式水力机械盾构基础上，先后建成宝钢厂区排水口隧道、延安东路越江隧道、金山石化厂三期过堤排水隧道、金山第二热电厂进排水隧道、石洞口电厂一、二期进排水隧道及宁波北仑电厂进排水隧道等隧道工程。实践证明合理选用网格式水力机械盾构对于快速、经济地建成隧道工程是一种较好的施工方法。 下面从六个方面进行介绍： 1 1、基本原理和特点、基本原理和特点 2 2、适用范围、适用范围 3 3、水力出土施工原理、水力出土施工原理 4 4、施工流程、施工流程 5 5、施工要点、施工要点 6 6、主要施工设备、主要施工设备 第23页/共39页基本原理和特点基本原理和特点 网格式盾构可分为干出土和水力出土二种类型。水力机械

20、盾构具有结构简单、操作方便、便于排除正面障碍物等特点，尤其适用于淤泥质粘土地层中的推进。 网格式盾构基本构造分为：盾构壳体、推进系统、拼装系统及出土系统、控制系统等。 水力出土系统组成的基本特点： （）网格：适合水力冲刷的网格和封板组成切口支承形式。网格封板分为固定及启闭式两种，启闭封板一般采用人工操作与液压控制启闭方法，开启封板面积的开孔率一般为830。 （）泥水舱：盾构切口后部的隔墙板与网格间为泥水舱，该舱可供土体冲刷成泥水，舱底设置泥水排出管口。 （）冲刷水枪：用于冲刷土体的旋转水枪，按不同冲刷位置安装在隔墙板上，水枪即可对开启封板外的土体进行冲刷，又可将舱内土块稀释成泥浆水。第24页/

21、共39页 （）水力输送机具：舱内的泥水排放至地面，目前主要采用扬水器渣浆泵，通过管路进行输送排放。 （）工作压力水：水力出土的水枪和扬水器的工作压力由地面水泵房通过管路接送至盾构工作面，工作压力水的压力宜控制在0.81.6MPa。 水力出土系统组成如图所示。 水力出土系统组成 1网格；2封板；3冲刷水枪；4推进千斤顶；5泥水排泄管；6盾构；7衬砌拼装机 第25页/共39页适用范围适用范围 水力出土盾构一般适宜临江、河、湖、海的隧道工程，这样可为施工提供丰富的供水资源及泥水排放条件，故较适合建造水工隧道和城市污水排放与热电厂取排水管等直径为311m的隧道工程。 由于水力出土盾构正面网格开孔出土面

22、积较小，故盾构适宜在软弱粘土层中施工，当处在局部粉砂层，可在盾构泥水舱内采用局部气压法来稳定正面土体。 因网格式盾构推进时难免对正面土体挤压扰动，故较难有效地控制地表沉降。 随着盾构推进隧道长度的延伸，随之水力出土输送能力减弱，故水力出土的隧道长度一般在1000m内较易施工。 第26页/共39页水力出土施工原理水力出土施工原理 水力出土盾构较干出土盾构不同在于出土形式及相设置的网格封板，而对于控制盾构推进轴线及隧道衬砌拼装工艺等施工工序方法均相一致。根据水力出土施工特殊性，首先应根据地层土质、控制盾构推进轴线要求及推进出土量等依据，来确定封板所开启的部位及出土开孔面积。水力出土是将网格开启封板

23、处的土体，在推进过程中用水力将土体冲刷成泥浆水，然后由扬水器或碴浆泵将泥水排至地面。 第27页/共39页施工流程施工流程 第28页/共39页1供配电设备；2中央控制室；3衬砌防水条粘贴场；4行车；5盾构；6动力车架；7管片运输车；8电机车；9动力车架；10水力机械设备车架；11变压器台车；12碴浆泵；13衬砌压浆泵车；14已成隧道；15台车轨；16密度计；17流量计第29页/共39页施工要点施工要点（1）水力出土地面施工配合设施 配合设施主要有水泵房。水泵房设置在水源边，一般配有数量多级泵为水力出土提供足够量的压力水，供水量按每小时推进土冲刷成泥水(稀释比宜按1：1014)加之扬水器工作水流量

24、所确定。水泵安装时可将管路串联，以便提高工作水压力，但要顾及水泵的使用性能。 （2）出洞口处理 盾构出洞时，当网格切入土体进行出土冲刷过程中，大量泥水将从洞门与盾构空隙间流入工作井内，因此在盾构出洞前必须安装环形海绵止水设施，以防止泥水流失。（3）出洞段水力出土机械过渡转换 由于出洞段期间盾构后的工作车架难以安置到位，故车架上的水力出土机械未能及时发挥泥水输送作用，需在井底安置一台扬水器并配置相应临时管路作为过渡水力出土方法。随着距离增长，车架安置到位后可恢复正常的水力出土机械。 (续)第30页/共39页施工要点施工要点（4）盾构推进与水力出土相互协调关系 进土位置和面积的设定：盾构正面水枪冲

25、刷以径向冲刷为主，使用时要不停地旋转水枪，使水枪冲刷形成一个面。根据盾构姿态及趋势合理使用水枪，冲刷程度以盾构推进推力在20002400t左右时能慢慢地向前推动为主。在施工中遵循以下原则：有进有出、面大坑浅、表湿内干、底部带挤、多点冲土、勤冲勤纠。 网格盾构每环出土率控制在9095较为合适，控制推进出土量主要与网格封板开启面积的大小及正面土体的可塑性相关，这样当土体可塑性较好时，应相应减少封板开启面积，若土体可塑性较差时，应相应增大封板开启面积，并可利用水枪直接对封板外的正面土体进行冲刷。 盾构推进时的进土量与水力出土相平衡，可按水力出土输送流量来控制进土量，在施工时可减缓推进速度或分阶段连续

26、性地完成每环推进与出土工作量。 (续)第31页/共39页施工要点施工要点（5）同步注浆及二次注浆 同步注浆： 在隧道施工过程中，同步注浆是填充盾壳与管片圆环间的建筑空隙和减少后期沉降的主要手段，也是盾构推进施工中的一道重要工序。盾构在整个推进过程中的注浆，选择具有和易性好、泌水性小的浆液，并进行及时、均匀、充量压注，确保其建筑空隙得以及时和充量的填充。 盾构推进时采用的惰性浆液稠度控制在911cm。在拌浆过程中，应严格按照浆液配比来拌制浆液。浆液压注做到及时充量，在施工时采取推进和注浆联动的方式，压浆从衬砌压浆孔注入地层，压浆量控制在建筑空隙的150200。 压浆材料采用惰性浆液，以细砂、粉煤

27、灰和膨润土等材料为主。 二次注浆： 二次注浆主要用于盾构出洞段、过防汛大堤以及隧道特殊段的土体巩固。具体压浆视实际情况从衬砌预留孔中注入地层。 压浆材料以水泥、粉煤灰和膨润土等材料为主。 (续)第32页/共39页施工要点施工要点（6）盾构推进轴线控制 网格式水力机械出土盾构在粘土层推进时，在正面土体挤压作用力情况下，易使盾构向上偏离轴线，可在调正千斤顶编组的纠偏措施下，采取增加开启网格下部封板及相应地关闭上部进土封板，来变换进土部位以促使所要求的纠编目标。 盾构推进出现平面偏离轴线时，同样可采取变换左右出土部位来配合盾构纠偏。在可塑性较差的土层中盾构纠偏时，可用水枪冲刷纠偏进土孔位外的土体。（7）全挤压推进转换条件 水力出土盾构转换为全挤压推进，应具备如下条件： 盾构穿越沿线地表不受隆起变形影响，穿越土层应是软弱的可塑性较好的粘士层，闭胸挤压推进时盾构继续具有控制推进轴线纠偏能力，盾构推进坡度变化而不影响衬砌拼装等条件。在转换为全挤压推进还应根据施工实际情况，逐渐地减少推进土量，直至进入闭胸推进状态，在作闭胸全挤压推进施工中仍须保留水力机械的设施，以便随时恢复水力出土。 (续)第33页/共39页施工要点施工要点（8）衬砌拼装 水力出土盾构的衬砌拼装作业