土压平衡盾构与泥水平衡盾构的结构原理_图文

1、2土压平衡盾构与泥水平衡盾构的结构原理上海市土木工程学会1 土压平衡盾构的结构原理1.1 土压平衡盾构的基本原理土压平衡盾构属封闭式盾构。盾构推 进时,其前端刀盘旋转掘削地层土体,切削下来的土体进入土舱。当土体充满土舱时,其被动土压与掘削面上的土、水压基本相同,故掘削面实现平衡 (即稳定 。示意图如图 6.1所示。由图可知,这类盾构靠螺旋输送机将碴土 (即掘削弃土 排送至土箱,运至地表。由装在螺旋输送机排土 口处的滑动闸门或旋转漏斗控制出土量,确保掘削面稳定。土压盾构稳定掘削面的机理, 因工程地质条件的不同而不同。 通常可分为粘性土和砂质 土两类,这里分别进行叙述。因刀盘掘削下来的土体的粘结性

2、受到破坏, 故变得松散易于流动。 即使粘聚力大的土层, 碴土的塑流性也会增大, 故可通过调节螺旋输送机转速和出土口处的滑动闸门对排土量进行 控制。对塑流性大的松软土体也可采用专用土砂泵、管道排土。地层含砂量超过一定限度时, 土体流性明显变差, 土舱内的土体发生堆积、 压密、 固结, 致使碴土难于排送, 盾构推进被迫停止。 解决这个问题的措施是向土舱内注水、空气、 膨润 土或泥浆等注入材,并作连续搅拌,以便提高土体的塑流性,确保碴土的顺利排放。就砂、 砂砾的砂质土地层而言, 因土颗粒间的摩擦角大故摩擦阻力大; 渗透系数大。当 地下水位较高、 水压较大时, 靠掘削土压和排土机构的调节作用很难平衡掘

3、削面上的土压和 水压。 再加上掘削土体自身的流动性差, 所以在无其它措施的情况下, 掘削面稳定极其困难。 为此人们开发了向掘削面压注水、空气、膨润土、粘土、泥水或泥浆等添加材,不断搅拌, 改变掘削土的成分比例,以此确保掘削土的流动性、止水性,使掘削面稳定。按稳定掘削面机构划分的土压平衡盾构大致有如下几种,见表 1。表 1 土压盾构的种类图 1 土压盾构基本形状 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

4、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。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 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、

5、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。 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。 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。 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。 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

6、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

7、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。 刀盘 (刀头、轮辐、中间梁 。 刀盘背面的搅拌翼。 调协在螺旋排土器芯轴上的搅拌翼。 设置在隔壁上的固定翼。 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: 螺旋式排土器 +闸门方式 螺旋式排土器 +排土口加压装置方式 螺旋式排土器 +旋转式送料器 (旋转料斗、阀门 方式 螺旋式排土器 +压力泵方式 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

8、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。

9、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 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

10、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: 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。 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。 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

11、。效果较好,但运行 管理复杂。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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、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。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 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。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

17、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:ANP Q = (1.1 式中: Q 排土量;排土效率;A 螺旋输送机断面积;N 转速;P 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: w p w P P P P P <<<+a (1.2 式中:a P 主动土压力; p P 被动土压力; w P 地下水压力。通常先根据地质勘测结果确定设定土压力 0P ,同时制定土压的上、下限,其允许范围 为 ( (00P P P P +-上面

18、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。

19、 图 7 复合盾构构造图 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: 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。 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 。 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

20、力作为盾构的推进力。 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。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图 8 复合型土压盾构刀盘正视 (土压、敞开并用 图 (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

21、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

22、岩、硬土、软土及上述岩、土的复合层。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

23、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 施工前应确切地掌握断裂带的分

24、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。 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。 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。 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 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。 孤石处理 :孤石出现后立即停止推

25、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: 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

26、压应力。 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。 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。 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。 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 H 水 ,而在盾构正面密封舱 (即泥水压力室

27、 底部的泥水压 力为 +(泥 h H , 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 h 的泥水,则在开挖面任何一点 y 处的地下水压力为 y 水 ,泥水压力 +(泥 h y 。一般情况下 h 取 2m, 而 泥 大于 水 ,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

28、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 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。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

29、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, 被捕获并积聚于土壤与泥水 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。从泥水平衡理论中可以看出, 在泥水加压式盾构法施工中, 尽快形成不渗透泥膜是一个 相当关键的环节。然而,要形成泥膜必须满足下列四项基本条件。(1泥水最大粒径 -泥水最大颗粒粒径对泥膜形成的效果有很大影响。 根据土层渗透系 数 K 和的不同要求,泥水最大颗粒粒径亦不同,它们之间必需相互匹配,其关系见表

30、5 表 5 泥水最大粒径与 K 值关系参表 (2颗粒级配 -颗粒级配对泥膜形成具有很大的影响,最佳的泥水颗粒径分布形式必 须通过大量实验来确定。(3泥水深度 -泥水深度提高能使泥水屈服值升高, 同时能使泥膜的稳定性增强。 实验 证明高密度的泥水可以产生高质量的泥膜。(4泥水压力 虽然渗透体积随泥水压力上升而上升,但它的增加量远小于压力的增加 量, 而增加泥水压力将提高作用于开挖面的有效支承压力, 因此, 开挖面处在高质量泥水条 件下,增加泥水压力会提高开挖面的稳定性。泥水加压盾构处于正常掘进状态时, 刀头并不直接切削土体, 而是对刀盘正面已形成的 泥膜进行切削, 在切削后的一瞬间, 又形成了下

31、一层泥膜,由于盾构刀盘转速是一定值,而 且盾构推进速度最大能力又受到一定限制, 因此掘进速度只和切入土体的深度有关, 而和泥 膜无关。但是当泥水加压式盾构在不正常掘进状态时, 特别当泥水质量和切口水压达不到设计要 求时, 泥膜需经过较长时间才能形成, 这样就约束了掘进速度。 高质量泥水形成泥膜的时间 为 1-2秒。泥水加压式盾构在掘进过程中, 泥水不断循环, 开挖面的泥膜因受大刀盘的切削而处在 形成破坏形成的过程中。 由于地层的变化等因素, 开挖面的平衡是相对的, 为保持开挖 面的稳定, 在泥水加压式盾构掘进施工开挖面稳定就成为重要的管理项目之一, 它直接影响 着隧道施工质量。 合理地进行泥水

32、管理、 切口水压管理和同步注浆管理控制每环掘削量是开 挖而稳定的必要保证。 由于泥水加压式盾构在掘进过程中, 开挖面充满泥水, 泥水室前侧是 切削刀盘, 后侧是密封隔墙, 四周是盾构, 壳体施工操作人员是不可能用肉眼直接观察到开 挖面稳定状况。为此,通常采用下述方法对开挖面稳定状况进行判断。(1根据地质情况进行理论性的每环掘削量土砂计算所求得的理论掘削量将作为控制每环实际掘削土砂量的大致目标。(2实际掘削土砂量实际掘削土砂量是通过中央控制室的掘进管理系统, 直接显示在计算机屏幕上, 它能较 真实的反映实际掘削过程中的掘削土砂量。 但由于设置在泥水输送管路系统中用经测定泥水 密度和泥水流量的密度

33、计、流量仪等仪器的差,使实际掘削土砂量因测量精度而产生误差。为了将系统误差缩小到最低 (挖掘在测量仪表正常精度范围内 , 需在旁路运转时, 定期 检查校正设备。(3实际掘削土砂量 W(干砂量 与偏差流量 q 的关系偏差流量 q 瞬时计算式Q V A (Q q 0S 1+-=式中:q 偏差流量 (m3/minA 盾构刀盘面积 (m2S V -推进速度 (m/min0Q -进泥流量 (m3/min1Q -排泥流量 (m3/min上式变换可得到排泥流量计算式q Q V A (Q 0S 1+=+由此可见, 实际掘削量 W (干砂量 与偏差流量 q 的关系, 偏差流量为正值时, 盾 构处于“超挖”状态,

34、干砂量比砂量比标准值大:偏差流量为负值时,盾构处于“溢水” 状态,干砂量比标准值小。(4掘削量的判断方法每掘进 50-100环后,统计 10-50环泥水质量较好、每环掘进后盾构切口上方地面沉降 量较小的掘削量, 并将统计值输入计算机。 在掘进过程中, 动态观测本环掘削量曲线与统计 曲线的变化情况。当发现掘削量过大时,应立即检查泥水密度、 粘度和切口水压。此外, 也可以利用探测 装置,调查土体坍塌情况,在查明原因后应及时调整有关参数,确保开挖面稳定。泥水质量的好坏将直接影响泥膜形成的时间和开挖面的稳定。 溢水量是测定泥水浆液质 量的一个较好的方法。在延安东路南线隧道泥水盾构施工中认为较好质量不泥

35、水溢水量为(h m /A 2. 62l , A 为掘削断面积 2m 。当 掘 削 停 止 时 , 中 央 控 制 室 观 测 单 位 时 间 内 的 累 计 值 , 如 果 泥 水 溢 水 量 大 于(h m /A 2. 62l ,则应检查泥水质量和管路系统泥浆情况。3 利用探测装置进行土体崩塌检查为保证开挖面稳定, 有必要利用安装在盾构顶部的探测装置定期进行检查, 判断盾构 前上方的土体有无松动。一般要求每天进行 23次的检查,并做好探测记录。如发现土体有可能崩塌时, 应首先对探测结果进行综合分析, 并适当增加泥水密度和 进行泥水循环。地表沉降也是反映盾构正面稳定的一个方面。因此需要在盾构掘

36、进沿途布置沉降测 点,跟踪测量因盾构掘进而引起的地表的沉降情况。一般每天需对盾构前 1020m 、盾构 后 3050m 轴线区域内的各沉降点进行监测。 同时, 也应对 3050m 以后的各点进行定期 测量,直至沉降稳定上为止。开挖面不稳定而产生的地表沉降往往发生在盾构切口前方, 这时应检查泥水质量及切 口水压。当盾构后方发生较大沉降时,多数是由于同步注浆不足所致,这时应提高同步注 浆率,改善产注浆效果。5. 开挖面水压信号检查在检查开挖面水压时, 应注意检查开挖面水压信号传感器, 有时会因为管路堵塞而影 响正常采集数据。泥水加压盾构最初是在冲积粘土和洪积砂土交错出现的特殊地层中使用, 由于泥水

37、对 开挖面的作用明显,因此在软弱的淤泥质土层、松动的砂土层、砂砾层、卵石砂砾层、砂 砾和坚硬土的互层等地层中均适应,图 10所表示的是适应于泥水加压盾构的地质和 N 值 的关系。 图 10 泥水加压盾构的适应地层目前泥水加压盾构工法对地层的适用范围正不断扩大, 即使处于恶化的施工环境和存 在地下水等的不良条件下,由于有相应的处理方法,因而被认为几乎能适应所有的地层。 现就下列不同土质,从经济而又安全地掘削施工方面作一比较。粘土矿物相互间电化学结合面形成的粘性土层, 近似变质了琼胶块关体、 所以由泥水比 重和加压带来的力就容易形成对开挖面的稳定, 不论粘性土层的状态如何、 都适应于用泥水 加压盾

38、构工法施工的地层,日本的冲积层和洪积层的两层粘性土层,在敞开型盾构工法中, 因开挖面敞开时间过长而引起的开挖面坍塌和弹塑性变形, 是很能难防止地面下沉的。 密闭 型盾构工法, 因周围土体受到扰动而造成的地面沉降较大, 泥水加压盾构在加压时, 又用刀 盘作圆周切削可解决上述地表沉降的问题, 因而泥水加压构是最适当的。 同时泥水加压盾构 也适用 超出密闭型盾构使用范围的 (由于粘性、液性界限和砂的比例等 粉砂土及粘土层。不含水的砂层由于漏浆, 就不能保持住对开挖面的加压和稳定。 通常, 在含有某一数量 的粉砂土、 粘土的冲积层中,几乎都有一定的含水量,全部都是细砂的地层是少见的, 干燥 的松弛砂也

39、很少有, 由于砂层内摩擦角有许多是在 028=左右、 所以大部分可用泥水加压 来保持开挖面的稳定。 松驰的含水量多的砂量, 在其它盾构工法中是很难保持土层稳定, 采 用泥水加压盾构并提高其泥水比重、粘度和压力是适用的。颗粒级配组成好的密实砾石层开挖面是稳定的, 没有必要采用泥水加压盾构。 但是对于 水分多、 不含有作为粘合剂的粉砂土及粘土等, 相撞时会发出嘎拉嘎拉响声的砾石层和有大 直径的砾石层, 若不实行任何措施, 就会发生开挖面塌方的事故。 因此安装砾石破碎装置和 排砾装置, 增加了泥水加压盾构的适用场合。 当使用泥水时, 开挖面的稳定就容易保持。在有地下水可能涌出的场合下, 管片不再是不

40、能进行拼装了。 但若不详细地调查砾石层颗粒级 配组成、地层变动情况、 地下水涌出量、 流量以及砾石的啮合等状况, 则是否需要采用泥水 就值得考虑了。贝壳层很难称为一种土层、 但含有水存在于土体中的贝壳很多, 同上述砾石层一样更加 坚硬,开挖面很难稳定,但使用泥水并用大刀盘挖土就可以成为能适应的地层。除岩层以外, 泥水加压盾构能适于各类地质的土层, 对开挖面难以稳定的土质特别有效, 除地层 (含水 因素以外, 还能克服地面条件和其它地下条件的因素所造成的种种困难而取得 成效, 譬如上部是河或海等有水体的地方;有道路、建筑物的地方;有土中埋设物和地下结 构物的地方, 适合于要减少沉降的地方等。 在

41、这些场所采用泥水加压盾构, 无论在工法上还 是经济上都是有效的,见表 5吧。表 5 盾构选型参考表原则上通用 应用时需要探讨 1617 2.2 泥水盾构掘进工况切削方式切削方式通常有下图三种,见图 24。其中回转切削方式的结构紧凑,因其易于调整侧向 倾斜,一般多采用这种方式。 图 11 泥水盾构常用切削方式一般根据施工要求和土质条件确定构造形状。幅条形状可减少切削时的实际扭矩,便 于将土砂排出。 面板形状对工作面的支护及工作面保存注浆材料有效。 刀盘前端的形状分为 中心凸出、 全部凸出。凹陷等数种, 选用时应根据工作面的稳定条件来决定。在含有大砾石 的地层中,要注意由于形状不同会产生耐磨耗程度

42、不同的问题。(1 旋转刀盘支承方式旋转刀盘在支承构造上主要有两大方式:中心支承方式和周边支承方式。滚筒刀支承方式见图 12,中心周边支承方式见图 13,中心支承方式的泥水加压平衡盾 构掘进机见图 14、图 15, 周边支承方式的泥水加压平衡盾构掘进机见图 16, 图 17。 图 12 滚筒力支承方式 图 13 中心周边支承方式 图 14 中心支承方式 6.15m 泥水加压平衡盾构 图 15 中心支承方式 10.02m 泥水加平衡盾构 图 16 周边支承方式 3.97m 泥水加压平衡盾构 图 17 周边支承方式 6.75m 泥水加压平衡盾构根据各自特征、 开挖面状况、 土质以及砾径等可选择相应支

43、承方式使用。 这两种支承方 式的主要特征比较如表 6 旋转刀盘的两种支承方式比较21 此外, 尚有中间支承方式。 这种中间支承方式特征是在强度方面均衡, 多用大中直径的盾构中。 如日本东京湾海底隧道泥水盾构的刀盘支承方式, 根据下述条件, 采用了中间支承 方式:·外径为 14.14m 大直径盾构掘进机;·由于掘削的土层多数是洪积性的粘性土土层,事先采用能防止土砂在仓内粘附滞留的 形式;·能承受作用在刀盘上的偏心荷重所产生的扭矩; ·地铁复线级以上的泥水盾构都采用中间支承方式, 并有大直径盾构用支承方式的实绩; ·刀盘驱动方式采用在效率上、噪音方

44、面及坑内温度等作业环境上有利的电驱动方式。 考虑到上述几点因素,配置了能充分承受外压的结构及材料。 中间支承方式 14.14m 泥水加压平衡盾构掘进机见图 18。图 18 中间支承方式 14.14m 泥水加压平衡盾构掘进机对于泥水盾构直径 7m 左右的刀盘中间支承方式, 通常有多种。 除与土质等因素有关外, 还与粒径有关。 日本大川隧道泥水盾构施工的地层中除混杂有粘性土外, 根据钻探结果砂砾 层中的砾径 30mm 左右, 约按 3倍取值, 按最大砾径 100mm 来作定中间支承方式。 参见图。 22图 19 7.15m 泥水盾构刀盘中间支承方式在采用中间支承方式时,为防止粘土在土仓内粘附,应事

45、先采取预防措施,下述是阪 神铁路隧道直径 7.15m 泥水盾构对粘性土的防附着措施。这条隧道一次掘进长度 2325m , 掘削的土质种类多样,其中遇到洪积粘性土。由于洪积粘性土 Uc 1是自立性强,且非常硬粘性土,在其它工程中曾发生过粘附土仓 内,妨碍泥水流动,造成堵塞和不能掘进的事例。对于预计可能将会发生粘土附着和堵塞的面板里面以及土仓内的各个地方,所采取的 防止泥水滞留, 防止粘土块附着的措施有:在送泥管前端方向设置岐管; 在中间部设置固定 翼:中间梁的圆形状化 :设置搅拌翼、清洗管等。具体处理措施风表 7和图 20。 图 20 防止洪积粘性土粘附的处理措施图表 7 防止粘性土粘附的主要措

46、施 图 21 直径 11.22m 泥水加压平衡盾构大刀盘 面板机械掘削式盾构掘进机中的面板,在通过泥水加压的同时也是支护开挖面的重要机构。 因此, 面板开口的宽度、 形状及大小等至少要满足能够排除掉砾石和障碍物, 并且有良好的 耐磨损性和耐腐蚀性。 刀具 (刀齿、刀头 刀具多数是采用在母材上焊接超硬合金钢的材料,要求母材耐磨性能高,焊接性能好。 能常使用相当于镍铬钼钢 (SNCM8 的钢材。超硬合金钢要求硬而不脆,生产的盾构一般使 用日本工业标准所规定的 JIM3916材料。刀头形状必须与土质相适应,在粉砂层和粘土层中使用切削形;在砾石层中使用能起 出砾石的刀形;在泥岩、砾石等场合则使用圆盘滚

47、刀,能起到使岩体受挤压力面碎裂作用。 一般情况下,为了让刀头能在左右旋转时使用,多数将刀头安装成左右对称形。但也 有当反方向旋转掘进时,因刀齿背面受到磨损,使母材与面板间的安装部位受磨损而减少, 引起刀齿脱现象。在掘进砾石层时, 经常能看到刀齿的缺损。 因此,希望刀齿结构设计成能 在掘进中途可以更换的开式。切削刀的配置必须根据围岩条件、 盾构外径、 切削刀头回转数、 施工掘进长度等确定。 在隧道长距离掘进中,有关刀头防磨损问题是一个最大难题,日本大阪野田阪神铁路 隧道河段,包括横穿约 800m 宽的淀河在内,一次掘进长度 2325m 的隧道,是属于极长距 离隧道,覆土厚度范围在 941m ,表

48、明覆土厚度差距其距甚大。掘削的土质种类多样,并 且处在砂层和砂砾层中,受到地下水压力有 0.4Mpa ,为高水压下的隧道掘进施工,因此, 在这工程用的两台泥水盾构掘进机制造时就开始采取防磨损措施,取得了良好效果。主要处理措施:·增加刀头排列的行数在面板的同一轨迹上,为了能重复掘削,通过增加刀头列的行数来增加刀头数量,以 减轻每一刀头的负担。·安装破碎砾石用的滚刀头经过滚刀先行后, 使砾石破碎, 再通过冲击使砾石损坏、 脱落, 这样就保护了主刀头。 ·采用长短刀头将有高低不等 (30mm 的长短刀头编为一组,当长的刀头 (一次刀头 磨损后,用短的23刀头 (二次刀头

49、 可以进行切削,这样在总体上使临界磨损量增大。 图 248 刀头配置图·采用超硬的重型刀头连同安装刀头用的架座也一起大型化,加大安装在刀头前端超硬刀头的重量,以达到 增大刀的临界磨损量。·采用双刀头为了用刀头基材磨损来防止超硬刀的脱落,在刀头基材中埋入超硬刀。·刀头的背面防护在超硬刀背面施行了充分的硬化堆焊,以防止基材的磨损。·配置先行刀头由先行刀头的先行掘削,达到减低主刀头的切削负荷。刀头磨损实测图见图 22,刀头磨损状况见图 23。 图 22 刀头磨损实测图表上行线 下行线2425 上行线 主刀 下行线 主刀 刀盘开口槽 (进土开口部位 刀盘开口率以

50、下式表示:rSA A =式中: 开口率S A 面板开口部分总面积 (不包括刀头的投影面积 r A 盾构开挖断面积在一般条件下,幅条数与盾构外径成比例增加,开口率也有加大的倾向。 即使是粘性土,也是将开口率加大进行开挖。在易坍塌的地层中,如果开口率加大,则有过多的土砂易被排出的危险,必须注意 开口槽形状及尺寸往往受幅条数、排出土石的尺寸等所制约,必须注意。供进土用的开口槽置于刀盘的后部,其宽度根据最大砾径来决定。但是,从整个出土图 23 进洞时的面板状况图标 24 刀头的磨损状况量来进行比较, 如果只有少量的砾石, 那么适合最大砾径的宽度未必就是适合的希望在考虑 开挖开挖面稳定的同时, 尽可能选

51、择最小面积的开口槽。 在开挖工作面有破碎砾石功能的盾 构中,对开口尺寸有时也要给以限制。通过开口宽度为 10cm 左右。此外,也有使用改变开 口槽宽度的开式。开口槽的数量和形状种类繁多,其面积多数占刀盘面积 10%左右。结合土质条件,选 择幅条的宽度及数目,可大致如下:砾石地层采用与砾石直径相符的幅条宽度,其数量 少一些好; 砂性地层采用最小限度的宽度,期数量也宜少; 粘性土地层采用适用排土的幅条宽度,其数量多些 好。刀盘开口槽开闭装置在盾构掘进处于停止状态或开挖面不稳定时,需要 关闭刀盘的开口槽。刀盘的开口槽开闭装置的构造形式有以下几种。 ·挡板式将刀盘停止在一定的位置上,由千斤顶

52、从后面隔板 处将挡板伸向刀盘,关闭切削刀盘开口槽。这种形式正 受到广泛使用,只能用于中心支承式刀盘,使其做到全开或全闭,但不能半或半闭,见图 25。·滑板式滑板式是采用拉门方式。 但是当土砂刮入时, 由于砾石破坏拉门会造成动作不良。 拉门 的优点是可以通过拉门开度来换开口率。 它可用于中心支承和周边支承式两种形式上, 见图 33。·转板式由于是用销子固定转板,动作不良现象少。它不仅能全开,也可以半开。但由于结构复 杂, 因砾石引直起的损坏和粘性土的粘附, 使开口槽也有堵塞危险。 转板式只适用于周边支 承式刀盘,见图 34。 ·橡胶板压着式橡胶板压着式是随着推进产生

53、的压力使插入开挖面侧的橡胶板打开,若一旦将力释放,图 25 挡板式开闭装置 图 26 滑板式开闭装置图 27 转板式开闭装置则橡胶板被推到开挖面来进行支撑的方式,但使用较少。·百叶门式两层面板,象百叶门那样错开来堵塞开口槽,由于结构复杂几乎不使用。 刀盘轴承和土砂密土封 ·中心支承式中心支承式应能与大型中心轴旋转后产生的各种力抗衡。 小直径盾构的径向轴承系用油 脂供油轴承,大直径盾构现使用静压轴承。静压轴发承的作用是在用油压支承荷载的同时, 减少因起动时金属接触产生的损伤。 用 油压使其浮起达到减少磨损。径向轴承采用轴向球面滚柱轴承。土砂密封一般使用铁橡胶 U 型密封。其结

54、构是在 U 型密封部,从其背面供油到 U 型密 封和主轴间,并设定高于泥水压力的油压,以防止泥水的渗入。·周边支承式径向轴承有金属、滚柱轴承等,但金属较多,轴向轴承有滚柱、金属、滚柱轴承等,其 中滚柱最多。驱动部密封为双层凸缘形密封, 一般从凸缘背面压送油脂。 该密封是聚胺脂橡胶, 用供 入油脂来防止泥水渗入和滑动部的磨损。(1刀盘扭矩刀盘所需扭矩由下列公式进行计算, 另外还要考虑到经验公式和余量后才能决定刀盘扭 矩。中心支承式321T T T T +=式中:1T -由土的切削削阻力产生的扭矩2T 与土的摩擦阻力所产生的扭矩3T 机械阻力产生的扭矩周边支承式式中 54321T T T

55、 T T T +=1T 由土的切削阻力产生的扭矩2T 与土的摩擦阻力所产生的扭矩3T 机械阻力产生的扭矩4T 机械阻力 (径向荷载 产生的扭矩5T -密封阻力产生的扭矩经验公式3D T =式中 T 刀盘扭矩 (t-m系数D 盾构掘进机外径值的平均值一般为: 中心支承式 0.91.1 周边支承式 1.01.5不同土质的 值 (根据经验 见表 8。表 8 根据不同土质的 参数值 (5推力盾构掘进机设备的推力是对下列阻力进行计算并取其两倍值。2 F F F F (F 4321+=式中:1F 土和盾构壳体的摩擦阻力 -2F 管片和盾构壳体的摩擦阻力 (三环左右的重量作用于盾构壳体 3F 刀盘的剪切阻力

56、 4F 正面阻力 (土压 +水压 从施工中可以了解到几乎是用 1/2的力推进,并和原计算值几乎一致。施工中,设备推力为 100120t/m2,中心支承式和周边支承式都采用相同的值。盾构掘进机 装备力的推力的逐年变化见图 28。 图 28 盾构掘进机装备推力的逐年变化盾构千斤顶的配置有平均分布在圆周上的形式和在下部左右等部位略多配置几个的形 式。这种配置是用于防止盾构下倾或曲线段较多的场合,但位置的确定要兼顾管片的强度。此外, 盾构千斤顶的撑块一定要对到管片的肋骨等部位, 以便于推力的传递。 若千斤顶中心 偏向内侧或管片受到偏压,则都将造成管片破损。盾尾密封是安装于盾构掘进机体尾部的内侧、 位于

57、盾尾与管片之间、 是用来防止地下水、 泥水和壁后注浆浆液对盾尾的渗漏。 由于泥水加压平衡盾构切口部位泥水室中因加压, 使泥 水渗入盾构壳体周围并流入背部,将会引起开挖面压力降低, 影响开挖面稳定。因此, 盾尾 密封装置的耐久性及其密封性能就成为一个特殊而重要的问题。 由于密封装置是设在滑动部 位, 所以当其受力后面被磨损和撕拉引起损坏时, 就会渗漏较多的浆液和土砂, 进而严重影 响隧道衬砌在盾尾部位的拼装作业。实际施工中希望使用能够修复的盾尾密封装置。最近盾尾密封的开发大有进展, 特别是泥水加压平衡盾构, 有三层钢丝刷, 使盾尾部位 的泄漏和泥水的劣化程度逐渐减少。在盾尾密封材料中,有橡胶、钢、不锈钢、聚胺脂和一 些组合材料等,其形状有板状、绳状、刷子