隧道与洞室工程土压平衡盾构

土压平衡式盾构机（如图1所示）的开发始于70年代初。第一台土压平衡式盾构机外径为3.72m，由日本IHI设计制造，于1974年在东京投入使用。随后，其它一些厂家也开始生产土压平衡式盾构机，产品的名称不完全相同，但从原理上都可归纳为土压平衡系统（Earth-pressurebalancesystem，即EPBS）。1概述

1．切削刀盘2．开挖室3．承压隔板4．压缩空气闸室

5．推进千斤顶6．尾盾密封7．油箱8．带式输送机

9．管片拼装机10．刀盘驱动11．螺旋输送机

图1土压平衡式盾构机土压平衡式盾构机的发展基于挤压式盾构机（闭胸）和泥水式盾构机。挤压式盾构机在其承压隔板上设有面积可调的排土口，开挖面的稳定靠调节孔口大小和排土阻力，使盾构千斤顶推力和开挖面土压达到平衡来实现。挤压式盾构机适用于具有良好塑性的粘土层，适用地质范围狭窄。泥水式盾构机在非粘土层中广泛应用，但随细颗粒土砂百分比的增加其分离越来越复杂，代价越来越高，悬浮液也需频繁更换，还存在环保问题。特别是在日本主要城市施工时，由于空间有限使得安装分离设备较为困难。这些都促进了土压平衡式盾构机的发展。与泥水式盾构机相比，土压平衡式盾构机没有分离装置，施工时的覆土层可以相对较浅。其适用地质范围比挤压式盾构机广，掘进性能也优于挤压式盾构机。从1964年到1974年的10年间，与气压施工法同时使用的手掘式盾构机占总数的3/4，从1974年到1984年的10年间，这种盾构机型减少，泥水式和土压平衡式等机械挖掘式盾构机不断增加。日本隧道技术协会对世界盾构施工法现状开展通信调查的结果（其中96%是日本的工程），从1980年至1985年的6年间，密闭型盾构机从1980年占各种类型盾构机总数的60%急增至86%，特别是土压平衡式盾构机从19%增大到60%。土压平衡式盾盾构机的刀盘盘切削面与后后面的承压隔隔板所形成的的空间为开挖挖室或泥土室室。刀盘旋转切削削下来的土壤壤通过刀盘上上的开口进入入泥土室，与与泥土室内的的可塑土浆混合或被搅拌拌混合，盾构构千斤顶的推推力通过承压压隔板传递到到泥土室内的的泥土浆上，，由泥土浆的的压力作用于于开挖面，以以平衡开挖面面处的地下水水压和土压。。从而保持开开挖面的稳定定。螺旋输送机从从承压隔板的的开孔处伸入入泥土室进行行排土。盾构机的挖掘掘推进速度和和螺旋输送机机单位时间的的排土量或其其旋转速度都都会影响泥土土室内土浆压压力的大小，，所以应进行行协调控制。在最初的土压平衡式式盾构机中采采用体积控制制方法来检查查开挖面的稳稳定情况。它将测量的开开挖体积与根根据掘进速度度和开挖洞径径计算得到的的理论体积值值进行比较，，对盾构机挖挖掘推进速度度和螺旋输送送机的旋转速速度参数进行行调节控制。对开挖出土料料体积的测量量方法有传统统的称重方法法及近些年采采用的超声波波和激光测量量方法。超声波法和激激光法要求输输送带上的土土料表面较光光滑，在实际际应用中较难难保证。仅靠体积控制制的方法存在在一些缺点，它不提供任任何开挖室内内实际填充情情况和土体压压实度的有关关信息；体积积测量装置复复杂而且昂贵贵，它们的安安装位置有时时会阻碍输送送带对土料的的输送；只有有在一段时间间之后才能做做定性分析无法得到开挖挖面的实时情情况；在同时时有土壤改良良剂料加入时时，无法得出出精确体积值值。对开挖室内土压的测量则会提提供更多的开开挖面稳定控控制所需的信信息。土压是是通过安装在在承压隔板上上不同位置的的土压传感器器进行测量的的。土压测量装置置的原理比泥泥水式盾构机机中支撑液体体静压的测量量方法要复杂杂，它的应用用和发展已能能够根据事先先计算的开挖面支支撑压力力曲线对压力进进行精确确控制。。在隧洞掘掘进的过过程中，，通过土土压的测测量值由由调节电路路来调整有有关控制制参数。。土压通过过改变盾盾构千斤顶的推进速速度或推推螺旋输输送机的的旋转速速度而增增减。在盾构机机的实际际运行中中，操作员的经验及及对盾构构机中各各重要测测量参数数的监视视非常重重要。土压平衡衡式盾构构机用开开挖出的的土料作作为支撑撑开挖面面稳定的的介质，，对作为为支撑介介质的土土料要求为：具有有良好的的塑性变变形，软软稠度，，内摩擦擦角小及及渗透率率小。由于一般般土壤不不能完全全满足这这些特性性，所以以要进行行改良。改良的的方法通通常为：：加水，，膨润土土，粘土土，外加加剂（CMC）），聚合合物和泡泡沫等，，根据土土质情况况选用。。2土土质改良良和应用用范围通过这些些改良措措施，扩扩大了土土压平衡衡式盾构构机的应应用范围围。开挖室内内土料具具有的软软稠度和和良好的的塑性变变形，使使支撑压力力能规则地地作用于于开挖面面保证了土土料能不不断地流流送到螺螺旋输送送机避免了土土料在开开挖室低低压部位位的堆集集、对刀刀盘的阻阻塞以及及对开挖挖室的堵堵塞降低了刀刀盘和螺螺旋输送送机的驱驱动力矩矩，从而而更为经经济但土料不不能过软，否则不不适于带带式输送送机和料料车的输输运。土料由螺螺旋输送送机从有有压的开开挖室输输送到大大气压下下的隧洞洞里从螺旋输输送机到到带式输输送机的的转运如如没有料料闸装置置，则土土料应具具有低的渗透透性，低渗透透性可以以避免液液流穿过过螺旋输输送机。。有软稠度度的粘质质粉土和和粉砂是是最适合合使用土土压平衡衡式盾构构机的土土层。根据土层层的稠度度，有时时不需要要水或只只需要加加很少量量的水。。通过搅搅拌装置置在开挖挖室内的的搅拌，，即使十十分粘着着的土层层也能变变成塑性性的泥浆浆。随着含砂砂率的增增加，加加水就显显得不够够，因为为它不能能减小内内摩擦角角。增大的渗渗透性必必须解决决好螺旋旋输送机机的密封封问题。。细土粒粒含量的的缺乏可可以通过过加入粘粘土和膨膨润土悬悬浮液来来补偿。。这样孔隙隙里的水水就可通通过膨胀胀的悬浮浮液限制制，挖出出的土料料便可变变成流动动性很好好、渗透透性降低低的可塑塑土浆对非粘透透水性土土层可以以通过注射泡沫沫进行改良良处理。。泡沫被被加入挖挖出的土土壤中并并成为粒粒状结构构的一部部分。粒状结构构中的气气泡可以以降低土土浆密度度，减小小颗粒摩摩擦。土浆混合合物的体体积变化化率得到到降低使使其在较较宽的形形变范围围内有最最理想的的弹性，，这样才才可能控控制开挖挖面支撑撑压力。。自主开发发气泡剂剂自主开发发气泡发发泡装置置自主开发发气泡剂剂自主开发发气泡发发泡装置置自主开发发气泡剂剂自主开发发气泡发发泡装置置随着开挖挖室内压压力的降降低，粒粒状结构构内的气气相会膨膨胀，土土体会形形变；随着开挖挖室内压压力的增增大，土土体中孔孔隙不断断变小，，这样就就可避免免切削刀刀盘的驱驱动力矩矩的快速速增大。。由于化学学的和物物理的粘粘着力的的作用，，使用适适当的泡泡沫混合合物，开开挖的土土料可以以变得非非常粘着，完全可可以用带带式输送送机进行行输送。。实际上泡泡沫的90%都都是空气气，而空空气在几几天后就就会全部部逸出，，因此土土料可以以恢复原原来的稠稠度，在在对开挖挖出土料料的储置置或进一一步利用用上这是是一个显著的优优点，而且不不需要复复杂昂贵贵的分离离设备。。加泡沫技技术用于于含水土土层时还还可抵抗抗较高的的地下水压压，它的发发展可扩扩大土压压平衡式式盾构机机的应用用范围，，使它也也可用在在原先只只适于泥泥水式盾盾构机的的土层中中。泡沫沫混合物物在使用用后几天天之内化化学物质质就会完完全生物物分解，，基本不不存在环环境污染染的问题题。土压平衡衡盾构机机的应用用范围如如图2所所示。在在宽限制制线（曲曲线1））上细土土粒含量量不少于于30%，这时时针对土土层的颗颗粒分布布，应用用上没有有限制。。这主要是是指稠度度由现有有水含量量决定的的一般不不透水地地层。图2土土层颗粒粒尺寸分分布的土土压平衡衡式盾构构机适用用范围对稠度Ic>1、高粘粘性和低低渗透性性的土层层一般可可以在无无支撑压压的情况况下施工工。但如果开开挖面需需要支撑撑，土料料的稠度度应为柔柔软（Ic=0.4-0.75）。。根据土层层的矿物物学结构构组成情情况，也也可以使使用水、、低粘性性悬浮液液（膨润润土，聚聚合物））和泡沫沫。在限制线线以下土土层渗透透性及内内摩擦大大大增加加，应用用所受的的限制由由渗透系系数k和和地下水水压力决决定。在实际应应用中，，压力最最大为200kPa时时水的渗渗透系数数不应大大于10-5m/s。。在曲线2和曲线线3之间间的部分分，土压压平衡式式盾构机机不能在在水压下下使用。。在曲线3以下，，渗透性性太强，，对土层层进行改改良处理理也不会会有效。。在对曲线线2下面面的土层层的改良良处理中中，只能能选用高高粘性粘粘土悬浮浮液（高高密度泥泥浆）和和聚合物物泡沫。。若处理液液的比例例超过了了开挖量量的40%-45%，，稠度已已达到液液体值，，此时应应用泥浆浆系统取代输送带。。虽然通过过土层处处理土压压平衡式式盾构机机的应用用范围可可以扩大大到泥水水式盾构构机应用用领域，，但不应应将非粘性土土层归在土压压平衡式式盾构机机的应用用范围之之内。在细砂含量量少的非粘性土土层中，使使用泥水式式盾构机比比土压平衡衡式盾构机机有更大的的优越性，，应首先考考虑使用。。土压平衡式式盾构机可可分为土压压式盾构机机和泥土加加压式盾构构机。土压式盾构构机是在挤挤压式盾构构机上安装装刀盘进行行开挖，同同时使开挖挖的土料流流动，以便便排土，它它只适于可可用切削刀刀开挖且含含砂量小的的塑性流动动性软粘土土。泥土加压式式盾构机装装备有注入入土壤改良良用添加剂剂料的机构构和搅拌机机构，它的的适用范围围较广，可可用于冲积积粘土、洪洪积粘土、、砂质土、、砂、砂砾砾、卵石等等土层。这种盾构机机又分成搅搅拌全部开开挖土料的的泥土加压压式盾构机机和搅拌部部分开挖土土料的泥浆浆加压盾构构机。泥土加压式式盾构机的的刀盘形状状多为轮辐辐形的，容容易进行土土压调节，，适用于大大范围的土土质。泥浆式盾构构机是在刀刀盘开挖的的土料内注注入改良剂剂料，在土土室内搅拌拌，使开挖挖土料变成成泥浆。土压平衡盾盾构机的基基本装置是是切削刀盘盘及其轴承承和驱动装装置，开挖挖室以及螺螺旋输送机机等。3.1切切削刀盘切削刀盘切切割开挖面面上的土壤壤和在开挖挖室内搅拌拌使之变成成可塑的泥泥土浆。切切削刀盘前前面一般布布置有添加加土壤改良良剂料的灌灌注口，对对开挖面上上的土壤进进行改良处处理。3土压压平衡式盾盾构机的主主要部件切削刀盘盘盘面有封闭闭式和敞开开式两种。。封闭式切切削刀盘是是用于开挖挖面不稳定定的土层类类型，这样样可以避免免在开挖面面有大量的的土壤松动动。切削刀盘上上开口的百百分比在保保证系统稳稳定的前提提下可以根根据实际需需要而变化化。开口的宽度度限制了螺螺旋输送机机中可以输输送的最大大石块的尺尺寸。大的石块需需在切削刀刀盘前压碎碎到与开口口缝隙尺寸寸相配，这这样可以避避免损坏螺螺旋输送机机。封闭式切削削刀盘的一一个缺点是是在开挖面面上支撑压压力的分布布不均匀。。承压隔板上上测得的土土压值不一一定就是真真实值，它它还和刀盘盘的位置和和转向有关关。敞开式切削削刀盘（敞敞开式星形形设计），，一般不会会发生阻塞塞，此时开开挖面支撑撑压力分布布均匀且送送到螺旋输输送机上的的土料流动动稳定。但它的缺点点是由于缺缺乏机械支支撑，进入入压缩空气气下的开挖挖室的危险险较大。此此外，长时时间运行时时，在覆土土浅时易造造成沉降，，稳定性和和刀盘的强强度降低。。若敞开式星星形设计有有轮缘，则则切削刀盘盘的稳定性性会增强。。根据地质情情况，刀盘盘可配铲型型刮刀、盘盘型滚刀等等不同刀具具。它们都安装装于刀盘的的后面，以以便检查和和更换。根根据隧洞的的走向及盾盾构机的设设计，刀盘盘还配有超超挖刀具。。3.2轴轴承和驱驱动部件在轴承和驱驱动部件方方面，采用用了与泥水水式盾构机机和岩石掘掘进机相似似的系统。。在土压平衡衡式盾构机机中，轴承承的密封系系统和易于于拆换非常常重要，因因为这些部部件在磨蚀蚀性强的土土层中会受受到很大的的机械应力力，易造成成密封区域域的严重损损坏。在结构上一一般分为中中心轴驱动动方式和非非中心轴驱驱动方式。。中心轴驱动动部件的封封闭或敞开开式切削刀刀盘是一种种比较简单单的设计，，在开挖室室内不需要要什么处理理，也没什什么障碍物物。它的另一个个优点是所所有密封都都可以从盾盾构机上接接触到，因因此易于修修复。中心轴驱动动部件的缺缺点是盾构构中心被切切削刀盘部部件占满，，使螺旋输输送机的安安装坡度特特别小，这这必然导致致盾构机的的加长。非中心轴驱驱动部件的的封闭或敞敞开式切削削刀盘驱动动轴承的直直径约为盾盾构直径的的一半。切削刀盘有有单独的支支架支承。。优点是导导引稳定、、不易阻塞塞和支承支支架能起一一定的搅拌拌作用，并并可以从盾盾构区域接接近密封系系统。3.3开开挖室土压平衡式式盾构机的的刀盘切削削面与后面面的承压隔隔板所形成成的空间为为开挖室。。在这里从开开挖面挖出出的土料转转变成有良良好的变形形性的可塑塑土浆（假假如在开挖挖面的开挖挖中还没做做到这一点点的话），，以保证在在开挖面有有稳定的支支撑压力。。挖掘工作腔腔室的设计计由螺旋输输送机、压压缩空气室室（如果有有的话）和和切削刀盘盘驱动部件件的位置决决定。开挖室的设设计应顺应应土料流动动以避免土土料聚集，，保证土料料持续地流流到螺旋输输送机中。。开挖室的长长度决定了了与推进速速率相关的的土料留在在室内的时时间。开挖室还可可根据需要要布置一些些搅拌机构构，对土料料进行搅拌拌。对大直直径盾构机机，堵塞的的危险性较较大（尤其其在开挖室室中部），，因为旋转转搅拌工具具的转速越越靠中间越越小。当切削刀盘盘的一般转转速为1-2m/min时，，搅拌机构构对靠近中中心的部位位不起作用用，因此在在中心部位位应设置可可以独立旋旋转的切削削或搅拌装装置。压力舱土体体闭塞模型型盾构机2BGP1hP2tP3τH开挖面τττ0整体受力分析

成拱系数

λ>1，土体成拱；λ<1，土体不成拱；λ=1，为临界情况。2BhtH开挖面盾构机H′盾构机简化模型

土体闭塞受力平衡方程成拱土体高度3.4螺螺旋输送送机在土压平衡衡式盾构机机中螺旋输输送机具有有以下功能能：从有压力的的开挖室内内将土料送送到大气压压下的隧洞洞中；在渗水土层层中密封有有压水；通过控制开开挖土料的的进出量来来控制开挖挖室的支撑撑压力。σTτ刀盘扭矩上升原理示意图ττττ开挖土体堵塞土舱示意图盾壳推力开挖面压力螺旋排土器螺旋输送机机是一个连连续工作的的系统，由由可旋转的的螺旋叶片片和静止螺螺旋叶片外外壳组成。。螺旋叶片一一般是装配配在旋转轴轴上，但也也可以设计计成没有中中心轴以便便在中心输输送较大的的石块。螺旋输送机机的驱动可可以布置在在中心(轴轴)或周向向边缘。中心驱驱动时时土料料从圆圆柱体体外壳壳的一一扇门门送出出，而而周向向边缘缘驱动动时，，土料料可以以从圆圆柱体体外壳壳的端端部送送出。。螺旋输输送机机的圆圆柱形形壳体体有一一段是是可以以伸缩缩的。