土压平衡盾构机碴土改良技术及脱困处理

主讲：苏东中铁隧道股份有限公司土压平衡盾构机碴土改良技术

及脱困处理盾构机简介盾构机碴土改良之一泡沫系统盾构机碴土改良之二膨润土系统盾构机施工被困案例及对策2023/2/172内容提要目前，在国内外地下工程的施工中，机械设备的运用已经占了很大的比例，尤其是在城市地下交通运输工程的建设中更为明显，其中土压平衡盾构最为常见。土压平衡盾构机是一种用于软土隧道暗挖施工的隧道施工机械，能使隧道一次成形。其具有金属外壳，主机壳内装有主要掘进设备并配套帮助设备，在金属壳的掩护下进行土体开挖、土碴排运、整机推动和管片安装等作业。与传统的钻爆法相比，其具有对地质扰动小，施工沉降易限制，施工平安系统数高等优点，其缺点是：适应性有确定的局现性，特殊是在不良地质施工中，易发生堵仓、困刀盘，盾体等，处理时间较长，要求的技术施工人员具有较高的技术及管理水平。

2023/2/173土压平衡盾构机简介土压平衡盾构机二维图在土压平衡盾构的施工中，开挖的渣土不仅须要支撑掌子面的稳定，同时要便于传送，所以，渣土必需具有塑性变形，软稠度良好，内摩擦角及渗透率小的特性。一般土壤不具备这些特性，要进行改良。添加泡沫是一种很好的渣土改良手段，依据渣土状况、压力要求，通过一些元器件去实现加入量调整限制，再通过布设的管路输送到盾构机的刀盘、泥仓和螺旋输送机等工作部位对碴土进行改良。泡沫系统是土压平衡盾构机设备众多系统中的一个子系统，在刀盘、泥仓和螺旋输送机三个位置向盾构机开挖的渣土中喷入泡沫，从而达到改良渣土状态、便于渣土输送、改善盾构机掘进参数、提高盾构机掘进功效的目的。泡沫系统主要由泡沫箱、泡沫泵站、泡沫发生器、限制元件（电动调整阀、球阀等）、检测元件（流量计、传感器）、输送管路、喷头和限制系统（操作面板等）组成。泡沫系统在土压平衡式盾构机施工中的主要作用如下：2023/2/175泡沫系统简介1.削减盾构机机械的磨损。土压平衡式盾构机在摩擦性较大土体中掘进时，与土体发生作用的刀具极易磨损，通过在刀盘上注入泡沫材料，可以降低土体的摩擦性，减小刀具的磨损程度。2.调整土仓内土体塑性流淌性。土压平衡盾构法掘进过程中，土仓内土体性质如何，将干脆影响盾构的顺当掘进，切削后的渣土具有良好的塑性流淌性，不但能够使开挖面维持较好的支护压力，而且能保证排土顺当进行。2023/2/176泡沫系统简介在盾构掘进中，由于地层的变更，未经处理进入土仓土体通常难以获得希望的塑性流淌性，因此土仓内简洁发生“泥饼”、“堵塞”等问题，严峻影响掘进效率。泡沫的注入可以有效解决上述问题。3.降低渣土的透水性。土压平衡盾构机在强透水层施工时，刀盘开挖面上部地层水，由于底部受到破坏会经过螺旋输送机输出口大量流出，严峻时会发生喷涌，影响掘进的顺当进行，注入泡沫可以有效降低渣土的渗透性，有效防止掘进中喷涌的发生。4.有效降低刀盘扭矩，防止机器能耗过高发热而发生故障。泡沫系统简介盾构机刀盘喷出的泡沫泡沫系统简介国内、外探讨现状国外对土压平衡盾构机的运用比较早，对泡沫系统在改良渣土、提高盾构机掘进效率方面的作用已经有特殊深化的相识，国外在这方面的探讨已经特殊成熟，并且已成功地运用到盾构机的配套系统中。目前，只要用户依据工程具体地质状况向盾构机厂家提出要求，厂家都可以依据要求进行泡沫系统的生产并配套于盾构机制造中。国内90年头末，我国逐步引进国外盾构机时，由于国内对泡沫系统的探讨和制造还处在初级阶段，一些盾构机制造厂家对泡沫系统的认知和理解不够深化，认为泡沫系统只是盾构机的一个帮助系统，可有可无，有些泡沫系统作为盾构机一个标准配置进口到国内，被闲置起来；其次，国内一些施工单位单方面认为加注泡沫会增加工程成本，不配置泡沫系统，或者配置后也很少运用。近几年，随着国内修建地铁的城市渐渐增多，盾构机的运用也日趋普遍，因为没有很好的运用泡沫系统，在一些地层条件下，盾构机频繁出现堵仓、刀盘被卡、刀具异样损坏、喷涌、地表沉降、掘进效率降低等问题。众多问题的出现使得人们重新相识到泡沫系统和渣土改良的重要性。现在，盾构机配置、运用泡沫系统日益普遍。国内外盾构机泡沫系统的运用对比表序号盾构名称注水加泥注入泡沫使用时间1德国海瑞克公司-S195有有有，泡沫泵5～300

L/min,0.75KW，水泵133L/min1997.62上海地铁盾构设备有限公司1～9＃盾构有，30KW，15m3/min有有2002.43上海地铁盾构设备有限公司11～14＃盾构有有，11KW,0.2m3/min无，加泥系统可用于注入泡沫，但不包括泡沫发生装置2002.44上海地铁盾构设备有限公司-ERP有，30KW，15m3/min有有2003.115日本小松盾构（TM634PSX）有，170L/min，15kW有，泵流量170L/min,功率15KW,数量2套，容量6.8m3有，泡沫泵5L/min,0.75KW，水泵133L/min,1.5kW2006.6国内、外探讨现状二、泡沫剂的应用探讨泡沫的形成原理土压平衡盾构机泡沫剂运用状况效用分析泡沫剂与其它土质改良剂对比 泡沫剂添加位置运用泡沫剂的优缺点

泡沫的形成原理形成原理：当气体通过筛板上流淌的液层时，一般可以视察到由“气”与“液”两相所形成的分散系统。当气体速度在足够大的范围内变动时，这种分散系统可分为三个组成部分，如图2-1所示：A为鼓泡层，B为泡沫层，C为溅沫层。最下一层主要由单个气泡分散在液相中形成，即在该层中所含气体不多，而以液体为主，一般称它为鼓泡层。随着上升气体速度增加，这一层的厚度就渐渐降低。在某些状况下，当气体速度达到相当大时，这一层几乎会消逝。鼓泡层上面的一层为泡沫层，它是一种膜状的分散系统，是由通过液层的气流，以液膜相互分开的气泡所组成。当上升气流停止时，这一泡沫层几乎很快地消逝，因此一般称它为运动状的泡沫层。在泡沫层的上部有大量的液滴悬浮在气流中，这一层称之为溅沫层。它在气体流速较大或液层较薄时尤为显著。

当气体流速小到确定值时，气液分散系统中以鼓泡层为主。随着气体流速的增大，该层的厚度就相应地减小，而泡沫层的厚度却随之增如，此时形成一种运动很小的蜂巢状结构的泡沫。若“气”与“液”流速再增加，泡沫中的气泡将变小，而它的运动性却增加。当气体流速再接着增加时，泡沫层的厚度又随着气体流速的增加而增高，同时运动很小的蜂巢状结构的泡沫层亦渐渐变成为扰动状较大的气泡的泡沫层，即我们所须要的泡沫。若气体流速再增加，泡沫层就被破坏而转变成以大量的溅沫层为主。泡沫的形成原理泡沫混合土的特性：泡沫应用于盾构掘进工程中时，其作用的发挥是通过与土体结合而体现出来的，所以对泡沫的分析侧重于其与开挖面切削土体混合后的性质，即泡沫混合土性质，主要分为：1.泡沫混合土渗透性2.泡沫用于增加土体塑性流淌性3.泡沫用于降低土体的黏附性土压平衡盾构机泡沫剂运用状况效用分析泡沫剂与其它土质改良剂对比粘土、膨润土泡沫剂高吸水性树脂增粘剂概要利用添加的胶质减摩效果，使开挖土塑性流动。将粘土、膨润土稀浆和开挖土拌和，以减少渗透系数，达到止水效果。利用微细泡沫的润滑效果使开挖土塑性流动。通过将泡沫均匀混合来止水。将球状高吸水性树脂的水溶液与开挖土混合，使开挖土流动。利用高吸水性树脂的吸水能力和供水产生的膨胀压力间隙,达到止水目的。注入粘稠、保水性好的增粘材料使开挖土流动使用材料粘土膨润土特殊气泡剂泡沫外加剂特殊灭泡剂灭泡外加剂粘土系列外加剂高吸水性树脂增粘剂特性pH：7.5~10.0相对密度：1.2~1.45粘度：2000~10000CPpH：7.3~8.0相对密度：1.0粘度：3~200CPpH：8.0相对密度：1.0粘度：700~2000CPpH：

6.5~8.0相对密度：1.0粘度：500~15000CP适用地层砂～砂砾粘土～粉细砂固结粘土～砂砾粗土～粗砂特征使用最普通的添加材料，便宜，应用实例也多，但制泥和输送设备必须有大的空间在砂砾层大多同时使用粘土和膨润土在粘性软土层有时会因粘土变硬而出现堵赛，若地下水中有大量阳离子，吸水性可能发生变化停止开挖时，有时会因增粘剂的粘性降低而发生堵塞泡沫剂添加位置泡沫的添加位置如图2-2所示。泥仓刀盘螺旋输送机运用泡沫剂的优缺点优点：科学应用泡沫剂做到适时、适量的注入泡沫剂，能有效的改善土压平衡式盾构土仓内土体的状态，使“结泥饼”、“堵塞”、“喷涌”等问题少发生或不发生；土体不易固结排水；土体处于较志向塑性流淌状态；土体具有较低的透水性缺点：泡沫应用于盾构施工中有着不同的目的，所以对泡沫剂优劣性判定不易驾驭，需结合工程运用泡沫的目的而言。同时泡沫性能的发挥是与原状土体的性质亲密相关的，所以推断泡沫效果应当考虑所应用的土质参数，同样的泡沫对不同的土质会产生不同的泡沫混合土特性，但地质参数由于千变万化不能一一对应，运用量不易把控。三、泡沫系统设计原理图总体设计 动力单元 管路单元 限制单元 原理图总体设计土压平衡盾构机泡沫系统设计思路主要是：把泡沫原液与水混合，加上确定压力与流量的空气，在泡沫发生器中混合最终形成泡沫（见图3-1），通过管路输送到刀盘、泥仓、螺旋输送机内进行碴土改良（见图2-2），依据渣土状况、压力要求调整限制加入量。泡沫系统主要由动力原件、管路元件、限制单元组成，原理图总体设计。图3-1泡沫系统原理简图原理图总体设计原理（见如上图）：水泵303经过由盾构机水系统供应的水源，经过减压阀304向主管路供水，另一路由泡沫泵311将泡沫罐里的泡沫剂通过单向阀7向主管路泵送泡沫剂，由于水与泡沫剂输出为同一根管路，二者按确定的比例混合后分四路通过单向阀12，向四个主管路输送，同时由隧道内空压机供应的空气经滤清器16进入到四个主管路上，此时由水、气、泡沫剂组成的三路不同物质通过管路在泡沫发生器7内混合，经过精密限制比例后，达到最佳的发泡效果向刀盘（d1～d8）、土仓内(q1～q4)、螺旋输送机内供送泡沫,以改良盾构机内的土质，由螺旋输送机输入，经皮带机、碴车运输到洞外进行二次处理。原理图总体设计动力单元

泡沫供应（见图3-2）：在这个单元泡沫原液通过球阀311到泡沫泵，从泵出来后：一路通过溢流阀312回到泡沫原液罐用来疼惜泡沫泵和系统平安；一路进入主回路；用水供应（见图3-2）：由水系统供应水源，通过球阀302和压力开关301进入水泵303。其中当压力开关301压力低于0.5bar是说明水泵进水不足，水泵停止运行。从水泵出来后通过减压阀304分成两路：一路通过电磁换向阀305、节流口306、单向阀307到膨润土罐，这一路有两个作用，一是调整泡沫的水量，二是调整膨润土的浓度；一路通过单向阀313与泡沫主回路混合，在单向阀与混合之前装有流量传感器308和压力表317，流量传感器在这里起到很重要的作用，由它测出水的流量反馈到PLC,再由PLC限制泡沫泵的流量，使泡沫原液与水的比例保持在3：97左右。图3-2动力单元原理图管路单元

泡沫主管路与供水系统混合后分成四路形成泡沫混合液通过管道输送出去，分成四路供到注入点（见图3-3），每路在与压缩空气混合前分别安装了单向阀12、球阀11、电动调整阀10、流量传感器9、压力表8然后与压缩空气混合后通过泡沫发生器，再通过单向阀1，在管路上面安装了压力传感器6，然后泡沫通过管路到各个注射点。泡沫注入点数量：8个（刀盘）+4个（土仓）+6个（螺旋输送机）=18个，泡沫发生器数量：4个。图3-3管路单元原理图限制单元泡沫混合液和压缩空气的流量，由流量传感器进行检测，PLC限制电控阀门的开度，得到最佳的混合比例（见附录泡沫系统原理图）。泡沫发生器出来的泡沫压力由压力传感器进行检测，反馈到PLC，使泡沫的注入压力低于设定的土压力。注入量的限制是通过电动球阀的开度实现的，实际的流量是通过流量计检测反馈到PLC，这样可以调整到须要的流量；假如不须要注入泡沫，而仅须要注入水，可以有两种方式：一是限制室干脆操作，但须要将泡沫的添加量设定为“0”；二是在盾构内打开阀门24，通过气动球阀4向泥仓、螺旋输送机和刀盘供水。泡沫泵站的限制:为了达到确定的泡沫原液与水的混合比例，须要水泵与泡沫泵建立关系，如图：3-4。图3-4水泵与泡沫泵关系图限制单元不同地层中泡沫剂的用量No土层用量(泡沫用量/开挖土体)1砂性土30~50%2砂和砾石性土25~35%3砂、黏土混合物25~30%4硬黏土20~35%5软黏土20%6岩石90~100%工程应用案例

工程应用试验案例我公司曾在北京地铁10号线12标项目施工时，分别对泡沫添加前后作了试验性对比，该项目地层主要以粉细砂层、卵石为主，且地下水丰富。盾构机在富水粉细砂层中掘进，假如不进行有效的渣土改良，很简洁造成喷涌。如下图所示为本项目在没有运用泡沫系统进行渣土改良的状况下，在盾构机下部发生喷涌的状况。工程应用试验没有运用泡沫系统进行渣土改良的状况工程应用试验运用泡沫系统进行渣土改良后为运用泡沫系统进行渣土改良后，在拖车尾部皮带机卸渣口处渣子的状态。图5-23所示为未加入泡沫和加入泡沫后渣土在自由状态下的对比照片。从泡沫系统运用前后盾构机的出渣状态以及渣子在自由状态下对比，可以充分说明泡沫对渣土的改良效果是特殊明显的，加入泡沫改善了渣土的塑性状态和粘稠度，使得切削后的渣土具有良好的塑性流淌性，同时，泡沫可以有效降低渣土的渗透性，有效防止掘进中喷涌的发生，削减地表沉降运用泡沫系统进行渣土改良后工程应用试验地质状况及泡沫消耗量环号地质情况每环消耗量（Kg）578粉细砂层28.5579粉细砂层26560粉细砂层27561粉细砂层29562粉细砂层28563粉细砂层30564粉细砂层31.5565粉细砂层28566粉细砂层29.3567粉细砂层30.2工程应用试验泡沫运用前后掘进参数的对比掘进参数加泡沫前加泡沫后刀盘扭矩mm土仓压力0.23bar0.19bar刀盘转速0.6rpm0.8rpm渣土温度57℃36℃掘进速度11mm/min28mm/min总推力2632t2145t地质情况粉细砂层粉细砂层工程应用试验从表可以看出，盾构机在泡沫系统运用前后掘进参数发生了明显变更：刀盘扭矩和渣土温度明显降低，接受较低的刀盘转速便可以获得较高的掘进速度，而且所需的总推力更小，说明在运用泡沫系统后，有效降低了切削渣土的内摩擦力，改善了渣土状态；土仓压力降低说明同等地质条件下，降低了堵仓风险；总推力减小、掘进速度提高说明渣土改良后，盾构机可掘性提高，效率提高。工程最终应用试验结果从工程应用结果看，泡沫系统运用后首先是渣土改良方面效果明显，有效降低了喷涌的发生；其次在于盾构机掘进参数的改善，在同样的地质条件下，加入泡沫后只须要较小的推力和较低的刀盘转速，就获得了更高的掘进速度，刀盘扭矩的降低使得盾构机投入的功率更小，有效降低了堵仓和卡刀盘状况的发生，碴土温度降低说明减小了渣土和刀盘刀具、螺旋输送机的摩擦，延长了刀具和螺旋输送机的运用寿命。对工程总体限制而言，有效的保持了土仓的压力，提高了盾构机的掘进功效，在防止工程地表沉降方面达到了很好的效果，实现了泡沫系统的作用。所以从以上运用状况看，研制的泡沫系统在盾构机上的运用是成功的，达到了泡沫系统应有的改良渣土的效果，提高了盾构机掘进功效。碴土改良之二膨润土膨润土(Bentonite)按译音,是以蒙脱石为主的含水粘土矿,蒙脱石的化学成分为:（Al2,Mg3）[Si4O10][OH]2•nH2O,由于它具有特殊的性质。如:膨润性、粘结性、吸附性、催化性、触变性、悬浮性以及阳离子交换性等等,所以广泛用于各个工业领域。国外已在工农业生产24领域100多个部门中应用,有300多个产品,因而人们称之为“万能土”。膨润土的用途蒙脱石有吸附性和阳离子交换性能，可用于除去食油的毒素、汽油和煤油的净化、废水处理；由于有很好的吸水膨胀性能以及分散和悬浮及造浆性，因此用于钻井泥浆、阻燃（悬浮灭火）；还可在造纸工业中做填料，可优化涂料的性能如附着力、遮盖力、耐水性、耐洗刷性等；由于有很好的粘结力，可代替淀粉用于纺织工业中的纱线上浆既节粮，又不起毛，桨后还不发出异味等等。膨润土的分类膨润土的分类：膨润土的层间阳离子种类确定膨润土的类型，层间阳离子为Na+时称钠基膨润土;层间阳离子为Ca+时称钙基膨润土;层间阳离子为H+时称氢基膨润土(活性白土);层间阳离子为有机阳离子时称有机膨润土膨润土的特性膨润土的性质：膨润土具有很强的吸湿性，能吸附相当于自身体积8一20倍的水而膨胀至30倍;在水介质中能分散呈胶体悬浮液，并具有确定的粘滞性、触变性和润滑性，它和泥沙等的掺和物具有可塑性和粘结性，有较强的阳离子交换实力和吸附实力。添加膨润土的缘由（1）可变更渣土流淌性增加，粘稠度降低，渗透性降低；（2）降低刀盘和土仓粘住和堵塞的风险；（3）增加盾构机在EPB模式下的压力稳定性；（4）降低刀盘和螺旋输送机的驱动力矩，更经济；（5）降低刀盘和螺旋输送机的功率损耗。

添加的膨润土添加膨润土的目的在盾构施工中，由于地质缘由在掘进时随着含砂量的增加，加水就显得不够，因为它不能减小内摩擦。增大的渗透性必需解决好螺旋输送机的密封问题。细土粒含量的缺乏可以通过加入粘土和膨润土悬浮液来补偿。这样孔隙里的水就可以通过膨胀的悬浮液限制，挖出的土料便可变成流淌性很好、渗透性降低的可塑性土浆。

膨润土注入系统原理图在添加膨润土时要视察泵出口压力，压力过高有可能管路堵塞，压力过低，有可能需能更换耐磨管。添加膨润土时阅历

1.软管泵在软管上定期涂抹白油；

2.检查膨润土管路，清理管路的弯道和阀门部位，防止堵塞。3.检查流量计和压力传感器。4.定期清理膨润土箱和液位传感器。保养方法盾构机常见被困的案例分析刀盘被困盾体被困盾尾被困类型表现