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2.土压平衡盾构与泥水平衡盾构的结构原理


2 土压平衡盾构与泥水平衡盾构的结构原理
傅德明 13901797066 demingfu@126.com 上海市土木工程学会 2011.5.21
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 图 1 土压盾构基本形状 口处的滑动闸门或旋转漏斗控制出土量, 确保掘削面稳定。 1.1.1 稳定掘削面的机理及种类 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。 1.1.1.1 粘性土层掘削面的稳定机理 因刀盘掘削下来的土体的粘结性受到破坏, 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。 1.1.1.2 砂质土层掘削面的稳定机理 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。

1.1.1.3 土压盾构的种类
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 稳定掘削面的措施 盾构名称 削土加压式盾构 ①面板一次挡土。 冲积粘土:粉土、粘土、砂质粉 适用土质

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②充满土舱内的掘削土的被动土压稳定掘削面。 ③ 螺旋输出机排土滑动闸门的控制作用 加水式土压盾构 ①面板一次挡土。 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。 高浓度泥水加压式 土压盾构 ①面板一次挡土。 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。 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。

土、砂质粘土、夹砂粉质粘土

含水砂砾层 亚粘土层

松软渗透系数大的含水砂层, 砂 砾层,易坍层

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
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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

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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

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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。
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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 砂土层 砂砾层 白色砂质沉积层 砂质粉土层 泥浆浓度(%) 15~30 30~50 20~30 5~15 使用量(l/m3) ≤300 ≤300 ≤200 ≤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:
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Q ? ?ANP
式中: Q ——排土量;

(1.1)

? ——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:

Pa+Pw ? P ? Pp ? Pw
式中: Pa ——主动土压力;

(1.2)

Pp ——被动土压力;
Pw ——地下水压力。
通常先根据地质勘测结果确定设定土压力 P0 ,同时制定土压的上、下限,其允许范围 为 ( P0 ? ?P) ~ ( P0 ? ?P)

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。

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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 掘削地层完全可以自立, 且 地下水少, 即使有少量地下 适应地层 涌水,也完全可以控制。多 数为硬岩层。 气压稳定式 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。 土舱内无需建立压力 ( 超过 系统参数设 定 大气压的压力 ) 。螺旋输土 机的转速可据出土状况设 定。 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。 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。 须往掘削面上的土舱内 添加发泡剂。 土压平衡稳定式 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。 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。 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。

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掘进速度

(8~12)cm/min 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。

(5~8)cm/min 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。

(2~5)cm/min 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。

注意事项

(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,
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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 ? 水 ? H ,而在盾构正面密封舱(即泥水压力室)底部的泥水压 力为 ? 泥 ? , 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 (H+?h) 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 ? 水 ? y ,泥水压力 。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 ?泥 (y+?h) 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。

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图 9 泥水加压盾构作用原理 表4 土 质 泥水容重参考值 KN/m3 1.03-1.05 1.03-1.05 1.05-1.06 1.07-1.10 1.08-1.12

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)

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, 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。 2.1.1.2 泥膜形成基本要素 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 5
表 5 泥水最大粒径与 K 值关系参表 土层名称 粗砂 中砂 地层渗透系数 k(cm/s) 1~9×10 1~9×10
1 0

泥水最大粒径(mm) 0.84-2 0.42-0.84

11

细砂 粉

1~9×10

-1~-2

0.074-0.42 < 0.074

1~9×10

3

(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。 2.1.1.3 掘进速度与泥膜的关系 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。

2.1.2

开挖面稳定的判断方法

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。 2.1.2.1 土砂量掘削控制 (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 ? Q1 ? (A ? VS+Q0 )
式中:

?q ——偏差流量(m3/min)

12

A ——盾构刀盘面积(m2)

VS ----推进速度(m/min) Q 0 ----进泥流量(m3/min)
Q1 -----排泥流量(m3/min)
上式变换可得到排泥流量计算式

Q1 ? (A ? VS+Q0 ) ? ?q
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,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。 2.1.2.3 溢水量检查 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水溢水量为
2 6.2 ? A(l / m 2 ? h) , A 为掘削断面积 m 。

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

6.2A(l / m 2 ? h) ,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 2~3 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。 2.1.2.4 地表沉降与信息反馈 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 10~20m、盾构 后 30~50m 轴线区域内的各沉降点进行监测。同时,也应对 30~50m 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。

13

2.1.3

适当土层范围

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。 2.1.3.1.粘性土层 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。 2.1.3.2.砂层 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 的松弛砂也很少有,由于砂层内摩擦角有许多是在 ? ? 28 左右、所以大部分可用泥水加压
0

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。 2.1.2.3.砾石层 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

14

有地下水可能涌出的场合下, 管片不再是不能进行拼装了。 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。 2.1.3.4.贝壳层 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。

15

表5
○原则上通用 盾构型式 条件 土 软弱粘性土 硬质粘性土 松弛砂质土 质 密实砂质土 砾石土 含漂砾土 泥岩层 对地质和地下水 的适应性 容易应付地质 的变化, 对于地 下水涌出和塌 方可预先采取 地基处理工法、 降低地下水位、 气压工法等措 施 基地 需要排放土砂 设备、竖井、器 材设备堆放场 地 开挖面障碍物 作业面多, 容易 处理卵石、 桩等 排出土方需要吊 装运输设备 . 废土 作为工业垃圾, 需 要进行处理 极难应付 . 但可改 为敞开型构造 . 对 于开挖面稳定的 处理工法可另行 安排 和手掘敞开型相 同 和手掘敞开型相 同 最适合于软弱粘 性土。粘土、粉砂 土在 70%以 上。 液 压 性 指 数 为 90-200。 粘聚力以 0.5km/cm
2

盾构选型参考表
半机械 密闭型 ○ 挖掘盾构 一般 机械挖掘机 泥水加压 ○ ○ ○ ○ ○ △ 几乎同手掘敞开 型盾构相同 ○ 几 乎 同 手掘敞开型盾 构类似. 并有利于开挖 面 的 稳 定和施工效率 的提高。 同样为稳定开 挖 而 需 兼用各种处理 工法措施 △ 对地质应付. 特别适于滞 水砂层和其它工法无法 对付的场合 很难处理砾石、漂 石 . 在非滞水处需要 加水加泥 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ △ ○ △ 土压系

△应用时需要探讨 手掘式盾构

敞开型

○ ○ ○ ○

为大致目标

和手掘敞开型相同

需要有设置泥水处理设 备用地

和密闭型相同

敞 开 型 时场地大容易 对付。 但密闭型时对开 挖面稳定要另行处理

因为是密闭型对开挖面 稳定的处理需要安排其 它工法

同泥水加压相同

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曲线施工

可以对前面开 挖面施工 . 也易 转弯

横向反力系数小 . 有时难转弯

和手掘敞开型相 同

采用中间折双双叠式、 超挖刀、 阻力板等措施

宛如在泥水中浮游的状 态,方向易保持 . 不需要 特别措施

和密闭型相同,曲线 段施工较难

施工速度

由于是人力掘 削, 所经施工速 度慢, 并且受后 方设备多的影 响, 必须进行充 分探讨

不需要掘削、 但工 期长, 由于呈泥土 化, 存在运输问题

掘削、堆放速度 快、 但受后方设备 左右

因为是机械掘削, 效率 高, 但和后方设备的平 衡至关重要

掘削效率高,搬运快,但 受处理设备左右

需要一般的机械掘 削和密闭型两方面 性能

作业环境

儿乎都带有气 压, 为高压下作 业,泥浆作业 多, 担心缺氧和 高压障碍

兼用气压少, 环境 好, 但泥浆作业和 手掘敞开式相同

和手掘敞开型相 同

和手掘敞开型相同

不需要气压,弃土呈流体 输送,所以场地大,安全 性能高,作业环境好。

不要气压但螺旋机 大, 泥浆多, 场地狭。 由于泥浆多存在安 全问题

施工管理

将遮板贯入土 体, 在它下面安 全掘削。 用活动 罩, 半月形面板 千斤顶进行挡 土, 盾构下部的 部分土留下挡 土、推进

适当地管理开口 率和推力。 谋求地 基的隆起、 沉降和 推力、 开口率的平 衡。 由于盾构周围 的土被扰动, 须要 作再注浆等处理

和手掘敞开型无 多大差异。 由于推 进快, 所以开挖面 敞开时间短

土 量 的 检查是依照泥 浆等

掘削土是由密度计、流量 计进行自动检查。自动操 作推力、扭矩。要进行泥 水压力、比重等管理,以 保证开挖面稳定。自动进 行进行泥水管理

要检查土量,进行对 土压和推力,掘削推 力和排土量等的管 理。检查扭矩

经济性

盾构价格较便 宜,但推进慢, 人工费高, 气压 及其它费用大

盾构价格便宜, 但 需要作泥土处理、 搬运、弃土,还需 要处理周围扰动

掘削机装备渣机 部分手掘式贵, 但 推进, 弃土同手掘 敞开型一样

盾 构 价 格是手掘敞开 型 2 倍经上, 但长距离 时是有利的, 作业人员 也少

盾构价格是机械盾构的 1.5 倍以上。 当距离有 1km 以上时,和共它工法无差 异

盾构比泥水加压更 贵,但处理设备少, 掘削土为泥土化,所 以需要处理费 、

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2.2 泥水盾构掘进工况 2.2.1 旋转刀盘
2.2.1.1 旋转刀盘的切削方式和构造形状 ①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

2.2.1.2 构造形状 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

18

图 13 中心周边支承方式

图 14 中心支承方式Ф 6.15m 泥水加压平衡盾构

图 15 中心支承方式Ф 10.02m 泥水加平衡盾构

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图 16 周边支承方式Ф 3.97m 泥水加压平衡盾构

图 17

周边支承方式Ф 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承方式使用。这两种支承方 式的主要特征比较如表 6 表6 旋转刀盘的两种支承方式比较
中心支承式 掘进时泥水室内的泥水状态 由于是属单板大刀盘形式、 上、 下 部泥水混合有困难, 所以上、 下部 的泥水比重不同 周边支撑式 由于大刀盘内侧有料斗, 能将下部 的土砂扬起,上下部泥水浓度相 同, 并高于送泥水浓度, 对开挖面 稳定有利 停止时泥水室内的泥水状态 从临近盾构顶部处送入泥水、 需防 止顶部土体塌方 由于送泥管位于中心部位, 顶部泥 水比重随时间推移而降低, 对稳定 不利 排泥水管堵塞 排泥水管易形面较陡坡度, 较易堵 塞 用搅拌机检测开挖面塌方 低速转动搅拌机, 通过力矩变化来 检测开挖面塌方情况 排除障碍物 盾构掘进机内有效空间小,困难 排泥水管在中心呈水平布置, 不易 堵塞 由于搅拌机靠近中心位置, 不能检 测 盾构掘进机内中心部位空间大, 可 以去除障碍物等

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砾石处理

盾构掘进机内设置砾石处理装置 有困难,设置在机外

可以在盾构掘进机内设置粉碎机, 滚动筛、铁栅筛等 构造上有困难

大刀盘滑板装置

因为是轴, 能安装大刀盘的滑板装 置,可根据土质作调节

粘性土的粘附

为使粘性土不致粘附在大刀盘上, 土易粘附在向上提升的叶片或料 可以安装高压水等冲水等冲洗装 置 斗上,须要考虑用送泥管等清洗

变换成机械掘削式盾构 转矩损失

难出土 由机械阻力(轴承,密封)损失的转 矩小

可以轻易地变更 由机械阻力损失的转矩大。 由泥水 压力产生的径向荷载大, 转动损耗 大

密封件寿命

因密封件滚动距离小,寿命长

因密封件滚距离大,寿命短

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。

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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 Uc1 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 表7 措施 泥水滞 留的处 理措施

防止洪积粘性土粘附的处理措施图 防止粘性土粘附的主要措施 期待效果 将送泥管分岔成多岐(小直径)的同时,使主管路的前 端分岐,通过加快流速来防止滞留 用固定翼来提高搅拌效果, 以防止中间梁和中心部的 泥水滞留

①在送泥管前端方向配置多岐管

②设置固定翼

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粘土粘 附处理 措施

③中间梁的形状

在使中间梁圆筒形状化的同时, 通过因偏心安装产生 的间隔扩大和废除中间环,来防止粘附的生长

④设置搅拌翼 ⑤设置球面型清洗管

在刀盘外周部设置搅拌翼,防止土仓外周部的粘附 在隔仓的外周部和中央部设置球面型清洗管, 用高压 喷射清洗去除粘附土

(3) 旋转刀盘主要构造

图 21

直径 11.22m 泥水加压平衡盾构大刀盘

① 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。 ② 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 9~41m,表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
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刀头(二次刀头)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

24

图 23

进洞时的面板状况

上行线

主刀

下行线 主刀

图标 24

刀头的磨损状况

③ 刀盘开口槽(进土开口部位) 刀盘开口率以下式表示:

ω=

AS Ar

式中:

ω——开口率
A S ——面板开口部分总面积(不包括刀头的投影面积)
A r ——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

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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。 ④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 图 25 挡板式开闭装置 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。

图 26

滑板式开闭装置

图 27 转板式开闭装置

·橡胶板压着式 橡胶板压着式是随着推进产生的压力使插入开挖面侧的橡胶板打开,若一旦将力释放,

26

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。 ⑤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。 ①中心支承式

T ? T1 ? T2 ? T3
式中: T1 ——-由土的切削削阻力产生的扭矩

T2 ——与土的摩擦阻力所产生的扭矩

T3 ——机械阻力产生的扭矩
②周边支承式 式中

T ? T1 ? T2 ? T3 ? T4+T5
T1 ——由土的切削阻力产生的扭矩 T2 ——与土的摩擦阻力所产生的扭矩

T3 ——机械阻力产生的扭矩
T4 ——机械阻力(径向荷载)产生的扭矩

T5 ——-密封阻力产生的扭矩
③经验公式

T ? ?D 3
27

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 0.9~1.1 周边支承式 1.0~1.5 不同土质的 ? 值(根据经验)见表 8。
表8 土质 根据不同土质的 ? 参数值 固结粉砂土、粘土 0.7~0.8 松弛砂 0.8~0.9 软弱粉砂土 0.6~0.7 0.8~1.0

泥岩、密实砾石

?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。

F ? (F1 ? F2 ? F3 ? F4 ) ? 2
式中: F1 ——土和盾构壳体的摩擦阻力-

F2 ——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)

F3 ——刀盘的剪切阻力
F4 ——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 100~120t/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。
28

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。 2.2.2 盾尾密封 盾尾密封是安装于盾构掘进机体尾部的内侧、 位于盾尾与管片之间、 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、刷子状及管子状等,见图 29。此外,盾尾衬垫是作 为盾尾密封来使用,一般将聚胺脂、海棉橡皮、稻草、回丝等塞入盾壳和管片的外面使用。 另一方面,贴在管片上的密封材料有丙烯系、硅树脂等各种材料,要根据现场条件选定。 比利时地铁盾构施工, 由德国巴德公司(Babe and Theelen) 研制的水力盾构采用了盾尾 密封装置。这种装置曾在长 800 m 的地下直线段施工中应用效果很好。自投入使用以来,一 直完好无损。但后来在曲线段施工时,还是损坏而更换了。其整个装置是由三角橡胶密封装 置、薄弹簧钢板及内圈充气密封三个部分组成,见图 30。 日本羽田隧道用泥水加压式盾构施工时也采用盾尾密封装置,是由 L 型密封和 U 型密 封两部分组成的双重密封结构,见图 31。当密封材料被磨损之后,先用空气使 U 型密封膨 胀起来,这时的外侧可以完全止水,于是可以更换盾尾的密封结构。

图 29

盾尾密封装置实例

图 31 日本羽田隧道泥水盾构盾尾密封装置 图 30 德国巴德公司盾尾密封装置 29

在高水压条件下盾尾防水密封技术是一个技术难题。 横穿日本东京湾的公路隧道采用泥 水加压平衡盾构施工, 管片外径为 13.9m, 承受水压约 0.6MPa, 单头掘进长度约 2300~2500m 在海底进行地中对接。 其盾尾防水密封考虑到这样长距离的掘进和在高水压下的海底施工条 件,配置了具有耐久性和耐压性的盾尾密封形状及材质。为了防止地下水、泥水及壁后注浆 浆液流到盾构掘进机内, 在盾尾部后端于盾壳和管片之间设置了 4 道盾尾密封, 并再加紧急 止水装置。每道盾尾密封是集弹簧钢板、钢丝刷及不锈钢金属于一体的结构。在弹簧钢板和 钢丝刷上涂氟树脂,进行防锈处理。此外,为了增加其抗水能力和钢丝刷的使用寿命,在相 邻钢丝刷之间的环形空间内注入略低于外界的盾尾密封油脂。 为了保持脂压力须及时补充油 脂,于是在盾尾上装有注油和管道,设置专用油泵不断注入油脂。此外,在长距离的掘进途 中, 为了对付在通过盾尾密封部时可能发生的大量漏水险情经及作为调换钢丝刷时的一种技 术措施,采取了紧急止水手段,安装紧急止水装置。其工作原理是从连接背面 (盾壳侧) 加 液压,使其膨胀,将密封呈入字形挤压在管片的外表面来确保止水性能的实现,见图 32。

图 32 盾尾密封

2.2.3

人孔闸和泥水管连接口

2.2.3.1 人孔闸 为了处理遇到的障碍物, 在大直径盾构中, 其隔墙上大都装有气压用人孔闸。 但是, 相对开挖面泥水室里的空间, 小部分的压气量是很难维持气压压力以及紧急场合下供避 难等使用。所以实用性不大。 2.2..3.2 进泥管和排泥管的连接口 进泥管和排泥管连接口安装在隔墙上。在中心支承方式中,设置在上部和下部,周 边支承式则设置在中心部。此外,还需要设置有发生堵塞时用的备用连接口。

2.2.4

搅拌装置

为了防止土砂在下部堆积, 在开挖面泥水室内装有搅拌机, 使所有泥水尽可能搅成 相同的比重是。 中心支承式泥水加压平衡盾构的搅拌机是安装在下部, 周边支承式泥水 加压平衡盾构是安装在中心部位。

2.2.5

动力设备和后方车架

泥水加压平衡盾构的推力比一般盾构大(一般盾构 80t/m2<泥水加压盾构 100~120 t/m2),其动力设备也大。一般安置在后方车架上,但也有设置在盾构掘进机内的。运转 时,它会产生较大的热量和噪音。 后方车架上除载有上述动力设备外,还装有变压器和壁后注浆脚手架。这些设备的 设置位置要注意不要妨碍盾构轴线测量。

30

泥水加压平衡盾构后方设备位置示意见图 33。

图 33

泥水加压平衡盾构后方设备图

泥水加压平衡盾构施工的地面设备布置示意,见图 34 吧。

图 35

泥水加压平衡盾构工法地面设备

2.2.6

砾石处理装置

泥水加压平衡盾构施工的地层中,若其大部分含有砾石,对此根据具体情况可选用下 列砾石处理措施: ·在泥水加压平衡盾构掘进机后面安装砾石处理装备 ·在泥水加压平衡盾构掘进机内部安装砾石处理装置 ·在泥水加压平衡盾构掘进机前部安装砾破碎装置 设在盾构掘进机体内的砾石处理装置种类,见表 9。 设在盾构掘进机体外的砾石处理装置种类,见表 10。
31

表9 构造

设在盾构掘进机体内的砾石处理装置种类 转筒筛方式 粉碎机方式 容器方式 旋转阀方式

转筒筛安装在盾构 掘进机体内

粉碎机安装在盾构 机体内,用以粉碎 粗大砾石

盾构机体内设置 了带有砾石筛选 机的容器

用筛选机取出通过旋 转法出来的粗大砾石

输送流程图

粗大砾石由转筒筛 分级,输送流程以 标准式为准

粗大栎石用粉碎机 粉碎,输送流程以 标准式为准 粗大砾石在容器 内被分级, 输送流 程以标准式为准

用筛选机取出粗大砾 石,输送流程按标准 型, 但由于中途是开放 的,故略度保复杂 要(几乎是要隧道内输 送,其规模较大) 不要 同左(实绩) 砾石φ 300×L500mm (盾构直径 2.9m) φ 2.5m (实绩ф 2.7m) 可

废渣搬出设备

要(只适合象砾石 那样的块状物) 人力 可处理相当大的块 状物 φ 4m 前后 不可

不要

要(只适合象砾石 那样的块状物) 人力 同左(实绩)砾石 φ 300×L520mm (盾构直径 2.9m)

砾石排出作业 可以处理的砾石 直径

不要 同左

可安装辅助设备 的盾构直径 与管片 拼装同时作业 其它

φ 3.5m (实绩ф 3.5m) 可

φ 2.5m (实绩ф 2.7m) 不可

·存在料斗内粘土 粘附问题

·粉碎后的砾石 对排泥泵、管路 磨损大
·因砾石的硬度等 而受到限制

· 存在料斗内粘土 粘附问题

·存在旋转阀的处 理量、砾石大小余 量的问题
·机械保养困难

表 10

设在盾构机体外的砾石处理装置种类 转筒筛方式 粉碎机方式

构造 在排泥管路中编入转筒筛将大

在排泥管中途安装粉碎机,经破碎粗大 砾石。粉碎机有钳口型和旋转型

32

砾石储放在旋转的内筒中

输送流程图 排砾管的直径是根据土体的粒 径而定的,并流体输送砾石,用 滚动筛分级。 分级后的砾石群由 排泥管输送到地面 废渣搬出设备 砾石排出作业 要 (只适合象砾石那样的块状物) 人力 可进行流体输送的直径 可以处理的砾石直径 (实绩) 8Bφ 150×L270 10Bφ 220×L300 可安装辅助设备的盾构直径 与管片拼装同时作业 其它 φ 2.5m (实绩φ 2.7m ) 可 ·设备简单且价格便宜

输送系统与滚动筛方式相同。用设置粉 碎机来取代转筒筛

不要 不要

同左 旋转型φ 2.5m (实绩φ 2.7m ) 钳口型φ 3.5m (实绩φ 3.5m ) 可 ·粉碎后的砾石对排泥泵、管路磨损大 ·因砾石的硬度等而受到限制

带有连续去除砾石装置的泥水加压平衡盾构掘进机见图 36。

图 36

带有连续去砾石装置的泥水加压平衡盾构掘进机

装有粉碎机的盾构掘进机见图 37。
33

图 38

装有粉碎机的盾构掘进机

带有取砾石装置的盾构掘进机(容器型)见图 39。 旋转阀盾构示意图见图 40。 水中粉碎机见图 41。 连续去除砾石动作原理见图 42。 圆盘滚刀盾构见图 43。

图 39

带有取砾石装置的盾构掘进机(容器型)

34

图 40 旋转阀盾构掘进机

·炉蓖——大直径砾石用钢筋拦取,经常取出; ·粉碎机——在泥水中破碎后直接输送到后方,见照片 4

图 41

水中粉碎机(盾构掘进机外)

图 42

连续去除砾石动作原理图

35

图 43

圆盘滚刀盾构(破碎砾石用)

(1) 在泥水加压平衡盾构机后面安装的砾石处理装置中有: ·转筒筛——砾石采入旋转笼,经常取出; ·旋流器——大直径砾石从下部取出; ·炉蓖——大直径砾石用铁筋拦取,经常取出; ·粉碎机——在泥水破碎后直接输送到后方,见图 44。 (2) 在泥水加压平衡盾构内部安装的砾石处理装置中有: ·转筒筛---装于开挖面泥水压力室: ·粉碎机---装于开挖面泥水压力室,粉碎机破碎砾石后,用管路送到地面;

图 44

水中粉粹机

·容器---装于开挖面水压室,其中放入砾石选择机,积满后取出; ·旋转阀---装于泥水压力室处,在不变动泥水压力的情况下连续取砾石。用于开挖 面砾石量较多的场合。 (3) 在泥水加压平衡盾构前部安装砾石粉碎装置: · 安装圆盘滚刀的泥水加压平衡盾构掘进机---在盾构前面刀盘上, 装有圆盘滚刀在前 面破碎砾石。 由于砾石直径、刀盘开口槽形状和开挖面稳定等有相互关联,在选择上述设备时,调 查和掌握砾石的大小、砾石量等是十分重要的。

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