《泥水盾构工法》PPT课件.ppt

如前如述 全敞开式盾构工法较适于掘削能自立的地层 挤压盾构易引起地层隆沉 且仅适于软土地层 而泥水盾构则克服了以上弊病 泥水 加压 盾构主要用于软土隧道施工 是应用封闭型平衡原理进行开挖的新型盾构 用泥浆代替气压支护开挖面土层 施工质量好 效率高 技术先进 安全可靠 应用较广 1概述 它靠盾构机的推进力使泥水 水 粘土及添加剂的混合物 充满封闭式盾构的密封舱 也称泥水舱 并对掘削面上的土体施加一定的压力 称为泥水压力 通常该压力大于地层的地下水压 土压 所以尽管盾构刀盘掘削地层 但地层不会坍落 处于稳定状态 刀盘掘削下来的土砂进入泥水舱 经设置在舱内的搅拌装置拌和后成为含掘削土砂的高浓度泥水 再经泥浆泵将其泵送到地表的泥水分离系统 待土 水分离后 再把滤除掘削土砂的泥水重新压送回泥水舱 如此不断循环实现掘削 排土 推进 因靠泥水压力使掘削面稳定 故得名泥水加压盾构 应当指出 除加压泥水是确保泥水盾构掘削面稳定的主要因素外 盾构刀盘面板对掘削面上的土体的支承作用也是稳定掘削面的重要因素 泥水加压盾构需要一套较复杂的泥水处理设备 投资较大 施工占地面积较大 在城市市区施工 有一定困难 故大多数工程都选用土压平衡盾构施工 然而在某些特定条件下的工程 如在大量含水砂砾层 无粘聚力 极不稳定土层和覆土浅的工程 以及超大直径盾构和对地面变形要求特别高的地区施工 泥水加压盾构就能显示其优越性 另外对某些施工场地较宽敞 有丰富的水源和较好泥浆排放条件或泥浆仅需进行沉淀处理排放的工程 可大幅度降低施工费用 掘进面通过泥水及泥水压保持稳定 能够将对地面的影响控制在最小程度 对于掘进面水压可用泥水压抗衡 在高水压地层 横贯海底 河川工程及大深度施工等 工程中发挥威力 该系统是以流体输送方式进行排土 可保持坑内作业环境良好 便于利用长距离施工的系统实现长距离施工 盾构通过前后初期沉降和后期沉降等不同时期的沉降及比率 采用泥水式盾构机进行施工的隧洞工程都说明它是一种低沉降及安全的施工方法 在稳定的地层中其优点更加明显 泥水式盾构机适用于各种松散地层 软土层 有无地下水 高水压地层 均可 从挖掘到排土的过程中 由于掘进面和机内及坑内均被完全隔离 因此坑内的作业环境良好 且挖掘和排土系统化 是适应自动化操作的结构 此外 通过装备滚刀钻头及砂砾处理装置等 可广泛用于各类土质 2 1基本构造 2基本构造与工作原理 泥水加压盾构的基本构造简图 1 刀盘2 盾壳3 盾构千斤顶4 刀盘传动液压马达5 盾尾密封6 密封隔板7 中心轴密封8 密封泥水舱9 搅拌机10 管片拚装机 主要由盾壳 刀盘 密封泥水舱 盾构干斤顶 管片拚装机以及盾尾密封装置等组成 概括地说 泥水加压盾构是在盾构前部增设一道密封隔舱板 把盾构开挖面与盾构后面和隧道空间截然分开 使密封隔舱板与开挖面土层之间形成密封泥水舱 在泥水舱内充以压力泥浆 刀盘浸没在泥水舱中工作 由刀盘开挖下的泥土进入泥水舱后 经刀盘切削搅拌和搅拌机搅拌后形成稠泥浆稠泥浆通过管道排送到地面 排出的泥浆作分离处理 排除土碴 对余下的浆液进行粘度 比重调整 重新送入盾构密封泥水舱循环使用 泥水盾构设有掘进管理 泥水输送 泥水分离和同步注浆系统 掘进管理和姿态自动计测系统能及时反映盾构开挖面水压 送泥流量 排泥流量 送泥密度 排泥密度 千斤顶顶力和行程 刀盘扭矩 盾构姿态 注浆量和压力等参数 便于准确设定和调整各类参数 泥水输送系统和泥水处理系统 2 2工作原理泥水加压盾构是利用向密封泥水舱中输入压力泥浆 利用掘进面泥水压和外水压力及土压抗衡 从而支护开挖面土层 使掘进面因泥水 弱透水性泥膜 的被膜效果而稳定使盾构施工在开挖面土层十分稳定的条件下向前掘进 从而大大地提高了隧道施工质量和施工效率 同时 控制开挖面变形和地基沉降 开挖面泥水压力支撑示意图泥浆的主要功用有以下三点 1 利用泥浆静压力平衡开挖面土层水土压力 2 在开挖面土层表面 形成一层不透水泥膜 使泥浆压力发挥有效的支护作用 3 泥浆中细微粘粒在极短时间内渗入土层一定深度 进一步改善土层承压能力 输入盾构的泥浆必须具有适当的粘度和比重 泥浆压力要保持高于土层地下水压0 02MPa左右 泥水式盾构工作原理 在开挖面上 随着加压后的泥水不断渗入土体 泥水中的砂土颗粒填入土体孔隙中 可形成渗透系数非常小的泥膜 膨润土悬浮液支撑时形成一滤饼层 而且 由于泥膜形成后减小了开挖面的压力损失 泥水压力可有效地作用于开挖面 从而可防止开挖面的变形和崩塌 并确保开挖面的稳定 因此 在泥水式盾构机施工中 控制泥水压力和控制泥水质量是两个重要的课题 为了保持开挖面稳定 必须可靠而迅速地形成泥膜 以使压力有效地作用于开挖面 为此 泥水应具有以下特性 1 泥水的密度为保持开挖面的稳定 即把开挖面的变形控制到最小限度 泥水密度应比较高 从理论上讲 泥水密度最好能达到开挖土体的密度 但是 大密度的泥水会引起泥浆泵超负荷运转以及泥水处理困难 而小密度的泥水虽可减轻泥浆泵的负荷 但因泥粒渗走量增加 泥膜形成慢 对开挖面稳定不利 因此 在选定泥水密度时 必须充分考虑土体的地层结构 在保证开挖面的稳定的同时也要考虑设备能力 2 含砂量在强透水性土体中 泥膜形成的快慢与掺入泥水中砂粒的最大粒径以及含砂量 砂粒重 粘土颗粒重 有密切的关系砂粒具有填堵土体孔隙的作用 为了充分发挥这一作用 砂粒的粒径应比土体孔隙大而且含量适中 3 泥水的粘性泥水必须具有适当的粘性 以收到以下效果 防止泥水中的粘土 砂粒在泥水室内的沉积 保持开挖面稳定 提高粘性 增大阻力防止逸泥 使开挖下来的弃土以流体输送 经后处理设备滤除废渣 将泥水分离 总之 土体一经盾构机开挖 其原有的应力即被释放 并将产生向应力释放面的变形 此时 为控制地基沉降 保持开挖面稳定 必须向开挖面施加一个相当于释放应力大小的力 泥水式盾构机中由泥水压力来抵消开挖面的释放应力 在决定泥水压力时主要要考虑开挖面的水压力 土压力以及预留压力 在泥水式盾构机中支护开挖面的液体同时又作为运输介质 开挖工具开挖的土料在开挖室中与支护液混合 然后 开挖土料与悬浮液的混合物被泵送到地面 在地面的筛分场中支护液与土料分离 随后 如需要 添加新的膨润土 再将此液体泵回隧洞开挖面 泥水式盾构机的主要弊病是筛分场 场地及能源需要 环境污染 和排出膨润土液中包含的不可分离细料所引起的困难 与其他系统相比 经济地运用泥水式盾构机主要取决于泥水悬浮液分离的要求及地层的渗透性和悬浮液的成分 几种不同形式的泥水式盾构机 1 泥水盾构 日本体系 日本泥水盾构流体动力学的发展以及它们大量应用是由于日本沿海城市的地质特征 经常是水平层理并由江河及大海沉积物形成 泥水盾构是为在砂土及淤泥中应用而设计的 在很粘的粘土中应用受到限制 会导致孔口的堵塞 密实的卵石层则需要增加力矩克服作用于刀盘上的摩擦力 在小直径机器中由于增加力矩而考虑设置相应的驱动装置就非常困难 泥水盾构的主要特征是支护液的类型 正常时是粘土悬浮液 刀盘设计及控制支护液压力的方法 泥水盾构的刀盘是扁平设计的 而且几乎是封闭的 也能提供机械的开挖面支撑 为搬掉障碍物等 通往隧洞开挖面的通道只能经过几个开口 它们在运行时是被封闭的 通常刀具及齿具均为双排幅射布置 刀盘可在任一方向转动 土料经过窄长而平行的刀盘面开口进入开挖室 这些开口被调整到既能通过尽可能大的土石块 又能限制水力输运管道所不能通过的块体 根据所需的扭矩 切削刀盘采用中心轴形式 鼓型或中心锥型设计 支护液从开挖室的上部添加 土料与悬浮液的混合液由底部靠近搅拌器的地方排出 安装搅拌器是为了防止沉淀以产生均匀的输送介质 在泥水盾构中 隧洞开挖面支护压力直接受开挖室中添加或排出泥水的影响 支护压力 在开挖室及输入泥水管中用压力传感器测量 并与计算出的支护压力的理论值相比较 悬浮液回路中的泵与阀也用同样的方法予以控制 因为不可能看到隧洞开挖面的变化 稳定性只能在理论的及当前的开挖量之间用质量进行比较 当前的开挖量由测量支护液的密度得出 理论开挖量则参考比重 结实性及孔隙的份额等得出 这些值是在最初岩心钻的基础上取得的 盾构机掘进时的所有调控功能都取自地面的中央处理装置 虽然在中央处理装置中 大量的数据都可收集 测定并看到 但盾构机中的操作人员仍是需要的 在难对付的情况下也要人工干预 2 水力盾构 欧洲体系 与日本的地质条件相比 在欧洲则不同地点差异很大 因而水力盾构的基本原理对地质的适用范围就更灵活 水力盾构适于所有松散地层 如加装另外的装置还能用于岩层 水力盾构很突出的部分是用沉浸墙隔离开挖室 在液体支护的隧洞开挖面附近 支护压力由后腔的气囊调整 以及有单独固定幅条的开式星型刀盘 另外不同于日本泥水盾构的是采用水 膨润土悬浮液 这更适合欧洲的地质情况 采用膨润土与在隧洞开挖面形成滤饼是相联系的 所以此型盾构也称之为膨润土盾构 水力盾构系统最重要的优点是通过气囊调节支护压力 泥水回路中悬浮液的量的变化不会改变支护压力的大小 比如 当掘进通过断层带 支护悬浮液可能会突然损失 但隧洞开挖面上的支护压力不会损失 通过布置在盾构顶部的压缩空气闸室以及穿过气囊及沉浸墙进入开挖室 这比日本的泥水盾构容易搬掉障碍物 为了搬掉障碍物或在刀盘上进行修理及维护工作 开挖室中的悬浮液可以被排出并由压缩空气取代 悬浮液在开挖面处形成的滤饼或泥膜层及其密封效应 使得可以单独用压缩空气支护隧洞开挖面 当与空气接触时 膨润土饼层会减薄 为了限制漏气 应每隔一段时间对膨润土饼层进行更新 如向隧洞开挖面喷射膨润土或将膨润土液满溢开挖室 3 混合型盾构中的水力盾构形式在水力盾构基本概念的基础上 欧洲人设计了一种根据地质变化情况而进行开挖面支撑方式转换的混合型盾构 混合型盾构可转变成泥水模式 土压平衡及压缩空气模式等 在盾构机运行过程中根据需要可以完成从一种模式到另一种模式的转换 因而其应用范围较广 在已有的混合型盾构的工程应用例子当中 大多数都是运行在水力盾构模式下而无需转换到别的模式 所以也习惯地将它们归类为或称之为水力盾构 4 悬臂刀头式泥水盾构它是泥水支撑和部分断面开挖的组合 可伸缩的刀头悬臂装在密封承压隔板中部 当绞刀头接触到岩土层时 通过人工或自动控制操作进行开挖面开挖动作 开挖出的土料通过刀头的开口及悬臂内管道以泥水状态输出 刀头的开口尺寸与泥水输出管道尺寸相匹配 不适于管道输送的较大尺寸土石块被刀头开口阻挡 如必须进入开挖室进行修理工作或搬掉障碍物时 可以部分或全部地降低悬浮液或用压缩空气进行置换 适用的地质范围与水力盾构一样 在开挖室沿盾壳内侧布置多个可单独进行液压控制的支撑胸板 当胸板被顶推起来时可在盾构前方将其封闭 盾构底拱设有一石料闸室 直径小于500mm的石头无需进入开挖室区域即可搬除 此盾构机运行时的特点是对膨润土悬浮液支撑压力的调整及控制 停机时 调整控制压力有如水力盾构 即用气垫 气囊 和气舱 而运行时压力控制则有如泥水盾构 通过泥水输入输出泵的自动控制进行调节 为此 开挖室内悬浮液的压力通过压力传感器监测 然后与计算参考值比较并作相应改变 5 用于顶管的泥水式盾构a 用于顶管的水力盾构其目的是设计一种刀盘外径在2m以下适于各种松散并承水地层中顶管的盾构机 以把水力盾构原理的优点用于小直径隧洞 经承压隔板通往开挖室 采用净宽为800mm的圆型闭锁门 承压隔板处无空间用于刀盘驱动装置 所以把它置于沉浸墙 这样驱动装置便在支撑悬浮液中运转 所有后部闸门都设计成能保证可更换被损坏的驱动装置的最小的尺寸 由刀盘作用于驱动轴的力应特别考虑 翻转力矩及横向力与扭矩有关 此扭矩应能通过驱动装置发生的最大液压力加以控制 沉浸墙也应承受刀盘上增加的轴向力 由推进力产生的纵向力可以用沉浸墙的弹性弯曲来测量并控制 到目前为止已有的这类盾构的直径从1 96m到3 6m 然而 从采用齿轮马达的经济性考虑 盾构直径只能到2 6m 因为更大直径的盾构需要几个驱动装置单元 b 水力喷射盾构水力喷射盾构也是Wayss Freytag开发的 并于1979年获得专利 它是基于这样一个现实 即近地面的隧洞工程常常会遇到很多的障碍物 由于很多天然的及人为的障碍物 其形式及材料均不同 如树根 基础 石头及桩柱等 全部机械化的隧洞工程要求多用途及适用的开挖机具 那样可能很贵 对于不大的隧洞工程 不宜使用全机械化的盾构 而适用在水力盾构的基础上开发水力开挖的水力喷射盾构 用切割轮代替机械开挖 使地层开挖在开挖室中通过有目标的液体喷射进行 省略布置在中心的驱动装置 允许小直径机器通往隧洞工作面 人工开挖并搬动障碍物 可在任意时间进行 使水力喷射盾构成为一种灵活的办法 其地质的适用范围与惯用的水力盾构一样 然而 密实的及坚硬的地层限制了它的适用范围 粘性的地层虽然负载压力一样 但只允许低进尺 喷嘴布置在盾构轴线侧面的切割边缘内 使喷射直接影响的范围在盾壳的里面 喷嘴摇摆的直径约为10 24mm 压力可达1MPa 喷射的范围在1 5m以内 由于喷嘴有标准设计 与机械开挖机具相比 成本低得多 隧洞工作面上由滤饼提供的支撑不会受小范围喷射水的影响 从土壤结构中挪去石头要比在机械开挖中更要当心 因为射水激石会转变或挪动四周较软的基底 而不增加开挖的能量 沉浸墙离得远 允许用人工拆卸格栅 无需从隧洞面除去支撑液 因为障碍物不能被自动检测 沉浸墙及所有柔性部分均需超应力保护 安全开关可以避免压力隔板超应力 用液力喷射时 不一定是圆形断面 通过喷嘴布置可选择任意形式的断面 这种系统的弊端是调整机器的方向比较困难 在切割边缘的前方形成控制的超挖是不可能的 即用于调向的目的 还有 喷嘴不能消除盾构的翻转 2 3机械特征泥水加压盾构 见图1 的主要机械构造与其它盾构相似以刀盘部分为主 泥水加压盾构刀盘主要用于开掘土层 同时也起泥浆搅拌作用 当盾构停止掘进时 刀盘亦对开挖面土层进行支护 因而泥水加压盾构的刀盘多采用面板式结构 对在松软 不稳定 易流性土层中开挖 还应设置进土槽口关闭装置 当盾构较长时间停止工作时 不仅通过压力泥浆支护开挖面 而且要关闭进土槽口 以防止泥土流入 下图所示为常用的槽口关闭装置示意图 有推顶式 平移式和回转式等 图2进土槽口关闭装置示意图 a 推顶式 b 平移式 c 回转式 为了更好的控制开挖面土层稳定 有时把盾构刀盘设计成可轴向移动当盾构向前推进时 随着开挖面土压的变化 刀盘可单独与盾构相对自由轴向移动 而且刀架与刀盘相互联动 对进土槽口开度大小进行自动调节 以调节控制进土量 亦即调节控制开挖面土压 当开挖面土压与刀盘设定推力相吻合时 刀盘就会停止移动 这种盾构叫做机械平衡泥水加压盾构 这种盾构施工时 只要调节好输入泥浆压力与土层地下水压的平衡 刀盘始终保持与土层贴合 就能对开挖面进行稳定支护 施工也就更为安全可靠 2 4泥水系统根据泥水密封舱构造形式和对泥浆压力的控制方式不同 盾构的泥水系统 分为两种基本类型 1 直接控制型 图3是直接控制型 日本型 泥水系统流程图 P1为供泥浆泵 从地面泥浆调整槽将新鲜泥浆打入盾构泥水舱 与开挖下的泥土进行混合 形成稠泥浆然后由排泥浆泵P2输送到地面泥水处理场 排除土渣 而稀泥浆流向调整槽 再对泥浆比重和浓度进行调整后 重新输入盾构循环使用 图3直接控制型泥水系统流程图 控制泥水舱中泥浆压力 可通过调节P1泵转速或调节控制阀V的开度来进行 P1泵安在地面 控制距离长而产生延迟效应不便于控制泥浆压力 因此常用调节控制阀V来进行泥浆压力调节 由于泥水加压盾构开挖面工况不能直接观察 为了保证施工质量 在进排泥浆管路上分别安装流量计和密度计 通过检测泥浆的流量和密度 即可算出盾构的排土量然后将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 就可减小和避免地面变形 保证隧道施工质量 2 间接控制型图4所示为间接控制型 德国型 泥水系统流程图 这种系统的工作特征是由泥浆和空气双重回路组成 图4间接控制型泥水系统流程图 在盾构密封泥水舱内插装一道半隔板 在半隔板前充以压力泥浆 在半隔板后面盾构轴心线以上部分充以压缩空气 形成空气缓冲层 气压作用在隔板后面与泥浆接触面上由于接触面上气 液具有相同压力 因此只要调节空气压力 就可以确定和保持在全开挖面上相应的泥浆支护压力 当盾构掘进时 有时由于泥浆的流失 或推进速度的变化 进 排泥浆量将会失去平衡 气液接触面就会出现上下波动现象 通过液位传感器 根据液位的高低变化来操纵供泥浆泵转速 使液位恢复到设定位置 以保持开挖面支护液压的稳定 也就是说 供泥浆泵输出量随液位下降而增加 随液位上升而减小 另外在液位最高和最低处设有限位器 当液位达到最高位时 停止供泥浆泵 当液位降低到最低位时 则停止排泥浆泵 正是由于空气缓冲层的弹性作用 从而当液位波动时 对支护泥浆压力变化无明显影响 显然 间接控制型泥水加压盾构与直接控制型相比 操作控制更为简化 对开挖面土层支护更为稳定 对地表变形控制也更为有利 其它设备 1 泥水分离设备在泥水式盾构机的施工过程中 泥水分离是必不可少的工艺过程 分离效率也影响着盾构机的掘进效率 一般分离设备有振动筛 旋转分离器 离心机 压滤机等 2 振动筛对于不同粒径和级配的物质分离 振动筛是最基本的设备 振动筛是由一个或多个筛板组成 每个筛板的筛孔逐级减小 振动筛一般用于粗糙材料的筛分 其孔眼小至60 m 3 旋转分离器旋转分离器是由一固定的锥体组成 它的进料口紧挨其壳体 在圆锥体的顶部设有一上溢流出口 底部设一下溢流出口 开挖料以较大速度抽入旋转的锥体中 使之产生涡流作用 泥水进入锥体中的螺旋体 尺寸大 重量重的粒状物通过离心作用 以一定速度分离出来 集中到锥体的内壁上 最后通过底部出口排出 细小的颗粒 保留在泥水中 经螺旋体从上溢口排出 旋转分离器广泛应用于地表分离站 它可以从废弃泥水中分离出砂和淤泥 甚至可以有效地分离出10 m的颗粒 4 离心机通常使用的离心机是由两个围绕一静止室旋转的同轴部件组成 它用于净化膨润土泥浆很有效 只把6 m的颗粒保留在泥浆中 5 压滤机压滤机分为两种类型 a 连续型 如带状压滤机 b 定量调节型 如盘状压滤机 它们将废弃的泥浆经压滤后适于运输处置 1994年 上海建造延安东路南线过江隧道 日本引进 直径 11 200m 盾构掘进段长1310m饱和含水淤泥质粘土 粉质粘土和粉砂等不稳定土层 江岸边和隧道沿线建筑物密集 交通繁忙 地下管线错综复杂 施工难度较大 通过试掘进 摸索出一套适合该工程的参数匹配和操作工艺 有效地控制地表变形 通过工程实践 地表变形小于15mm 质量优良 3我国泥水盾构的几个例子 具有自动化程度高 盾构掘进对周围地层影响小的优点 盾构穿越厂房 防汛墙 地下人行道 高层建筑十分