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 上海市土木工程学会 2011.5.211 土压平衡盾构的结构原理图1 土压盾构基本形状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。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。 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。 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。 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 盾构名称 稳定掘削面的措施 适用土质削土加压式盾构面板一次挡土。充满土舱内的掘削土的被动土压稳定掘削面。 螺旋输出机排土滑动闸门的控制作用冲积粘土：粉土、粘土、砂质粉土、砂质粘土、夹砂粉质粘土加水式土压盾构面板一次挡土。向排槽内加水，与掘削面水压平衡，增土体的流动性。滞留于土舱内掘削土通过螺旋传送机滑动闸门作用挡土。含水砂砾层亚粘土层高浓度泥水加压式土压盾构面板一次挡土。高浓度泥水加压平衡，并确保土体流动。转斗排土器的泥水压的保持调节作用。松软渗透系数大的含水砂层，砂砾层，易坍层加泥土压盾构向土舱内注入泥土、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检测土舱内压控制推进量，确保掘削面稳定。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。 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 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。 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。 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K510-2cm/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： 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。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。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泥浆浓度(%)使用量(l/m3)砂土层1530300砂砾层3050300白色砂质沉积层2030200砂质粉土层515100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： (1.1) 式中： 排土量；排土效率；螺旋输送机断面积； 转速； 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： （1.2） 式中：主动土压力； 被动土压力； 地下水压力。通常先根据地质勘测结果确定设定土压力，同时制定土压的上、下限，其允许范围为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。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： 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。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气压稳定式土压平衡稳定式适应地层掘削地层完全可以自立，且地下水少，即使有少量地下涌水，也完全可以控制。多数为硬岩层。掘削地层的地下水压力为0.10.2MPa，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。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。系统参数设定土舱内无需建立压力(超过大气压的压力)。螺旋输土机的转速可据出土状况设定。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。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。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。须往掘削面上的土舱内添加发泡剂。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。掘进速度(812)cm/min(58)cm/min(25)cm/min注意事项注意观察渣出状况，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。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。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。(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 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。 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，而在盾构正面密封舱(即泥水压力室)底部的泥水压力为，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的泥水，则在开挖面任何一点处的地下水压力为，泥水压力。一般情况下取2m,而大于，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 泥水容重参考值土 质KN/m3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）1.03-1.051.03-1.051.05-1.061.07-1.101.08-1.12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 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。 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地层渗透系数k(cm/s)泥水最大粒径(mm)粗砂191010.84-2中砂191000.42-0.84细砂1910120.074-0.42粉19103 0.074(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。 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。 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 )与偏差流量的关系偏差流量q 瞬时计算式式中：偏差流量(m3/min) 盾构刀盘面积(m2)-推进速度(m/min)-进泥流量(m3/min)-排泥流量(m3/min)上式变换可得到排泥流量计算式由此可见，实际掘削量(干砂量)与偏差流量的关系，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。 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，为掘削断面积。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，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。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。.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。.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。.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。.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。17 表5 盾构选型参考表原则上通用 应用时需要探讨盾构型式条件手掘式盾构半机械机械挖掘机敞开型密闭型挖掘盾构一般泥水加压土压系土质软弱粘性土硬质粘性土松弛砂质土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/cm2为大致目标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基地需要排放土砂设备、竖井、器材设备堆放场地排出土方需要吊装运输设备.废土作为工业垃圾，需要进行处理和手掘敞开型相同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开挖面障碍物作业面多，容易处理卵石、桩等极难应付.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、2.2 泥水盾构掘进工况2.2.1 旋转刀盘 旋转刀盘的切削方式和构造形状 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 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周边支撑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，较易堵塞排泥水管在中心呈水平布置，不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由于搅拌机靠近中心位置，不能检测排除障碍物盾构掘进机内有效空间小，困难盾构掘进机内中心部位空间大，可以去除障碍物等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，可根据土质作调节构造上有困难粘性土的粘附为使粘性土不致粘附在大刀盘上，可以安装高压水等冲水等冲洗装置土易粘附在向上提升的叶片或料斗上，须要考虑用送泥管等清洗变换成机械掘削式盾构难出土可以轻易地变更转矩损失 由机械阻力(轴承，密封)损失的转矩小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。 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