隧道工程泥水盾构讲义

隧道工程师泥水盾构1提纲1泥水盾构的概念2泥水盾构工作原理3泥水盾构的类型4泥水系统的作用和组成2１泥水盾构的概念泥水盾构是在机械式盾构的刀盘后面设置隔板，隔板与刀盘之间形成泥水舱，将加压的泥水送入泥水舱，当泥水舱充满加压的泥水后，通过加压作用和压力保持机构，来维持开挖面的稳定。盾构推进时由刀盘旋转切削土砂，经搅拌后形成高浓度泥浆，然后用泥浆泵以流体输送方式送到地面，在地面通过泥水处理设备进行分离，分离后的泥水进行质量调整后，再输送到开挖面。3２泥水盾构工作原理泥水盾构通过向密封的泥水舱内输送加压的泥水来获得开挖面的稳定，对于不透水性的粘土，泥浆压力适当大于围岩主动土压力，就可以保证隧道开挖面的稳定；对于透水性大的砂性土，泥浆会渗入到土层内一定深度，并在很短时间内，在土层表面形成不透水的泥膜，使泥浆压力在开挖面上产生与作业面上的土压、水压相抗衡的泥水压，以保持作业面的稳定。4当泥水舱内的泥水压力大于地层压力和水压力时，地表将会隆起；当泥水舱内的泥水压力小于地层压力和水压力时，地表将会下沉。因此泥水舱内的泥水压力应与地层土压力和水压力平衡。5泥水压力与水压力及土压力平衡

6泥水压力小于水压力及土压力之和

7泥水压力大于水压力及土压力之和83泥水盾构的类型◆泥水盾构有两种体系。即日本体系和德国体系日本体系为直接控制型，德国体系为间接控制型9直接控制型泥水盾构日本和英国一般采用直接控制型泥水盾构●直接控制型泥水系统流程如下：送泥泵从地面泥浆池将新鲜泥浆送入盾构的泥水舱，与开挖泥土进行混合，形成泥浆，然后由排泥泵输送到地面泥水分离站，经分离后排除土碴，而稀泥浆流向泥浆池，再对泥浆密度和浓度进行调整后，重新送入盾构的泥水舱循环使用。●泥水舱中泥浆压力，可通过调节送泥泵转速或调节控制阀的开度来进行。由于送泥泵安在地面，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的开度来进行泥浆压力调节。10日本泥水盾盾构机东京湾海底底隧道工程程Φ14.14m泥水盾构在20世纪90年代，日本本东京湾海海底隧道，，长10km是世界最长长公路专用用海底隧道道，用八台台直径14.14m泥水加压式式盾构施工工。最初推进的的两台盾构构分别位于于浮岛的北北线和南线线开始推进进，到1996年10月底各工区区的盾构已已在海底进进行地中对对接。1997年12月18日东京湾横横断道路贯贯通，三圆泥水盾盾构掘进大大阪地铁车车站90年代中，日日本又研制制成世界上上第一个三三圆泥水盾盾构，并成成功地作大大阪市地铁铁7号线“商街公园”车站工程施施工。商街公园地地铁车站(BsakaBusinessPark)是大阪地铁铁7号线工程中中施工难度度最大的一一个车站，，深约32m，长155m。位于IMP摩天大楼及及盾构施工工大断面下下水道隧道道的正下下方，处在在深度大、、水压高易易塌方地层层中。全全用球墨铸铸铁管片，，共计105环(105m),日掘进2~3环，于1994年1月~4月就完成了了约107m在完成一次次衬砌，立立柱的托换换亦于同年年10~11月顺利完工工。TBMNFM工艺公司Framatome泥水盾构，，带有泡沫沫空气有关TBM数据盾构1900tons直径=14,87m后挂系统1420tons,总计3320tons,长度120m盾构功率3,500kW,扭矩=136000KNm总顶进压力力184,000ton泥水流率2,500m³/hr盾构龙门架1连接梁龙门架2成品盾构泥水土压复复合盾构平衡盾构间接控制型型泥水盾构构◆德国采用间接控制型型泥水盾构，，其泥水系系统由泥浆浆和空气双双重回路组组成。在盾盾构的泥水水仓内插装装一道半隔隔板，在半半隔板前充充以压力泥泥浆，在半半隔板后面面盾构轴心心线以上部部分充以压压缩空气，，形成空气气缓冲层，，气压作用用在半隔板板后面与泥泥浆的接触触面上，由由于接触面面上气、液液具有相同同压力，因因此只要调调节空气压压力，就可可以确定和和保持在开开挖面上相相应的泥浆浆支护压力力。地层刀盘送泥管排浆管泥水压缩空气气垫室泥膜28两种体系的的比较间接控制型型泥水盾构构（+/-0.05bar）与直接控控制型泥水水盾构(+/-1.0bar)相比，因间间接控制型型泥水盾构构采用气压压控制泥浆浆压力，气气压具有缓缓冲作用，，所以泥水水压力的波波动小,对开挖面土土层支护更更为稳定，，对地表变变形控制也也更为有利利。294泥水系统的的作用和组组成泥水系统的的作用一是及时向向开挖面的的泥水舱提提供盾构掘掘进需求的的泥浆，用用优质膨润润土配制的的泥浆的比比重、粘度度等技术指指标必须满满足在开挖挖面形成泥泥膜和稳定定开挖面的的要求；二是及时把把切削下来来的土砂形形成的泥浆浆输送到地地面进行分分离和处理理，再将回回收的泥浆浆调整利用用。30支护泥水作作用支护泥水在在泥水盾构构掘进中起起着重要作作用：在开挖面土土体表面形形成泥膜，，泥膜厚度度随渗透时时间增加而而增加，从从而有效提提高渗透抵抵抗力。支承、稳定定开挖面土土体。盾构借助泥泥水压力与与正面土压压产生泥水水平衡效果果，有效支支承正面土土体。对刀盘和刀刀具等切削削设备有冷冷却和润滑滑作用。31泥水配比设设计主要由膨润润土、CMS、纯碱和水水组成膨润土的作作用提高泥泥水粘度、、比重、悬悬浮性、触触变性CMS（缩甲基淀淀粉）的作作用降低失失水率、增增加粘度纯碱（碳酸酸钠）调节节PH值、分散泥泥水颗粒32泥水的技术术指标泥水比重为使开挖面面稳定，须须将开挖面面的变形控控制在最低低限度以内内，希望泥泥水比重要要相当高。。但比重高高的泥水使使得送泥泵泵处于超负负荷状态，，并将导致致泥水处理理的困难；；而比重低低的泥水虽虽具有减低低泵的负荷荷等优点，，但却产生生了逸泥量量的增加、、推迟泥膜膜的形成。。一般的的泥水比重重在1.05~1.3范围内较适宜。。泥水的粘度可通过将泥水从从漏斗容器流出出的时间来判定定泥水的粘性(在清水中500cc漏斗粘性是19秒)。通常是采用25~40秒/500cc左右值的泥水。。33泥膜形成机理类型1：几乎不让泥水水渗透，仅形成成泥膜。类型2：地层土的间隙隙较大，仅让泥泥水渗透过去，，没有形成泥膜膜。类型3：是上述两种类类型的中间状态态，边让泥水渗渗透，边形成泥泥膜。34泥水系统的组成成泥水盾构的泥水水系统由四大部部分组成⑴造浆分系统⑵泥水输送分系统⑶泥水处理分系统⑷泥水监控分系统统35造浆分系统造浆分系统包括括泥水拌制分系系统和浆液调整整分系统盾构在掘进过程程中，需要进行行新旧泥浆交替替补充到盾构开开挖面，形成一一定厚度的泥膜膜便于刀盘切削削。当旧浆液浆量不不足，需要及时时补充新鲜浆液液，造浆系统根根据浆液的粘度度、比重等技术术指标进行调整整。以便及时向向盾构泥水舱补补充浆液，使开开挖面快速形成成泥膜，便于开开挖面稳定和盾盾构顺利掘进。。拌制泥浆的主要要材料是膨润土土、CMS等。36泥水拌制系统泥水拌制系统由由新浆槽、新浆浆泵、新浆搅拌拌器、新浆贮备备槽、CMS搅拌槽、CMS搅拌器、CMS泵、分配阀和加加水设备组成。。CMS搅拌槽贮存化学学浆糊、新浆槽槽贮存膨润土等等材料，将搅拌拌后的CMS化学浆糊送入新新浆槽进行混合合搅拌制成新鲜鲜浆液。37浆液调整分系统统浆液调整分系统统具有新旧浆液液搅拌调整功能能，同时也起到到贮存浆液作用用。回收的浆液经过过盾构反复应用用后，浆液的比比重、粘度指标标会不断发生变变化，需要再次次把切削土砂形形成的混合泥浆浆通过新浆分系系统分配的新浆浆重新进行浆液液技术指标的调调整。38浆液调整系统浆液调整系统由由调整槽、剩余余槽、调整槽搅搅拌器、剩余槽槽搅拌器、调整整泵、剩余泵、、密度泵、送浆浆泵和加水设备备等组成，调整槽对新旧浆浆液进行调整、、剩余槽贮存新新旧浆液，分别别由搅拌器进行行搅拌，由密度度泵进行密度检检测，而后由送送浆泵将调整好好的浆液送往盾盾构泥水仓。。39泥水输送分系统统泥水输送分系统统将调整浆通过过送泥泵与送泥泥管道输送至盾盾构泥水舱。刀盘切削下来的的土砂和泥水舱舱中的泥水合成成的泥浆，通过过排泥泵与排泥泥管道送往地面面的泥水处理分分系统进行分离离。泥水输送分系统统主要由送排泥泥泵、阀、送排排泥管道及配套套部件等组成，，通过泥水监控控分系统进行自自动化操作。40泥水处理分系统统泥水处理分系统统的作用是将刀刀盘切削土砂形形成的泥水进行行颗粒分离。选择泥水处理设设备时，必须考考虑两个方面：：①必须能有效地地分离排泥浆中中的泥土和水分分；②必须具有与推推进速度相适应应的处理能力。。采用振动筛作为为首道初级分离离，振动筛的作作用是对泥水作作预处理，去除除团状和块状等等粗大颗粒。粗粗颗粒的分离一一般采用双层或或三层振动筛。。41旋流器采用旋流器进行行第二道分离．．旋流器的主要要功能是将经过过振动筛分离以以后的中细颗粒粒浆液再次进行行细化处理，逐逐次降低浆液粒粒径，一般采用用多级旋流器进进行处理。旋流器的工作原原理是依据水动动力高速旋转产产生的离心力达达到处理目的，，利用旋流泵在在旋转过程使旋旋流器产生负压压力，迫使旋流流器内部悬浮的的细微颗粒，通通过离心作用产产生螺旋式上升升，通过上溢口口被负压力挤出出，浆液中粗重重颗粒在自重的的重力作用下落落入下溢口弃浆浆槽内。旋流器不同的内内径和颈长比以以及不同的工作作压力，会起到到不同的处理效效果。42旋流器43泥水监控分系统统泥水系统的运行行和操纵由泥水水监控分系统来来实现。泥水监控分系统统由PLC程序实现。通过过泥水监控分系系统的运用，随随时为盾构施工工提供可靠的信信息和采集泥水水系统的技术数数据。泥水监控分系统统以旁通模式、、掘进模式、反反循环模式、隔隔离模式和长时时间停机模式控控制等五种不同同的状态进行监监控。44旁通模式待机模式，用于于盾构不进行开开挖时执行其它它功能。这个模模式也用于当盾盾构从一种功能能切换到另一种种功能时。特别别是，旁通功能能是用于安装管管片的情况。45掘进模式开挖时使用此模模式。根据气垫垫室里泥浆的液液位以及所要求求的排渣流量，，对P1.1和P2.1的转速分别进行行调整。调整P1.1泵的转速用以校校正泥浆\气垫界面液位达达到所要求的值值，同时确保它它沿程的下一个个泵的超载压力力要大于所要求求的净吸压头。。46反循环模式这个模式使开挖挖室里的泥