2023学年完整公开课版泥水盾构

主讲教师：郭军电话箱：stygj@163.com办公室：GA312盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE泥水平衡盾构

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泥水盾构的组成5泥水系统的作用和组成１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仓，将加压的泥水送入泥水仓，当泥水仓充满加压的泥水后，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。２泥水盾构工作原理泥水盾构通过向密封的泥水仓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，在土层表面形成泥膜，有助于改善围岩的自稳能力，并使泥浆压力在开挖面上发挥有效的支护作用。通过泥膜，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。当泥水仓内的泥水压力大于地层压力和水压力时，地表将会隆起；当泥水仓内的泥水压力小于地层压力和水压力时，地表将会下沉。因此泥水仓内的泥水压力应与地层土压力和水压力平衡。泥水压力与水压力及土压力平衡

泥水压力小于水压力及土压力之和

泥水压力大于水压力及土压力之和3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仓，与开挖泥土进行混合，形成稠泥浆，然后由排泥泵输送到地面泥水分离处理站，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仓循环使用。●泥水仓中泥浆压力，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。间接控制型泥水盾构◆德国采用间接控制型泥水盾构，其泥水系统由泥浆和空气双重回路组成。在盾构的泥水仓内插装一道半隔板，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，气压作用在半隔板后面与泥浆的接触面上，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开挖面上相应的泥浆支护压力。地层刀盘送泥管排浆管泥水压缩空气气垫室泥膜两种体系的比较间接控制型泥水盾构与直接控制型泥水盾构相比，泥水压力的波动小,对开挖面土层支护更为稳定，对地表变形控制也更为有利。2泥水系统的作用和组成2.1泥水系统的作用一是及时向开挖面密闭舱提供掘进施工需求的泥浆，用优质膨润土配制的泥浆的比重、粘度等技术指标必须满足在高透水砂层中形成泥膜和稳定开挖面的要求；二是及时把切削土砂形成的混合泥浆输送到地面进行分离和处理，再将回收的泥浆调整利用。泥水系统与盾构机的选型、掘进速度、地质条件等紧密联系在一起的，不同的地质工况条件取决了不同的泥水系统模式。旁通模式这个模式是待机模式，用于盾构不进行开挖时执行其它功能。这个模式也用于当盾构从一种功能切换到另一种功能时。特别是，旁通功能是用于安装管片衬砌环的情况。它使开挖室被隔离。在旁通模式，各泥浆泵都根据泵的超载压力和所要求的排渣流量所控制的转速保持旋转。由于此时开挖室没有泥浆的供给，因此理论上并不需要控制泥浆\气垫界面液位。然而泥浆\气垫界面的液位可能由于水从界面上流失或进入而发生变动。在这些情况下，可能需要补充泥浆（只要注入管道压力许可的话）或排出泥浆以调整这个液位。开挖模式：这个模式于开挖时使用。根据气垫室里泥浆的液位以及所要求的排渣流量，对伺服的泵P1.1和P2.1的转速分别进行调整。调整P1.1泵的转速用以校正泥浆\气垫界面液位达到所要求的值，同时确保它沿程的下一个泵的超载压力要大于所要求的净吸压头。调整P2.2泵的转速，用以校正排渣流量达到所要求的排渣模式的值，同时确保沿程的下一个泵的超载压力要大于所要求的净吸压头。P2.2泵的转速必须能确保排渣的流体能被泵送到地面的分离厂。调整P2.2泵的转速以便在泥浆分离厂入口处达到必要的压力。反循环模式这个模式使开挖室里的泥浆逆向流动。仅用于一些特别的情况，特别是在开挖室内发生阻塞，或用于清理盾构内的排渣管道。为了不让泥浆充满开挖室，气垫压力与泥浆\气垫界面液位的控制仍需维持。隔离模式这个模式使隧道里的泥浆管道系统与地面系统处于完全隔离的状态，但此时设在地面的分离厂和制备厂之间的回路仍保持连通。特别是，这种模式是用于隧道泥浆管道延伸时的情况。各排渣泵（P2.1，P2.2）停止运转。而P1.1仍保持运行，以保持制备厂和分离厂之间回路的循环。始发井中的旁通阀V18控制着这个回路。长时间停机模式这个模式是自动控制的。此时所有泵都停止运转。开挖面压力由压缩气回路来控制。当气垫室泥浆液位低于预定的低限时，便进行校正。4泥水盾构的组成泥水盾构由以下五大系统组成：

①一边利用刀盘挖掘整个开挖面、一边推进的盾构掘进系统；②可调整泥浆物性，并将其送至开挖面，保持开挖面稳定的泥水循环系统（也称泥水输送系统）；③综合管理送排泥状态、泥水压力及泥水处理设备运转状况的综合管理系统；④泥水分离处理系统；⑤壁后同步注浆系统。5泥水系统的作用和组成泥水系统的作用一是及时向开挖面的泥水仓提供掘进施工需求的泥浆，用优质膨润土配制的泥浆的比重、粘度等技术指标必须满足在高透水砂层中形成泥膜和稳定开挖面的要求；二是及时把切削下来的土砂形成的混合泥浆输送到地面进行分离和处理，再将回收的泥浆调整利用。泥水系统与盾构的选型、掘进速度、地质条件等紧密联系在一起的，不同的地质条件应采用不同的泥水系统模式。支护泥水作用支护泥水在泥水盾构掘进中起着重要作用：在开挖面土体表面形成泥膜，泥膜厚度随渗透时间增加而增加，从而有效提高渗透抵抗力。支承、稳定开挖面土体。盾构借助泥水压力与正面土压产生泥水平衡效果，有效支承正面土体。对刀盘和刀头等切削设备有冷却和润滑作用。泥水配比设计主要由膨润土、CMS、纯碱和水组成膨润土的作用提高泥水粘度、比重、悬浮性、触变性CMS（缩甲基淀粉）的作用降低失水率、增加粘度纯碱（碳酸钠）调节PH值、分散泥水颗粒泥水的技术指标泥水比重为使开挖面稳定，须将开挖面的变形控制在最低限度以内，希望泥水比重要相当高。但比重高的泥水使得送泥泵处于超负荷状态，并将导致泥水处理的困难；而比重低的泥水虽具有减低泵的负荷等优点，但却产生了逸泥量的增加、推迟泥膜的形成。一般的泥水比重在1.05~1.3范围内较适宜。泥水的粘度可通过将泥水从漏斗容器流出的时间来判定泥水的粘性，表示出外观的粘性(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。泥膜形成机理类型1：几乎不让泥水渗透，仅形成泥膜。类型2：地层土的间隙较大，仅让泥水渗透过去，没有形成泥膜。类型3：是上述两种类型的中间状态，边让泥水渗透，边形成泥膜。控制泥水成本途径新浆控制膨润土掺入比控制CMS掺入比控制纯碱掺入比调整浆新浆+回收浆新浆+回收浆+CMS新浆+回收浆+HEF回收浆+CMS回收浆+HEF回收浆+膨润土+碱泥水系统的组成泥水盾构的泥水系统由四大部分组成⑴造浆分系统

⑵输送分系统

⑶处理分系统

⑷泥水监控分系统

造浆分系统造浆分系统包括泥水拌制分系统和浆液调整分系统盾构在掘进过程中，需要进行新旧泥浆交替补充到盾构刀盘面，形成一定厚度的泥膜便于刀盘切削。当旧浆液浆量不足，需要及时补充新鲜浆液，造浆系统根据浆液的粘度、比重等技术指标进行调整。及时向盾构泥水仓补充浆液，使开挖而快速形成泥膜，便于开挖面稳定和盾构顺利掘进。拌制泥浆的主要材料是膨润土、CMS等。泥水拌制系统泥水拌制系统由新浆槽、新浆泵、新浆搅拌器、新浆贮备槽、CMS搅拌槽、CMS搅拌器、CMS泵、分配阀和加水设备组成。CMS搅拌槽贮存化学浆糊、新浆槽贮存膨润土等材料，分别由搅拌器进行搅拌，将搅拌后的CMS化学浆糊送入新浆槽进行混合搅拌制成新鲜浆液。浆液调整分系统浆液调整槽分系统具有新旧浆液搅拌调整功能，同时也起到贮存浆液作用。回收的浆液经过盾构反复应用后，浆液的比重、粘度指标会不断发生变化，需要再次把切削土砂形成的混合泥浆通过新浆分系统分配的新浆重新进行浆液技术指标的调整。浆液调整系统浆液调整系统由调整槽、剩余槽、调整槽搅拌器、剩余槽搅拌器、调整泵、剩余泵、密度泵、送浆泵和加水设备等组成，调整槽对新旧浆液进行调整、剩余槽贮存新旧浆液，分别由搅拌器进行搅拌，由密度泵进行密度检测，而后由送浆泵将调整好的浆液送往盾构泥水仓。浆液调整分系统组成图

泥水输送分系统泥水输送分系统将新浆和调整浆通过送泥泵与送泥管道输送至盾构泥水仓。刀盘切削下来的土砂和水合成的泥浆，通过排泥泵与排泥管道送往地面的泥水处理系统进行分离。泥水输送系统主要由送排泥泵、阀、送排泥管道及配套部件等组成，通过泥水监控系统进行自动化操作。

2.4泥水输送分系统泥水输送系统是将新浆和调整浆通过泵与管道输送至盾构开挖面；刀盘切削下来的干土和水合成的泥浆，通过泵与管道将泥水送往地面的处理系统进行调整。泥水输送系统主要由泵、阀、管道及配套部件等组成，通过泥水监控系统进行自动化操作。

泥水处理分系统泥水处理分系统的作用是将刀盘切削土砂形成的泥水进行颗粒分离。选择泥水处理设备时，必须考虑两个方面：①必须能有效地分离排泥浆中的泥土和水分；②必须具有与推进速度相适应的处理能力。采用振动筛作为首道初级分离，振动筛的作用是对泥水作预处理，去除团状和块状等粗大颗粒。粗颗粒的分离一般采用双层或三层振动筛。旋流器采用旋流器进行第二道分离．旋流器的主要功能是将经过振动筛分离以后的中细颗粒浆液再次进行细化处理，逐次降低浆液粒径，一般采用多级旋流器进行处理。旋流器的工作原理是依据水动力高速旋转产生的离心力达到泥水分离的目的。2.5泥浆分离和处理分系统泥浆分离和处理分系统的作用是将盾构切削土砂形成的泥水进行颗粒分离和处理后，再将回收泥浆泵入调整槽。采用振动筛作为首道初级分离比较合适，振动筛的作用始对泥水作预处理，去除团状和块状等粗大颗粒。粗颗粒的分离采用三层振动筛，<10mm粒径颗粒通过第一层振动筛进入第二层，<6mm粒径颗粒经振动后进入第三层振动筛，≤3mm泥浆颗粒物下料振入沉淀池，振动筛所有的物上料排至堆土场地。

泥浆分离分系统（振动筛）示意图沉淀池平面图

将掘削下来的土砂形成泥水，通过流体进行输出。经分离成土砂和水，最后将土砂排弃的处理系统。在这个处理系统中，将大直径砾石和砂作机械筛分，小颗粒粉砂土、粘土胶体用凝集剂使其形成团粒后，采取强制脱水。通过一次处理分离大颗粒，二次处理分离小颗粒和泥水处理后，部分泥水再次与开挖面循环，其中泥水浓度的控制、开挖面稳定、泥水处理设备的运转以及弃土等所有各个环节，是作为泥水加压式盾构工法系统的一部分，对此一定要从整体的相互关系上来考察。处理中使用的机械设备，根据诸多实绩，正在搜索其最大公约数，以便设备的改造和大型化。对凝集剂的使用也一样，即要适合泥水加压式盾构要求，还要满足环境卫生等问题。对于高分子系有机凝集剂采取避而不用，而仅使用无机凝集剂的施工实例正在日趋增多。1一次处理设备原则上，作为分级74μ以上大颗粒设备，由以下部件组成，其性能是根据掘进速度(掘进处理量)、能力、设备基地规模及脱水机能力进行选择，见照片9。①滚网筛用于大直径砾石或砾石量多的场合；②螺旋分级能力大，适合于砂土，但脱水困难；③低水头过滤网用于粗滤，也包括振动式都受到广泛使用；④旋流器利用粒子重力，作旋流旋转分级。粗滤时使用率极高；⑤砂料集流(砂料分选机)多数是同振动式过滤网、拦门沙之类的连用形式。能分级成相当小的粒子，脱水效率高，使用率极高，见图70；⑥旋转式采用再次和旋流器同时并用；⑦沉淀槽是增大沉淀面积，加快沉淀速度的箱形槽，较多采用同时并用形式.一次处理设备

砂料分选机

沉淀槽

2二次处理设备原则上74μ以下的小颗粒土砂(粉砂土、粘土、胶体)，呈电化学结合。由于作机械性分离困难，并且粒子小，沉降速度慢，所以自然沉淀需要很长时间，而且要有规模大的沉淀池。目前多数采用添加凝集剂，使其形成团粒(絮凝)，成为便于处理的大颗粒后再强制脱水。二次处理设备也使用诸多机械，但能量消耗较大而脱水分离效果并不理想。在城市建设工程中，迫于运输弃土的需要，多少还是要做出些能量牺牲，机械也相应受到压缩。其装置有：

①圆筒型造粒脱水装置滚动团粒使其造粒的装置，如液压滚筒机等，作为辅助设备使用；②脱水传送带在向上捞取的同时进行脱水的装置，如筛滤机等，是脱水辅助装置；③带式加压脱水机是用滚轮，履带加压滤布皮带的脱水机，如加压机等，脱水效率不高，但能连续处理，

带式加压脱水机

滚动加压

真空加压脱水机旋流处理分系统的主要功能是将经过分离以后的中细颗粒浆液再次进行细化处理，逐次降低浆液粒径，处理系统一般采用多级旋流器进行处理。旋流器的工作原理是依据水动力高速旋转产生的离心力达到处理目的，利用旋流泵在旋转过程使旋流器产生负压力，迫使旋流器内部悬浮的细微颗粒，通过离心作用产生螺旋式上升，通过上溢口被负压力挤出，浆液中粗重颗粒在自重的重力作用下落入下溢口弃浆槽内。旋流器不同的内径和颈长比以及不同的工作压力，会起到不同的处理效果。

旋流器工作原理简易图调整槽和剩余槽均有减速搅拌器、液位计、搅拌叶、差压式密度计、密度泵、循环泵以及相应的泵（调整泵、剩余泵）组成.槽内的浆液由搅拌器搅拌，调整的浆液技术指标由密度计进行检测，。为了防止槽内浆液的满溢及浆液虚空，安置高低液位计来控制浆液液位，调整槽与剩余槽之间采用溢流管连通，以确保泥水系统由足够的送浆量，当两个槽体内的浆液指标不能满足技术要求时，利用调整泵和剩余泵互相进行补充再次进行调整。调整槽结构