泥水盾构 泥水盾构

泥水盾构概述盾构构造与施工技术泥水盾构泥水平衡盾构（slurrypressurebalanceshield），简称SPB盾构或泥水盾构。是在机械式盾构的前部设置隔板，与刀盘之间形成泥水仓,开挖面的稳定是将泥浆送入泥水仓内，在开挖面上用泥浆形成不透水的泥膜，通过该泥膜的张力保持水压力，以平衡作用于开挖面的土压力和水压力。开挖的土砂以泥浆形式输送到地面，通过泥水处理设备进行分离，分离后的泥水进行质量调整，再输送到开挖面。一、泥水盾构的工作原理泥水加压式盾构工作面土体是依靠泥水压力对工作面上的水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。泥水压力总是大于地下水压力。泥膜的形成至关重要，当泥水压力大于地下水压力时，泥水渗入土壤，形成与土壤间隙成一定比例的悬浮颗粒，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。适于高地下水压力:江底、河底海底，稳定性可靠二、泥水盾构的优缺点优点对地层的扰动小，沉降小。适用于大直径盾构适用于高速化施工：不存在出土停止掘进适用的土质范围宽：软黏土、细砂、砂砾层、漂砾层、淤泥层掘进中盾构机体摆动小施工安全：管路排泥成本高:泥水管理系统和泥水处理系统二、泥水盾构的优缺点缺点排土效率低：泥水混合地表施工占地面积大并影响交通、市容：泥水配置和泥水处理系统不适用于在硬黏土层中掘进：黏附面板、槽口和管道不适于在松散卵石层掘进：无法形成泥膜，泥水压力低且不稳定泥水盾构结构主要包括刀盘、前盾、中盾、尾盾、主轴承、人仓、安装机轨道梁、管片安装机和吊机、台车结构以及在台车上布置的设备包括控制室、空压机、电器设备、水泵水箱、泥浆管延伸装置等。不同的盾构厂家，其布置不同。三、泥水盾构的结构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。主机前体部分为两个仓室，分别是泥水仓（或称刀盘仓）和气垫仓。其中泥水仓掘进时一般充满泥水，气垫仓在掘进时一般底部为泥水，上部为压缩空气。泥水仓主要功能为切削渣土的携带，气仓的主要功能为储存足够体积的压缩空气，以保证压力稳定的需要。碎石机结构：在气仓底部设置排浆口，在排浆口布置有专用的碎石结构即碎石机，对大颗粒的岩石进行破碎，避免大颗粒进入泥浆循环系统损坏相应部件。泥浆门结构：泥浆门布置在泥水仓和气仓之间的隔板底部，主要作用是通过泥浆门的关闭，将气仓和泥水仓隔离，使作业人员能在常压下进入气仓，在气仓里进行维修或检查等作业。

泥水盾构根据泥水仓构造形式和对泥浆压力的控制方式的不同，泥水盾构分为:直接控制性间接控制型四、泥水盾构的类型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输入盾构泥水仓，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，而稀泥浆流向调浆池，再对泥浆密度和浓度进行调整后，重新输入盾构循环使用。泥水仓中的泥浆压力，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。直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。间接控制型泥水盾构地层刀盘进泥管排泥管泥浆压缩空气连通管压缩空气泥模形成区间接控制型泥水盾构直接控制型间接控制型VS间接控制型泥水平衡盾构与直接控制型相比，控制系统更为简化，对开挖面土层支护更为稳定，对地表沉陷的控制更为方便。

泥水盾构是通过在泥水仓中输送适当压力的泥浆，使其在开挖面形成泥膜，支承隧道开挖面的土体，并由刀盘切削土体表层的泥膜，与泥水混合后，形成高密度的泥浆，然后由排泥泵及管道把泥浆输送到地面进行分离处理。五、

泥水盾构开挖面平衡机理

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水压力=水压力+土压力压力平衡泥水压力<水压力+土压力地表下沉泥水压力>水压力+土压力地表隆起六、泥水的功用1.形成泥膜及稳定掘削面——适当的泥水相对密度避免泥水损失，保证外加推力有效作用在掘削面上；地下水不能涌入泥水仓，防止喷泥；防止了掘削面变形、坍塌及地层沉降。2.运送排放掘削土砂——适当流速、相对密度、黏度3.对刀盘、刀头等掘削设备有冷却和润滑作用4.在泥水分离阶段，掘削的土砂能按规定的要求分离七、泥膜形成的基本要素从泥水平衡理论可以看出，在泥水盾构法施工中，尽快形成不透水的泥膜是一个相当关键的环节。在开挖面，随着加压后的泥水不断渗入土体，泥水中的土颗粒填入土体孔隙中，可形成不透水的泥膜。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。在泥水盾构施工中，控制泥水压力和控制泥水质量非常重要。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，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。泥水的密度在强透水性土体中，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，这是因为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。含砂量泥水必须具有适当的粘性，以起到以下效果：①防止泥水中的粘土、砂粒在泥水仓底部沉积，保持开挖面稳定；②提高粘性，增大阻力防止逸泥；③使开挖下来的弃土以流体输送，经泥水处理设备将泥水分离。泥水的粘性黏度小有利于泥水以流体形式运出掘削面土砂及地表土、水分离。粘度大有利于黏土颗粒吸附聚集在掘削地层表面，即成膜速度快，对稳定掘削面，防止逸泥有利。土体一经盾构开挖，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。泥水盾构中由泥水压力用以抵消开挖面的释放应力。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。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。可渗比n=14~16，相对密度为1.2，漏斗黏度为25~30s,pH浓度为7~10。泥水的最佳特性n＜10表面泥水中的颗粒成分无法渗入地层，只能吸附聚集与掘削面地层表面。n＞10以后随着n的增大，渗入地层孔隙中泥水颗粒的数量增加，渗透距离加深，不能渗透而聚集于掘削面上的颗粒减少。可渗比为地层孔隙直径与泥水有效直径的比值，表征泥水在掘削面上形成泥膜或不能形成泥膜的条件。n=15时，不能渗透的颗粒数减至为零，即颗粒全部渗入地层，成为渗透膜；n＞15以后，随着n的增加，渗入地层的颗粒开始出现流失，n越大，流失越多；当n＞20时，渗入地层的颗粒绝大部分流失；n＞20后，渗入地层的颗粒全部流失，无法成膜。八、泥水分离处理系统将掘削下来的土砂形成泥水，变成流体进行输出，经分离成为土砂和水，最后将土砂排弃的处理系统。泥水分离和处理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。在这个处理系统中，将排放的含有掘削土砂的泥水中，混有砾石、砂、黏土的结块等粒径较大的粗粒成分，以及大直径砾石和砂作机械筛分；小颗粒粉砂土、黏土胶体用凝集剂使其形成团块后，采取强制脱水。1.泥水处理系统通过对排放的泥水作一系列的处理、调整，使之符合再利用标准及废弃物排放标准的过程，称为泥水处理。一次处理、二次处理、三次处理、用调整槽及其他槽类处理八、泥水分离处理系统泥水分离设备主要用于将含有渣土的泥水进行分离，使渣土被分离脱水后直接外运，分离后的泥水经过调整重新回到盾构被使用。处理过程：盾构机排出的污浆，由排泥泵送入泥浆分离站，经过第一步预筛分器的粗筛振动筛选后，将粒径在