土压平衡盾构 盾构结构

盾构构造与施工技术土压平衡盾构盾构前进时其前端刀盘旋转掘削地层、土体，掘削下来的土体涌入土仓。当掘削土体充满土仓时，由于盾构的推进作用，致使掘削土体对掘削面加压。当该加压压力与掘削地层的土压和水压之和相等，随后也能维持螺旋输送机的排土量与掘土量相等，把这种稳定的出土状态称为掘削面平衡。一、土压平衡土压平衡：就是盾构密封舱内始终充满了用刀盘切削下来的土，并保持一定压力平衡开挖面的土压力和地下水压。地下水压力+土压力=土仓压力土压平衡盾构特别适用于低渗透性的含有黏土、粉土或淤泥的混合土质；刀盘挖出的渣土支撑着隧道面。渣土应具有的特点：1.高可塑性2.流体、软连续性3.低内摩擦性4.低渗水性。设备少，现场占地面积小二、土压平衡盾构的优缺点优点1.成本低。2.适应地层范围宽3.出土效率高排出的多是泥土几乎对所有地层均可适用，特别是大砾石含砾率高的地层1.掘削扭矩大缺点掘削摩擦阻力大，扭矩大，致使装备扭矩大，功耗大2.地层沉降大与泥水盾构相比，对周围地层扰动大3.直径不能过大二、土压平衡盾构的优缺点土压平衡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、水泵水箱等。三、土压平衡盾构的结构泥水盾构由以下五大系统组成：①开挖系统；②出渣系统；③拼装系统；④壁后注浆系统⑤推进系统。1.为掘进渣土排出的唯一通道，从承压的开挖仓中将土料排送到大气压下的隧道中。2.在渗水地层中予以密封，抵抗承压水；3.通过控制排除料，在螺旋输送机内形成的土塞建立前方密封舱内的压力。1、螺旋输送机的功用三、螺旋输送机1.喷涌形成的施工环境（1）富水砂土地层引发喷涌；（2）富水断裂带引发喷涌；（3）江河下隔水层被击穿引发喷涌；（4）已成隧道渗流汇水到开挖面引发喷涌；（5）泥饼引发喷涌。2、螺旋输送器的喷涌及防治措施2.防治措施（1）在富水的砂层中，处理方法是加入适量的添加剂改善渣土的和易性；（2）在自立性好的地层中止水，如果管片同步注浆不充分，应该再通过管片进行双液注浆，以尽快封堵隧道背后的汇水通道；（3）在黏性土中防喷涌的办法是先防止结泥饼。1.引发地表塌陷前方压力不稳定2.引发地表隆起

推力加大3.引发江底喷涌和塌陷

4.引发盾构机主轴承损坏

总推力、扭矩增大土仓内温度增高，掘进速度下降四、泥饼的成因及防治措施泥饼造成的危害泥饼的成因1.地质条件可塑、硬塑状的黏土类地层，黏土质砂土地层，泥岩、泥质粉砂岩，母岩为花岗岩的残积土层、全风化岩层和强风化岩层等。黏土矿物含量超过25%2.盾构机型（1）刀盘系统（2）搅拌系统——刀盘支撑、活动型搅拌棒、固定搅拌棒（3）螺旋输送器3.施工条件

误判地质，设定过高的出土压力，渣土改良，密封土仓保压时长时间停机泥饼的防治措施1.根据地质条件，有针对性地向密封舱和刀盘面板适量加注高质量的泡沫、聚合物、膨润土或其中的两种混合液甚至3种混合液等，以改善土体的和易性和塑性；2.在浅埋隧道施工，刀盘开口率小于40%，并且地层相对自稳时，设定的出土压力不宜超过主动土压，且最好控制在1kg/cm2以下，即宜采用欠土压平衡模式掘进；3.若地层稳定性较差，但隔气性较好时，宜采用辅助气压作业，掘进也宜采用欠土压平衡模式；4.采用冷却措施，避免密封土舱高温高热；5.避免密封土舱饱满时长时间停机，宜以泥浆或黏性差的砂土代替部分土体充填密封土舱。添加材的种类和特征塑流性、抗渗性、止水性；添加材的功能（1）提高塑流性，保证土料能不断地流送到螺旋输送机，防止渣土卡住刀盘及大块石沉入土舱底部，造成出渣困难、渣土阻塞；（2）开挖室内土料具有的软稠度和良好的塑性变形，使支撑压力能规则地作用于开挖面，保证开挖面平衡稳定；（3）提高渣土的抗渗性，在螺旋输送机形成土塞效应，防止喷涌；（4）减小刀盘及刀具的磨损与破坏，减少对螺旋输送机的磨损；（5）降低了刀盘和螺旋输送机的驱动力矩，减少电力消耗。五、渣土改良添加材的特性（1）密度虽高，但流动性好，不发生材料分离和沉积；（2）渗入、填充、封堵掘削土颗粒间隙好；（3）使用方便，安全性好，排出掘削土对环境无污染，处理方便；（4）价格便宜，市场供货稳定。添加材的种类和使用目的1）矿物类；补充微粒、细粒成分，使黏土内的内摩檫角变小，可在土压作用下发生变形和破坏，流动性、止水性有一定程度的提高2）纤维类、多糖类、负离子；CMC（钠羧甲基纤维素）为代表的纤维素类，可把土砂颗粒间隙中的自由水挤走，使颗粒间发生黏结，即内摩擦角减小，流动性提高；负离子类乳胶添加材可在土砂颗粒与水之间形成絮状凝结物，使其发生黏结，即内摩擦角减小，流动性提高；这些材料与掘削土搅拌混合提高泥土塑流性和止水性的同时，还呈现用泵压送的有效性；在掘削土的处理中，需要喷洒可以解除胶化的分解处理材料。4）表面活性材料使用的是特殊气泡剂特殊气泡剂与压缩空气产生气泡和掘削土经搅拌混合后，气泡剂挤走土砂中的自由水，并靠气泡的轴承作用，可以提高掘削土的塑流性和止水性。同时，还可以防止泥土的压密黏附。混入气泡的掘削土可以消泡，所以对掘削土的处理容易。3）高吸水树脂类；吸水但不溶于水，不会被地下水稀释劣化，故在高压水压的地层中可以防止地下水的喷出5）复合添加材优势互补，比使用单一的添加材效果好。1.泡沫注入装置泡沫剂储罐、泡沫剂泵、水泵、安全阀、溶液计量调节阀、空气计量调节阀、液体流量计、气体流量计、泡沫发生器及连接管路等。包括：添加材配置设备、注入泵、输送管道、注入口（刀盘中心钻头前端）添加材注入系统使用泡沫剂的目的：改善土体的和易性，保持密封土仓内土压力的稳定和出土的顺畅。泡沫注入装置（2）加到工作面上的泡沫，会形成一个不透水层，降低土体的渗透性，减少渗漏，增强工作面的密封性，使工作面压力变动小，有利于稳定密土仓压力。（1）降低渣土的内摩檫力，减少渣土对刀盘等部件的摩擦，从而降低刀盘的扭矩为核定扭矩的20%~50%。同时有助于减少刀具的磨损，并使盾构机掘进驱动功率减少。（4）增强土体的流动性，从而使其容易充满密封土仓和螺旋输送器的全部空间，便于螺旋输送器出土。（3）降低土体间的黏着力，减少密封土仓中土体压实形成泥饼。（5）可以增加土体的可压缩性，更易于土压平衡的控制。膨润土箱、膨润土泵、相关的管路控制阀及连接管路。（2）同步注浆停止时泵入膨润土以置换砂浆，防止注浆管路内砂浆沉淀、凝固而发生堵塞。（1）利用膨润土的润滑性和黏性改良渣土，增加渣土的流动性和和易性，防止其在刀盘面、密封土仓或螺旋输送器内结泥饼。（4）可以改变密封土仓内渣土的和易性，提高砂性土的塑性，以便于出土，减少喷涌。膨润土注入装置（3）可以在工作面上形成低渗透性的泥膜，有利于给工作面传递密封土仓的压力，以便平衡更大的水土压力。。（5）盾壳周边充满喷膨润土，可以减少盾构机的推进力，提高有效推力；同时，可以降低刀盘扭矩，节约能耗。主要有膨润土添加系统和泡沫系统，是盾构掘进的调节媒介。采用该系统，对于不同的地质条件，通过添加塑流化改性材料，改善盾构土仓内切削土体的塑流性，既可实现平衡开挖面水土压力，又能向外顺畅排土，拓宽了土压平衡盾构的适应范围。碴土改良系统示意图渣土改良系统掘削面稳定机理土压平衡盾构保持密封土仓内承压介质是泥土。六、掘削面稳定管理作为支撑介质应具备的性质：（1）具有良好的塑性变形；（2）内摩檫力小；（3）能浆化到软稠的状态；（4）渗透性低。土压盾构掘削面稳定的必要条件：（1）泥土压必须可以对抗掘削面上地层的土压和水压；（2）必须可以利用螺旋输送机等排土机构，调节排土量；（3）对必须混入添加材的土质而言，注入的添加材必须可使泥土的塑流性和抗渗性提高到满足掘削面稳定要求的水准。泥土的功能和特性（1）防止掘削面坍塌；（2）具有一定的塑流性，可以确保排土顺畅，进而保证掘削面稳定；（3）管不泥土构成不渗水层，以防止地下水从排土口喷出。1.泥土的功能黏性地层的泥土特性：多数情况下呈现较好的塑流性；但在砂含有率高的地层和洪积层中，因含水率低、塑流性差，土舱内易发生泥土黏附。2.泥土的特性砂质地层的泥土特性：掘削土不仅流动性差，而且渗水性也大，必须确保止水性。特别是细粒含有率低于30%时，渗水倾向严重。土压的主要影响因素：（1）掘进速度；（2）挖出渣土的数量（3）改良渣土所用的添加介质。1.土压的管理土压调节方法：（1）调节螺旋输送机的转数；（2）调节盾构千斤顶的推进速度；（3）两者组合控制