1、1土压平衡盾构与泥水平衡土压平衡盾构与泥水平衡土压平衡盾构与泥水平衡土压平衡盾构与泥水平衡盾构的结构原理盾构的结构原理盾构的结构原理盾构的结构原理傅德明 上海申通地铁集团 有限公司11土压 平衡 盾构 的结 构原 理1.11.1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
2、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。 1.1.11.1.1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 。 1.1.1.11.1.1.1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
3、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 。 1.1.1.21.1.1.2砂 质土层掘削面的稳定机理就砂 、 砂 砾 的砂 质土 地层 而言 ，
4、 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。1.1.1.31.1.1.3土压 盾构 的种 类按稳 定
5、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、夹砂粉质粘土图 1土压盾构基本形状2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1.1.2.1.1.2.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
6、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
7、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。3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 。 1.1.2.11.1.2.1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
8、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
9、 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
10、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
11、 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
12、 。 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4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
13、 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 。1.21.2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
14、 15，天然 含水 率 25%， 渗 透系数 K5 10-2cm/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 。 1.2.11.2.1盾构 机的 构成 特点(1)刀盘 :掘削
15、 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
16、1.2.21.2.2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
17、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5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
18、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
19、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。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
20、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
21、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 。
22、 1.41.4加泥 土压 盾构1.4.11.4.1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
23、砂 层及 混有 卵石 的砂 砾层 等地 层中 隧道的 掘进 施工 。6图 6.泥土加压式盾构机1.4.2.1.4.2.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。
24、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 。 1.4.31.4.3.添加 材料添加 材料 一般 采用 由粘 土、膨 润土 CM、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
25、 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。 1.4.4.1.4.4.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
26、量：(1.1)ANPQ土质类别 泥浆浓度 (%) 使用量 (l/m3)砂土层 15 30 30砂砾层 30 50 30白色砂质沉积层 20 30 20砂质粉土层 5 15 107式中 ： 排土 量；Q 排土 效率 ； 螺旋 输送 机断 面积 ；A 转速 ；N 螺旋 翼片 的间 距。P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）wpw PPPPP a式中 ： 主动 土压 力；aP 被动 土压 力；pP 地下 水压 力。wP通常先
27、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0P为 )()(00 PPPP 1.5复合 土压 盾构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
28、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81.5.2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
29、，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
30、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
31、全可以控制。 多数为硬岩层。 掘 削 地 层 的 地 下 水 压 力为 0.1 0.2MPa，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
32、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 (8 12)cm/in (5 8)cm/in (2 5)cm/in注意事项 注意观察渣出状况， 一 旦 发 掘进结束后， 土 舱内
33、应 保 控 制 好 螺 旋 输 送 机 的 出 土 速 度 及图 8复合型土压盾构刀盘正视 (土压、敞开并用 )图9(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
34、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
35、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。1.5.31.5.3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。 1 刀具 更换在岩 层中 施工 时， 如果 盾构 刀具 受损 ，
36、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
37、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
38、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 道外现 有 水 涌 出 或 出 土 量 不 正常， 则 应立即建立土压或 气压。 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。 盾构机的推进速度，使 土舱内的 压力保持在设定值上。10周的 断
39、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
40、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
41、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 。1泥水平衡盾构的结构原理泥水平衡盾构的结构原理泥水平衡盾构的结构原理泥水平衡盾构的结构原理2.12.1泥
42、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H水力为 ，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）（泥hH于 地 下 水 位 的 泥 水 ， 则 在 开 挖 面 任 何 一 点 处 的 地 下 水
43、 压 力 为 ， 泥 水 压 力h y y水。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）（泥hy h泥水地下 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
44、表4。图 9泥水加压盾构作用原理表 4 泥水容重参考值当盾 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） 1.03-1.051.03-1.051.05-1.061.07-1.01.08-1.212发展 。 2.1.
45、1开挖 面稳 定机 理2.1.1.1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，
46、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。 2.1.1.2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
47、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(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
48、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。 2.1.1.3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
49、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 开土层名称 地层渗透系数 k(cm/s) 泥水最大粒径 (m)粗砂 1 9 101 0.84-2
