土压平衡盾构与泥水平衡盾构的结构原理
“土压+泥水”双模式盾构机原理及应用分析
“土压+泥水”双模式盾构机原理及应用
分析
摘要：进入21世纪以来，我国各大城市出现地铁修建的高潮，尤其是一线
城市及新一线城市地铁修建速度特别快。但是，由于国内各地地质水文情况差别
较大，对盾构设备的技术、功能以及规格参数要求不一致，尤其是我国华南地区
具有硬岩地层，岩石强度高、地下水含量丰富，地层内裂隙水多等特点。本论文
主要探讨了土压+泥水双模式盾构机的工作原理，通过对双模式盾构机在工程应
用中的分析，发现土压+泥水双模式盾构机具有更高的施工效率和更好的适应性，可以满足复杂地质环境下的建设需求，是一种值得推广使用的盾构机。同时，通
过分析其优缺点，提出了未来发展方向及相关建设建议，为该领域的研究和应用
提供一定的指导意义。
关键词：双模盾构机；工作原理；应用分析
前言
随着城市化进程的加速和基础设施建设的加强，地下隧道建设的需求越来越大。作为地
下隧道建设的核心设备之一，盾构机的发展也愈加迅速。在现有的盾构机种类中，土压和泥
水模式盾构机是主流类型之一。然而，这两种盾构机各自都存在一些使用的局限性，因而提
出了土压+泥水双模式盾构机。该盾构机既具有土压模式和泥水模式的特点，又克服了两种
盾构机单一模式的弱点，在实际工程中有着广泛的应用前景和发展空间。因此，本论文将详
细地介绍土压+泥水双模式盾构机的工作原理和优点，并通过应用案例分析与比较分析，探
讨了其未来的发展趋势，为该领域的研究和应用提供一定的参考意义。
一、研究背景和意义
随着城市化进程的不断加速，交通网络的布局和构建变得越来越丰富和复杂，因此地下
隧道建设显得尤为重要。而盾构机作为地下隧道建设的核心设备之一，在隧道建设中扮演着
一般土压平衡盾构机工作原理
一般土压平衡盾构机工作原理
⏹ 1.4 土压平衡盾构
⏹土压平衡盾构是在机械式盾构的前部设置隔板，在刀盘的旋转作用下，刀具切削开
挖面的泥土，破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓，使土仓和排土用的螺旋输送机内充满切削下来的泥土，依靠盾构千斤顶的推力通过隔板给土仓内的土碴加压，使土压作用于开挖面以平衡开挖面的水土压力。
⏹土压平衡工作原理
⏹刀盘旋转切削开挖面的泥土，破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓，泥土落到土仓底
部后，通过螺旋输送机运到皮带输送机上，然后输送到停在轨道上的碴车上。盾构在推进油缸的推力作用下向前推进。盾壳对挖掘出的还未衬砌的隧道起着临时支护作用，承受周围土层的土压、承受地下水的水压以及将地下水挡在盾壳外面。掘进、排土、衬砌等作业在盾壳的掩护下进行。
⏹
⏹通过调整排土量或开挖量来直接控制泥土舱内的压力，并使其与开挖面地层水、土
压力相平衡，同时直接地利用泥土舱的泥土对开挖面地层进行支护，从而使开挖面土层保持稳定。
⏹
⏹ 1.4.1 土压平衡盾构机组成
⏹土压平衡盾构主要由刀盘及刀盘驱动、盾壳、螺旋输送机、皮带输送机、管片安装
机、推进油缸、同步注浆系统和辅助装置等组成。
⏹适用：软土、软岩（含水/不含水）地层的隧道开挖与衬砌
⏹Φ4.33m加泥式土压平衡盾构
⏹ 1.4.2土压平衡盾构（EPB）工作原理
⏹土压平衡盾构的工作原理
⏹通过调整排土量或开挖量来直接控制泥土舱内的压力，并使其与开挖面地层水、土
压力相平衡，同时直接地利用泥土舱的泥土对开挖面地层进行支护，从而使开挖面土层保持稳定。
⏹EPB工作原理图
⏹EPB
土压平衡与泥水平衡盾构
土压平衡与泥水平衡盾构
土压平衡和泥水平衡是两种常见的盾构方式，它们的主要区别在于维持掌子面稳定的方式。
土压平衡盾构主要以渣土为主要介质平衡隧道开挖面地层压力，通过螺旋输送机出渣，适用于从粘土、砂土至软硬不均复合地层。这种盾构施工时无需泥浆处理场，施工占地较少，对环境的影响相对较小。
泥水平衡盾构则以泥浆为主要介质平衡隧道开挖面地层压力，通过泥浆输送系统出渣，适用于富水高压和地面沉降要求高的隧道施工。这种盾构需要较大的施工场地，因为需要设置泥浆处理场。虽然对周边环境影响较大，但能更好地控制开挖工作面稳定性、地表沉降，保证施工进度和施工安全。
选择使用哪种盾构需视具体工程需求和地质条件来决定。
泥水平衡和土压平衡
泥水平衡和土压平衡
泥水平衡和土压平衡是土木工程中重要的概念和原理。在施工过程中，了解和掌握这两个原理对于确保结构的安全和稳定至关重要。本文将
深入探讨泥水平衡和土压平衡的概念、原理和应用，并分享我对这两
个概念的观点和理解。
一、泥水平衡的概念和原理
1. 泥水平衡的定义
泥水平衡是指在工程中，在土壤和水面接触的区域内，土与水之间保
持平衡状态的原理。在这种平衡状态下，土壤颗粒会受到水的浸润和
浸淫，形成一个稳定的平衡状态。
2. 泥水平衡的原理
泥水平衡的实现主要依赖于土壤颗粒的基本力学性质和水分的影响。
当土壤颗粒浸泡在水中时，由于水的表面张力和重力的作用，会使得
土壤颗粒上升或下降，从而影响土壤颗粒的排列和分布。通过调整水
的压力和控制土壤颗粒的移动，可以实现泥水平衡。
3. 泥水平衡的应用
泥水平衡广泛应用于土石坝、挡土墙和基坑支护等工程中。在土石坝的建设过程中，利用泥水平衡原理，可以有效地控制坝体的稳定性和抗渗性。在基坑支护的施工中，泥水平衡可以使土壤重力和侧压力均衡分布，减少对围护结构的影响，保证施工的安全性。
二、土压平衡的概念和原理
1. 土压平衡的定义
土压平衡是指在土木工程中，土壤颗粒之间的压力相互平衡的原理。在施工和设计中，考虑和控制土壤颗粒之间的平衡，可以确保结构的稳定和安全。
2. 土压平衡的原理
土压平衡的实现依赖于土壤颗粒之间摩擦力的作用。在施工中，通过合理的土壤填充和围护结构的布置，可以使土壤颗粒之间的摩擦力相互抵消，达到一个平衡状态。
3. 土压平衡的应用
土压平衡广泛应用于挖掘和地下结构的施工中。在土方开挖的过程中，控制土壤颗粒之间的平衡状态，可以减少土壤的塌方和坍塌风险，确
土压平衡式盾构机的工作原理13页
土压平衡式盾构机的工作原理13页
土压平衡式盾构机是一种用于地下隧道掘进的机械设备。其工作原理是利用盾构机首部的刀盘推进土层，同时使用液压缸平衡盾构机内外的土压力，以保持稳定状态。
具体工作原理如下：
1. 盾构机首部的刀盘通过转动和推进的方式，将土层切割和破碎。
2. 切割和破碎的土层通过后方的螺旋输送器向后运输，然后通过输送带或螺旋输送器排出盾构机的尾部。
3. 盾构机通过在尾部添加环片或者喷浆的方式，构建一个水密的推进环境。这样可以将尾部的土层固定住，并保持一定的土压平衡。
4. 在挖掘过程中，盾构机的液压缸通过调整液力来平衡盾构机内外的土层压力。这样可以防止隧道坍塌并保证工作环境的安全稳定。
5. 盾构机的整个推进过程是连续进行的，直到达到预定的掘进目标位置。
总的来说，土压平衡式盾构机利用盾构机首部的刀盘切割和破碎土层，通过盾构机内的土压平衡系统以及尾部的环片或喷浆，来维持一定的土压平衡，从而实现地下隧道的安全掘进。
试谈土压平衡盾构机的工作原理
试谈土压平衡盾构机的工作原理
土压平衡盾构机是一种用于地下隧道施工的机械设备，广泛应用于地铁、交通隧道以及水利工程等领域。相比于传统的开挖法施工，盾构机具有工期短、安全可靠、对环境影响小等优点。
土压平衡盾构机的工作原理基于土层与机身之间的土体平衡原理。它由一个圆筒形机械结构组成，前端有一个巨大的刀盘。刀盘上装有刀片，通过旋转切削土层，同时将被切削的土层通过螺旋输送器运出机舱。机舱内充满了泥浆或水，利用与土层的外部水压平衡，从而防止土层坍塌。
在施工过程中，土压平衡盾构机先由推进液压缸将机身推入土层中，同时将推进套筒安装到已施工好的隧洞后端。随着推进套筒的不断推进，机身被推入的同时，刀盘开始旋转起作用，切削土层。切削下来的土层被螺旋输送器运出机舱，并通过排泥管排出。推进套筒的安装也同样是通过液压缸的推力进行的。
在施工过程中，随着机身的推进，推进套筒会填充预制好的衬砌块，以加固隧道的结构。同时，通过控制机舱内的泥浆或水的压力，维持土层与机身之间的土体平衡。当机身推进到一定距离后，再次通过液压系统抬升机身，并继续推进，循环进行。
总的来说，土压平衡盾构机通过切削土层、排泥、填衬砌块以及通过调节机舱的泥浆或水的压力来实现地下隧道的推进施工。它的工作原理可靠、高效，能够适应不同类型的土质，使得隧道施工更加快速、安全。
试谈土压平衡盾构机的工作原理(doc 14页)
试谈土压平衡盾构机的工作原理
(d o c 14页)
土压平衡盾构属封闭式盾构，土压平衡盾构在掘进过程中，随着刀盘不断切削岩土，在沿圆周布置的液压千斤顶推力下，盾构机不断向前推进。当盾构机向前推进一个管片的长度时，便可以用管片拼装机将若干管片依从下而上的顺序拼装成环。渣土经由有轨电瓶机车运至洞外。下面来了解下土压平衡和泥水平衡盾构的区别。
一、土压平衡盾构机工作原理
土压平衡盾构机是利用安装在盾构最前面的全断面切削刀盘，将正面土体切削下来进入刀盘后面的贮留密封舱内，并使舱内具有适当压力与开挖面水土压力平衡，以减少盾构推进对地层土体的扰动，从而控制地表沉降，在出土时由安装在密封舱下部的螺旋运输机向排土口连续的将土渣排出。
螺旋运输机是靠转速控制来掌握出土量，出土量要密切配合刀盘切削速度，以保持密封舱内始终充满泥土而又不致过于饱满。这种盾构避免了局部气压盾构主要缺点，也省略了泥水加压盾
构投资较大的控制系统、泥水输送系统和泥水处理等设备。
二、土压平衡和泥水平衡盾构的区别
1、结构不同
土压平衡盾构：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压、水压基本平衡，使得掘削面与盾构面处于平衡状态。
泥水平衡盾构：在盾构用一件有形的钢质组件沿隧道设计轴线开挖土体而向前推进。开挖面的密封隔仓内注入泥水，通过泥水加压和外部压力平衡，以保证开挖面土体的稳定。
2、作用不同
土压平衡盾构：初步或最终隧道衬砌建成前，主要起防护开挖出的土体、保证作业人员和机械设备安全的作用，能够承受来自地层的压力，防止地下水或流砂的入侵。
泥水平衡盾构机施工原理介绍
泥水平衡盾构机施工原理介绍
泥水平衡盾构机是一种用于地下隧道施工的先进设备。它采用泥浆平衡法进行施工，能够在地下进行高效、安全的隧道开挖。本文将详细介绍泥水平衡盾构机的施工原理。
1. 泥水平衡盾构机的基本原理
泥水平衡盾构机是在隧道掘进过程中，通过注入泥浆控制地下水位，保持隧道工作面正常工作环境的一种盾构机。它采用了泥浆平衡法，即通过在隧道工作面注入泥浆，使泥浆的密度与地下水的压力平衡，从而达到控制地下水位的目的。
2. 泥水平衡盾构机的工作原理
泥水平衡盾构机主要由刀盘、前后密封、螺旋输送机和泥浆系统等部分组成。在施工过程中，首先将泥浆通过泥浆系统供给到刀盘前部的刀具上。刀盘旋转时，刀具将地层土壤切削下来，同时将泥浆与土壤混合成泥浆浆体。
泥浆浆体通过螺旋输送机送出隧道，同时通过密封系统保持隧道工作面的压力平衡。泥浆与地下水的压力平衡可以有效控制地下水位，防止水和土壤的涌入，保护工作面的稳定性。
3. 泥水平衡盾构机的施工过程
泥水平衡盾构机的施工过程可以分为以下几个步骤：
(1) 预处理：在施工前，需要对隧道工作面进行预处理，包括地下水的降低和土层的加固等。
(2) 开挖：泥水平衡盾构机开始工作后，刀盘旋转切削土壤，并通过螺旋输送机将土壤与泥浆混合成泥浆浆体。
(3) 输送：泥浆浆体通过螺旋输送机将土壤从隧道中输送出去，同时保持隧道工作面的压力平衡。
(4) 支护：在土壤被切削后，需要进行隧道工程的支护，以确保隧道的稳定和安全。
(5) 后续处理：隧道开挖完成后，需要进行后续的清理工作，包括清理刀盘和螺旋输送机等设备。
泥水盾构工作原理
活塞式
软管式
活塞式延伸时，先将泥浆管内泥浆泵送到刀盘里，再进行活塞收缩，然后安装泥浆管，再重新进行连接。 软管式延伸时，先用清水将延伸管内的止浆塞推入隧道内的泥浆管内，然后移动收回软管，此时因为止浆塞的在隧道内的泥浆管内，能够阻止泥浆的倒流进入隧道。这时安装新的泥浆管后，重新连接，再浆止浆塞打回原有的延伸系统内。
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泥水平衡盾构工作原理图
地 层
切削刀盘
进浆管
排浆管
膨润土溶液
压缩空气
气垫室
膨润土液区
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2、泥水盾构施工的特点： 在易发生流沙的地层中能稳定开挖面，可在正常大气压下施工作业； 泥水传递速度快而且均匀，开挖面平衡土压力 的控制精度高，对开挖面周边土体的干扰少，地面沉降量控制精度高； 盾构出土，减少了运输车辆，进度快；刀盘、刀具磨损小，适合长距离施工； 刀盘所受扭矩小，更适合大直径隧道施工； 适用于软弱的淤泥质粘土层、松散的砂土层、沙砾层、卵石层和硬土的互层等地层。特别适用于地层含水量大、上方有水体的越江隧道和海底隧道。
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二、泥水盾构简介
泥水盾构分为英国体系、日本体系和德国体系。目前使用比较广泛是日本体系和德国体系。日本体系为直接控制模式，由泥浆液体直接支护开挖面并提供维持平衡压力的盾构，德国体系是间接控制式盾构，其通过支护液体的压力插入一个空气缓冲层加以控制，即通过空气缓冲层的压力控制，间接控制开挖面的压力。
泥水平衡盾构和土压力平衡盾构
泥水平衡盾构
气垫室
泥膜
压缩空气 泥水
地层
刀盘
送泥管
排浆管
泥水平衡盾构机出土（渣）的工作原理是：利用泥水室的泥水 压力来平衡切削面的土、水压力，切削下来的土体与泥水室内 的泥水充分混合后,由泥水输送系统输送到泥水分离系统进行分 离,废弃渣土,泥水经改良后,再次由管路输送回泥水室循环使用。
泥水平衡盾构 泥水盾构有两种体系，即直接控制型和间接控制型 。日本和英国一般采用直接控制型泥水盾构，德国 采用间接控制型泥水盾构。
百度文库
直接控制型泥水盾构
间接控制型泥水盾构
泥水平衡盾构
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。
泥水平衡盾构和土压力平衡盾构
泥水平衡盾构和土压力平衡盾构
目前常用的盾构机主要有土压平衡和泥水平衡盾构机，除 了其出土（渣）的方式不同外，其基本的工作原理是一致 的。 泥水平衡盾构机出土（渣）的工作原理是：利用泥水室的 泥水压力来平衡切削面的土、水压力，切削下来的土体与 泥水室内的泥水充分混合后,由泥水输送系统输送到泥水 分离系统进行分离,废弃渣土,泥水经改良后,再次由管路输 送回泥水室循环使用。
土压平衡和泥水平衡盾构
土压平衡和泥水平衡盾构
土压平衡盾构和泥水平衡盾构是两种地下隧道施工的机械设备，它们用于挖掘隧道，但在不同的地质条件下采用不同的施工方法。
1. 土压平衡盾构（Earth Pressure Balance Shield）：土压平衡盾构是一种用于在不稳定的土壤或岩石条件下挖掘隧道的机械设备。它在挖掘隧道时使用一个压力平衡系统，以维持机器内外的土压平衡，防止隧道坍塌。这种类型的盾构机适用于软土、黏土、沙土、粉土等土壤条件。土压平衡盾构通常需要在机器内部维护一个特定的土压平衡，并使用搅拌器来混合挖掘的土壤，以确保隧道的稳定性。
2. 泥水平衡盾构（Slurry Balance Shield）：泥水平衡盾构是一种用于在水饱和土壤或淤泥中挖掘隧道的机械设备。在挖掘隧道时，它使用泥浆（一种特殊的液体混合物，通常由水和粉状材料组成）来维持平衡，并防止隧道坍塌。泥水平衡盾构通常适用于河床、湖底、泥浆或淤泥等具有高度不稳定性的条件。泥水平衡盾构通常能够挖掘较大直径的隧道，并在挖掘过程中通过泥浆输送土壤和岩石碎片。
这两种盾构机都是在地下施工中非常重要的工具，可以用于各种地质条件下的隧道挖掘工程。它们的设计和操作方法取决于具体的施工要求和地质条件。这些盾构机通常需要高度技术和工程知识，以确保安全和有效的隧道施工。
泥水平衡盾构机原理
泥水平衡盾构机原理
泥水平衡盾构机是一种用于地下隧道施工的机械设备。它采用盾构掘进技术，能够在地下土层中进行隧道开挖，同时将土层支撑，确保隧道施工的安全稳定。
泥水平衡盾构机的原理基于泥水平衡掘进技术。首先，机器驱动泥浆循环系统进行运转。该系统由泥浆搅拌机、管道、泥浆分离器等组成。泥浆通过管道输送到盾构机前端，形成泥浆帷幕，将隧道周围土层润湿和液化，减少土层对盾构面的阻力。
在掘进过程中，盾构机的刀盘刀具会不断切削土层，并将切削下来的土体混合在泥浆中。随着刀盘的旋转和推进，盾构机推进装置会将机械力转移到盾构膨润土上，使其膨胀成环形支撑结构，稳定隧道壁面。同时，通过后端的支撑系统，调节压力，确保隧道内外的水压平衡，以防止隧道壁面塌陷。
在泥水平衡掘进过程中，泥浆起到了多重作用。首先，泥浆通过盾构机前端喷射形成泥浆帷幕，减少土层对盾构面的摩擦力和阻力，实现泥浆平衡。其次，泥浆具有润滑作用，可以减少刀具与土层的摩擦，延长刀具寿命。还可以将切削下来的土层带走，并通过分离器进行分离和处理，以回收泥浆和水分。
总的来说，泥水平衡盾构机通过泥浆的循环使用和土层支撑，实现了在地下进行隧道施工的安全高效。该技术在城市地下工程中得到了广泛应用，如地铁、管道、水利工程等。
土压平衡式盾构机的工作原理
土压平衡盾构机的工作原理
一、盾构机的工作原理：
1、盾构机的掘进
液压马达驱动刀盘旋转，同时启动盾构机推进油缸，将盾构机向前推进，随着推进油缸的向前推进，刀盘持续旋转，被切削下来的碴土充满泥土仓，此时开动螺旋输送机将切削下来的渣土排送到皮带输送机上，后由皮带输送机运输至渣土车的土箱中，再通过盾构井口垂直运至地面。
2、掘进中控制排土量与排土速度
当泥土仓和螺旋输送机中的碴土积累到一定数量时，开挖面被切下的渣土经刀槽进入泥土仓的阻力增大，当泥土仓的土压与开挖面的土压力和地下水的水压力相平衡时，开挖面就能保持稳定，开挖面对应的地面部分也不致坍塌或隆起，这时只要保持从螺旋输送机和泥土仓中输送出去的渣土量与切削下来的流人泥土仓中的渣土量相平衡时，开挖工作就能顺利进行。
3、管片拼装
盾构机掘进一环的距离后，通过管片拼装机通缝或错缝拼装单层衬砌管片，使隧道—次成型。
二、盾构机的组成及各组成部分在施工中的作用
盾构机的刀盘直径为6.28m，总长80余m，其中盾体长8.5m，后配套设备长72m，总重量约480t ，总配置功率1577kW，最大掘进扭矩5300kN?m，最大推进力为36400kN，最快掘进速度可达8cm／min。盾构机主要由9 大部分组成，他们分别是刀盘、盾体、刀盘驱动、双室气闸、
管片拼装机、排土机构、后配套装置、电气系统和辅助设备。
1. 盾体
盾体主要包括前盾、中盾和尾盾三部分，这三部分都是管状筒体，其外径是分别为6250mm、6240mm和6230mm。前盾和与之焊在一起的承压隔板用来支撑刀盘驱动，同时使泥土仓与后面的工作空间相隔离，推进油缸的压力可通过承压隔板作用到开挖面上，以起到支撑和稳定开挖面的作用。承压隔板上在不同高度处安装有五个土压传感器，可以用来探测泥土仓中不同高度的土仓压力值。前盾的后部是中盾，中盾和前盾通过法兰以螺栓连接。中盾内侧的周边位置装有推进油缸，推进油缸杆上安有塑料撑靴，撑靴顶推在后部已安装好的管片上，通过控制油缸杆向后伸出可以提供给盾构机向前的掘进力。推进油缸按照安装布置被分成A、B、C、D 四组，掘进过程中，在操作室中可单独控制每一组油缸的压力，这样盾构机就可以实现左转、右转、抬头、低头或直行，从而可以使掘进中盾构机的轴线尽量拟合隧道设计轴线。中盾的后部是尾盾，尾盾通过14 个被动跟随的铰接油缸和中盾相连。这种铰接连接方式使盾构机易于转向。
2.土压平衡盾构与泥水平衡盾构的结构原理
2土压平衡盾构与泥水平衡盾构的结构原理
傅德明
上海市土木工程学会
1土压平衡盾构的结构原理
进行叙
所以
图2土Array 1.1.2.
有关。
1.1.
2.1
(1)
(2)
①面板：
土质条件
②
③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。
④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。
⑤千斤顶安全锁：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。
①刀盘(刀头、轮辐、中间梁)。
②刀盘背面的搅拌翼。
③调协在螺旋排土器芯轴上的搅拌翼。
④设置在隔壁上的固定翼。
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2土压平衡盾构与泥水平衡盾构的结构原理
傅德明
上海市土木工程学会
2011.5.21
1 土压平衡盾构的结构原理
1.1 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。
1.1.1 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。
1.1.1.1 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。
1.1.1.2 砂质土层掘削面的稳定机理
就砂、砂砾的砂质土地层而言，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。
1.1.1.3 土压盾构的种类
图1 土压盾构基本形状
按稳定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①面板一次挡土。
②充满土舱内的掘削土的被动土压稳定掘削面。
③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
加水式土压盾构①面板一次挡土。
②向排槽内加水，与掘削面水压平衡，增土体的
流动性。
③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盾构①面板一次挡土。
②高浓度泥水加压平衡，并确保土体流动。
③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①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
②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. 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.
2.1 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
①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。
②扭矩：通常根据土质条件，有无砾石确定。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。
③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。
④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。
⑤千斤顶安全锁：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。
①刀盘(刀头、轮辐、中间梁)。
②刀盘背面的搅拌翼。
③调协在螺旋排土器芯轴上的搅拌翼。
④设置在隔壁上的固定翼。
⑤独立驱动搅拌翼。
(6)排土装置