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2011.5.211 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：①螺旋式排土器+闸门方式②螺旋式排土器+排土口加压装置方式③螺旋式排土器+旋转式送料器(旋转料斗、阀门)方式④螺旋式排土器+压力泵方式⑤螺旋式排土器+泥浆泵考虑排土装置时，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。

1.2 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15，天然含水率≥25%，渗透系数K<5×10-2cm/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。

1.2.1 盾构机的构成特点(1) 刀盘: 掘削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1.2.2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：①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。

②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螺旋输土机的转速，或转斗排土的转速。

③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。

舱, ,迟,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。

1.4 加泥土压盾构1.4.1 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。