2 土压与泥水盾构结构原理
泥水平衡盾构机施工原理和过程
泥水平衡盾构机施工原理和过程
泥水平衡盾构机是一种先进的地下隧道施工设备，其施工原理和过程如下：
1. 泥水平衡原理：
泥水平衡盾构机通过在隧道开挖的同时用泥浆来平衡地下水的压力，保持隧道内外的压力平衡。
泥浆被压入钻头，然后通过螺旋输送器将挖掘出的土层推向机尾，形成一个连续的支撑系统，防止隧道塌方。
2. 泥水平衡盾构机施工过程：
（1）初始工作：安装盾构机、钻刀、传动系统、防泥层、螺
旋输送器等设备，并进行前期准备工作。
（2）开挖土层：盾构机启动后，钻刀开始旋转并推进，将土
层挖掘出来。
同时间，泥浆通过喷射系统进入钻刀与土层之间的工作空间，平衡地下水的水压。
（3）土层输送：螺旋输送器将挖掘出的土层推向盾构机后部，同时泥浆通过污泥管道排出。
（4）隧道衬砌：在挖掘过程中，立即进行隧道衬砌，以保持
隧道稳定性。
衬砌材料可以是混凝土预制环块等。
（5）连续推进：盾构机继续进行推进，重复以上步骤，直至
完成整个隧道的开挖。
总之，泥水平衡盾构机通过泥浆的平衡压力和连续推进的工作方式，实现了地下隧道的安全快速施工。
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上海市土木工程学会1土压平衡盾构的结构原理土压平衡盾构的基本原理图1土压盾构基本形状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。
盾构构造与施工原理(土压与泥水)
二、盾构机的构成
盾构掘进机一般由盾构壳、推进千斤顶、正面支撑机构、挖土及运输 组、衬砌拼装机构、液压系统、注浆系统和盾尾装置组成。
1、刀盘 盾构机的刀盘是安装在盾构机前面的旋转部分。它是用于开挖岩土、切
削土层的主要部件，通过在刀盘上安装不同的刀具，就可分别完成软土和硬 岩的开挖，以适应不同地质施工的要求。
19世纪末～20世纪初——城市隧道工程促进了闭胸式盾构的产生，盾构工法相 继传入美国、日本、法国、德国等国家。
20世纪60年代至80年代——盾构工法迅速发展，完善了气压盾构、挤压（网格 ）盾构、插刀盾构、泥土加压盾构、泥水盾构等，盾构工法在地铁、市政隧道、公 路隧道等的建设中得到广泛应用。
20世纪80年代至今——研制出了加气泡盾构，同时大直径盾构、异形断面盾 构（方形、椭圆形、马蹄形等）、双圆盾构、三圆盾构等得到发展。
润滑油脂泵等）
二号台车（操作室、注浆罐、注浆泵等） 三号台车（变频柜、膨润土系统、注浆系
皮带机 泡沫发
注浆气
生器
动阀 四三号号台台车车（（左左））
管片六五吊号号台台车车（（左左））
统液压站等）
四号台车（主配电柜、泡沫系统等）
喂片机
五号台车（循环水系统、主变压器、皮带
机驱动、出碴口等）
六号台车（空压机、储气罐、二次通风机、
刀具实物图
刮刀
贝壳刀
鱼尾刀
超挖刀
2、盾体
盾体的盾壳是一个用厚钢板 焊接成的圆柱筒体，厚度为45mm, 是承受地下水压、土压力、盾构 千斤顶的推力、管片拼装时的附 加力及各种施工载荷的承力钢结 构，同时也保护操作人员安全。
盾体内的主要结构部件包括 刀盘驱动马达、人闸、推进油缸、 铰接油缸等。
土压盾构和泥水盾构施工工艺分析
土压盾构和泥水盾构工作原理比较
• 土压盾构
• 泥水盾构
土压平衡盾构机是利用安装在 泥水平衡盾构机是在支撑环前面装
盾构机最前面的全断面切削刀 盘，使正面土体切削下来进入 刀盘后面的储留密封舱内，并 使仓内具有适当压力与开挖面 水土压力保持平衡，以减少盾
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 撑正面土体，并由安装在刀盘上的 刀具切削土体表层泥膜，与泥水混 合后，形成高密度泥浆，由排浆泵 及管道输送至地面处理，整个过程
泥水平衡盾构泥水系统的组成
泥水盾构的泥水系统由四大部分组成 ⑴造浆分系统 ⑵泥水输送分系统 ⑶泥水处理分系统 ⑷泥水监控分系统
造浆分系统
➢包括泥水拌制分系统和浆液调整分系统
• 盾构在掘进过程中，需要进行新旧泥浆交替补充到盾构开挖 面，形成一定厚度的泥膜便于刀盘切削。
• 当旧浆液浆量不足，需要及时补充新鲜浆液，造浆系统根据 浆液的粘度、比重等技术指标进行调整。以便及时向盾构泥 水舱补充浆液，使开挖面快速形成泥膜，便于开挖面稳定和 盾构顺利掘进。
处理，去除团状和块状等粗大颗粒。粗颗粒的分离一般采用 双层或三层振动筛。
泥水监控分系统
•泥水系统的运行和操纵由泥水监控分系统来实现。 •泥水监控分系统由PLC程序实现。通过泥水监控分系统的运用， 随时为盾构施工提供可靠的信息和采集泥水系统的技术数据。 •泥水监控分系统以旁通模式、掘进模式、反循环模式、隔离模 式和长时间停机模式控制等五种不同的状态进行监控。
中铁隧道集团二处有限公司
土压盾构和泥水盾构施工工艺分析比较
2018年8月25日
土压盾构机
-
土压平衡盾构的概念
➢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 过刀盘开口进入土舱，使土 舱和排土用的螺旋输送机内 充满切削下来的泥土，依靠 盾构推进油缸的推力通过隔 板给土舱内的土碴加压，使 土压作用于开挖面以平衡开 挖面的水土压力。
盾构施工工艺工法(土压泥水)
盾构施工工艺工法0前言盾构法(Shield Method)是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，它是将盾构在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。
本施工工法中所描述的盾构分为两类：土压平衡盾构和泥水平衡盾构。
土压平衡式盾构是把土料(必要时添加泡沫、膨润土等对土壤进行改良)作为稳定开挖面的介质，刀盘后隔板与开挖面之间形成泥土室，刀盘旋转开挖使泥土料增加，再由螺旋输料器旋转将土料运出，泥土室内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输出料器出土量(旋转速度)进行调节。
泥水式盾构是通过加压泥水或泥浆(通常为膨润土悬浮液)来稳定开挖面，其刀盘后面有一个密封隔板，与开挖面之间形成泥水室，里面充满了泥浆，开挖土料与泥浆混合由泥浆泵输送到洞外分离厂，经分离后泥浆重复使用。
（2）本工法内容包括①主要内容本工法的主要内容包括：盾构组装、调试作业，盾构始发作业，盾构正常掘进作业，盾构到达作业，盾构过站、调头作业，盾构拆卸、吊装、存放作业，刀盘刀具的检查与更换作业，施工运输作业，施工通风及洞内轨道、管线布置作业，盾构施工测量作业10部分。
每部分按工序细分，各项作业按照紧前工序达到标准、适用条件、作业内容、作业流程及控制要点、作业组织、紧后工序等内容进行编制。
② 总体施工流程图盾构法隧道总体施工流程图见图1③ 盾构法隧道施工阶段划分及工作要点盾构法施工可分为：施工准备阶段、正常施工阶段和收尾阶段。
各阶段工作主要工作要点见表1。
1 盾构组装、调试作业图Ⅲ.1盾构法隧道总体施工流程图施工准备阶段 正常施工阶段 收尾阶段（1）紧前工序达到标准施工准备阶段完成,盾构施工临时设施建设完成，配套附属工程施工完成。
（2）作业内容盾构组装、调试作业内容包括：施工准备、后配套组装作业、主机组装作业、空载调试及验收作业。
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力平衡盾构
土压平衡盾构机出土（渣）的工作原理是：刀盘旋转开挖工作 面的土体，挖掘下来的土料作为稳定开挖面的介质，土料由螺 旋输送机旋转运出，泥土室内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺 旋输料器出土量(旋转速度)进行调节。
土压力平衡盾构
马达驱动刀盘旋转切 削土体，同时盾构机液压 千斤顶将盾构机向前推进， 并向密封仓内加入塑流化 改性材料，与开挖面切削 下来的土体经过充分搅拌， 形成具有一定塑流性和透 水性低的塑流体。同时通 过伺服控制盾构机推进千 斤顶速度与螺旋输送机向 外排土的速度相匹配，经 舱内塑流体向开挖面传递 设定的平衡压力，实现盾 构机始终在保持动态平衡 的条件下连续向前推进。
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。
泥水盾构工作原理
气压调节系统
目前是使用的一般是SAMSON公司产品。其原理为，当压力降低或升高，与设定值有偏差时，通过压力的反馈，调整进气阀或者排气阀，对气仓内进行补气或排气，使压力逐渐升高或降低到设定压力值，直至与设定值平衡。因为掘进时液位总是存在一定的波动，其压力有一定变化，SAMSON系统能根据压力的反馈，及时对气压进行调整。
压力调节器
进排气阀
一般气仓压力一经设定，一个掘进循环内不再进行调整，所以掘进循环内，刀盘压力稳定在某个恒定值。只有当掘进条件发生变化，需要调整掘进压力时，再对压力调节器重新进行压力设定。 气压调节系统功能是保证泥水仓的压力，泥浆循环系统的功能是出渣。
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四、泥水处理系统
泥水盾构掘进，其泥浆质量是控制盾构掘进质量的重要基础，对于盾构掘进循环回来的污浆，其性能不能满足循环使用要求，为能够保证掘进质量，需要对泥浆的比重、粘度、颗粒等进行处理，其中泥水分离设备是对泥浆性能有最直接影响的设备
.
两种泥水盾构的主要区别如下
日本体系泥水盾构的泥浆压力，在循环掘进时，通过调整进浆泵的转速或者调整进浆泵出口节流阀的开口比值来实现压力控制的。因此掘进速度、地层变化、掘进深度及其掘进长度对压力均有影响。调节泵的压力是通过中心控制室的自动调节完成。
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德国体系的空气室的压力是根据开挖面需要的支护泥浆压力设定的，空气压力可通过空气控制阀使压力保持恒定。同时由于空气缓冲层的弹性作用，即使液位波动或出现突然的泄漏，对土仓压力也无明显影响。
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长时间停机模式
这个模式是自动控制的。此时所有泵都停止运转。开挖面压力由压缩气回路来控制。当气垫室泥浆液位低于预定的低限时，便进行校正。
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3.2泥浆循环参数控制
泥浆循环参数包括泥浆流量和液位、压力、比重等，循环部件包括进出泥浆泵、流量计、比重计、各种泥浆阀门等。对于不同厂家的盾构的，其泥浆循环略有区别。 泥浆循环的控制包括： 流量和液位的控制 泥浆压力的控制 比重的控制等。
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。
土压平衡盾构和泥水平衡盾构的特点及适应性分析
研
作面土体摩擦力大，刀具磨损量大，不利于长距离
（２） 泥水平衡盾构在掌子面根据要求添加泥水 究
掘进。
（浆），对掌子面的地层进行了改良，泥水平衡盾构设
（３） 在地层中富含水时，根据施工经验，土压平 置卵石破碎机，对孤石进行破碎处理，所以泥水平衡
衡盾构对高水压（０．３ ＭＰａ 以上）的地层适应性差。由 盾构对高水压和砂、黏性、含孤石等地层都能适应。
较差
境良好
施工场地
渣土呈泥状，无需进行任何处理即可运送，所以占 在施工地面需配置必要的泥水处理设备，占地面积
地面积较小
较大
经济性
只需要出渣矿车和配套的门吊，整套设备购置费用 需要泥水处理系统，整套设备购置费用高
低
通过对两种盾构的施工风险对比分析，本文认 为对目前地下施工通用的两种盾构的选择使用，主 要应根据工程的地质条件，并结合效率、施工场地、 施工的经济性来综合考虑。对于使用土压平衡盾构 还是使用泥水平衡盾构，其前提是保证施工工程的
关键词：土压平衡盾构 泥水盾构 地质条件 掘进机理 适应性
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目前，国内外盾构施工工程主要是土压平衡盾 构机和泥水平衡盾构机两种机型，针对特定的地质 条件，合理地选用盾构将使施工风险降低。本文从土 压平衡盾构和泥水平衡盾构的掘进机理及对不同地 质的适应性进行分析，对多种与盾构施工相关的因 素进行比较，以期对目前通用的两种盾构选型有一 定的帮助。
工程机械
Ｔｅ ｓ ｔ ａ ｎｄ Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒｃｈ
地层中掘进时，由于砂料在螺旋输送机上输送连续 构施工过程连续性好，效率高，且刀具在泥水环境中 试 验
性差，土压平衡盾构就不易形成土塞效应，掌子面 工作，由于泥水的冷却与润滑作用，刀具磨损小，有
盾构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和泥水平衡，这听起来可能有点复杂，别担心，我来给你说说这俩玩意儿。
想象一下，有一天你在城市的地下挖一个大洞，别问为什么，可能是为了建地铁，也可能是为了修个什么管道，地上热闹得很，地下却是一片宁静。
你手里拿着一台超级厉害的机器，叫做盾构机。
听着名字就挺牛逼的，像是电影里那种超级英雄的装备。
它的作用就是把地下的土挖出来，然后把你需要的隧道给打通。
可别小看这台机器，里面可讲究多了。
说到土压平衡，这个就像是玩一场平衡木的游戏。
盾构机在挖土的时候，周围的土壤压力就像一双无形的手，时刻想把你推回去。
为了防止这种情况，盾构机内部会注入一些泥浆，嘿，这泥浆可不是普通的泥，里面有一些特别的配方，能让土壤的压力和机器内部的压力保持平衡。
想象一下，就像你在秋千上荡来荡去，一边推一边拉，保持那种完美的平衡感，真的是需要点技术的。
土压平衡的原理，就是把周围的土压和盾构机的内部压力调到一个和谐的状态。
要不然，土就会像发了疯一样冲上来，把你埋了。
然后说到泥水平衡，嘿，这又是个神奇的东西。
泥水平衡就像是给盾构机喝水，没水就没法干活。
这个泥浆的作用在于保护盾构机，同时还能给土壤加点“润滑油”，让它不那么容易塌方。
泥浆的成分就像是调配鸡尾酒，得掌握好比例，才能喝得舒服。
太稠了，盾构机就像卡在了牛角尖；太稀了，又没法支撑周围的土壤。
说白了，泥浆是个调皮的家伙，但只要你掌握得当，它就能给你带来意想不到的效果。
你知道吗，盾构机在运作的时候，周围的环境其实就像是一场变幻莫测的秀。
你一会儿在沙土里，一会儿又钻进黏土里，像是在跟土壤玩捉迷藏。
每挖一步，都会遇到不同的土质，简直像是探险一样，充满了惊喜。
有时候你会遇到石头，盾构机就得像是个壮汉，奋力一击；有时候是水，哎呀，那可得小心了，不然就成了“水灾”。
想想看，在地下十几米深的地方，你就是个勇敢的探险者，跟着机器一路摸索，真是又刺激又有趣。
不过，盾构土压平衡和泥水平衡不光是技术活，还真得有点艺术。
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。
土压平衡盾构工作原理及结构
土仓压力<水压力+土压力
地面下陷
土仓压力控制因素
土仓压力控制因素图 增大/减小推进速度
增大 / 减小螺旋输送机排放速 度
地下水压 土压
42
30
⑺注脂系统
根据盾构使用、设计理念的不同而有所区别，总体来说盾构注脂 系统包括以下三种： ☆HBW注脂系统 ☆主轴承密封注脂系统 ☆盾尾密封注脂系统
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⑻供电系统
主要作用： ☆实现高压电缆延伸 ☆实现动力系统供电 ☆实现控制系统供电 ☆实现照明及应及照明供电
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⑼水循环、排污系统
主要作用: ☆实现供排水管路延伸 ☆实现各系统供水 ☆实现各系统冷却 ☆实现施工污水排放
变频电机
一般电机
液压驱动
驱动部外形尺寸 后续设备
效率 起动力矩 起动冲击 转速微调控制
中 少
0.95 大 小 好 差
大 少
0.9 较小 大
小 较多
0.65 较大 较小 好
噪声 盾构温度
维护保养
小 低
易
小 较低
易
大 较高
较复杂
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⑶主轴承润滑及密封系统
刀盘室
盾构主体
主密封及油脂 刀盘支座 小齿轮
电机 主轴承 轴承箱
房屋开裂
防洪堤坍塌
地表下沉
4.2 土压平衡盾构开挖面平衡机理
土压平衡盾构开挖面的稳定由下列各因素的综合作用而维持： 土仓内的土压力平衡地层压力和水压力；
螺旋输送机调节排土量；
适当保持泥土的流动性，根据需要调节添加剂的注入量。
土仓压力=水压力+土压力
平衡
土仓压力>水压力+土压力
地面隆起
泥水盾构机工作原理
泥水盾构机工作原理
泥水盾构机是一种以机电设备为核心的隧道掘进设备，它主要用于建设地下管道、隧道等工程。
其工作原理如下：
1. 准备工作：在开始施工前，需要先进行现场勘测和设计，并确定好隧道的位置、形状和尺寸。
同时，还需要进行地下水位和土质的勘测，以便选择合适的施工方法。
2. 机械操作：首先利用机械设备挖掘好进出坑口，并铺设好施工轨道。
然后，将泥水盾构机放置在轨道上，并连接好供电、供水、排水和通风系统。
3. 掘进过程：泥水盾构机通过传动装置，带动刀盘进行挖土工作。
在挖土过程中，机械设备将泥浆推送至刀盘前部，形成泥浆层。
泥浆起到润滑和冷却刀盘的作用，同时还能稳定地下土层。
4. 土体处理：泥水盾构机挖掘完成后，需要将挖出的土体通过输送装置运送到地面。
通常采用输送带、螺旋输送机等装置进行土体的运输。
5. 同步支护：为了确保施工安全和隧道的稳定性，需要在泥水盾构机推进的同时进行支护工作。
常用的支护材料有钢架、预制混凝土块等。
6. 后期处理：隧道掘进完成后，还需要进行地面恢复工作，包括填埋、修复绿化等。
总的来说，泥水盾构机通过刀盘挖掘土层，同时通过泥浆的润滑和冷却，保证刀盘的正常运转。
同时，通过土体处理和同步支护，确保掘进过程中的施工安全和隧道的稳定性。
泥水盾构机工作原理
泥水盾构机工作原理泥水盾构机是一种用于地下隧道开挖的专用设备，它的工作原理主要包括盾构机的结构组成、施工过程和工作原理等方面。
首先，我们来了解一下泥水盾构机的结构组成。
泥水盾构机主要由盾构壳体、推进系统、泥水处理系统、电气控制系统等部分组成。
盾构壳体是泥水盾构机的主体部分，它由前部掘进室、中部推进室和后部尾部室组成，前部掘进室安装有刀盘和刀盘推进液压缸，中部推进室用于安装隧道衬砌机构，后部尾部室则安装有尾部密封系统。
推进系统由主推进液压缸、副推进液压缸、推进齿轮和推进链条等组成，主要用于推动盾构壳体前进。
泥水处理系统用于处理盾构施工过程中产生的泥浆和废水，保证施工现场的清洁和环境的保护。
电气控制系统则是泥水盾构机的智能控制中心，通过对各种传感器和执行机构的监测和控制，实现盾构机的自动化施工。
在了解了泥水盾构机的结构组成之后，我们来看一下它的施工过程。
泥水盾构机的施工过程主要包括掘进、推进、衬砌和尾部封闭等步骤。
首先是掘进过程，盾构机通过刀盘的旋转和推进系统的作用，不断地向地下挖掘，同时泥浆和废水通过泥水处理系统进行处理。
接着是推进过程，推进系统通过主推进液压缸和副推进液压缸的作用，推动盾构壳体向前推进，同时隧道衬砌机构对挖掘的隧道进行衬砌。
衬砌过程是将预制的隧道衬砌环片逐个安装在挖掘好的隧道内，形成完整的隧道结构。
最后是尾部封闭过程，尾部密封系统对尾部空间进行封闭，保证施工现场的安全和环境的保护。
了解了泥水盾构机的结构组成和施工过程之后，我们来看一下它的工作原理。
泥水盾构机的工作原理主要是利用刀盘的旋转和推进系统的作用，不断地向地下挖掘，并通过泥水处理系统处理泥浆和废水，同时通过隧道衬砌机构进行隧道的衬砌，最终完成隧道的开挖和建设。
盾构机的推进系统通过主推进液压缸和副推进液压缸的作用，推动盾构壳体向前推进，同时保证施工现场的安全和环境的保护。
电气控制系统对各种传感器和执行机构进行监测和控制，实现盾构机的自动化施工，提高施工效率和施工质量。
土压平衡盾构工作原理及结构
液压马达 伸缩油缸
出碴闸门
螺旋轴 筒体
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⑺管片拼装机
管片安装机主要完成管片的安装，由油缸、行走梁、支承架、旋 转架及抓举头等组成。
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㈡后配套
后配套主要包括设备桥和拖车，每个拖车上都装有支持盾构前进 和施工的装置，拖车通过设备桥与管片拼装机的行走梁相接，跟随 盾构机前进。
目录
一、土压平衡盾构简介 二、土压平衡盾构工作原理 三、土压平衡盾构结构 四、盾构开挖面平衡机理
1
2
㈠发展概况
土压平衡盾构的发展基于挤压式盾构和泥水盾构，始于日本，20 世纪70年代初，第一台土压平衡盾构由日本设计制造，直径3.72m。 1985年国内第一次引进土压平衡盾构，直径4.33m，1987年国内 首台土压平衡盾构研制成功，直径4.35m。
二次通风： ☆实现通风管的延伸 ☆实现施隧道内的通风效果，如降温、排尘等
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⑾导向系统
主要作用： ☆实现盾构方向的监控（水平、竖直） ☆实现盾体滚动角监控
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四、 盾构开挖面平衡机理
4.1盾构施工中的技术难点－压力平衡
房屋开裂
防洪堤坍塌
地表下沉
4.2 土压平衡盾构开挖面平衡机理
土压平衡盾构开挖面的稳定由下列各因素的综合作用而维持： 土仓内的土压力平衡地层压力和水压力； 螺旋输送机调节排土量； 适当保持泥土的流动性，根据需要调节添加剂的注入量。
1—刀盘；2--土舱；3—承 压隔板；4—人舱；5—推进 千斤顶；6—盾尾密封；7— 管片；8—皮带机；9—拼装 机；10—主驱动；11—螺旋 6 机
㈡土压平衡原理
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泥水输送分系统
❖ 泥水输送分系统将调整浆通过送泥泵与送泥管道输送至 盾构泥水舱。
❖ 刀盘切削下来的土砂和泥水舱中的泥水合成的泥浆，通 过排泥泵与排泥管道送往地面的泥水处理分系统进行分 离。
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陈馈
中铁隧道集团有限公司
2010.03.17
第一篇 泥水盾构结构原理
提纲
1 泥水盾构的概念 2 泥水盾构的结构原理 3 泥水盾构的基本配置 4 泥水盾构开挖面稳定机理 5 泥水系统的作用和组成 6 地质适应范围 7 泥水盾构工程应用案例及视频
1、泥水加压平衡盾构的概念
❖ 泥水加压平衡盾构（slurry pressure balance shield），简称SPB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舱, 开挖面的稳定是将泥浆送入泥水舱内，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。
❖ 泥水的粘度 可通过将泥水从漏斗容器流出的时间来判定泥水 的粘性(在清水中500cc漏斗粘性是19秒)。通常是 采用25~40秒/500cc左右值的泥水。
泥膜形成机理
❖ 类型1：几乎不让泥水渗透，仅形成泥膜。 ❖ 类型2：地层土的间隙较大，仅让泥水渗透过去，没有形成
泥膜。 ❖ 类型3：是上述两种类型的中间状态，边让泥水渗透，边形
❖ 泥水盾构通过向密封的泥水舱内输送加压 的泥水来获得开挖面的稳定，对于不透水 性的粘土，泥浆压力适当大于围岩主动土 压力，就可以保证隧道开挖面的稳定；
❖ 对于透水性大的砂性土，泥浆会渗入到土 层内一定深度，并在很短时间内，在土层 表面形成不透水的泥膜，使泥浆压力在开 挖面上产生与作业面上的土压、水压相抗 衡的泥水压，以保持作业面的稳定。来自泥模形成区地层
刀盘
压缩空气
连通管 压缩空气
泥浆
进泥管
排泥管
两种体系的比较
❖ 间接控制型泥水盾构 （+/-0.05bar ）与直接控 制型泥水盾构(+/-1.0bar) 相比，因间接控制型泥 水盾构采用气压控制泥 浆压力，气压具有缓冲 作用，所以泥水压力的 波动小,对开挖面土层支 护更为稳定，对地表变 形控制也更为有利。
水位线
地表面
地表下沉
水压PW 土压
泥水压力PS<PC+PW
送泥
排泥
排泥
泥水压力大于水压力及土压力之和
水位线
地表面
地表隆起
水压PW 土压
泥水压力PS>PC+PW
送泥
排泥
排泥
5、泥水系统的作用和组成
❖ 泥水系统的作用
1 及时向开挖面的泥水舱提供盾构 掘进需求的泥浆，用优质膨润土配 制的泥浆的比重、粘度等技术指标 必须满足在开挖面形成泥膜和稳定 开挖面的要求；
➢ 目前泥水加压盾构工法对地层的适用范围 不断扩大，即使处于恶化的施工环境和存 在地下水等的不良条件下，由于有相应的 处理方法，因而几乎能适应所有的地层。
➢ 粘性土层
粘土矿物经相互间电化学结合而形成的粘性土层，近似变质 了的琼胶块状体，由泥水比重和加压带来的力容易形成对开 挖面的稳定，不论粘性土层的软弱状态如何，都适合于用泥 水盾构施工。泥水盾构也适用于粉砂土地层施工
2 及时把切削下来的土砂形成的泥 浆输送到地面进行分离和处理，再 将回收的泥浆调整利用。
支护泥水的作用
支护泥水在泥水盾构掘进中起着重要作用： ❖ 在开挖面土体表面形成泥膜，泥膜厚度随
渗透时间增加而增加，从而有效提高渗透 抵抗力。 ❖ 支承、稳定开挖面土体。 ❖ 盾构借助泥水压力与正面土压产生泥水平 衡效果，有效支承正面土体。 ❖ 对刀盘和刀具等切削设备有冷却和润滑作 用。
➢ 砾石层
➢ 砂层
不含水的砂层由于漏浆，不能保持住对开挖面的加压和稳定。 通常，在含有某一数量的粉砂土、粘土的冲积层中，几乎都 有一定的含水量，全部都是细砂的地层是少见的，干燥的松 弛砂也很少有，由于砂层内摩擦角有许多是在φ=28°左右， 所以大部分可用泥水加压来保持开挖面的稳定。松弛的含水 量多的砂层，在其它盾构工法中很难保持土层稳定，可采用 泥水盾构并提高其泥水比重、粘度和压力。
长时间停机模式
❖ 这个模式是自动控制的。此时所有泵都 停止运转。开挖面压力由压缩空气回路 来控制。当气垫室泥浆液位低于预定的 低限时，便进行校正。
6、泥水盾构地质适应范围
➢ 泥水加压盾构最初是在冲积粘土和洪积砂 土交错出现的特殊地层中使用，由于泥水 对开挖面的作用明显，因此在软弱的淤泥 质土层、松动的砂土层、砂砾层、卵石、 砂砾层、砂砾和坚硬土的互层等地层中均 适用。
泥水配比设计
主要由膨润土、CMS、纯碱和水组成 ❖ 膨润土的作用提高泥水粘度、比重、
悬浮性、触变性 ❖ CMS（缩甲基淀粉）的作用降低失水
率、增加粘度 ❖ 纯碱（碳酸钠）调节PH值、分散泥水
颗粒
泥水的技术指标
❖ 泥水比重 为使开挖面稳定，须将开挖面的变形控制在最低 限度以内，希望泥水比重要相当高。但比重高的 泥水使得送泥泵处于超负荷状态，并将导致泥水 处理的困难；而比重低的泥水虽具有减低泵的负 荷等优点，但却产生了逸泥量的增加、推迟泥膜 的形成。 一般的泥水比重在1.05~1.3范围内较适 宜。
❖ 旋流器不同的内径和颈长比以及 不同的工作压力，会起到不同的 处理效果。
泥水监控分系统
❖ 泥水系统的运行和操纵由泥水监控分系统来 实现。
❖ 泥水监控分系统由PLC程序实现。通过泥水 监控分系统的运用，随时为盾构施工提供可 靠的信息和采集泥水系统的技术数据。
❖ 泥水监控分系统以旁通模式、掘进模式、反 循环模式、隔离模式和长时间停机模式控制 等五种不同的状态进行监控。
旋流器
❖ 采用旋流器进行第二道分离．旋 流器的主要功能是将经过振动筛 分离以后的中细颗粒浆液再次进 行细化处理，逐次降低浆液粒径， 一般采用多级旋流器进行处理。
❖ 旋流器的工作原理是依据水动力 高速旋转产生的离心力达到处理 目的，利用旋流泵在旋转过程使 旋流器产生负压力，迫使旋流器 内部悬浮的细微颗粒，通过离心 作用产生螺旋式上升，通过上溢 口被负压力挤出，浆液中粗重颗 粒在自重的重力作用下落入下溢 口弃浆槽内。
3、基本配置
❖ 泥水盾构主要由以下五大系统构成： ● 一边利用刀盘挖掘整个开挖面、一边推
进的盾构掘进系统； ● 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； ● 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； ● 泥水分离处理系统； ● 壁后同步注浆系统。
4、开挖面稳定机理
❖ 拌制泥浆的主要材料是膨润土、CMS等。
泥水拌制系统
❖ 泥水拌制系统由新浆槽、新浆泵、新浆搅拌器、新浆 贮备槽、CMS搅拌槽、CMS搅拌器、CMS泵、分配阀 和加水设备组成。
❖ CMS搅拌槽贮存化学浆糊、新浆槽贮存膨润土等材料， 将搅拌后的CMS化学浆糊送入新浆槽进行混合搅拌制
成新鲜浆液。
浆液调整分系统
分离站
调浆池
送泥泵
排泥泵
中继泵
2、结构原理
◆泥水盾构有两种体系。 泥水盾构根据泥水舱构造形式和对泥浆 压力的控制方式的不同，泥水盾构分为: 直接控制型和间接控制型
直接控制型泥水盾构
❖ 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舱， 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。 ●泥水舱中的泥浆压力，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。
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反循环模式
❖ 这个模式使开挖室里的泥浆逆向流动。 仅用于一些特别情况，特别是在开挖室 内发生阻塞，或用于清理排渣管道。
隔离模式
❖ 这个模式使隧道里的泥浆管道系统与地 面系统处于完全隔离的状态，但此时设 在地面的分离厂的回路仍保持流通。这 种模式常用于隧道泥浆管道延伸时的情 况。
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