2 土压与泥水盾构结构原理

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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。
间接控制型泥水盾构
❖ 德国采用间接控制型泥水盾构，其泥水系统由泥浆和空气双重回路组成。在 盾构的泥水舱内插装一道半隔板，在半隔板前充以压力泥浆，在半隔板后面 盾构轴心线以上部分充以压缩空气，形成空气缓冲层，气压作用在半隔板后 面与泥浆的接触面上，由于接触面上气、液具有相同压力，因此只要调节空 气压力，就可以确定和保持在开挖面上相应的泥浆支护压力。
➢ 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。
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。
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。
❖ 调整槽对新旧浆液进行调整、剩余槽贮存新旧 浆液，分别由搅拌器进行搅拌，由密度泵进行 密度检测，而后由送浆泵将调整好的浆液送往 盾构泥水舱。
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。
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。
❖ 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。
❖ 泥水输送分系统主要由送排泥泵、阀、送排泥管道及配 套部件等组成，通过泥水监控分系统进行自动化操作。
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❖ 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
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。
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
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泥水处理分系统
❖ 泥水处理分系统的作用是将刀盘切削土砂形成的 泥水进行颗粒分离。
❖ 选择泥水处理设备时，必须考虑两个方面： ①必须能有效地分离排泥浆中的泥土和水分； ②必须具有与推进速度相适应的处理能力。 ❖ 采用振动筛作为首道初级分离，振动筛的作用是
对泥水作预处理，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。
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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。
❖ 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。
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。
➢ 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
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；
❖ 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
❖ 浆液调整分系统具有新旧浆液搅拌调 整功能，同时也起到贮存浆液作用。
❖ 回收的浆液经过盾构反复应用后，浆 液的比重、粘度指标会不断发生变化， 需要再次把切削土砂形成的混合泥浆 通过新浆分系统分配的新浆重新进行 浆液技术指标的调整。
浆液调整系统
❖ 浆液调整系统由调整槽、剩余槽、调整槽搅拌 器、剩余槽搅拌器、调整泵、剩余泵、密度泵、 送浆泵和加水设备等组成，
成泥膜。
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。
➢ 砾石层
旁通模式
❖ 待机模式，用于盾构不进行开挖时执行 其它功能。这个模式也用于当盾构从一 种功能切换到另一种功能时。特别是， 旁通功能是用于安装管片的情况。
掘进模式
❖ 开挖时使用此模式。根据气垫室里泥浆的液位以 及所要求的排渣流量，对P1.1和P2.1的转速分别 进行调整。调整P1.1泵的转速用以校正泥浆\气垫 界面液位达到所要求的值。
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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。
❖ 当泥水舱内的泥水压力大于地层 压力和水压力时，地表将会隆起； 当泥水舱内的泥水压力小于地层 压力和水压力时，地表将会下沉。 因此泥水舱内的泥水压力应与地 层土压力和水压力平衡。
泥水压力与水压力及土压力平衡
水位线
地表面
水压PW 土压
泥水压力PS=PC+PW
送泥
排泥
排泥
泥水压力小于水压力及土压力之和