5泥水盾构工法

2）水力盾构（欧洲体系）
与日本的地质条件相比,在欧洲则不同地点差异 很大，因而水力盾构的基本原理对地质的适用 范围就更灵活。水力盾构适于所有松散地层,如 加装另外的装置还能用于岩层。
水力盾构很突出的部分是用沉浸墙隔离开挖室 （在液体支护的隧洞开挖面附近,支护压力由后 腔的气囊调整）以及有单独固定幅条的开式星 型刀盘。
另外不同于日本泥水盾构的是采用水-膨润土悬 浮液,这更适合欧洲的地质情况。采用膨润土与 在隧洞开挖面形成滤饼是相联系的，所以此型 盾构也称之为膨润土盾构。
水力盾构系统最重要的优点是通过气囊 调节支护压力，泥水回路中悬浮液的量 的变化不会改变支护压力的大小。
比如，当掘进通过断层带，支护悬浮液 可能会突然损失，但隧洞开挖面上的支 护压力不会损失。通过布置在盾构顶部 的压缩空气闸室以及穿过气囊及沉浸墙 进入开挖室，这比日本的泥水盾构容易 搬掉障碍物。
总之，土体一经盾构机开挖，其原有的 应力即被释放，并将产生向应力释放面 的变形。
此时，为控制地基沉降，保持开挖面稳定， 必须向开挖面施加一个相当于释放应力大小 的力。
泥水式盾构机中由泥水压力来抵消开挖面的 释放应力。
在决定泥水压力时主要要考虑开挖面的水压 力、土压力以及预留压力。
在泥水式盾构机中支护开挖面的液体同时又 作为运输介质。
当前的开挖量由测量支护液的密度得出，理论
开挖量则参考比重、结实性及孔隙的份额等得 出。这些值是在最初岩心钻的基础上取得的。
盾构机掘进时的所有调控功能都取自地面的中 央处理装置。
虽然在中央处理装置中,大量的数据都可收集、 测定并看到,但盾构机中的操作人员仍是需要的,
在难对付的情况下也要人工干预。
在小直径机器中由于增加力矩而考 虑设置相应的驱动装置就非常困难。
泥水盾构的主要特征是支护液的类 型（正常时是粘土悬浮液）、刀盘 设计及控制支护液压力的方法。
泥水盾构的刀盘是扁平设计的，而
且几乎是封闭的，也能提供机械的 开挖面支撑。
为搬掉障碍物等，通往隧洞开挖面的通 道只能经过几个开口，它们在运行时是 被封闭的。
因靠泥水压力使掘削面稳定，故得名泥 水加压盾构。
应当指出，除加压泥水是确保泥水盾构 掘削面稳定的主要因素外，盾构刀盘面 板对掘削面上的土体的支承作用也是稳 定掘削面的重要因素。
泥水加压盾构需要一套较复杂的泥水处 理设备，投资较大，施工占地面积较大， 在城市市区施工，有一定困难，故大多 数工程都选用土压平衡盾构施工。
然而在某些特定条件下的工程，如在大 量含水砂砾层，无粘聚力、极不稳定土 层和覆土浅的工程，以及超大直径盾构 和对地面变形要求特别高的地区施工， 泥水加压盾构就能显示其优越性。
另外对某些施工场地较宽敞，有丰富的 水源和较好泥浆排放条件或泥浆仅需进 行沉淀处理排放的工程，可大幅度降低 施工费用。
它靠盾构机的推进力使泥水（水、粘土 及添加剂的混合物）充满封闭式盾构的 密封舱（也称泥水舱），并对掘削面上 的土体施加一定的压力，称为泥水压力。
通常该压力大于地层的地下水压+土压， 所以尽管盾构刀盘掘削地层，但地层不 会坍落，处于稳定状态。
刀盘掘削下来的土砂进入泥水舱，经设 置在舱内的搅拌装置拌和后成为含掘削 土砂的高浓度泥水，再经泥浆泵将其泵 送到地表的泥水分离系统，待土、水分 离后，再把滤除掘削土砂的泥水重新压 送回泥水舱。如此不断循环实现掘削、 排土、推进。
泥水盾构设有掘进管理、泥水输送、泥 水分离和同步注浆系统。
掘进管理和姿态自动计测系统能及时反 映盾构开挖面水压、送泥流量、排泥流 量、送泥密度、排泥密度、千斤顶顶力 和行程、刀盘扭矩、盾构姿态、注浆量 和压力等参数，便于准确设定和调整各 类参数。
泥水输送系统和泥水处理系统。
2.2 工作原理
在泥水盾构中，隧洞开挖面支护压力直接受开 挖室中添加或排出泥水的影响。
支护压力，在开挖室及输入泥水管中用压力传 感器测量，并与计算出的支护压力的理论值相 比较。悬浮液回路中的泵与阀也用同样的方法 予以控制。
因为不可能看到隧洞开挖面的变化,稳定性只能 在理论的及当前的开挖量之间用质量进行比较。
4）悬臂刀头式泥水盾构
它是泥水支撑和部分断面开挖的组合。可伸缩 的刀头悬臂装在密封承压隔板中部，当绞刀头 接触到岩土层时，通过人工或自动控制操作进 行开挖面开挖动作。开挖出的土料通过刀头的 开口及悬臂内管道以泥水状态输出。
刀头的开口尺寸与泥水输出管道尺寸相匹配， 不适于管道输送的较大尺寸土石块被刀头开口 阻挡。
1 概述
如前如述，全敞开式盾构工法较适于掘 削能自立的地层，挤压盾构易引起地层 隆沉，且仅适于软土地层。而泥水盾构 则克服了以上弊病。
泥水（加压）盾构主要用于软土隧道施 工，是应用封闭型平衡原理进行开挖的 新型盾构：用泥浆代替气压支护开挖面 土层，施工质量好、效率高、技术先进、 安全可靠，应用较广。
为了搬掉障碍物或在刀盘上进行修理及 维护工作，开挖室中的悬浮液可以被排 出并由压缩空气取代。悬浮液在开挖面 处形成的滤饼或泥膜层及其密封效应， 使得可以单独用压缩空气支护隧洞开挖 面。
当与空气接触时，膨润土饼层会减薄， 为了限制漏气，应每隔一段时间对膨润 土饼层进行更新，如向隧洞开挖面喷射 膨润土或将膨润土液满溢开挖室。
降及
比率
1.023
沉降 衬砌周围地基 产生的变形松动传递到周围地区
采用泥水式盾构机进行施工的隧洞工程 都说明它是一种低沉降及安全的施工方 法，在稳定的地层中其优点更加明显。
泥水式盾构机适用于各种松散地层、软 土层，有无地下水（高水压地层）均可。
从挖掘到排土的过程中，由于掘进面和 机内及坑内均被完全隔离，因此坑内的 作业环境良好，且挖掘和排土系统化， 是适应自动化操作的结构。
通常刀具及齿具均为双排幅射布置，刀 盘可在任一方向转动。
土料经过窄长而平行的刀盘面开口进入 开挖室，这些开口被调整到既能通过尽 可能大的土石块，又能限制水力输运管 道所不能通过的块体。
根据所需的扭矩，切削刀盘采用中心轴形式、 鼓型或中心锥型设计。
支护液从开挖室的上部添加，土料与悬浮液的 混合液由底部靠近搅拌器的地方排出。安装搅 拌器是为了防止沉淀以产生均匀的输送介质。
3）混合型盾构中的水力盾构形式
在水力盾构基本概念的基础上，欧洲人设计了 一种根据地质变化情况而进行开挖面支撑方式 转换的混合型盾构。
混合型盾构可转变成泥水模式、土压平衡及压 缩空气模式等。在盾构机运行过程中根据需要 可以完成从一种模式到另一种模式的转换，因 而其应用范围较广。
在已有的混合型盾构的工程应用例子当中，大 多数都是运行在水力盾构模式下而无需转换到 别的模式，所以也习惯地将它们归类为或称之 为水力盾构。
如必须进入开挖室进行修理工作或搬掉障碍物 时,可以部分或全部地降低悬浮液或用压缩空气 进行置换，适用的地质范围与水力盾构一样。
泥浆的主要功用有以下三点。
（ 1）利用泥浆静压力平衡开挖面土层 水土压力；
（ 2）在开挖面土层表面，形成一层不 透水泥膜，使泥浆压力发挥有效的支护 作用；
（ 3）泥浆中细微粘粒在极短时间内渗 入土层一定深度，进一步改善土层承压 能力。
输入盾构的泥浆必须具有适当的粘度和 比重，泥浆压力要保持高于土层地下水 压0.02MPa左右。
原因
m）
比率（%）盾构 推力不足
0.1~0.6 0.37
沉降
初期
盾构掘进机 磨擦切削刀泥水压力的临时变动
沉降 和后
初期
盾尾孔隙
壁后注浆压力的变动与变化盾构千斤 2.4~3.5
期沉 3.070 降等
沉降
顶的操作
不同
时期
一次衬砌 由注浆压力与土压产生的变形
的沉
后续 壁后注浆一次 因压密与脱水而产生的变形因土压而 0.9~1.2
泥水加压盾构是利用向密封泥水舱中输 入压力泥浆，利用掘进面泥水压和外水 压力及土压抗衡，从而支护开挖面土层， 使掘进面因泥水（弱透水性泥膜）的被 膜效果而稳定
使盾构施工在开挖面土层十分稳定的条 件下向前掘进，从而大大地提高了隧道 施工质量和施工效率。
同时，控制开挖面变形和地基沉降
开挖面泥水压力支撑示意图
因此，在泥水式盾构机施工中，控制泥 水压力和控制泥水质量是两个重要的课 题。
为了保持开挖面稳定，必须可靠而迅速 地形成泥膜，以使压力有效地作用于开 挖面。为此，泥水应具有以下特性：
（1）泥水的密度
为保持开挖面的稳定，即把开挖面的变 形控制到最小限度，泥水密度应比较高。 从理论上讲，泥水密度最好能达到开挖 土体的密度。
泥 水 式 盾 构 工 作 原 理
在开挖面上，随着加压后的泥水不断渗 入土体，泥水中的砂土颗粒填入土体孔 隙中，可形成渗透系数非常小的泥膜 （膨润土悬浮液支撑时形成一滤饼层）。
而且，由于泥膜形成后减小了开挖面的 压力损失，泥水压力可有效地作用于开 挖面，从而可防止开挖面的变形和崩塌， 并确保开挖面的稳定。
掘进面通过泥水及泥水压保持稳定，能 够将对地面的影响控制在最小程度。
对于掘进面水压可用泥水压抗衡，在高 水压地层（横贯海底/河川工程及大深度 施工等）工程中发挥威力。
该系统是以流体输送方式进行排土，可 保持坑内作业环境良好，便于利用长距 离施工的系统实现长距离施工。
沉降
沉降量（m
发生部位 时期
此外，通过装备滚刀钻头及砂砾处理装 置等，可广泛用于各类土质。
2 基本构造与工作原理
2.1 基本构造
泥水加压盾构的基本构造简图
1.刀盘 2.盾壳 3.盾构千斤顶 4.刀盘传动液压马达 5.盾尾密封 6.密封隔板 7.中心轴密封 8.密封泥水舱 9.搅拌机 10.管片拚装机
主要由盾壳、刀盘、密封泥水舱、盾构 干斤顶、管片拚装机以及盾尾密封装置 等组成。
与其他系统相比，经济地运用泥水式盾 构机主要取决于泥水悬浮液分离的要求 及地层的渗透性和悬浮液的成分。
几种不同形式的泥水式盾构机
1）泥水盾构（日本体系）
日本泥水盾构流体动力学的发展以及它
们大量应用是由于日本沿海城市的地质 特征。经常是水平层理并由江河及大海 沉积物形成。 泥水盾构是为在砂土及淤泥中应用而设 计的，在很粘的粘土中应用受到限制,会 导致孔口的堵塞。 密实的卵石层则需要增加力矩克服作用 于刀盘上的摩擦力。
但是，大密度的泥水会引起泥浆泵超负
荷运转以及泥水处理困难；而小密度的 泥水虽可减轻泥浆泵的负荷，但因泥粒 渗走量增加，泥膜形成慢，对开挖面稳 定不利。
因此，在选定泥水密度时，必须充分考 虑土体的地层结构，在保证开挖面的稳 定的同时也要考虑设备能力。
（2）含砂量
在强透水性土体中，泥膜形成的快慢与 掺入泥水中砂粒的最大粒径以及含砂量 （砂粒重/粘土颗粒重）有密切的关系 砂粒具有填堵土体孔隙的作用。
概括地说，泥水加压盾构是在盾构前部 增设一道密封隔舱板，把盾构开挖面与 盾构后面和隧道空间截然分开，使密封 隔舱板与开挖面土层之间形成密封泥水 舱
在泥水舱内充以压力泥浆，刀盘浸没在 泥水舱中工作，由刀盘开挖下的泥土进 入泥水舱后，经刀盘切削搅拌和搅拌机 搅拌后形成稠泥浆
稠泥浆通过管道排送到地面，排出的泥 浆作分离处理，排除土碴，对余下的浆 液进行粘度、比重调整，重新送入盾构 密封泥水舱循环使用。
开挖工具开挖的土料在开挖室中与支护液混 合。然后，开挖土料与悬浮液的混合物被泵 送到地面。
在地面的筛分场中支护液与土料分离。随后， 如需要，添加新的膨润土，再将此液体泵回 隧洞开挖面。
泥水式盾构机的主要弊病是筛分场（场 地及能源需要、环境污染）和排出膨润 土液中包含的不可分离细料所引起的困 难。
为了充分发挥这一作用，砂粒的粒径应 比土体孔隙大而且含量适中。
（3）泥水的粘性
泥水必须具有适当的粘性，以收到以下 效果：
①防止泥水中的粘土、砂粒在泥水室内 的沉积，保持开挖面稳定；
②提高粘性，增大阻力防止逸泥；
③使开挖下来的弃土以流体输送，经后 处理设备滤除废渣，将泥水分离。