土压与泥水盾构结构原理
“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举足轻重的角色。
然而，盾构机在实际应用中还存在一些问题，例如对地质环境的适应性不强，施工效率不高等问题。
为了解决这些问题，土压+泥水双模式盾构机应运而生。
土压+泥水双模式盾构机集土压和泥水两种模式于一体，既能适应固结岩体和软土环境，又能有效地控制地面沉降，有效地提高了盾构机的施工效率和质量，对于复杂地质环境下的隧道建设有着广泛的应用前景。
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。
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。
土压平衡盾构机概念
土压平衡盾构机概念
土压平衡盾构机是一种用于在土中进行隧道挖掘的工程机械设备。
它是盾构机的一种类型，主要用于地下隧道工程的施工。
土压平衡盾构机的工作原理是通过在盾构机前端设置推进挡土板，来平衡土层的压力，防止土压力过大造成隧道坍塌。
盾构机的前端还配备有刀盘，通过旋转切割土层，并将土层运输到后方的输送系统中。
土压平衡盾构机主要由推进装置、刀盘、导向系统、控制系统和输送系统等组成。
推进装置可以通过液压驱动，推进盾构机前进。
刀盘上的刀片可以根据土层类型进行更换，以实现最佳切割效果。
导向系统用于保持盾构机的方向稳定，控制系统则用于操作盾构机的运行。
输送系统负责将挖出的土层从隧道中运输出来。
土压平衡盾构机在隧道施工中具有高效、安全、低风险等特点。
它可以适应各种土层类型的挖掘，并且由于使用了土压平衡技术，可以最大程度地保护隧道周围的土体，减少地表沉降和其他地质灾害的风险。
同时，土压平衡盾构机还可以进行人工开挖和管片施工等工作，是一种多功能、高效的隧道施工设备。
泥水式盾构机发展概况及工作原理
泥水式盾构机发展概况及工作原理泥水式盾构机1发展概况泥水式盾构机是通过有一定压力的泥浆来支撑稳固开挖面；由旋转刀盘、悬臂刀头或水力射流等进行土体开挖；开挖下来的土料与泥水混合以泥水状态由泥浆泵进行输运。
泥水式盾构机适用于各种松散地层，有无地下水均可。
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。
最初的泥水盾构要追溯到一百多年前的Greathead及Haag的专利。
由于高透水性地层用压缩空气支撑隧洞开挖面非常困难，1874年，Greathead开发了用流体支撑开挖面的盾构，开挖出的土料以泥水流的方式排出。
1896年Haag在柏林为第一台德国泥水式盾构申请了专利，该盾构以液体支撑开挖面，其开挖室是有压和密封的。
1959年E.C.Gardner成功地将以液体支撑开挖面应用于一台用于建造排污隧洞的直径为3.35m的盾构。
1960年Schneidereit引进了用膨润土悬浮液来支撑开挖面，而H.Lorenz的专利提出用加压的膨润土液来稳固开挖面。
1967年第一台有切削刀盘并以水力出土、直径为3.1m的泥水盾构在日本开始使用。
在德国，第一台以膨润土悬浮液支撑开挖面的盾构由Wayss&Freytag开发并投入使用。
泥水式盾构机的发展有三种历程，即日本历程、英国历程和德国历程。
到目前则只有日本和德国两个主要的发展体系。
日本的发展历程导致当今的泥水盾构,德国的发展历程导致水力盾构。
以日本的泥水盾构为基础发展了土压平衡盾构，而德国的水力盾构导致很多不同的机型,如混合型盾构,悬臂刀头泥水盾构及水力喷射盾构等。
德国和日本体系的主要区别是，德国式的在泥水舱中设置了气压舱，便于人工正面控制泥水压力，构造简单；日本式的泥水密封舱中全是泥水，要有一套自动控制泥水平衡的装置。
1967年三菱公司制造了第一台为泥浆开挖面支护的试验盾构，直径为3.10m 的样机取得经验后,1970年建造了第一台大型泥水盾构,直径为7.20m,用于建设海峡下的Keiyo铁路线。
盾构机的工作原理
盾构机的工作原理
盾构机是一种专门用于地下隧道施工的机械设备。
它主要由掘进部分和支持系统两部分组成。
盾构机的工作原理是通过推进机构将盾构机推入地下，同时进行土层的掘进和支撑。
掘进部分主要由刀盘、刀盘驱动装置、土压平衡系统和脱土输送系统等组成。
刀盘是盾构机的核心部分，它由锋利的刀片和刀盘主体组成，能够将土层削切成块状物质。
刀盘驱动装置通过电机或液压系统提供转动力，使刀盘能够旋转并推进盾构机。
土压平衡系统是盾构机的重要部分，它通过控制泥浆的注入和排出，形成背力，平衡土层的压力。
这样，盾构机在掘进时不会因为土层压力的差异而被推出或被土层阻挡。
脱土输送系统用于将掘进的土层通过输送带或螺旋输送机移出盾构机。
支持系统主要是为了保证盾构机在施工过程中的安全和稳定。
它通常由隧道衬砌、尾部支撑、注浆等组成。
隧道衬砌是为了保护地下结构，减少地面沉降和地质灾害的可能性。
尾部支撑用于支撑并稳定盾构机的尾部，防止塌方和倒塌。
注浆则是通过注入混凝土浆液来加固周围土层，提高隧道的稳定性。
总的来说，盾构机通过刀盘掘进和土压平衡系统的配合工作，将地下土层削切掉并推进盾构机，同时使用支持系统保证施工的安全和稳定。
这种工作原理使盾构机成为地下隧道施工的重要设备。
土压平衡盾构
土压平衡盾构在现代城市建设中，隧道施工技术一直是一个备受关注的话题。
土压平衡盾构作为隧道施工中的重要技术手段，被广泛运用于地铁、隧道、水利工程等领域。
本文将介绍土压平衡盾构的工作原理、施工流程、应用领域以及发展趋势。
工作原理土压平衡盾构是一种通过对盾构机内部进行适当压力控制，使土体在掌握平衡条件下对盾构机的推进方向施加支护压力的施工方法。
其主要工作原理如下：1.土压平衡控制：通过盾构机内设的控制系统，对注入的压浆进行控制，使得盾构机内外的土压力保持平衡，避免挤压或塌陷的发生。
2.推力控制：由盾构机的主推进液压缸提供推力，推动盾构机朝着设计方向推进，同时根据隧道的地质条件，调整推进速度和力度，保证施工安全。
3.土体支护：在盾构机推进的同时，通过盾构机后部的支护系统提供对土体的支撑和加固，防止隧道倒塌。
施工流程土压平衡盾构施工流程一般包括以下几个步骤：1.现场勘察：对隧道工程的地质条件、地下管线等情况进行详细调查和勘察，了解地层情况，为后续施工提供数据支持。
2.盾构机铺设：将盾构机按照设计要求铺设在施工现场，进行机器调试和检验。
3.推进施工：启动盾构机，根据设计要求控制推进速度和土压平衡，逐步推进隧道施工。
4.土体处理：处理盾构机后部土体的排出和支护，防止土体坍塌，同时保护环境。
5.隧道验收：完成隧道的整体施工后，进行验收，确保施工质量和安全。
应用领域土压平衡盾构技术在地铁、铁路、公路、水利等领域均有广泛应用，其主要应用包括：•地铁隧道：土压平衡盾构在地铁隧道的施工中应用广泛，能够适应不同地质条件，提高施工效率和质量。
•水利工程：在水利隧道、排水管道等工程中，土压平衡盾构可以有效应对复杂的地下水文条件，保证施工安全。
•公路隧道：对于公路隧道的施工，土压平衡盾构可以减少交通影响，提高工程质量。
发展趋势随着城市化进程的不断加快，土压平衡盾构技术在隧道施工中将继续发挥重要作用，并呈现出以下几个发展趋势：•智能化：随着技术的不断发展，土压平衡盾构将趋向智能化，实现自动化控制和监测，提高施工效率和安全性。
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。
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。
泥水平衡盾构施工技术概论章龙管课件
粗颗粒含量高的碴土不能形成具备这种 功能的碴土，因而不能实现土压平衡,只能借 助于泥水平衡盾构大比重的泥浆悬浮液，形 成泥膜并传递压力。
从掘进的角度，泥水平衡盾构机也适用 于细颗粒土层，但细颗粒浆液的泥水分离难 度大，投入大，场地要求高。
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4、管片安装和盾尾壁后注浆系统
主要作用是为开挖后的空间提供支撑和及时充填盾构机外 壳前移后留下的空间。包括管片安装机、吊机、注浆泵和相 应管路。
管片安装机结构示意图
同步注浆示意图
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第四章 术
泥水平衡盾构施工关键技
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盾构始发 盾构到达
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（一） 盾构始发、到达
一般来说，盾构始发和到达技术的关键在于洞口地基加固范围、效 果和洞圈止水密封的效果。
运输轨线
高压电缆 备用管路 循环水管 排污管
人行走道
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成型隧洞
（二）泥水压力设置 • 泥水压力采用静止土压力（水土分算）作为控制上限，
主动土压力作为控制下限。穿越密集建筑物时压力设定 值靠近上限。一般根据地层性质，砂土、粉土、粉质粘 土等渗透系数较大的地层，采用水土分算。地面荷载偏 压的情况下，压力设定值宜取超载和无荷载的中间值。 • 判断合理性的依据： • A、压力设定要不断摸索，通过地表沉降及时修正。 • B、在渗透性大的地层，利用泥浆漏失量作为检验压力 设定是否合理为依据是可行的。 • 工程施工过程中，根据各项参数分析，总结出适应于该 工程的泥水压力参考计算公式。
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盾构控制
盾构掘进同步注浆控制
盾构掘进
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（四）壁后注浆
土压盾构及泥水盾构的性能特点及工程选型
土压盾构及泥水盾构的性能特点及工程选型摘要：近年来，城市化进程快速发展，利用城市地下空间成为解决城市交通拥堵的有效措施之一。
源于盾构是建造地下隧道所必须的设备，因此本论文将通过分析土压盾构和泥水盾构的性能特点，继而基于施工区间的地质水文条件进行分析选型，在保证安全性，技术性，经济性相结合的基础上，选择出最优化最适宜的盾构类型。
关键词：盾构机土压盾构泥水盾构隧道0 引言随着我国经济技术的高速发展，城市交通的发展为城市的整体发展提供诸多便利条件。
其中发展地铁等地下交通显得尤为突出。
而城市轨道交通工程的开展使得盾构得到了广泛的应用。
盾构是建造地下隧道必不可少的装备，在隧道施工中，盾构机可兼有机、电、液、光和计算机技术。
应用盾构施工的地下隧道建设成为城市地铁、公路、铁路隧道广泛应用的最主要工法，因而盾构机的选型在工程应用和施工选型中显得十分重要。
本文将通过分析泥水盾构和土压盾构的性能特点，针对不同的是公平区间进行盾构的合适选型，从而充分发挥盾构快速、安全、优质、环保、地质条件破坏程度较小、自动化程度高等优势，选择出既保证工期又环保高效的最优盾构类型。
1 盾构类型区分盾构一般分为泥水盾构（泥水平衡盾构）和土压（土压平衡盾构）盾构，泥水盾构是指在盾构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。
盾构推进时开挖下来的泥土进入盾构前部的泥水室，经搅拌装置搅拌，而搅拌后的高浓度泥水通过泥浆泵运送到地面，泥水在地面经过分离，然后进入地下盾构的泥水室，不断地排渣净化使用。
土压盾构的基本原理是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。
土压平衡盾构属于封闭式盾构，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压，水压基本平衡，使得觉晓面与盾构面处于平衡状态。
2 土压盾构和泥水盾构的性能特点通过对盾构类型的区分和认识，在了解盾构工作原理的基础上，对不同盾构类型的性能特点总结如下：泥水盾构具有控制泥水压力，保持工作面稳定，沉降较小；排土采用泥浆管来输送，水压较高地段也不会出现喷涌现象；使用泥水，需要扭矩较小，刀具不易磨损；使用流体运输弃土输送效率高，适合长距离输送的优势。
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。
土压平衡盾构机械结构及功能介绍
复合式刀盘
刀具的分类及工作原理
• 目前使用的刀具一般有两类：一是切削类刀具， 二是滚动类刀具。 • 1、切削类刀具
• 刮削刀具是指只随刀盘转动而没有自转的破岩刀具，刮削 刀具的种类繁多，目前盾构掘进机上常用的刮削刀具类有 边刮刀、刮刀、切刀、齿刀、先行刀、仿形刀、刮板等。
撕裂刀
先行刀
• 先行刀是先行切削土体的刀具，超前切刀布置， 因此也称为超前刀。先行刀在设计中主要考虑与 切刀组合协同工作。先行刀在切刀切削土体之前 先行切削土体，将土体切割分块，为切刀创造良 好的切削条件。先行刀的切削宽度比切刀窄，一 般设计为切刀的一半，切削效率较高。采用先行 刀可显著增加切削土体的流动性，大大降低切刀 的扭矩，提高切刀的切削效率，减少切刀的磨耗。 在松散体地层，尤其是砂卵石地层和钙质结核地 层，先行刀的使用效果十分明显。
三、可靠性要求
• 确保回转架转角不超限 • 超压保护 • 确保回转架停车制动可靠 • 管片扣紧状态检测采用压力和位置双重检 测 • 两个回转马达均带制动器 • 管片机设无线遥控装置
管片拼装机的型式
• 从使用动力来分，目前有液压式、电气驱 动等，从安装位置来分，可分为安装在盾 构内的环式、中空轴式等形式。
六、人舱
• 人仓包括主舱和辅舱，两舱横向连接，之间有舱 门相通。通过前盾隔板上的门可以由主舱进入开 挖仓。辅舱的作用是在出现紧急情况时出入，主 舱最多可以进3人，辅舱最多可进2人。 • 主舱和辅舱都可独立操作，内部都配有以下设备： 通讯系统、排气阀和通风阀、时钟、气压计、温 度计、供暖设备，人舱外还配有记录仪（记录两 舱和开挖仓内的压力情况）、压力表（显示人舱 和开挖仓的压力）和流量表。
图１-1 土压平衡原理示意图
二、主驱动系统
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1.1 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。
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/山皿。
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。
盾构机的工作原理
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，同时开启盾构机推进油缸，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，再通过竖井运至地面。
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坍或隆起，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，拼装机操作手操作拼装机拼装单层衬砌管片，使隧道—次成型。
盾构机的组成及各组成部分在施工中的作用盾构机的最大直径为6.28m，总长65m，其中盾体长8.5m，后配套设备长56.5m，总重量约406t，总配置功率1577kW，最大掘进扭矩5300kN?m，最大推进力为36400kN，最陕掘进速度可达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，这三部分都是管状简体，其外径是6．25m。
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，推力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压力。
前盾的后边是中盾，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30个推进油缸，推进油缸杆上安有塑料撑靴，撑靴顶推在后面已安装好的管片上，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，这30个千斤顶按上下左右被分成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。
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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。
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
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。
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；
泥模形成区
地层
刀盘
压缩空气
连通ห้องสมุดไป่ตู้ 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。
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
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。
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。
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。
拌制泥浆的主要材料是膨润土、CMS等。
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。
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