泥水盾构施工管理介绍

5.1盾构机选型

5.1.1盾构机的选型原则和依据

盾构机选型是盾构隧洞能否优质、安全、快速建成的关键工作之一，选型时主要遵照以下原则：

（1）选择的盾构机机型和功能必须满足本标段线路条件、工期、施工条件和环境等要求。

（2）选用的盾构机按本标段的地质条件，进行有针对性的设计与制造，要求其性能与本标段内的工程地质、水文地质条件相适应。

（3）选用的盾构机应具有良好的性能和可靠性。

（4）类似地质、施工条件下盾构选型、施工实例及其效果。

（5）盾构机制造商的知名度、业绩、信誉和技术服务。

（6）依据南水北调中线一期穿黄工程上游线隧洞土建及设备安装施工招标文件及第三卷图纸，为选用盾构机机型的重要依据。

5.1.2盾构隧洞线路条件及混凝土管片

（1）隧洞由邙山隧洞段和过黄河隧洞段组成，最大开挖直径9030mm，总长4250m的直线隧洞。

（2）线路纵坡有三：邙山隧洞约4.91%，过河隧洞段有0.1%和0.2%两种，变坡点竖曲线半径为800m。见5.1-1南水北调中线穿黄隧洞示意图

图1 南水北调中线穿黄隧洞示意图

（3）过河段隧洞围土有单一粘土结构、上砂下土结构和单一砂土结构三种。

（4）主要地质问题有：

—砂层中石英颗粒含量高40%-70%，刀具磨损加剧；

—刀具检查地点和检查方式；

—换刀地点及加固方式选择；

—常压下换刀作业和气压下的换刀作业；

—遇到枯树和大孤石的处理；

—局部有抗压强度达16.5MPa砂岩等。

（5）隧洞外层采用通用环混凝土楔形管片衬砌，每环的楔形量为34.8mm。管环外径8.7m，内径7.9m，管片宽度1.6m，由7块管片组成，错缝拼装，每块管片所对应圆心角51.4286度。管片重量约6.2t。

5.2土压平衡式盾构机与混合式盾构机的基本掘进构成

5.2.1土压平衡式盾构机的基本掘进构成

盾构法施工从气压式盾构机开始到当今广泛使用土压平衡式盾

构机，已有100多年的发展历史。。泥水盾构从1964年问世以来，由于它施工占地大，泥浆污染环境等原因，十多年的兴衰，有被土压平衡式盾构法取代趋势。3种盾构的开挖仓中的土体平衡介质分别是压缩空气、泥浆和被改良的流塑性好的渣土。通过控制三种介质的压力，达到开挖面止水和土体稳定的目的。图5-2土压平衡盾构机开挖仓中的设定土压与断面的土压+水压相平衡。通过螺旋输送机的排土量与掘进过程中的进土量保持平衡，来稳定开挖仓中的设定土压，从而达到稳定土体持续掘进的目的。

5-2土压平衡式盾构机原理图

混合式（泥水）盾构在掘进富水砂层时，具有独特优点，在远离城市的工程中存在一定市场。现将本标段选用的的混合式盾构基本构成和原理叙述如下：

5.2.2混合式盾构机的基本掘进构成

（1）混合式（泥水）盾构是一种先进泥水盾构（以下称混合式盾构）其系统构成框图如图5-3。掘进刀盘是稳定掘削面的重要因素，利用泥水稳定掘削面及刀盘面板挡土。与土压平衡盾构相比，由于混合式盾构压力波动较大，万一发生掘削面坍塌，形成漏斗，很难期望泥水挡土。

P1

3E

P P2三次处理二次处理稳定掘削土量管理

泥水质量管理

掘削土量管理

施工管理数据

1地层变形计测2观测井刻计测3掘削面坍塌探查等

排水

排土

泥水处理槽

流量计

泥水输送机构

调整槽

一次处理

泥水压管理

水压计

密度计

流量计

排泥中继泵

排泥泵

掘削推进机构

水压计

泥水盾构机

图2 混合式盾构基本构成图

（2）混合式盾构将制备泥浆由泵（送泥泵）并通过一套管路送入开挖仓与掘削下的渣土搅拌混合后，再由排泥泵及一套管路排入地

面泥浆处理系统，进行三次渣水分离和泥浆重复利用处理。如此往复循环：

一次处理的功能是把渣浆泵送到振动筛，再利用湿式离心机等设备将0.074mm以上的大量渣土分离出来，渣土含水量控制在30%以下，以利清渣运输。余下泥浆经配制后，送入盾构掘进面再次利用。

二次处理由凝聚沉淀和脱水设备构成，处理含颗粒为0.074mm以下的泥浆，达到排放标准的即可排放，否则需进行三次处理；

三次处理主要对水进行PH值调整和降浊处理并达到水的环保排放标准。

5.2.3传统泥水盾构泥浆压力控制效果。

（1）开挖仓的泥浆压力、泥浆制备质量和掘削渣量（判断掘削面稳定）管理是泥水盾掘进的控制重点，是稳定掘削面的核心。

（2）传统泥水盾构开挖仓的泥浆压力变化较大(+/-1.0bar)，容易使隧洞开挖面不稳定及塌陷。见下图5-4。

图3 传统泥水盾构泥浆压力变化图

5.3混合式盾构机基本技术和气垫调节原理

根据上述原则和隧洞的线路设计及工程地质条件，根据传统泥水盾构和混合式盾构对掘削面泥浆平衡压力的控制效果，拟选用针对穿黄隧洞工程条件而设计的混合式盾构机。

5.3.1混合式盾构机的基本技术

（1）混合式盾构机的基本构成与传统泥水平衡式盾构没有多大差别，只是在开挖仓内泥浆压力调节方法上采用了气垫调节原理。

（2）刀盘在泥浆中旋转挖掘的碴土与泥浆液在开挖仓中混合。开挖仓内的土压和水压被泥浆压力P平衡，保证了隧洞开挖面的稳定。

（3）开挖仓被一个分隔钢板分隔成两个区域，即泥浆平衡区和气垫调压区，见图5-4。

图4 开挖仓分区图

5.3.2混合式盾构机气垫调节原理

（1）泥浆通过气垫对隧洞开挖面施加压力实现支撑作用，支持压的力分布图见5-5。该压力的控制由压缩空气控制单元控制。施工工程师须把各掘进面的水平压力值及说明交给盾构操作者执行。

隧洞开挖面支持压力的分布

1 膨润土P

l 空气压力

2 膨润土液位P

so 顶部悬浮液压力

3 压缩空气气垫P

su 底部悬浮液压力

4 压力挡板γ悬浮液密度

5 分隔仓板 D 盾构直径

6 支撑区域h

l 承压仓高度

7 处于外界压力下的区域

图5 混合式盾构支撑压力

（2）气垫调节仓内的气垫产生支持压力传至泥浆后，泥浆的液位高度可调。由于掘削面水、土压力呈梯型，一般将液位高度稳定在