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。

自此以后,日本的很多制造商生产了此型盾构。

与欧洲相比,泥水盾构在日本使用很多。

在欧洲,英国的Markham,法国的NFM及FCB公司等采用日本许可证,也制造了泥水盾构。

德国的发展历程起始于1972年，德国承包商Wayss及Freytag公司开发了水力盾构系统。

1974年，其样机用于建设Hamburg港口下的
Hamburg-Wilhelmsburg总管道，盾构外径为4.48m。

当时还没有可靠的盾尾密封。

这样一来整条隧道被加压。

因为此型盾构是首次使用，很多修改事先未预料到。

为了继续隧洞修建工程,采取了许多补救措施，解决了一些主要问题。

第二次掘进着重解决了可靠的尾封，使得在最后的30m，采用了新的尾封后才达到隧洞内无压力的目的。

当今水力盾构在欧洲市场占有很重要的位置,Herrenknecht，HowaldtswerkeDeutscheWerft及VoestAlpineBergtechnik等公司都是这类盾构最重要的制造商。

2工作原理
泥水式盾构机施工时稳定开挖面的机理为：以泥水压力来抵抗开挖面的土压力和水压力以保持开挖面的稳定，同时，控制开挖面变形和地基沉降；在开挖面形成弱透水性泥膜，保持泥水压力有效作用于开挖面。

在开挖面，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。

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。

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，这是因为砂粒具有填堵土体孔隙的作用。

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。

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。

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。

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。

3几种不同形式的泥水式盾构机
3.1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。

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，这样一来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。

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。

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。

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。

3.2水力盾构
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。

几乎所有的水力盾构都以Wayss&Freytag开发的为基础。

除了设计并建造第一台样机（Hamburg-Wilhelmsburg1974）外,该公司还在德国及德国以外实施了很多成功的工程。

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。

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。

开式刀盘在泥浆输出管前装有一拦石栅，截住超过管道运输尺寸的土石块。

拦石栅前有一液力操作的破碎机将大石块破碎到要求的尺寸。

拦石栅前的沉积料用悬浮液喷射除去。

对不同的地层可以在刀盘上装设不同的开挖刀具。

3.3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，Wayss&Freytag与Herrenknecht一起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。

3.4悬臂刀头式泥水盾构
Holzmann悬臂刀头式泥水盾构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。

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，其适用的地质范围与水力盾构一样。

在开挖室沿盾壳内侧布置多个可单独进行液压控制的支撑胸板,当胸板被顶推起来时可在盾构前方将其封闭。

盾构底拱设有一石料闸室,直径小于500mm的石头无需进入开挖室区域即可搬除。

此盾构机运行时的特点是对膨润土悬浮液支撑压力的调整及控制。

停机时，调整控制压力有如水力盾构，即用气垫（气囊）和气舱。

而运行时压力控制则有如泥水盾构，通过泥水输入输出泵的自动控制进行调节。

为此，开挖室内悬浮液的压力通过压力传感器监测，然后与计算参考值比较并作相应改变。

3.5用于顶管的泥水式盾构
3.5.1用于顶管的水力盾构
为了把水力盾构原理的优点用于小直径隧洞，Wayss&Freytagh公司开发了此种盾构的简化形式。

其目的是设计一种刀盘外径在2m以下适于各种松散并承水地层中顶管的盾构机。

经承压隔板通往开挖室，采用净宽为800mm的圆型闭锁门。

承压隔板处无空间用于刀盘驱动装置，所以把它置于沉浸墙，这样驱动装置便在支撑悬浮液中运转。

所有后部闸门都设计成能保证可更换被损坏的驱动装置的最小的尺寸。

由刀盘作用于驱动轴的力应特别考虑，翻转力矩及横向力与扭矩有关，此扭矩应能通过驱动装置发生的最大液压力加以控制。

沉浸墙也应承受刀盘上增加的轴向力，由推进力产生的纵向力可以用沉浸墙的弹性弯曲来测量并控制。

到目前为止已有的这类盾构的直径从1.96m到3.6m。

然而，从采用齿轮马达的经济性考虑，盾构直径只能到2.6m，因为更大直径的盾构需要几个驱动装置单元。

3.5.2水力喷射盾构
水力喷射盾构也是Wayss&Freytag开发的，并于1979年获得专利。

它是基于这样一个现实，即近地面的隧洞工程常常会遇到很多的障碍物。

由于很多天然的及人为的障碍物，其形式及材料均不同（如树根、基础、石头及桩柱等），全部机械化的隧洞工程要求多用途及适用的开挖机具，那样可能很贵。

对于不大的隧洞工程，不宜使用全机械化的盾构，而适用在水力盾构的基础上开发水力开挖的水力喷射盾构。

用切割轮代替机械开挖，使地层开挖在开挖室中通过有目标的液体喷射进行。

省略布置在中心的驱动装置，允许小直径机器通往隧洞工作面。

人工开挖并搬动障碍物，可在任意时间进行，使水力喷射盾构成为一种灵活的办法，其地质的适用范围与惯用的水力盾构一样。

然而,密实的及坚硬的地层限制了它的适用范围，粘性的地层虽然负载压力一样，但只允许低进尺。

喷嘴布置在盾构轴线侧面的切割边缘内，使喷射直接影响的范围在盾壳的里面。

喷嘴摇摆的直径约为10～24mm，压力可达1MPa，喷射的范围在1.5m以内。

由于喷嘴有标准设计，与机械开挖机具相比，成本低得多。

隧洞工作面上由滤饼提供的支撑不会受小范围喷射水的影响。

从土壤结构中挪去石头要比在机械开挖中更要当心，因为射水激石会转变或挪动四周较软的基底，而不增加开挖的能量。

沉浸墙离得远，允许用人工拆卸格栅，无需从隧洞面除去支撑液。

因为障碍物不能被自动检测，沉浸墙及所有柔性部分均需超应力保护，安全开关可以避免压力隔板超应力。

用液力喷射时,不一定是圆形断面，通过喷嘴布置可选择任意形式的断面。

这种系统的弊端是调整机器的方向比较困难，在切割边缘的前方形成控制的超挖是不可能的（即用于调向的目的）。

还有，喷嘴不能消除盾构的翻砖。

4泥水分离设备
在泥水式盾构机的施工过程中，泥水分离是必不可少的工艺过程。

分离效率也影响着盾构机的掘进效率。

一般分离设备有振动筛、旋转分离器、离心机、压滤机等。

4.1振动筛
对于不同粒径和级配的物质分离，振动筛是最基本的设备，振动筛是由一个或多个筛板组成，每个筛板的筛孔逐级减小。

振动筛一般用于粗糙材料的筛分，其孔眼小至60μm。

4.2旋转分离器
旋转分离器是由一固定的锥体组成，它的进料口紧挨其壳体，在圆锥体的顶部设有一上溢流出口，底部设一下溢流出口，开挖料以较大速度抽入旋转的锥体中，使之产生涡流作用，泥水进入锥体中的螺旋体。

尺寸大、重量重的粒状物通过离心作用，以一定速度分离出来，集中到锥体的内壁上，最后通过底部出口排出；细小的颗粒，保留在泥水中，经螺旋体从上溢口排出。

旋转分离器广泛应用于地表分离站，它可以从废弃泥水中分离出砂和淤泥，甚至可以有效地分离出10μm的颗粒。

4.3离心机
通常使用的离心机是由两个围绕一静止室旋转的同轴部件组成。

它用于净化膨润土泥浆很有效，只把6μm的颗粒保留在泥浆中。

4.4压滤机
压滤机分为两种类型：a)连续型，如带状压滤机；b)定量调节型，如盘状压滤机。

它们将废弃的泥浆经压滤后适于运输处置。