盾构泥水加压盾构

泥水加压盾构

第一节概述

泥水加压盾构最大的特点是，用有压泥水使开挖面地层保持稳定，施工时对土体搅动极小；盾构推进后，隧道上方地表的沉降量控制在10mm 以内，易于保护周围环境。此外，这类盾构靠泥水流体输送土颗粒间接出土，不设螺旋输送机等排土机械，且泥水可循环使用。

采用泥水加压盾构修筑隧道时，开挖面土体的稳定可分为推进时和停推时两种情况。推进时开挖面土体的稳定主要靠加压泥水保持。盾构停止推进时，因泥水压力消散与泥水中土颗粒沉淀，部分压力由刀盘面板承受。必要时可关闭进土槽口的闸门板，以提高支承能力。

盾构推进时决定开挖面土体稳定的因素有泥水压力、泥水质量和推进速度等，相比之下，泥水质量最为重要。就稳定地层的效果而论，泥水浓度和密度越高，稳定开挖面土体的效果就越好。通常情况下，可按以下指标范围控制泥水质量：

（1）重度：10.5～12.5（KN/m3）；

（2）粘度：20～40（s），漏斗粘度500/700mL；

（3）失水量：Q≤20mL（100Kpa，30min）；

（4）添加材料：粘土、膨润土、陶土＋CMC（1%）＋NaCO2（4%）。

在开挖面生成泥膜是有压泥水能使开挖面保持稳定的重要条件。土体开挖面能生成泥膜的条件主要是保持额定压力和采用规格泥水。通常，比土层侧向压力大一定数量的加压泥水在一定的渗流条件下，可在较短的时间内使开挖面土体的表面形成透水性很低的泥膜（或透水域），位于土层和加压泥水之间的泥膜，性能优于土层，使泥水压力可通过泥膜向土层传递，形成地层土水压力的平衡力。

实践表明，泥水加压盾构不很适用于疏松的卵石层和坚硬土层。在松散的卵石层中施工时，泥水压力并不稳定；而在坚硬的粘土层中开挖时，

粘土常会在刀盘和进土槽口上粘附，使施工变得麻烦。此外，在粘土含量很高的粘土层中施工时，有泥水分离成本高，代价大的缺点。一般认为，在砂性土为主的洪积层中，以及在不需要作泥水分离的工程中，采用泥水加压盾构才较为有利。在某些地表沉降控制要求很高的工程区段，也可优先考虑采用泥水加压盾构。在工程地质条件方面，这类盾构适用的情况为：（1）细粒土（粒径74µm以下）的含有率在粒径加积曲线10%以上；

（2）砾石（粒径2mm以上）的含有率在粒径加积曲线60%以上；

（3）自然含水量ωl>18%；

（4）无200mm～300mm粒径的粗砾石；

（5）渗透系数K<10-4m/s。

第二节盾构构造

泥水加压盾构由刀盘、泥水室、搅拌器、泥浆泵和泥水处理设施等主要部件组成。其中刀盘位于盾构前端，用于切削土体；刀盘后方为泥水室，由隔板和后方隔开，用于充贮有压泥水；泥水室内装有搅拌器，用于拌和进入泥水室的切削土体和稀泥水，使之成为水、土混合的浓泥水；泥浆泵用于泵送泥水，包括将稀泥水泵入泥水室及将浓泥水泵出地面；泥水处理设施设在地面，用于将水、土分离。

一、刀盘构造

泥水加压盾构常采用轮幅式刀盘，幅条上装有刀头，用于切削开挖面土体。大刀盘的支承形式有中心支承式和周边支承式两种。两种支承形式在使用中各有优缺点，对比分析见下表。

二、进土槽口

刀盘上设有面板，面板上开有用于使切削土体进入泥水室的槽口。进土槽口的形状和宽度因地质条件和盾构直径的不同而异。槽口的基本形状有“一”字形、“Y”形和“十”字形等，宽度一般为100mm～500mm。地层为砾石层和卵石层时，宽度应至少大于砾石的最大直径。槽口数量与盾构直径有关，直径较大时，一般在外圈增设槽口。

槽口启闭装置的构造形式有挡土板式、滑板式和转板式三种。

不同刀盘支承方式在构造上的性能比较表

三、刀盘扭矩

设计泥水加压盾构时，刀盘扭矩可按下述经验公式确定：

T c=αD3 （1）式中：T c—刀盘扭矩的设计值（KNm）；

D—盾构外径（m）；

α—系数，可根据地质条件，开挖距离等因素决定，一般取值

1.0～1.5。

除按上述经验公式计算外，确定刀盘扭矩时，还应考虑支承形式的影响，并按以下各式计算和校验：

1、中心支承式刀盘

T c＝T1+T2+T3 （2）式中：T1—土体切削阻力扭矩（KNm）；

T 2—刀盘与土之间的摩擦阻力扭矩（KNm ）；

T 3—纵向荷载下机械自身阻力的扭矩（KNm ）；

2、周边支承式刀盘

T c ＝T 1+T 2+T 3＋T 4+T 5 （3）

式中：T 4—径向荷载下机械自身阻力的扭矩（KNm ）；

T 5—刀盘密封摩阻力扭矩（KNm ）；

其余符号的含义同（2）式。进行上述计算后，将（1）式的结果与（2）、

（3）式的结果相比较，并以数值较大者为设计依据。

四、盾构推力

泥水加压盾构的推力用于在盾构顶进时克服外壁与周围土体的摩阻力，开挖面土体作用于盾构的正面阻力，管片与盾尾的摩擦力，以及后车架的牵引阻力等。

1、盾构外壁与周围土体的摩阻力

盾构外壁与周围土体的摩阻力主要是纵向阻力。由于泥水加压盾构的外壁带有泥浆，这项阻力的量值通常小于其他类型的盾构，但在实际计算时，一般仍按惯用公式计算。土体为砂性土时阻力F 1的计算式为：

μ～～π4

22111g e e e e P q P q P Dl F ++⋅= （4） 土体为粘性土时，计算式为：

F 1=πDlC （5）

式中：D —盾构外径（m ）；

l —盾构长度（m ）；

P e1—垂直土压（Kpa ）；

P e2—底部垂直土反力（Kpa ）；

P g —底部竖向自重反力（Kpa ）；

q e1—顶部侧压（Kpa ）；

q e2—底部侧压（Kpa ）；

μ—盾构外壁与周围土体间的摩擦系数，粘土和松砂为0.3，

硬粘土和密实砂为0.5；

C —地层土体内聚力（Kpa ）。

2、开挖面土体作用于盾构的正面阻力