盾构讲座二(泥水式盾构机)

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 3.35 m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，Howaldtswerke Deutsche Werft及Voest Alpine Bergtechnik等公司都是这类盾构最重要的制

造商。

图1 开挖面泥水支撑

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。

图2 泥水式盾构工作原理

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。