泥水盾构泥水系统技术

旋流器不同的内径和颈长比以及不同的工作压力， 会起到不同的处理效果。
旋流器工作原理简易图
调整槽和剩余槽均有减速搅拌器、液位计、搅
拌叶、差压式密度计、密度泵、循环泵以及相应 的泵（调整泵、剩余泵）组成 .
槽内的浆液由搅拌器搅拌，调整的浆液技术指标 由密度计进行检测， 。
为了防止槽内浆液的满溢及浆液虚空 ，安置高低 液位计来控制浆液液位，
日Hale Waihona Puke 体系泥水盾构日本工程师相信液体支护隧道开挖面的原理、他 们称为“泥水加压平衡盾构”(即泥水加压平衡 盾构)。
1970年日本铁建公司在京叶线森崎运河下，羽田 隧道工程中采用了直径7.29m的泥水加压盾构施 工，土质为冲积粉砂土层和洪积砂层，N值为250，施工长度为865× 2条=1712延米，见图1。
1986年日本研制世界上第一台双圆泥水加压式盾构，由日 立造船株式会社为日本熊谷组承包商制造。
这台双圆泥水加压式盾构是由两个直径为7.42m的盾构组 合而成，盾构横向总宽度为12.19m，刀盘呈半重叠状。
1988年用于日本新建京叶线的京桥双线隧道施工，长度约 620m，这是日本首次使用MF Multi-ple Facc ) 盾构修建隧 道。其断成面及参数与常规施工的单孔圆形断面双线隧道 相比较，见图116、照片22及表30。
调整槽对新旧浆液进行调整、剩余槽贮存 新旧浆液，分别由搅拌器进行搅拌，由密 度泵进行密度检测，而后由送浆泵将调整 好的浆液送往盾构机，
当盾构处于停止掘进模式进行管片拼装时， 为了确保刀盘面正面土压力平衡，由补液 泵进行循环补液。
浆液调整分系统组成图
2.4 泥水输送分系统
泥水输送系统是将新浆和调整浆通过泵与 管道输送至盾构开挖面；
二是及时把切削土砂形成的混合泥浆输送到地面 进行分离和处理，再将回收的泥浆调整利用。
泥水系统与盾构机的选型、掘进速度、地质条件 等紧密联系在一起的，不同的地质工况条件取决 了不同的泥水系统模式。
支护泥水作用
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、稳定正面开挖面土体。 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。 对刀盘和刀头等切削设备有冷却和润滑作 用。
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 为达开挖面上的稳定，须将开挖面的变形，要控 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，将招 致泥水处理上的困难；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γd在1.05~1.3 范围内较适宜。
1896年，开始应用刀盘式盾构掘进机
机械化盾构，J.Price，1902 （Markham)
1874年Greathead提出泥浆盾构专利 泥浆盾构，Haag,1896年专利
1967年，英国开发成功首台泥水加压平衡盾 构。
* 1974年，日本开发成功首台土压平衡盾 构。
* 1987--1991年，英国、法国采用11台盾构 掘进深50km长的英法海峡隧道，创造单台 盾构连续掘进21km的记录。
英国隧道专家建议在隔舱板前用喷水“水力盾构”， 但水不能支护开挖面，无法阻止开挖面不停地流动。 这种情况与充满水的挖槽相类拟，从而提出在开挖 面用类同槽壁法的支护，这样就诞生了泥水加压盾 构掘进机。
1 英国体系泥水盾构
1964年英国Mott, Hay和Anderson的John Bartlett 申请了泥水加压平衡盾构掘进机原理 专利(英国专利号1083322)。
三圆泥水盾构掘进大阪地铁车站
90年代中，日本又研制成世界上第一个三圆泥水盾构，并 成功地作大阪市地铁7号线“商街公园”车站工程施工。
商街公园地铁车站(Bsaka Business Park) 是大阪地铁7号 线工程中施工难度最大的一个车站，深约32m，长155m。 位于IMP 摩天大楼及盾构施工大断面下水道隧道 的正下 方，处在深度大、水压高易塌方地层中。 全用球墨铸铁 管片，共计105环(105m),日掘进2~3环，于1994年1月~4月 就完成了约107m在完成一次衬砌，立柱的托换亦于同年 10~11月顺利完工。
2．2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输送分系统 ⑶处理分系统 ⑷泥水监控分系统
2.3 泥浆伴制和浆液调整分系统
2. 3.1 泥水拌制分系统
当盾构在掘进过程中，需要进行新旧泥浆 交替补充到盾构刀盘面，形成一定厚度的 泥膜便于刀盘切削。
当旧浆液浆量不足使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。及时向盾构正面刀盘面 补充浆液，使刀盘正面快速形成泥膜，便 于盾构顺利进行掘进施工。
调整槽分系统具有新旧浆液搅拌调整功能， 同时也起到贮存浆液作用.
回收的浆液经过盾构机反复应用后，浆液 的比重、粘度指标会不断发生变化，需要 再次把切削土砂形成的混合泥浆通过新浆 分系统分配的新浆重新进行浆液技术指标 的调整。
浆液调整系统由调整槽、剩余槽、调整槽 拌器、剩余槽搅拌器、调整泵、剩余泵、 密度泵、送浆泵、补液泵、分配阀和加水 设备组成，
盾构
龙门架1
连接梁
龙门架2
成品盾构
泥水土压复合盾构
平衡盾构
上海上中路隧道Φ14.87m泥水盾构始发推进
上 海 越 江 工 程 规 划 图
2 泥水系统的作用和组成
2.1泥水系统的作用
一是及时向开挖面密闭舱提供掘进施工需求的泥 浆，用优质膨润土配制的泥浆的比重、粘度等技 术指标必须满足在高透水砂层中形成泥膜和稳定 开挖面的要求；
它具有系统各运行数据与盾构数据采集系统的通 讯功能盾构施工管理信息系统的泥水处理系统软 件界面的分成。
1971年开挖直径4.1m、长140m的试验段。英 国体系泥水加压平衡盾构掘进机与同类德国 体系相对照，其研制的特征是有长槽的鼓轮 状的切削头、提取来自压力室的泥浆，有粗 和细两套分离装置，以及以控制弃土出口压 力(阀或泵)的方法保持开挖面的压力。当时， 英国由于缺乏能适合促进这种技术的隧道工 程，这种技术的发展受到了限制。
调整槽与剩余槽之间采用溢流管连通，以确保泥 水系统由足够的送浆量，当两个槽体内的浆液指 标不能满足技术要求时，利用调整泵和剩余泵互 相进行补充再次进行调整。
调整槽结构与剩余槽结构一致，
调整槽（剩余槽）结构示意图
泥水分离和处理分系统图
2.6 泥水监控分系统
泥水处理监控系统在泥水平衡盾构施工时一个十 分主要组成部分，所有的泥水系统的运行和操纵 由泥水监控系统来实现和完成。
沉淀池平面图
旋流处理分系统的主要功能是将经过分离以后
的中细颗粒浆液再次进行细化处理，逐次降低浆 液粒径，处理系统一般采用多级旋流器进行处理。
旋流器的工作原理是依据水动力高速旋转产生的 离心力达到处理目的，利用旋流泵在旋转过程使 旋流器产生负压力，迫使旋流器内部悬浮的细微 颗粒，通过离心作用产生螺旋式上升，通过上溢 口被负压力挤出，浆液中粗重颗粒在自重的重力 作用下落入下溢口弃浆槽内。
东京湾海底隧道工程Φ14.14m泥水盾构
在20世纪90年代，日本东京湾海底隧道，长10km是世界最 长公路专用海底隧道，用八台直径14.14m泥水加压式盾构 施工。
最初推进的两台盾构分别位于浮岛的北线和南线开始推进， 到1996年10月底各工区的盾构已在海底进行地中对接。 1997年12月18日东京湾横断道路贯通，
刀盘切削下来的干土和水合成的泥浆，通 过泵与管道将泥水送往地面的处理系统进 行调整。
泥水输送系统主要由泵、阀、管道及配套 部件等组成，通过泥水监控系统进行自动 化操作。
2.5 泥浆分离和处理分系统
泥浆分离和处理分系统的作用是将盾构切削土 砂形成的泥水进行颗粒分离和处理后，再将回收 泥浆泵入调整槽。
泥水的粘度 可通过将泥水从漏斗形容器流出的时间来判定泥 水的粘性，表示出外观的粘性(在清水中500cc漏 斗形粘性是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：几乎不让泥水渗透过，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，边让泥水渗透过，
边形成泥膜。
泥膜试验装置
上海越江隧道新浆常用配比表（以m3计）：
膨润土% CMS% 纯碱% υ（s） γ（g/cm3） 适应土层 10～16 0.1～0.48 0.2～0.48 20～120 1.065～1.20 5、7
控制泥水成本途径
新浆
控制膨润土掺入比 控制CMS掺入比 控制纯碱掺入比 调整浆 新浆+回收浆 新浆+回收浆+CMS 新浆+回收浆+HEF 回收浆+CMS 回收浆+HEF 回收浆+膨润土+碱
采用振动筛作为首道初级分离比较合适，振动筛 的作用始对泥水作预处理，去除团状和块状等粗 大颗粒。粗颗粒的分离采用三层振动筛， <10mm 粒径颗粒通过第一层振动筛进入第二层，<6mm 粒径颗粒经振动后进入第三层振动筛，≤3mm泥 浆颗粒物下料振入沉淀池，振动筛所有的物上料 排至堆土场地。
泥浆分离分系统（振动筛）示意图
泥膜形成基本要素
支护作用的好坏，泥水形成的泥膜质量至关 重要
泥水最大粒径对泥膜形成效果有很大影响， 根据土层渗透系数K的不同要求，泥水最大 颗粒粒径也不同，其间需互相匹配
颗粒级配
泥水浓度提高能使泥水屈服值升高，稳定 性增强
增加泥水压力可提高开挖面的稳定性
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