施 工 技 术
CON STRU CT I ON T ECHNOLO GY 2001年2月
第30卷 第2期
[单位地址]上海市漕溪路201号 200233,电话:(021)
64387243—39,主要完成者:华学新、丁志诚、周文波、曾林鹤、任
道真。
泥水加压平衡盾构工法
(YJ GF 02-98)
上海隧道工程股份有限公司
[中图分类号]TU 621;TU 94+1[文献标识码]B [文章编号]100228498(2001)022*******
Con struction M ethod of M ud -wa ter Pressure -add i ng
Ba lance Sh ield (JGF 02-98)
S hang ha i T unnel E ng ineering S tock Co
.,L td . 泥水加压平衡盾构工法是从地下连续墙以及钻孔等工程所使用的泥水工法中发展起来的,它起源于英国,日本代表着当今世界的新潮流。上海隧道工程股份有限公司于1994年引进了日本设计并制造的 11220mm 大型泥水平衡盾构,并将其运用于延安东路隧道南线的圆隧道施工,其中《超大型泥水平衡盾构施工参数及地面沉降控制研究》等几项科研项目获得1997年上海市科技进步奖。
1 特点
粘性土层具有平衡效果好、施工速度快、质量和精度更高的特点。泥水加压平衡盾构具有以下特点:
(1)在不稳定的地层中当开挖面受阻时,采用泥水加压
能使开挖面保持稳定,确保施工安全。
(2)在水位以下挖掘隧道,能在正常大气压下进行。(3)不会发生气压盾构那样的跑气喷发危险。
(4)对于气压盾构无法施工的滞水砂层,含水量高的粘
土层及高水压砾石层,泥水盾构均能进行施工,其适应土质的范围较广。
(5)由于采用了水力机械输送泥浆,管道占用空间小,故
井下作业环境好,作业人员的安全性高。
(6)可分离出适合弃土场地和运输方式的含水率土砂。2 适用范围
选用泥水加压平衡盾构工法施工需要大量的水,因此,施工水源要充足,还需要一套泥水处理系统来辅助施工。该工法适合在多种土层中掘进隧道。
泥水加压平衡盾构的覆土层一般不小于1D 的厚度,如果超过此范围,需采取特殊技术处理。
3 工艺原理
311 泥水加压平衡盾构
泥水加压平衡盾构与土压平衡盾构相比较有两点不同:①由技术特点决定了改土压舱为泥水舱;②由于出土形式的改变,省去了螺旋输送机,因此,盾构内部的空间扩大了许多,给设备的保养、维修带来了极大的方便。
312 工作原理
泥水加压平衡盾构工作原理如图1所示。图中M V 阀一般常闭,V 1…V 5阀为状态互换阀,通过阀的切换,分别形成循
环、推进、逆洗等三种状态。
由P 1泵将满足施工的泥浆从调整槽内送入盾构泥水舱,使泥水舱内保持一定的浓度、压力,推进时利用盾构前部的刀盘旋转切削,将正面土体切削下来的原状土以条状或块状通过挤压进入泥水舱,经过搅拌器充分搅拌,由P 1…
P n 泵输送到泥水处理站,再从
混合泥浆中回收大部分泥浆进行调整进入调整槽重复利用,另一小部分劣浆或干土外运。
图1 泥水加压平衡盾构工作原理
值得注意的是在开挖面无论是推进阶段还是拼装阶段始终保持着一层泥膜,当刀盘刀头将泥膜切削后,新的泥膜很快形成,周而复始,即这层泥膜始终保持着开挖面的稳定。
4 工艺流程
施工准备(包括泥水系统、同步注浆、中央控制室等设备安装)→盾构就位、调试→系统总调试→盾构出洞→盾构推进、同步注浆(施工参数的采集与调整)→管片拼装→盾构进洞→拆除盾构、车架及其它设备→竣工。
5 施工要点
泥水盾构的施工要点基本类同于其它盾构,除了一些共性外,还需掌握以下要领。
511 泥水管理
泥水管理就是对泥浆质量的控制,即对泥浆四大要素的调整。四大要素为:最大颗粒粒径,粒径分布,泥浆水密度和泥浆水压力。
(1)泥水配合比 出洞初期要配制大量的工作泥浆。工
作泥浆的配制分2种,即天然土泥浆和膨润土泥浆,前者成本低,但在天然粘土中或多或少存在些杂质、粉砂等,故质量不太高;后者成本高,但浆液的质量可得到保证。
天然土泥浆配合比(重量比)为天然粘土 C M C 纯碱 水
=400 212 11 700。
膨润土泥浆配合比(重量比)为膨润土 C M C 纯碱 水=
330 212 11 870。
泥浆质量指标如下:泥浆密度112g c m 3;泥浆粘度30s
(漏斗粘度);析水率<5%;颗粒<74Λm 。
8
4
表1 工作泥浆调整配合比
主要土质粉 砂粉质粘土粘 土粘度(s)25～2923～2621～24比重(g m3)>11211123～11271124～1129
增粘浆料可选配合比(供参考)
水中粘纯碱水低粘纯碱水高粘高粘纯碱(m3)CM C(kg)(kg)(m3)CM C(kg)(kg)(m3)CM C(kg)CM C(kg)(kg) 10400500500501012512550水高粘高粘纯碱水低粘中粘纯碱水中粘纯碱
(m3)CM C(kg)CM C(kg)(kg)(m3)CM C(kg)CM C(kg)(kg)(m3)CM C(kg)(kg) 10200200100102002001001040050
(2)泥水的检查和调整 在具体施工中,要配置实验室和专门技术人员,每隔2环对泥水进行测定,一旦发现泥浆劣化,要及时进行调整。另外,根据不同的土质,也要及时对泥浆加以调整,调整的效果主要看综合资料反映,因为施工情况是千变万化的,所以调整配合比也不是固定不变的,建议调整配合比如表1所示。
512 切口水压
泥水舱压力的提高将有利于泥膜的形成,但泥水压力不应无限制地过高或过低,泥膜前后的任何压力差的绝对值的增大都对开挖不利,要保持这层泥膜始终存在,就必须保持泥水舱压力与盾构前的水压力平衡。泥水压力的增加会使作用于开挖面的有效支撑压力增加,但不得超过其上限值,泥水舱压力即切口水压可通过计算得到,参数的调整仅在此范围内调整。
513 掘进管理
泥水加压平衡盾构掘进是一个均衡、连续的施工过程,因此掘进管理是一个系统管理,作为管理人员,特别是盾构的大脑——中央控制室责任非常重大,在盾构每环掘进前要发出正确无误的指令;在掘进中要密切注意各个施工参数的变化情况;在掘进结束后根据采集到的各种数据进行分析,作出适当的调整,准备下一环的指令。具体工作如下:
(1)掘进前下达指令 ①切口水压设定;②送泥水密度、粘度等技术参数设定;③同步注浆量、压力的设定;④推进速度的设定;⑤进泥、排泥流量的设定。
(2)掘进后对下列参数分析,然后作出相应的调整 ①地面沉降量——切口水压是否要变化;②泵的电压、电流、转速、流量、扬程——设备是否正常运行;③进、排泥流量偏差——判断输送管路是否畅通,是否发生超、欠挖;④千斤顶总推力——泥水舱压力是否匹配;⑤隧道稳定情况——同步注浆系统是否满足要求;⑥开挖面稳定,掘削量管理,送、排泥泵挖掘,同步注浆状态——推进速度是否适当。
应当指出,上述关系不是简单的相对关系,任何一个指令的产生都要考虑到相互之间的综合关系,有时从环报表上反映的问题很多,这时就要先抓住主要问题逐一化解,切不可全盘调整,一步到位,那样会使问题更加复杂化。
514 泥水处理
泥水处理是通过机械的或化学的方法对输出的泥浆进行处理,其主要目的是2个:①将原状土从工作泥浆中分离出来;②将>74Λm的泥颗粒从一次处理后的泥浆中分离出来。
泥水处理可分为多级处理,一般为2～4级,其过程为:粗滤→化学处理→旋流器分离→压密。
废弃的劣浆由于仍有相当高的含水量,不能直接装车,经过压滤工艺脱水、变成泥饼方可外运,而水可重复使用。
如果对泥浆的要求很高,即对泥浆彻底处理,泥水处理的级数还可提高,但成本也高。
515 注浆管理
推进中应及时充填盾尾处建筑空隙,一般可采用同步双液注浆。对沉降量要求小的范围可作跟踪注浆或补压浆。注浆管理的目的:①防止土体松弛和下沉,减少地表沉降;②保持隧道衬砌的早期稳定;③提高衬砌接缝处的防水性能。
同步注浆材料以双液注浆为例,分A液、B液2种,配合比如表2所示。
表2 每m3注浆材料的原料用量
A液B液
固化材料(kg)辅助材料(kg)稳定剂(L)水(L)速凝剂(L) 26060215～31081080～90
其它注浆方法类同“土压平衡盾构工法”。
516 泥水加压平衡盾构的进出洞
泥水加压平衡盾构进、出洞止水密封是盾构顺利进出洞掘进的基本条件。由于盾构工作井一般在制筑过程中对周围的土体有不同程度的扰动,同时在对洞门处理中,难免对土体带来不稳定因素,以及进出洞盾构覆土较浅等不利工况条件,若不针对性地对洞门圈作处理,盾构将遇到许多不利情况,因此,在施工前必须要遵循泥水加压平衡盾构的特性,制定必要的进出洞施工工艺,特别要注意以下3点:
(1)洞门区加固不宜采用旋喷桩、深层注浆等加固措施,以免造成盾构吸口堵塞,反复地清舱、逆洗会引起盾构周边土体的流失。
(2)如果盾构开挖面面临的是回填土等杂土,必须使盾构吸口前具有破碎、粉碎装置。
(3)洞圈止水装置宜采用可调节装置,以便在盾构姿态改变的情况下,及时调整止水体与盾壳的间隙。
6 工程实例
1994年,上海隧道工程股份有限公司引进了日本制造的超大型泥水加压平衡盾构,用于建造延安东路隧道南线,经受了穿越仓库、浅覆层、防汛墙、地下车库、地下人行道、高层建筑等的严峻考验,成功地穿越了黄浦江,盾构曾创下日推 (下转第34页)
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2001N o.2上海隧道工程股份有限公司:泥水加压平衡盾构工法(YJGF02-98)
落在置信区间[f cu1,f cu2]之内的概率为95%,f cu,m0大于f cu2的概率只有215%,f cu,m0小于f cu1的概率也只有215%。这样一来,对检测数据的算数平均值可信程度有了一个定量地估计。显然,减小均值检验的显著性水平Α,置信度得到提高,检验数据的可信程度提高;缩小置信区间,减小f cu2与f cu1之间的差值,使检测数据的精度得以提高。合理的确定可信程度和检测精度则是以下需要解决的实际问题。
212 芯样数量的估计
在进行芯样数量估计时,首先应解决置信度的问题,按照统计学的常规和建筑结构的要求,混凝土强度均值的置信度宜为95%,也就是显著性水平Α=0105。在特定情况下,置信度可适当降低。其次,应解决估计精度问题。估计精度可有两个方面的控制,其一为:(S n)t a,f≤215M Pa;其二为:(S n) t a,f≤0115f c cu,m。可取两个值中的较大值。
有限定可以保证平均值评定有理论依据,并确定合理的取芯数量。
满足限定条件(S n)t0105,n-1≤215M Pa时的芯样数量估计如表1所示。由表1可以看出,当S=3～4M Pa时,芯样试件的数量应在8～12个之间,当混凝土强度较高时,S增大,宜使用(S n)t a,f≥0115f c cu,m的限制条件。
表1 芯样数量估计(一)
S310410510610710810芯样数量81218253342
有关单位曾做过钻芯试验研究,如表2所示。由表2可以看出:当芯样试件的数量为9个,S= 310M Pa,估计精度为±213M Pa,小于215M Pa;S= 411M Pa时,估计精度为±311M Pa,已经大于215M Pa。
表2 芯样数量估计(二)
试验单位数量f c cu,m S?精度(M Pa)精度 均值中国建筑科937142130106±117±415%
学研究院937132120106±117±416%
921175110123±318±1715%
936134110111±311±815%
936103100108±213±614%
734151120103±111±312%
1036172110106±115±411%
广西建筑科910131160116±112±1117%学研究院9131011
60112±112±912%
914171150110±111±715%
914191170112±113±817%冶金建筑939191130103±0198215%
研究总院940162190107±212514%
3 结论
(1)钻芯修正法利用了非破损混凝土强度检测方法可以大量测试而不损伤结构和测试费用相对较低的特点,又可利用钻芯法提高非破损测试结果的精度。
(2)钻芯修正法采用了样本平均值修正的方法,概念清楚,易于理解,操作方便。
(3)在钻芯修正法中引入了统计学中的检验显著性水平、置信度和置信区间的概念,使得检测结果的可信程度有了定量的评判依据,使取样数量的确定有了依据,减小了取样数量确定的随意性。
(上接第49页)
进1315m的推进速度,地表最大沉降点小于3c m。这项技术达到了国内领先水平,获得上海市科技进步奖。
盾构主要参数:盾构外径11220mm,盾构全长10945mm,盾尾密封为3道钢丝刷,千斤顶数量32台,盾构总推力112200kN,最大推进速度416c m m in。
上海延安东路隧道南线圆隧道全长1300m、内径919m,江底最小覆土厚度为7m。圆隧道全部采用预制钢筋混凝土管片的单层衬砌结构形式,工期从1994年9月7日～1996年3月26日,隧道最小曲率半径为450m,穿越地质主要为灰色砂质粉土、灰色淤泥质粘土、灰色粘土及灰色粉质粘土,在采用井点降水法改良土体后,盾构直接穿越二号井素混凝土槽壁,此项工艺在国内盾构法隧道施工史上尚无先例,在国外也实属罕见。在地面沉降控制技术上,充分利用现代化管理手段,利用计算机“掘进管理系统”和“延东复线施工智能化数据库”做好稳定化动态施工管理工作,及时优化调整施工参数,将地面沉降控制在2～3c m以内,曾受到日方专家的充分肯定。在盾构施工工程中,应用了“掘进管理系统”、“T IEC 专家系统”等计算机应用软件,有些研究成果属国内外首创。通过各项技术在实际施工中的综合应用,有效地控制了盾构施工过程中的地面沉降,减少了诸多辅助措施的实施,避免了大量的动拆迁及修补工作,保证了广大市民的正常生活秩序,产生了显著的社会效益和经济效益。
(执笔人:任道真)
43施工技术第30卷
2土压平衡盾构与泥水平衡盾构的结构原理 傅德明 上海市土木工程学会 1 土压平衡盾构的结构原理 土压平衡盾构的基本原理 土压平衡盾构属封闭式盾构。盾构推进时，其前端刀盘旋转掘削地层土体，切削下来的土体进入土舱。当土体充满土舱时，其被动土压与掘削面上的土、水压基本相同，故掘削面实现平衡(即稳定)。示意图如图所示。由图可知，这类盾构靠螺旋输送机将碴土(即掘削弃土)排送至土箱，运至地表。由装在螺旋输送机排土口 处的滑动闸门或旋转漏斗控制出土量，确保掘削面稳定。 1.1.1 稳定掘削面的机理及种类 土压盾构稳定掘削面的机理，因工程地质条件的不同而不同。通常可分为粘性土和砂质土两类，这里分别进行叙述。 1.1.1.1 粘性土层掘削面的稳定机理 因刀盘掘削下来的土体的粘结性受到破坏，故变得松散易于流动。即使粘聚力大的土层，碴土的塑流性也会增大，故可通过调节螺旋输送机转速和出土口处的滑动闸门对排土量进行控制。对塑流性大的松软土体也可采用专用土砂泵、管道排土。 地层含砂量超过一定限度时，土体流性明显变差，土舱内的土体发生堆积、压密、固结，致使碴土难于排送，盾构推进被迫停止。解决这个问题的措施是向土舱内注水、空气、膨润土或泥浆等注入材，并作连续搅拌，以便提高土体的塑流性，确保碴土的顺利排放。 1.1.1.2 砂质土层掘削面的稳定机理 就砂、砂砾的砂质土地层而言，因土颗粒间的摩擦角大故摩擦阻力大；渗透系数大。当地下水位较高、水压较大时，靠掘削土压和排土机构的调节作用很难平衡掘削面上的土压和水压。再加上掘削土体自身的流动性差，所以在无其它措施的情况下，掘削面稳定极其困难。为此人们开发了向掘削面压注水、空气、膨润土、粘土、泥水或泥浆等添加材，不断搅拌，改变掘削土的成分比例，以此确保掘削土的流动性、止水性，使掘削面稳定。 1.1.1.3 土压盾构的种类 按稳定掘削面机构划分的土压平衡盾构大致有如下几种，见表1。 表1 土压盾构的种类 图1 土压盾构基本形状
超大直径泥水平衡盾构穿越深水浅覆土区风险分析与对策研 究 摘要：本文以南京纬三路过江隧道工程超大直径泥水平衡盾构机穿越江中深槽段施工为例，通过对风险源的分析与应对措施研究，提出了超大泥水平衡盾构长距离穿越深水浅覆土地区应对措施。 1.工程背景 南京纬三路过江通道工程采用直径14.93m泥水平衡盾构，盾构穿越江中深槽段总长度为586m，该段掘进全部位于江中段，是工程中风险最高、难度最大的施工区段。在该段深槽线路范围内，线路位于右偏R=1500m的圆曲线内，线路为V字型，坡度从-3.892%过最低点（SDK4+780）后变为2.45%。江底最低覆土深度为14.46m（到盾构机顶部），水深最深为34.9m（2009年9月数据）。江中段地质情况见表1。 表1 地质分层分段情况表 2.施工风险分析 2.1地质勘测准确性风险 由于江底深水地质勘测难度大、成本高，准确性也难以保证，江底隧道地质勘探具有极大的局限性，遇到未勘查清楚的不良地质或存在未查明的地下障碍物的风险十分可能发生。因此，施工准备阶段和施工过程中，需要通过对筛分渣样的分析达到地质预测的目的，可部分揭示开挖面前方地层情况。同时江底可能会出现特异性的障碍物，如废弃铁块、沉船等影响盾构掘进。 2.2盾构机的适应性、可靠性风险 盾构机选型极大程度上是工程成功的决定性因素，盾构机穿越江底掘进过程中，盾构机选型尤为重要，主要表现在以下几个方面： （1）刀盘、刀具磨损：盾构机长距离掘进对刀盘、刀具磨损大；在软硬不均的地层及卵石地层掘进时，刀具不可避免的产生卡刀或偏磨等问题。 （2）泥浆泵及管路磨损、堵塞：泥水循环回路泥浆中的砂石成分会磨损泥浆泵及排送管路，导致盾构机排渣不畅； （3）主轴承磨损，密封件防水失效：因主轴承在长距离掘进被磨损可能导致密封件防水失效，泥浆向盾构机内渗漏，保压系统失衡； （4）盾尾密封：盾尾密封系统的不适应性或受管片及周围土体的磨损影响，导致盾构间隙增大或油脂仓保压失效，盾构机发生渗漏； （5）数据采集系统、传感器失灵：受开挖面恶劣条件影响，盾构工作面数据采集系统、传感器有失效风险，盾构掘进参数或正面舱压等指标无法准确显示； （6）液压推进系统漏油：液压推进系统漏油，推力不足可能导致盾构后退风险； （7）注浆管路堵塞：由于浆液残留结块等原因可能导致注浆管路堵塞，无法进行正常的同步注浆； （8）主轴承断裂：由于主轴承磨损或在掘进复杂地层中偏心力矩致过大可导致主轴承断裂。 2.3江底冒浆风险 由于隧道穿越复合地层、上软下硬地层控制难度大，卵砾石层、粉砂岩层等地层表现为孔隙较大的特点，要依据地层条件及时调整泥浆质量和泥水压力，加
针对本项目的特性技术方案简述 施工技术篇 一、工程概述 二、总体施工部署及施工思路 2.1 初步施工安排 2.2 总体计划 2.3 工程管理目标 2.4 施工的前准备工作 2.5 施工组织管理 2.6 项目施工总体思路及工艺 2.7 施工总平面图布置规划 三、重点、关键和难点工程的施工方案、工艺及其措施简述 3.1 重点、关键和难点工程分析及应对措施 3.1.1 城市中心区的和谐施工 3.1.2 交通疏解、管线改迁及征地拆迁对工程前期推进影响大 3.1.3 盾构始发与到达施工难度大 3.1.4 基坑安全施工 3.1.5 顶管施工重难点分析及应对措施 3.1.6 泥水盾构刀盘、刀具设计 3.2 本项目主要工程施工方案及工艺简述 3.2.1 竖井（工作井）施工 3.2.2 顶管施工 3.2.3 盾构施工 3.2.4 管道功能性试验 3.2.5 其他附属及机电安装工程 四、交通疏导方案规划 4.1 交通疏导原则及规定 4.2 交通疏解实施程序 4.3 交通疏解方案
五、地下管线及其他地上地下设施的保护加固措施 5.1 地下管线保护措施 5.2 建构筑物保护措施 六、施工保障措施 6.1 施工质量保障措施 6.1.1 质量目标 6.1.2 质量保证体系 6.1.3 质量保证制度 6.1.4 主要工程施工质量控制措施 6.2 施工安全保障措施 6.2.1 安全目标 6.2.2 安全保证体系 6.2.3 安全保证制度 6.2.4 主要工程施工安全控制措施 6.3 应急预案 6.3.1 应急救援中心的职责 6.3.2 信息报告及处理 6.3.3 应急决策及响应 6.3.4 应急救援的资源配置 6.4 文明施工及环境保护措施 6.4.1 管理体系 6.4.2 文明施工措施 6.4.2 环境保护措施 七、本项目拟配备的机械设备情况
泥水平衡盾构机施工总结 本工程是我单位常规直径地铁盾构第一次采用泥水盾构机施工。在施工、操作方面可借鉴经验不多，造成在施工中走过了不少弯路，出现了许多问题。泥水盾构机操作的基本原则是：控制切口压力在技术交底范围内稳定和盾构机姿态在设计要求范围内的前提下，实现盾构机正常掘进。切口压力的稳定是保证地面沉降、安全掘进的前提条件，而盾构机姿态决定隧道走向是否与设计路线符合，成型隧道符合设计要求的先决条件。如果在掘进期间，切口压力不稳定，波动较大的话，轻则沉降较大，重则引起地面塌方。所以在操作泥水盾构机的时候，每一个操作手必须清楚的明白，保证切口压力稳定的重要性。而盾构机姿态是决定我们的施工是否按设计路线施工，如果出现姿态超限，轻则隧道管片出现错台、开裂、漏水等质量问题，重则需要联系设计单位和业主，进行调线。通过一年多的泥水盾构机施工经验，结合自己以前土压平衡盾构机的操作经验，对泥水盾构机的施工和质量控制方面的一些想法做如下总结。 一．工程概况： 东莞市城市快速轨道交通R2线工程（东莞火车站～东莞虎门站段）[2303A标：榴花公园站、茶山站～榴花公园站区间]土建工程施工项目，位于方中路上的茶山站后，正线隧道与出入段线隧道并行约100m由东向西穿越宽约200米的寒溪河，进入东岸大片农田（此时出入段线进入寒溪河东岸的东城车辆段）、通过中间风井及河西岸的数幢别墅后进入莞龙路。线路继续沿莞龙路前行，绕避了数架人行天
桥后到达榴花公园前的榴花公园站结束。 本标段起讫里程YDK2+298.728~ YDK5+502.598，包含1个明挖车站（【榴花公园站】）和1个区间（【茶山站～榴花公园站区间】），1条出段线盾构隧道（【中间风井~出段线盾构井】），1条入段线盾构隧道（【茶山站~入段线盾构井】）。其中正线段茶山站~榴花公园站区间左线起讫里程为：ZDK2+301.000~ZDK3+497.720、 ZDK3+653.485~ZDK4+118.812，左线长1662.041m; 右线起讫里程为：YDK2+298.728~YDK3+434.162、YDK3+601.659~ YDK4+110.000，右线长1643、775m；区间正线总长3406.628m。其中ZDK3+653.485~ZDK3+746.000、YDK3+601.659~ YDK3+690.000采用矿山法开挖，盾构管片衬砌。 二.操作注意事项： （一）泥浆粘度控制 在泥水盾构中，泥浆的作用有两种：维持开挖面稳定和运送弃土。泥水盾构机施工时稳定开挖面的原理为：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，控制掌子面变形和地面沉降；在掌子面形成弱透水性泥膜，保持泥水压力有效作用于掌子面。泥浆作为一种运输介质将开挖下来的渣土以流体形式输送，经地面泥水处离处理设备分离，将处理过的渣土运至弃土场。 泥浆的比重和粘度等性能决定它稳定开挖面和携带渣土的能力。（1）泥浆比重 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
精心整理大型泥水盾构施工中的 泥 水 分
第一章绪论 一、泥水加压式盾构及其泥水分离处理系统概述 盾构法施工已有170余年历史，随着科学水平的不断提高，盾构技术也得到不断发展和完善。至今，盾构已发展成为软土地层修建隧 施工提供了广阔的舞台。 泥水加压式盾构是在机械掘削式盾构的前部刀盘后侧设置隔板，它与刀盘之间形成压力室，将加压的泥水送入泥水压力室，当泥水压力室充满加压的泥水后，通过加压作用和压力保持机构，来谋求开挖面的稳定。盾构推进时由旋转刀盘切削下来的土砂经搅拌装置搅拌后
形成高浓度泥水，用流体输送方式送到地面。在地面调整槽中，将泥水调整到合适地层土质状态后，由泥水输送泵加压后，经管路送到开挖面泥水压力室，泥水在稳定开挖面的同时，将刀盘切削下来的土砂搅成浓泥浆，再由排泥泵经管路输送到地面。被送到地面的泥水，根据土砂颗粒直径，通过一次分离设备和二次分离设备将土砂分离并脱 在实际施工中，泥膜的形成是至关重要的。当泥水压力大于地下水压力时，泥水理论按达西定律渗入土壤，形成与土壤间隙成一定比例的悬浮颗粒，在“阻塞”和“架桥”效应的作用下，被捕获并积聚于土壤与泥水的接触表面，泥膜就此形成。随着时间的渐渐推移，泥膜的厚度不断增加，渗透抵抗力逐渐增强，当泥膜抵抗力远大于正面
土压时，产生泥水平衡效果。 2、泥水管理控制 （1）、进浆泥水指标 泥浆能否在渗入土壤时形成优质泥膜，能否稳定切口前方土体， 泥水的比重是一个主要控制指标。掘进中进泥比重不易过高或过低，前者将影响泥水的输送能力，后者将破坏开挖面的稳定。 泥水比重的范围应在1.15～1.30 g/cm3，下限为1.15 g/cm3，上限根据施工的特殊要求而定，在砂性土中施工、保护地面建筑物、盾构穿越浅覆层等，可达1.30 g/cm3。甚至可达1.35 g/cm3。
泥水盾构泥水系统技术 傅德明 上海申通地铁集团公司 2010.3 1 泥水盾构简介 ?1818年，英国的布鲁诺从蛀虫钻孔得到启示，提出盾构掘进隧道设想。 ? 1825--1843年，布鲁诺在伦敦泰吾士河下用盾构法修建458m长的矩形隧（11.4m× 6.8m）。 ? 1830年，英国的罗德发明“气压法”辅助解决隧道涌水。
1874年Greathead提出泥浆盾构专利 1896年，开始应用刀盘式盾构掘进机 不 ?20世纪60年代初，穿越不稳定和含水地层的隧道工程辅助技术有：降水法、气压 法、地层加固法和冻结法。 ?气压法最经济有效，由于安全和健康等原因，希望有一种能不干扰地面和使工人不 在气压下施工的隧道掘进机，欧洲国家提出“局部气压方法”，但这种对工作面不能提供不变的和有规则的支护。 ?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。 ?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。 ?1989--1996年，日本采用8台世界最大直径14.14m泥水加压盾构，掘进东京湾海 峡隧道，2条隧道各长9.4km。 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)。 ?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。 日本体系泥水盾构 ?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2-50，施工 长度为865× 2条=1712延米，见图1。 ?直径7.29m泥水加压盾构掘进机，在隧道施工中获得了极大的成功，它是 当代时最大直径的泥水加压平衡盾构。 ?纵观日本在近30年的泥水盾构发展，自日本泥水盾构问世以来，泥水盾 构一直持续发展。
掌握土压仓内土砂塑性流动性的方法 塑流化改良控制是土压平衡式盾构施工的最重要要素之一，要随时把握土压仓内土砂的塑性流动性。一般按以下方法掌握塑流性状态。 1．根据排土性状 取样测定（或根据经验目视）土砂的坍落度，以把握土压仓内土砂的流动状态。采用的坍落度控制值取决于土质、改良材料性状与土的输送方式。 2．根据土砂输送效率 按螺旋输送机转数计算的排土量与按盾构推进速度计算的排土量进行比较，以判断开挖土砂的流动状态。一般情况下，土压仓内土砂的塑性流动性好，盾构掘进就正常，两者高度相关。 3．根据盾构机械负荷 根据刀盘油压（或电压）、刀盘扭矩、螺旋输送机扭矩、千斤顶推力等机械负荷变化，判断土砂的流动状态。一般根据初始掘进时的机械负荷状况和地层变化结果等因素，确定开挖土砂的最适性状和控制值的容许范围。 泥水平衡盾构掘进中泥浆的作用 泥水平衡式盾构掘进时，泥浆起着两方面的重要作用： 一是依靠泥浆压力在开挖面形成泥膜或渗透区域，开挖面土体强度提高，同时泥浆压力平衡了开挖面土压和水压，达到了开挖面稳定的目的；二是泥浆作为输送介质，担负着将所有挖出土砂运送到工作井外的任务。 因此，泥浆性能控制是泥水平衡式盾构施工的最重要要素之一。 泥水平衡盾构掘进对泥浆的性能指标要求 泥浆性能包括： 物理稳定性、化学稳定性、相对密度、黏度、pH值、含砂率。
土压平衡式盾构出土运输方法与排土量控制 土压平衡式盾构的出土运输（二次运输）一般采用轨道运输方式。 土压平衡式盾构排土量控制方法分为重量控制与容积控制两种。重量控制有检测运土车重量、用计量漏斗检测排土量等控制方法。容积控制一般采用比较单位掘进距离开挖土砂运土车台数的方法和根据螺旋输送机转数推算的方法。我国目前多采用容积控制方法。 泥水平衡式盾构排土量控制方法 泥水平衡式盾构排土量控制方法分为容积控制与干砂量（干土量）控制. 容积控制方法如下，检测单位掘进循环送泥流量Q1与排泥流量Q2，按下式计算排土体积Q3：Q3= Q2－Q1 对比Q3与Q，当Q＞Q3时，一般表示泥浆流失（泥浆或泥浆中的水渗入土体）；Q＜Q3时，一般表示涌水（由于泥水压低，地下水流入）。正常掘进时，泥浆流失现象居多。 干砂量表征土体或泥浆中土颗粒的体积 干砂量控制方法是，检测单位掘进循环送泥干砂量V1与排泥干砂量V2，按下式计算排土干砂量V3，V3= V2－V1 对比V3与V，当V＞V3时，一般表示泥浆流失；V＜V3时，一般表示超挖。 盾构管片拼装成环方式 盾构推进结束后，迅速拼装管片成环。除特殊场合外，大都采取错缝拼装。在纠偏或急曲线施工的情况下，有时采用通缝拼装。 盾构管片拼装顺序 一般从下部的标准（A型）管片开始，依次左右两侧交替安装标准管片，然后拼装邻接（B型）管片，最后安装楔形（K型）管片。
施 工 技 术 CON STRU CT I ON T ECHNOLO GY 2001年2月 第30卷 第2期 [单位地址]上海市漕溪路201号 200233,电话:(021) 64387243—39,主要完成者:华学新、丁志诚、周文波、曾林鹤、任 道真。 泥水加压平衡盾构工法 (YJ GF 02-98) 上海隧道工程股份有限公司 [中图分类号]TU 621;TU 94+1[文献标识码]B [文章编号]100228498(2001)022******* Con struction M ethod of M ud -wa ter Pressure -add i ng Ba lance Sh ield (JGF 02-98) S hang ha i T unnel E ng ineering S tock Co .,L td . 泥水加压平衡盾构工法是从地下连续墙以及钻孔等工程所使用的泥水工法中发展起来的,它起源于英国,日本代表着当今世界的新潮流。上海隧道工程股份有限公司于1994年引进了日本设计并制造的 11220mm 大型泥水平衡盾构,并将其运用于延安东路隧道南线的圆隧道施工,其中《超大型泥水平衡盾构施工参数及地面沉降控制研究》等几项科研项目获得1997年上海市科技进步奖。 1 特点 粘性土层具有平衡效果好、施工速度快、质量和精度更高的特点。泥水加压平衡盾构具有以下特点: (1)在不稳定的地层中当开挖面受阻时,采用泥水加压 能使开挖面保持稳定,确保施工安全。 (2)在水位以下挖掘隧道,能在正常大气压下进行。(3)不会发生气压盾构那样的跑气喷发危险。 (4)对于气压盾构无法施工的滞水砂层,含水量高的粘 土层及高水压砾石层,泥水盾构均能进行施工,其适应土质的范围较广。 (5)由于采用了水力机械输送泥浆,管道占用空间小,故 井下作业环境好,作业人员的安全性高。 (6)可分离出适合弃土场地和运输方式的含水率土砂。2 适用范围 选用泥水加压平衡盾构工法施工需要大量的水,因此,施工水源要充足,还需要一套泥水处理系统来辅助施工。该工法适合在多种土层中掘进隧道。 泥水加压平衡盾构的覆土层一般不小于1D 的厚度,如果超过此范围,需采取特殊技术处理。 3 工艺原理 311 泥水加压平衡盾构 泥水加压平衡盾构与土压平衡盾构相比较有两点不同:①由技术特点决定了改土压舱为泥水舱;②由于出土形式的改变,省去了螺旋输送机,因此,盾构内部的空间扩大了许多,给设备的保养、维修带来了极大的方便。 312 工作原理 泥水加压平衡盾构工作原理如图1所示。图中M V 阀一般常闭,V 1…V 5阀为状态互换阀,通过阀的切换,分别形成循 环、推进、逆洗等三种状态。 由P 1泵将满足施工的泥浆从调整槽内送入盾构泥水舱,使泥水舱内保持一定的浓度、压力,推进时利用盾构前部的刀盘旋转切削,将正面土体切削下来的原状土以条状或块状通过挤压进入泥水舱,经过搅拌器充分搅拌,由P 1… P n 泵输送到泥水处理站,再从 混合泥浆中回收大部分泥浆进行调整进入调整槽重复利用,另一小部分劣浆或干土外运。 图1 泥水加压平衡盾构工作原理 值得注意的是在开挖面无论是推进阶段还是拼装阶段始终保持着一层泥膜,当刀盘刀头将泥膜切削后,新的泥膜很快形成,周而复始,即这层泥膜始终保持着开挖面的稳定。 4 工艺流程 施工准备(包括泥水系统、同步注浆、中央控制室等设备安装)→盾构就位、调试→系统总调试→盾构出洞→盾构推进、同步注浆(施工参数的采集与调整)→管片拼装→盾构进洞→拆除盾构、车架及其它设备→竣工。 5 施工要点 泥水盾构的施工要点基本类同于其它盾构,除了一些共性外,还需掌握以下要领。 511 泥水管理 泥水管理就是对泥浆质量的控制,即对泥浆四大要素的调整。四大要素为:最大颗粒粒径,粒径分布,泥浆水密度和泥浆水压力。 (1)泥水配合比 出洞初期要配制大量的工作泥浆。工 作泥浆的配制分2种,即天然土泥浆和膨润土泥浆,前者成本低,但在天然粘土中或多或少存在些杂质、粉砂等,故质量不太高;后者成本高,但浆液的质量可得到保证。 天然土泥浆配合比(重量比)为天然粘土 C M C 纯碱 水 =400 212 11 700。 膨润土泥浆配合比(重量比)为膨润土 C M C 纯碱 水= 330 212 11 870。 泥浆质量指标如下:泥浆密度112g c m 3;泥浆粘度30s (漏斗粘度);析水率<5%;颗粒<74Λm 。 8 4
（建筑施工工艺标准）盾构施工工艺工法(土压泥水)
盾构施工工艺工法 0前言 盾构法(Shield Method)是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，它是将盾构在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。 本施工工法中所描述的盾构分为两类：土压平衡盾构和泥水平衡盾构。 土压平衡式盾构是把土料(必要时添加泡沫、膨润土等对土壤进行改良)作为稳定开挖面的介质，刀盘后隔板与开挖面之间形成泥土室，刀盘旋转开挖使泥土料增加，再由螺旋输料器旋转将土料运出，泥土室内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输出料器出土量(旋转速度)进行调节。 泥水式盾构是通过加压泥水或泥浆(通常为膨润土悬浮液)来稳定开挖面，其刀盘后面有一个密封隔板，与开挖面之间形成泥水室，里面充满了泥浆，开挖土料与泥浆混合由泥浆泵输送到洞外分离厂，经分离后泥浆重复使用。 （2）本工法内容包括 ①主要内容 本工法的主要内容包括：盾构组装、调试作业，盾构始发作业，盾构正常掘进作业，盾构到达作业，盾构过站、调头作业，盾构拆卸、吊装、存放作业，刀盘刀具的检查与更换作业，施工运输作业，施工通风及洞内轨道、管线布置作业，盾构施工测量作业10部分。每部分按工序细分，各项作业按照紧前工序达到标准、适用条件、作业内容、作业流程及控制要点、作业组织、紧后工序- 2 -
等内容进行编制。 ② 总体施工流程图 盾构法隧道总体施工流程图见图1 ③ 盾构法隧道施工阶段划分及工作要点 图Ⅲ.1盾构法隧道总体施工流程图 施 工准备阶段 正 常 施工阶段 收尾阶段
2土压平衡盾构与泥水平衡盾构的结构原理 上海市土木工程学会 1土压平衡盾构的结构原理 1.1土压平衡盾构的基本原理 图1土压盾构基本形状 土压平衡盾构属封闭式盾构。盾构推进时，其前端刀盘旋转掘削地层土体，切削下来的土体进入土舱。当土体充满土舱时，其被动土压与掘削面上的土、水压基本相同，故掘削面实现平衡(即稳定)。示意图如图6.1所示。由图可知，这类盾构靠螺旋输送机将碴土(即掘削弃土)排送至土箱，运至地表。由装在螺旋输送机排土口处的滑动闸门或旋转漏斗控制出土量，确保掘削面稳定。 1.1.1稳定掘削面的机理及种类 土压盾构稳定掘削面的机理，因工程地质条件的不同而不同。通常可分为粘性土和砂质土两类，这里分别进行叙述。 1.1.1.1粘性土层掘削面的稳定机理 因刀盘掘削下来的土体的粘结性受到破坏，故变得松散易于流动。即使粘聚力大的土层，碴土的塑流性也会增大，故可通过调节螺旋输送机转速和出土口处的滑动闸门对排土量进行控制。对塑流性大的松软土体也可采用专用土砂泵、管道排土。 地层含砂量超过一定限度时，土体流性明显变差，土舱内的土体发生堆积、压密、固结，致使碴土难于排送，盾构推进被迫停止。解决这个问题的措施是向土舱内注水、空气、膨润土或泥浆等注入材，并作连续搅拌，以便提高土体的塑流性，确保碴土的顺利排放。 1.1.1.2砂质土层掘削面的稳定机理
就砂、砂砾的砂质土地层而言，因土颗粒间的摩擦角大故摩擦阻力大；渗透系数大。当地下水位较高、水压较大时，靠掘削土压和排土机构的调节作用很难平衡掘削面上的土压和水压。再加上掘削土体自身的流动性差，所以在无其它措施的情况下，掘削面稳定极其困难。为此人们开发了向掘削面压注水、空气、膨润土、粘土、泥水或泥浆等添加材，不断搅拌，改变掘削土的成分比例，以此确保掘削土的流动性、止水性，使掘削面稳定。 1.1.1.3土压盾构的种类 按稳定掘削面机构划分的土压平衡盾构大致有如下几种，见表1。 表1土压盾构的种类
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。
第五章四、开罗泥水加压平衡盾构隧道 1 盾构选型 (1)工程概况 1975年，埃及政府启动了大开罗污水治理项目，邀请了近40家特别擅长于下水道工程和污水处理的国际公司，为整治尼罗河东、西两岸污水提出建议。 英国Taylor Binnie & Partners公司(它是由John Taylor财团，现名Acer John Taylor,和Binnie & Partners海外有限公司组建)联合埃及顾问工程师Abdal Warith博士，被选中负责东岸项目。 1979年TB&P提出了设计总方案，除了对现有系统作适当的改善外，主要为2010年预测流量提供一个综合的设计和监控系统。埃及政府审批了这个设计总 方案。 1978年下半年，美英顾问机构(Ambric)获得英国和美国政府的许可，它是 由英国TB&P和美国的两家咨询工程公司Camp Dresser & Mckee和Black & Vealch(国际)组成的一个国际财团。 1979年开始对该系统进行调研和设计。 最初设计包括对现有污水系统状况的较大范围的调研，调研预测人口的增长和分布、需水量和所产生的污水。这次调研揭示了尼罗河两岸的污水系统存在着严重的超负荷，它们的容量因沉积的砂砾和其它有害杂质而减小很多。 为了解决这些问题，新设计的系统根据最小平均估计流量，采取最小平均流速为0.6m/s，最小沉淀迁移量为200mg/l。 据此得出内径为1.2m和5m的污水管最小坡度各为1∶950和1∶1090，对 照1913年建造的内径1.6m的第一条污水总集管的坡度，其坡度只有1∶2500。 根据污水管道尺寸大小和管内底深度在18m和20m之间，新污水管道系统需采用隧道技术来建造。隧道法施工还能尽量减小对开罗市中心商业和居民生活 的干扰，否则用开槽埋管法施工将会带来很大麻烦，并需在施工中迁移大量有妨碍的地下管线。施工所需的出入口竖井井位均座落于新污水系统管线的关键点处，它既要与现有系统相连通，又要尽量减少对交通的干扰。 现场调查表明所有隧道都将设在地下水位以下，其中大部分穿过中砂到粗砂的地层，并含有粘土或粉砂夹层和透镜体，偶见砂砾和圆石。最南端隧道，位于Fostat下，将遇到含水的强度由中到弱的裂隙岩层。 细颗粒的土质再结合高地下水位，给竖井下沉和隧道施工带来了极大的困难，要求对隧道线路以及施工的形式和方法作特殊设计。 开罗处于高密度拥挤的环境，尽量减小地面沉降的要求是十分重要的(大多 数隧道施工技术不可能消除地面沉降)。只要有可能，隧道线路尽量布置在街道 下面。这样的线路布置，除了对处理沉降影响问题有利外，还能尽量减小财产购置和相应的法律问题。 顺着街道走向布置的隧道线路会产生出入口竖井之间的大多数隧道线形呈 曲线形。线路最小设计曲率半径见表34。 大开罗污水治理项目隧道曲率最小设计半
安徽砼宇新产品：泥水平衡盾构机 安徽砼宇特构科技有限公司是一家以生产混凝土管材、装配式检查井、装配式箱涵以及异型砼构件为主的高新技术企业。公司成立于2007年6月，专注从事新型混凝土构件研发、生产、销售和服务与非开挖管道施工项目。 多年来，企业一直以新产品研发并转化应用为目标，而经过近几年公司的不断努力、创新、发展，目前又一新产品项目——第一台直径1.5米F型顶进管道使用的泥水平衡盾构机诞生。这是公司由传统的水泥构件产品走向另一装备制造业高端行业的新的发展成果。 由于泥水平衡机器不需要开挖地面层，能穿越地面构筑物和地下管线及公路、铁路、河道，节省大量的投资和时间，这项技术的快速发展也使市政工程需敷设的大量上、下水道、煤气、电力、通信工程时，对城区的交通、噪音、粉尘的危害和影响大大降低。是真正的无污染、高效率的施工技术。 机器通过加压泥水或泥浆(通常为膨润土悬浮液)来稳定开挖面，在机械式盾构的刀盘的后侧，其刀盘后面有一个密封隔板，把水、粘土及其添加剂混合制成的泥水，经输送管道压入泥水仓，待泥水充满整个泥水仓，并具有一定压力，形成泥水压力室，开挖土料与泥浆混合由泥浆泵输送到洞外分离场，经分离后泥浆重复使用。 8月31日，我公司泥水平衡机器已于上午11时在工友的协助下发往铜陵工地。建设单位为铜陵市义安区住房和城乡建设局，施工单
位为铜陵营造有限责任公司，使用项目于铜陵市东部城区钟鸣路。 产品技术参数 1、最大回转力110KN/m;回转速度2.8rp/m; 2、纠偏油缸数量4只；油压31.5MPa；行程50mm； 3、最大纠偏角度3° 产品具体参数
产品内部细节图：
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，
盾构施工工艺工法 0前言 盾构法(Shield Method)是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，它是将 盾构在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。 本施工工法中所描述的盾构分为两类：土压平衡盾构和泥水平衡盾构。 土压平衡式盾构是把土料(必要时添加泡沫、膨润土等对土壤进行改良)作为稳定开挖面的介质，刀盘后隔板与开挖面之间形成泥土室，刀盘旋转开挖使泥土料增加，再由螺旋输料器旋转将土料运出，泥土室内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输出料器出土量(旋转速度)进行调节。 泥水式盾构是通过加压泥水或泥浆(通常为膨润土悬浮液)来稳定开挖面，其刀盘后面有一个密封隔板，与开挖面之间形成泥水室，里面充满了泥浆，开挖土料与泥浆混合由泥浆泵输送到洞外分离厂，经分离后泥浆重复使用。 （2）本工法内容包括 ①主要内容 本工法的主要内容包括：盾构组装、调试作业，盾构始发作业，盾构正常掘进作业，盾构到达作业，盾构过站、调头作业，盾构拆卸、吊装、存放作业，刀盘刀具的检查与更换作业，施工运输作业，施工通风及洞内轨道、管线布置 作业，盾构施工测量作业10部分。每部分按工序细分，各项作业按照紧前工序 - 1 -
- 2 - 达到标准、适用条件、作业内容、作业流程及控制要点、作业组织、紧后工序等内容进行编制。 ② 总体施工流程图 盾构法隧道总体施工流程图见图1 ③ 盾构法隧道施工阶段划分及工作要点 盾构法施工可分为：施工准备阶段、正常施工阶段和收尾阶段。各阶段工作主要工作要点见表1。 图Ⅲ.1盾构法隧道总体施工流程图 施工准备阶段 正 常施工阶段 收尾阶段
泥水平衡盾构掘进施工工艺 3.7.1工艺概述 泥水加压式盾构是在机械掘削式盾构的前部刀盘后侧设置隔板，它与刀盘之间形成泥水压力室，将加压的泥水送入泥水压力室，当泥水压力室充满加压的泥水后，通过加压作用和压力保持机构，来谋求开挖面的稳定。盾构推进时由旋转刀盘切削下来的土砂经搅拌装置搅拌后形成高浓度泥水，用流体输送方式送到地面，这是泥水加压平衡盾构法的主要特征。 3.7.2作业内容 泥水平衡盾构掘进施工与土压平衡盾构机的不同点：在地面进行调制浆，泥水循环系统控制，泥浆管延伸。其他相同。 3.7.3工艺流程图 泥水平衡盾构掘进作业流程参见图 3.7.3-1。 图3.7.3-1 掘进作业流程图 - 227 -
3.7.4工序步骤 一、开启分离设备 泥水分离厂首先要进行调制浆工作，在盾构机开始掘进前盾构机控制室电话通知泥水处理厂 开启旋流器泥浆泵电机、振动筛电机等。 二、旁通循环 启动 P1.1 泵，P2.1 泵泵开始旁通循环，这里要注意一定要确保旁通阀是打开的，否则会发生严重后果。泥浆管延伸到一定距离加设 P3 泵（即P2.2 泵）后，还要开启 P3 泵。 三、掘进循环 首先开启进浆和出浆阀，然后关闭旁通阀开始工作泥浆循环，这里一定要注意阀的开关顺序，否则会引起管路破裂。 四、启动刀盘 1.启动刀盘驱动系统。 启动时注意电机不能同时启动，要注意启动间隔。 2.根据测量系统面板上显示的盾构目前滚动值选择刀盘旋转方向。滚动值为正选择正传，滚动值为负选择反转。 3.选择刀盘启动按扭。 4.旋动刀盘加速按钮慢慢给刀盘加速，转速要分几次加上去，以免造成过大液压冲击，损伤液压设备。 五、启动碎石机。 六、推进 1.使盾构机进入掘进模式。 2.打开推进控制按钮。 3.旋动推进速度控制按钮把速度定在一定的速度，开始掘进。 4.掘进时要根据盾构机姿态调整油缸的推力。 5.掘进期间主司机要时刻注意气垫仓的液位和顶部压力，控制进、排浆的流量。 6.掘进过程中要同步注入砂浆。 在盾构的掘进过程中，主司机也应随时注意巡检盾构的各种设备状态，如泵站噪声情况，油脂及润滑系统原料是否充足，轨道是否畅通，注浆是否正常等。同时应时刻监视气垫仓液位和土仓顶部压力，根据测量系统屏幕上显示的值调整盾构的姿态。发现问题立即采取相应的措施。 七、停止掘进 当掘进结束时，按以下顺序停止掘进： 1.停止推进系统； 2.待扭矩减小到一定值后停止刀盘，关掉驱动液压泵； 3.减小 P1.1、P2.1、P3 泵的功率； 4.打开旁通阀，快速关闭通往前面的所有阀，进入旁通循环；（这里顺序一定要注意） 5.继续慢慢减小 P1、P2、P3 泵的功率直至关闭； 6.关掉碎石机泵； 7.泥水分离厂逐渐关闭各设备； 8.若马上准备安装管片，则使盾构机进入安装模式。 八、管片安装 九、管片安装完毕进行下一循环掘进，如果泥浆管、钢轨、水管、风筒用尽，则要相应接泥浆管，钢轨，水管，风筒后再掘进。 电缆延伸需要停机进行；人行踏板延伸不影响掘进。 - 228 -
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。
土压平衡盾构与泥水平衡盾构的结构原理 Document number：WTWYT-WYWY-BTGTT-YTTYU-2018GT
2土压平衡盾构与泥水平衡盾构的结构原理 上海市土木工程学会 1土压平衡盾构的结构原理 土压平衡盾构的基本原理 图1 土压盾构基本形状 土压平衡盾构属封闭式盾构。盾 构推进时，其前端刀盘旋转掘削地 层土体，切削下来的土体进入土 舱。当土体充满土舱时，其被动土 压与掘削面上的土、水压基本相 同，故掘削面实现平衡(即稳定)。示意图如图所示。由图可知，这类盾构靠螺旋输送机将碴土(即掘削弃土)排送至土箱，运至地表。由装在螺旋输送机排土口处的滑动闸门或旋转漏斗控制出土量，确保掘削面稳定。 1.1.1 稳定掘削面的机理及种类 土压盾构稳定掘削面的机理，因工程地质条件的不同而不同。通常可分为粘性土和砂质土两类，这里分别进行叙述。 1.1.1.1粘性土层掘削面的稳定机理 因刀盘掘削下来的土体的粘结性受到破坏，故变得松散易于流动。即使粘聚力大的土层，碴土的塑流性也会增大，故可通过调节螺旋输送机转速和出土口处的滑动闸门对排土量进行控制。对塑流性大的松软土体也可采用专用土砂泵、管道排土。 地层含砂量超过一定限度时，土体流性明显变差，土舱内的土体发生堆积、压密、固结，致使碴土难于排送，盾构推进被迫停止。解决这个问题的措施是向土舱内注
水、空气、膨润土或泥浆等注入材，并作连续搅拌，以便提高土体的塑流性，确保碴土的顺利排放。 1.1.1.2砂质土层掘削面的稳定机理 就砂、砂砾的砂质土地层而言，因土颗粒间的摩擦角大故摩擦阻力大；渗透系数大。当地下水位较高、水压较大时，靠掘削土压和排土机构的调节作用很难平衡掘削面上的土压和水压。再加上掘削土体自身的流动性差，所以在无其它措施的情况下，掘削面稳定极其困难。为此人们开发了向掘削面压注水、空气、膨润土、粘土、泥水或泥浆等添加材，不断搅拌，改变掘削土的成分比例，以此确保掘削土的流动性、止水性，使掘削面稳定。 1.1.1.3土压盾构的种类 按稳定掘削面机构划分的土压平衡盾构大致有如下几种，见表1。 表1 土压盾构的种类