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。
?在20世纪70年代，还不到十年的时间里，日本就用直径的泥水盾构施工了20km隧道。
?就当时技术发展水平来说，认为日本对于一切的细颗粒土地层较丰富的经验，日本泥水盾构常利用开挖出来的泥土作为开挖泥浆，并只要加上膨润土或其它材料就可调制成用于泥水盾构的泥浆性能、而当时英国的经验仅仅局限于膨润土这一种泥浆材料。
?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。
?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。
法国NFM公司 Framatome?14.87名泥水气平衡盾构,
?泥水盾构，带有泡沫空气
?主要参数:
?盾构1900 tons 直径 = 14,87 m
?后挂系统1420 tons, 总计3320 tons, 长度 120 m
?盾构功率3,500 kW, 扭矩= 136 000 KNm
?总顶进压力184,000 ton
?泥水流率2,500 m3/hr
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；
?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。
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。
?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）：
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
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
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。
?伴制泥浆的主要材料是膨润土、CMS等。
?泥水拌制系统由新浆槽、新浆泵、新浆搅拌器、新浆贮备槽、CMS搅拌槽、CMS搅拌
器、CMS泵、分配阀和加水设备组成，
?CMS搅拌槽贮存化学浆糊、新浆槽贮存膨闰土等材料，分别由搅拌器进行搅拌，将
搅拌后的CMS化学浆糊送入新浆槽进行混合搅拌制成新鲜浆液
?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，
?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。
?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；
?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。
?
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。
?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。
?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，
?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，
处理系统软件界面的分成。
所有泥水处理系统的监控系统都由PLC程序实现。通过泥水监控系统的运用，随时为盾构施工中央控制室提供可靠的信息和采集泥水系统的技术数据。
同时通过控制系统中的显示屏和触摸屏及时了解和掌握相关的泥浆处理技术指标。采用中央集中控制和就地控制两级控制的模式，即自动、半自动和手动操作相结合的监控系统。根据泥水处理系统工艺流程及各分系统、进行现场设备的合理布置及简便操作。
根据泥水分离和处理系统模式，对主循环系统设备控制、调整分系统和取水分系统；优先考虑采用中央自动/中央手动控制，弃浆分系统设置为自动运行中央控制手动开启、停止，为了考虑工程成本，在处理过程中的加水、加浆控制则采取操作人员根据泥浆配比要求进行人工判断操作；制浆分系统设计为就地手动控制配料配方，自动制浆。均可选择中央自动运行或在就地手动操作。
泥水处理系统监控系统以掘进模式控制、停止模式控制和循环模式控制三种不同的工程状态进行监控，
掘进模式监控系统
心切口水压、终止进洞盾构中心切口水压。
?送泥比重、送泥排泥管径及电源。
?切口水压
北岸出洞时切口水压最大值Pcmax1＝4.1kg/cm2
最小值Pcmin1＝3.1kg/cm2
南岸进洞时切口水压最大值Pcmax1＝-0.25kg/cm2
最小值Pcmin1＝-1.25kg/cm2
?送泥浆的数据
固体比重ρ1＝2.70
泥水比重δ1＝1.20
?地质数据
含水比W＝15～27.7 %
泥颗粒真比重ρ2＝2.6～2.81
粒径分布Q4砂层34.7% 砾石30.6% Q2粉质壤土34.7% 3．2泥水物流平衡计算：
?送泥流量Q1＝11.035 m3/min，
?排泥流量Q2＝14.0 m3/min
?送泥水配比：
?土颗粒重量Ww1＝441.37 T/m3
?水分容重Wv1=367.79 m3/m3
?送泥水管路扬程损失率HR1＝0.95
?排泥水管路扬程损失率HR2＝0.93
?送泥管径 d1＝250mm
?排泥管径d2＝300mm
?原土中值粒径 d60＝0.05mm
?泥水处理场地与竖井的高差ht＝0
3.3 送排泥流量的计算
?切削截面面积A＝π×D2/4＝π×92÷4＝63.6m2
?地层含泥率 K＝100÷（100＋ρ2×W）×100%
＝100÷（100＋2.71×21.35×100%＝ 63.35 vol%
?掘削土砂量 q＝A×v÷100＝63.62×4.5÷100＝2.86m3/min
?掘削土的干砂量 G＝q×K÷100＝2.86×63.35÷100≈1.81m3/min
3.4 排泥泵数据计算
?排泥流量Q2＝ 18 m3/min，
排泥管相当直管长度 (阀门、弯头按直线管道长度5 %计)
L2 =(L+H－D/2+l2+×α=(4251+44.6－9/2+200+2) ×1.05= 4717.8 m
?排泥管的总抵抗损失（Hf2 m）
排泥管每米损失扬程
Jm2＝10.6×(c2)-1.8×d2-4.8×(Q2/60)1.8×δ2
＝10.6×(140)-1.8×0.3-4.8×(18/60)1.8×1.34 =0.058 m/m
Hf2＝Jm2×L2= 0.0581×4717.8=274.1
?吸入扬程（Hs2 m ）
盾构到达终点时切削面水压为零，所以 Hs2＝0 m
?全扬程 H2 = Hf2 +H－D/2+h－Hs2
=274.1+44.6－9/2+2－0316.2 m
?排泥泵扬程的减低率 HR2=0.93
?排泥泵工作时的全扬程 HT2= H2 / HR2=316.2/0.93=340 m
?始发时排泥泵需要的全扬程 HT2S
始发时排泥管相当直管长度 Lt2=(H－D/2+l2+h) ×α
=(44.6－9/2+200+2)×1.15=278.4 始发时排泥管阻力损失扬程 Hf2S=Jm2×Lt2
b=0.0581×278.4=16.18 m
所以始发时排泥泵需要的全扬程
HT2S=(H－D/2+h+ Hf2S －Hsv2)/HR2
=(44.6－9/2+2+16.183.1×10/1.34)/0.93 =37.8
（ Hsv2为盾构始发时的吸入扬程）
?排泥泵扬程的减低率 HR2=0.93
?排泥泵工作时的全扬程 HT2= H2 / HR2
=316.2/0.93=340 m ?始发时排泥泵需要的全扬程 HT2S
始发时排泥管相当直管长度 Lt2=(H－D/2+l2+h) ×α
=(44.6－9/2+200+2)×1.15=278.4 始发时排泥管阻力损失扬程 Hf2S=Jm2×Lt2
=0.0581×278.4=16.18 m 所以始发时排泥泵需要的全扬程
HT2S=(H－D/2+h+ Hf2S －Hsv2)/HR2
=(44.6－9/2+2+16.183.1×10/1.34)/0.93 =37.8
（ Hsv2为盾构始发时的吸入扬程）
3.5 送泥泵数据计算
?送泥流量Q1＝15.14 m3/min，
?送泥管相当直管长度 (阀门、弯头按直线管道的5 %计)
L1 =(L+H－D/2+l1) ×α
=(4250+44.6－9/2+180) ×1.05 = 4693.6 m
?送泥管的总抵抗损失（Hf1 m）
送泥管每米损失扬程Jm1=0.0459
Hf1＝Jm1×L1=0.0459×4693.6 =215.4 m
?排出扬程（分二种情况计算）
a. 盾构到达3450m时，切削面最大水压为3.55kg/cm2
Hp1a=Pcmax×10/δ1
=3.555×10/1.2=29.63 m
? b. 盾构到达终点时，此时切削面水压为零
Hp1b=0 m
?全扬程（分二种情况计算）
a. H1a = Hf1－H+D/2+ Hp1a+hf0 =204.93 m
b H1b = Hf1－H+D/2+ Hp1a+hf0 =213.35
?送泥泵扬程的减低率 HR1=0.95
?送泥泵工作时的全扬程 HT1= H1b / HR1==224.6 m
?始发时送泥泵需要的全扬程 HT1S
始发时送泥管相当直管长度 Lt1
Lt1=(H－D/2+l1) ×α=(44.6－9/2+180) ×1.15=253.1 m
始发时送泥管阻力损失扬程 Hf1S
Hf1S=Jm1×Lt1=0.0459×253.1=11.6 m
所以始发时送泥泵需要的全扬程 HT1S
HT1S=(－H＋D/2+ Hf1S＋Hv1)/HR1 =5.96 m
Hv1为盾构始发时的抵抗扬程
4.6 送泥泵数量及位置的确定
送泥泵选用石家庄水泵厂生产的WARMAN渣浆泵（12/10GG），根据送泥流量Q1＝15.14 m3/min，查得此时泵的扬程为H＝50m，泵转速R＝800 r /min，功率P＝600kw，设P1.2的位置为X1.2
?实扬程 ha1.2 =－H＋D/2＋0.002 X1.2＝ X1.2 m
?相当直管长度 PL1.2 =(l1+H－D/2 + X1.2) ×1.05
=（180+44.6－4.5+ X1.2）×1.05=231.1+1.05 X1.2 m
?扬程送泥管的总抵抗损失（Hf1 m）
送泥管每米损失Jm1＝0.0459 m/m (见4－3)
?抵抗扬程 Hv1.2＝Pcmax×10÷δ1＝30.83 m
?全扬程 HT1.2 =（ha1.2+ Hf1.2＋Hv1.2 ）/0.95
?送泥泵的扬程为50 m，则有(－40.1＋0.002 X1.2+10.61+0.0482
X1.2+30.83)/0.95=50
?经计算需要5台送泥泵。
3.7 排泥泵数量及位置的确定
排泥泵选用石家庄水泵厂生产的WARMAN渣浆泵（14/12GG），根据排泥流量Q2＝18 m3/min，查得此时泵的扬程为H＝49m，泵转速R＝600 r /min，功率P＝600kw。
?实扬程 ha2.6=H－D/2＋h－0.002 Y2.6＝44.6－9/2＋2+42.1－0.002 Y2.6 m
相当直管长度 PL2.6 =(l2+H－D/2＋h + Y2.6) ×1.05
?送泥管的总抵抗损失（Hf2.6 m）
送泥管每米损失扬程 Jm2 = 0.0581 m/m
Hf2.6＝PL2.6×Jm2=(254.2+1.05 Y2.6) ×0.0581
?吸入扬程 Hs2.6＝Pcmin×10÷δ2＝2.7×10÷1.34＝20.15 m
?全扬程 HT2.6 =（ha2.6+ Hf2.6－Hs2.6）/0.93
?排泥泵的扬程Pe＝49 m，P2.1＝49 m，则有
(42.1－0.002 Y2.6+14.77+0.061 Y2.6－20.15)/0.93=49×2
?经计算需要6台排泥泵。
4 穿黄隧道泥水系统设计
针对南水北调中线穿黄隧道工程所含饱水中细砂层、透水砂层、粉质壤土层，局部粗砂层，并有砂砾、孤石和古树等的特殊地质条件情况，参照国内外泥水盾构掘进施工的经验，本着尽可能降低施工成本的原则，通过缜密的比选和构思，提出如下泥水系统的技术方案。
系统的设计思路在于分离和处理大于0.074mm粒径泥浆颗粒，小于0.020mm粒径范围内泥浆浆液进行回收利用。降低工程成本，提高工程效率。
泥水处理系统的模式以集成模块化产品为主，以沉淀池为辅。
?泥水处理系统分成“处理子系统、调整子系统、新浆自造子系统、弃浆子系统”。
4.1 集成模块化泥水处理设备分别由振动筛为初级处理，除砂器循环处理为一级分离处理，除泥器（清洁器）为二级分离处理设备组成。形成一整套处理设备，其处理能力为500 m3/h。
由盾构排泥管排出的浆液，经过振动筛的筛分作用，≥5mm颗粒排至弃渣土堆场。将<5mm 颗粒的浆液通过筛网送入除砂器槽体，通过除砂器的下方的脱水筛使除砂器反复循环处理，将≥0.020mm颗粒排至弃渣土堆场。<0.020mm颗粒的浆液送入除泥器（清洁器）槽体，利用除泥器再次处理，使<0.020mm颗粒的浆液送入调整池，经过新旧浆液调整的指标达标后通过送浆泵将浆液送往盾构刀盘面。
⑴初级处理设备采用USL3.6X5.25G型直线振动筛，，可满足处理0.074mm粒径浆液;其工作额定流量为8.33m3/min（500 m3/h）。
⑵一级处理设备采用FX-350型除砂器，由6只旋流器和一台泵组成，可满足处理0.074mm 粒径浆液;每只旋流器工作额定流量为1.39m3/min。每组处理能力达500 m3/h，旋流器上液口浆液流往除泥器泥浆槽。
⑶二级级处理设备采用FX-125型清洁器，每组由42只旋流器和泵组成，每只旋流器处理量为0.2 m3/min。每组处理能力达500 m3/h。
⑷脱水筛采用USL3.6X5.25G型直线振动筛，脱水筛网眼目数为100目。
要满足盾构排放1500m3/h的需求量，每条隧道盾构施工需要三套集成模块化泥水处理设备。
⑸系统应急设施－沉淀池辅助处理系统，
沉淀池目的在于一旦处理系统设备发生故障或个别设施损坏时，为确保盾构正常施工而采用的手段。
由盾构排泥管的浆液排至沉淀池，在自流的过程中，将大于0.03mm(盾构排放的浆液比
高水压下泥水盾构掘进技术 黄学军 （中铁隧道集团二处联合掘进机二公司北京东燕郊 101601） 摘要:介绍在高水压下隧道泥水盾构施工存在的问题和解决方案 关键词:泥水盾构高水压隧道掘进技术 1.概述 盾构法隧道在穿越江河或海底时，隧道的静水压力通常很大。首先盾构自身的密封系统性能良好是隧道安全施工的重要保证，同时，由于盾构在高水压下施工，给施工增添了许多难度。选择合适的泥水压力和掘进参数、制定可行的隧道防水方案、选择合适的注浆方案和浆液配比，防止盾构在掘进过程中出现顶部及周围土体坍塌、隧道上浮等，保证盾构隧道的安全施工。当盾构穿越的土体为砂层，更应该根据具体的土层性质及地下水压力的大小选择合适的掘进参数并制定针对性的措施防止掌子面前方土体在高水压作用下发生的土体坍塌甚至流砂等一系列工程事故。 2.高水压下盾构法施工难点 （1）掌子面的稳定 盾构在掘进过程中，掌子面一直处于平衡状态，但由于盾构所处于高水压下，地下水的涌出及泥砂等被带出，会造成掌子面坍塌、地表陷降或下沉。因此，盾构在超高水压下掘进，必须采取措施来维持掌子面，它是泥水盾构在超高水压下砂层中掘进的一个难点。 （2）防止隧道周围土体坍塌 盾构在超高水压下掘进，当穿过的岩层为砂性土层时，由于盾构施工的扰动、纠偏力度过大或者盾构隧道背填注浆的不密实，同时受到高水头压力作用，隧道周围土体易发生土体坍塌，造成地表沉降。通过对地层情况的勘察分析，制定可行的方案，防止盾构穿越地段隧道周围土体发生坍塌。 （3）防止隧道上浮 盾构在超高水压区掘进时，由于隧道受地下高压水及泥浆的包裹，所以隧道较长时间内处于悬浮状态。同时，由于同步注浆浆液的初凝时间较长，注浆压力控制不当，浆液随地下水窜入建筑物外围地层中，造成隧道上浮。 （4）泥浆的泄露和喷出 为保证掌子面前土体的稳定，泥浆压力必须与切口水（土）压力保持平衡，当泥浆压力过大，同样也会造成泥浆向隧道后方流窜，甚至通过盾尾泄露至隧道内或通过隧道顶部岩层窜出地表。防止此类现象的发生是保证盾构安全施工的一个重要因素。 （5）盾尾密封及铰接密封等部位的抗高水压 盾构法施工区别与矿山法施工，优点就在于其施工的安全性。由于盾构的密封性能好，所以将盾构外部的泥土及地下水全部封堵在盾壳外部。因此，保证盾构良好的密封性能是盾构法施工成败的关键，在高水压下施工又提高了对盾构密封材料的要求。 （6）管片接缝防水 盾构隧道是通过拼装的管片实现隧道的一次成型。在高水压下，保证隧道的防水及抗渗等级是衡量工程质量的一项重要的标准。而管片接缝部位是盾构隧道防水的薄弱部位，加强管片接缝防水工作，提高隧道防水能力。 3.盾构在高水压下掘进技术 3.1稳定掌子面控制措施 为保证盾构能顺利通过，在对该地段进行详细探测后，拟采取以下处理措施：选择合适的推
大盾构掘进注浆技术交底-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
表格编号 技术交底书 1311 第 1 页项目名称广州市轨道交通地铁四号线南延5标项目经理部 共页交底编号4N5B-GCB- 工程名称广州市轨道交通四号线南延段施工5标土建工程 设计文件编号/ 施工部位大盾构始发掘进技术交底 交底日期2015年月日 技术交底内容： 1、技术交底范围 本交底适用于广州轨道交通四号线南延段施工5标【中间风井-南沙客运港站】大盾构区间盾构始发注浆及盾构掘进同步注浆施工。 2、工程概况 本次施工设计范围为中间风井～南沙客运港区间隧道全长1491.466 m，中风井-客运港站采用开挖直径11.71m泥水盾构施工；从中间北端头始发，始发后沿海港大道前进，掘进至YDK65+998.776后以800m的曲线半径右转至科技大道，最终掘进至南沙客运港站吊出。 3、施工准备 (1)砂浆准备 原材准备 1）砂要求采用细度模量 1.6～2.3 的细砂，不允许夹杂有 5mm 以上的豆石或杂物，需要时需对砂子进行过筛处理； 2）水泥、粉煤灰、膨润土不可有结块现象，细骨料中不可有大粒径的异物。 砂浆拌制 1）浆液配合比严格按工程师通知配合比配制； 2）原材料计量误差要控制在规范要求范围内； 3）投料顺序按水、水泥、砂依次进行；
图4.2 同步注浆系统点位布置图 （2）注浆时只需用双活塞注入泵将储存在砂浆箱中的浆液通过管路泵送到盾壳上的同步注浆点既可。 （3）注浆可根据需要采用自动控制或手动控制方式，自动控制方式即预先设定注浆压力，由控制程序自动调整注浆速度，当注浆压力达到设定值时，自行停止注浆。手动控制方式则由人工根据掘进情况随时调整注浆流量，以防注浆速度过快，而影响注浆效果。一般不从预留注浆孔注浆，以大大降低从管片渗漏水的可能。为了能够适应不同的注浆量和压力要求，注浆量和压力也可以在控制操作电脑屏上进行人工调整。 （4）同步注浆通过盾尾注浆孔在盾构推进的同时压注，在每个注浆孔出口设置压力传感器，以便对各注浆孔的注浆压力和注浆量进行检测与控制，从而实现对管片背后的对称均匀压注。为防止注浆使管片受力不均产生偏压导致管片错位造成错台及破损，同步注浆时对称均匀的注入十分重要。 盾尾 盾尾注浆 浆液注入 1 2 3 4 6 5
盾构机掘进基本操作指导书 （包括刀盘转速、掘进速度、油缸推力、方向姿态等控制） 1、安全操作规程 1.1．基本注意事项 （1）．遵守岗位内安全规程 ●盾构机操作、维修人员必须是受过专业训练的，必须具备相应的操作资格。 ●进行机械操作或维修时，请遵守相关的技术资料和项目部下发的文件中所 有安全规则、注意事项及顺序。 ●身体不适、服用药物（催眠药）时及酒后不要操作， 因为发生危机时，容易造成判断失误。 ●多人共同作业时，一定要设指挥员，根据制定的方案操作。 （2）．设臵安全联锁装臵 ●请确认所有的防护装臵、防护罩是否装在正常位臵。如果破损，请马上修理。 ●请认真了解盾构联锁、溢流阀等安全装臵。 ●请勿随便调节盾构联锁装臵、溢流阀。 解除盾构联锁装臵请参照盾构联锁装臵的使用说明。 ●一旦误用安全装臵，将会造成重大人身事故。 （3）．电气、液压的设定，不要随便变更 ●为防止电气火灾，请勿变更热继电器等设定值。 ●为防止盾构机损伤，请勿变更溢流阀压力等液压设定值。 （4）．正确穿戴工作服和安全保护用品 过肥的服装、饰品等有可能被机械部件上的物品钩住，有油的工作服因易 燃，也不得穿用。 ●请勿忘记根据工作内容穿戴保 护眼镜、安全帽、口罩、手套等。 特别是用锤子打击销子等金属片、 异物时可能飞散，必须使用保护眼 镜、安全帽、手套等保护用具。
1.2．盾构掘进过程中的注意事项 （1）．掘进中必须特别注意的事项 ●掘进中，机器有时会突然侧滚。所以进入掘进机内时，请充分注意因突然侧滚造 成的跌倒、滚落。 特别是在高处时，必须要用安全带。 ●因传送带或土沙压送泵运转中的振动，造成后续台车的翻到，伤及 作业者的危险性是存在的，请切实装好防翻部件，并认真确认。（2）．注意电机的散热 ●电机散热装臵周围闭塞时，就不能散热，有损伤内部、发生火灾的可能， 因此，请保持电机散热装臵的正常运转，不要挡住电机前后风路。（3）．推进油缸靴撑和管片间的注意事项 ●推进油缸靴撑和管片间有夹住手脚的危险。注意不要把手脚臵于其间。（4）．注意异常声音、异常情况等 ●如果对器具的异音、异常不加以注意，零部件将可能破损而飞散，并有因部件 飞散而造成人员伤害的危险。 机器发生异音、异常时，请立即中止掘进，进行点检、维修。
盾构机技术讲座 一.盾构机结构（EPB总体结构图） 盾构是一个具备多种功能于一体的综合性隧洞开挖设备,它集和了盾构施工过程中的开挖、出土、支护、注浆、导向等全部的功能，目前，盾构机已成为地下交通工程及隧道建设施工的首选设备被广泛使用。其优点如下: 1. 不受地面交通、河道、航运、季节、气候等条件的影响。 2. 能够经济合理地保证隧道安全施工。 3. 盾构的掘进、出土、衬砌、拼装等可实行自动化、智能化和施工运输控制信息化。 4. 掘进速度较快，效率较高，施工劳动强度较低。 5. 地面环境不受盾构施工的干扰。 其缺点为： 1. 盾构机械造价较高。 2. 在饱和含水的松软地层中施工地表沉陷风险大。 3. 隧道曲线半径过小或埋深较浅时难度较大。 4. 设备的转移、运输、安装及场地布置等较复杂。 盾构作为一种保护人体和设备的护体，其外形（断面形状）随所建的工程要求不同有圆形、双圆形、三圆形、矩形、马蹄形、半圆形等。（如：人行道方形能最大限度的利用空间、过水洞马蹄形符合流体力学、公路隧道半圆形利用下玄跑车）。而因圆形断面受力好、圆形盾构设备制造相对简单及成本相对低廉，绝大部分盾构还是采用传统的圆形。 为适应各种不同类型土质及盾构机工作方式的不同，盾构机可分为三种类型、四种模式：
三种类型： （1）软土盾构机； （2）硬岩盾构机； （3）混合型盾构机。 四种模式： （4）开胸式； （5）半开胸式（半闭胸式、欠土压平衡式）； （6）闭胸式（土压平衡式）； （7）气压式。 软土盾构机适应于未固结成岩的软土、某些半固结成岩及全风化和强风化围岩。刀盘只安装刮刀，无需滚刀。 硬岩盾构机适应于硬岩且围岩层较致密完整，只安装滚刀，不需要刮刀。 混合盾构机适应于以上两种情况，适应更为复杂多变的复合地层。可同时安装滚刀和刮刀。 气压盾构是在加气压状态下的施工模式，即可用于泥水加压式盾构机，也可用于土压平衡式盾构机。
万方数据
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构转向困难，应该更换边滚刀和周边刮刀。隧道最小转弯半径５５０ｎｌ，如通过以上步骤还不能转向，就需要使用仿型刀，设定开挖角度范围，增大开挖面直径辅助盾构转向。 图１掘进方向控制 Ｆｉｇ．１Ｅｘｃａｖａｔｉｏｎｄｉｒｅｃｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ ２．３同步注浆量及压力的控制 在掘进过程中，控制好同步注浆量及注浆压力，及时填充掘进留下的空隙，保证管片的稳定性，提高隧道的防水性能，是控制地面沉降的必要手段。盾构机同步注浆系统有６根注浆管，圆周方向分布在盾构机尾盾上，注浆量根据开挖直径、管片外径计算出理论注入量。实际则需根据地层特点、盾构姿态等来控制，基本原则是注入量不小于理论注入量，确保顶部两根管路的注入量。注浆压力通常大于同等水平位置开挖舱泥水压力０．０２～０．０３ＭＰａ，压力低则注入量不够，过高会损坏盾尾密封刷或通过地层空隙进入开挖仓。因砂浆凝固会导致注浆管路堵塞，因此每掘进１环，在掘进的最后２０ｃｍ就停止注浆。在盾构机完成掘进拼装管片时，每隔４５—７５ｒａｉｎ注一次，每次每根管注入０．０１一Ｏ．０２ｍ３。盾构掘进时也应留意注浆量，如遇到松散砂卵石地层或有地下空洞等导致注入量增加时应放慢掘进速度以保证填充密实。因盾构自重，砂浆会向下流，一般盾构上部注浆量要占到总注入量的一半以上，只有保证顶部注入量，才能最大限度地减少地表沉降。 ２．４盾尾密封油脂系统 盾尾密封有３道，前、中、后，每一道的压力设定非常重要，假如设定压力过小，油脂注入量少，盾尾密封刷易损坏出现漏浆涌水现象。压力过大，油脂消耗量增大，造成经济损失。３道密封的压力设定以开挖仓土压力及注浆压力为依据，最外层压力应比开挖仓底部压力高约０．１ＭＰａ，中层取开挖仓底部压力或等于外层设定压力，内层则比中间层压力减少０．１ＭＰａ或与之相同，压力设定完毕后还应统计油脂消耗，并适当调整注脂泵的压力。经计算，每掘进１环，盾尾油脂理论消耗量在１００～１１０ｋｇ（视掘进时间而定），可以依据该值调整注脂泵压力保证注入量即可…。 ２．５泥水循环系统的控制 根据目前掘进距离统计，盾构机停止掘进８０％的原因来自泥水循环系统，包括泵站停机、管路破损、泵及管路堵塞、泥水处理设备故障等（见图２）。 图２泥水循环控制系统 Ｆｉｇ．２Ｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆｓｌｕｒｒｙｃｙｃｌｅ ２０１０年第１２卷第１２期６７万方数据
穗莞深城际轨道交通SZH-3标虎长盾构区间 盾构掘进施工技术交底 一、概况 虎长盾构区间采用两台直径8810mm的日本奥村土压平衡盾构机掘进施工。左右线两台盾构机先后从明挖段工作井始发，掘进至虎门商贸城站南端头井吊出。区间左线长度为2893.084m、右线长度为2894.2m，衬砌结构为C50钢筋混凝土预制管片，内径7700mm、外径8500mm。 盾构掘进施工分为始发，掘进和接收三个阶段，施工中根据每个阶段施工特点采取针对性的技术措施，保证施工安全，满足质量和环保要求。在盾构起始段200m进行试掘进，并根据试掘进调整，确定掘进参数。在盾构到达接收工作井100m前，对盾构轴线进行测量并作调整，保证盾构准确进入接收洞门。 二、施工准备 1、人员准备： ⑴项目部管理人员：工区长，副工区长，工区总工，现场工程师。 ⑵盾构掘进队：带班员，拼装员，电瓶车司机，注浆员等。 ⑶盾构地面队：搅拌站调度、搅拌手，龙门吊司机、司索工，电瓶车充电员等。 ⑷盾构机修队：盾构机械维修员。 ⑸盾构电工队：盾构电气检修员。 ⑹盾构吊装队：广东力特吊装公司。 ⑺盾构组装队：上海力行公司。 ⑻盾构测量队：地面沉降测量员，盾构姿态测量员，管片姿态测量员等。 2、施工机具准备： ⑴两台直径8810mm日本奥村土压平衡盾构机 ⑵搅拌站一座 ⑶电瓶车两台 ⑷循环水箱一个 ⑸发电机一台及配套发电机房一座 ⑹电瓶车充电房一座 ⑺龙门吊四台
⑻350吨履带吊一台 ⑼地面自生产加工房一座 三、施工工艺 1、盾构吊运与组装 根据盾构部件情况、场地情况，制定详细的盾构组装放啊，然后根据相关安全操作规程使用350吨履带吊，200吨汽车吊，60吨龙门吊将盾构机各部件吊运至基坑内，并由力行组装队对盾构机进行组装。 2、盾构机现场调试 根据盾构机主要功能及使用要求制定调试大纲，主要调试内容如下： ⑴盾构壳体 ⑵切削刀盘 ⑶管片拼装机 ⑷螺旋运输机 ⑸皮带运输机 ⑹同步注浆系统 ⑺集中润滑系统 ⑻液压系统 ⑼铰接装置 ⑽电气系统 ⑾渣土改良系统 ⑿盾尾密封系统 对各系统进行空载调试，然后进行整机空载调试，详细记录盾构运转状况，并进行评估。 3、盾构始发 制定详细的始发方案，使用反力架作为盾构机的推进支撑面，精确确定盾构始发标高等已定参数，始发掘进前对洞门土体进行质量检查，对洞门加固的旋喷桩做抽芯检测，制定洞门密封破除方案，使用止水帘布扇形压板对洞门进行密封，确保始发安全。始发掘进时对盾构姿态进行复核。在负环管片定位时，确保管片环面与隧道轴线垂直。始发掘进时重点保护6，7号台车之间的延长管线，对盾构掘进，壁后注浆，管片拼装，出土及材料运输进行工序磨合，尽量在正常掘进时做到环环相扣，工序衔接得当。始发掘进时严格控制盾构的姿态和推力，加大检测力度，根据监控结果调整掘进参数。
中铁十局集团有限公司 CHINA RAILWAY TENTH GROUP CO.LED 大连地铁201标盾构100m试掘进 技术参数总结 中铁十局集团济南铁路工程有限公司 二O一一年五月
一、工程概况 大连市地铁二号线西安路站～交通大学站区间，本区间隧道起讫里程为DK16+803.630～CK18+462.893。本区间主要采用盾构法施工，在靠近交通大学站一端采用矿山法。本盾构区间隧道起讫里程为DK16+803.630～CK18+130.000，右线全长1326.370m，左线全长为1342.225m。区间左线设置断链，在左DK17+616.398=左DK17+600.000处设置长链16.398m。区间在DK16+796.63处设盾构始发井，在DK16+992处设区间联络通道，在DK17+481.662处设区间风井兼联络通道及泵房，在DK18+135.5处设盾构接收井。 西安路站至交通大学站区间平面线路出西安路站后沿南北向向南，通过半径为300m的曲线转入偏东西方向，再通过半径450m曲线接入黄河路，到达交通大学站。区间纵断布置形式呈“V”字形，最大纵坡为25‰。区间为双线地下隧道，左右线路为上下重叠至区间终点左右线逐渐分离并行。盾构段隧道开挖断面直径为6m，盾构隧道衬砌的管片采用厚300mm，宽1200mm，每环由6片管片拼装而成，拼装方式采用错缝拼装。
本盾构100m试掘进阶段主要在300m小半径曲线上，下坡段坡度为5‰。右线隧道从始发井开始至100m试掘进主要穿越?7中风化钙质板岩。?7中风化钙质板岩岩性特征：灰色，层状结构，层理和节理裂隙较发育，矿物主要为云母、石英、方解石，遇稀盐酸起泡，局部夹石英岩脉，岩芯呈柱状。揭露层顶高程-24.90～9.70m，层顶埋深 3.70～33.50m。根据岩石抗压强度结果，本场地中等风化板岩为较软岩，岩芯较完整，局部较破碎，岩石质量等级为Ⅳ级。根据设计 院提供的资料，中风化钙质板岩最大天然抗压强度为36Mpa。
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。
盾构隧道掘进机的发展史 1818年,英国工程师布伦诺尔设计出一种挖掘机，在泰晤士河底下挖掘隧道。他观察过一种名叫凿船虫的蛀木软体动物，发现这种虫子利用圆管形硬壳支撑孔洞四周的特朵铖，继续向前钻进。于是受到启发，制造了一个箱形铁壳(称为盾构)，利用千斤顶在松软的土壤中向前推进。挖掘工人则在铁壳内一面挖掘，一面在隧道内壁衬砖。这便是人类的第一台盾构机。1825年至1841年间，利用布仑诺尔设计的盾构凿通韦平到罗瑟海斯的世界第一条水下隧道，长约1100米。 1865年，英国桥梁工程师巴洛发明一种盾构，并注册了专利，这种盾构是圆筒形，直径较布仑诺尔设计的为小，不用砖铺砌隧道内壁，而用铁块砌块。巴洛和工程师格雷特黑德利用这种盾构在一年之内凿通泰晤士河床下的第二条隧道。格雷特黑德还改进了挖隧道技术，以压缩空气抵消外面的水压。1890年，伦敦用这种技术建成了世界上第一条地下铁道。 盾构机全名叫盾构隧道掘进机，是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构掘进机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科技术，而且要按照不同的地质进行“量体裁衣”式的设计制造，可靠性要求极高。盾构掘进机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。 用盾构机进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理。 盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时文撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。 据了解，采用盾构法施工的掘进量占京城地铁施工总量的45%，目前共有17台盾构机为地铁建设效力。虽然盾构机成本高昂，但可将地铁暗挖功效提高8到10倍，而且在施工过程中，地面上不用大面积拆迁，不阻断交通，施工无噪音，地面不沉降，不影响居民的正常生活。不过，大型盾构机技术附加值高、制造工艺复杂，国际上只有欧美和日本的几家企业能够研制生产。 盾构机根据工作原理一般分为手掘式盾构，挤压式盾构，半机械式盾构（局部气压、全局气压），机械式盾构（开胸式切削盾构，气压式盾构，泥水加压盾构，土压平衡盾构，混合型盾构，异型盾构）。
隧道盾构掘进施工主要工艺 1、盾构始发与到达掘进技术 1.1 始发掘进 所谓始发掘进是指利用临时拼装起来的管片来承受反作用力，将盾构机推上始发台，由始发口贯入地层，开始沿所定线路掘进的一系列作业。本工程中每台盾构机都要经过两次始发掘进，第一次是盾构机组装、调试完后从三元里站始发，第二次是盾构机通过广州火车站后二次始发。 1.1.1 始发前的准备工作 （1）始发预埋件的设计、制作与安装 盾构机始发时巨大的推力通过反力架传递给车站结构，为保证盾构机顺利始发及车站结构的安全，需要在车站的某些位置预埋一些构件。同时盾构机盾尾进入区间后为减小地层变形需要立即进行回填注浆，为了防止跑浆也需要在车站侧墙上预埋构件以实现临时封堵。 三元里车站始发预埋件大样及预埋位置如图：隧盾-施组-SD01、02所示。 （2）洞门端头土体加固 三元里车站隧道端头上覆2米厚〈8〉类土（岩石中等风化带），开挖后侧壁基本稳定。始发前不对端头进行加固。 （3）端头围护桩的破除 始发前需要对洞门端头围护桩予 以拆除，确保盾构机顺利出站。三元里 站端头围护桩厚1.1米，洞门预留孔直 径6.62米。计划对围护桩进行分块拆除 如图7-1-1。 环形及横向拉槽宽度50cm，竖向 拉槽宽度20cm，竖向槽沿围护桩接缝凿 除。 盾构机推进前割断连接钢筋，拉开 钢筋砼网片，清理石碴并处理外露钢筋 头，避免阻挂盾壳。围护桩拆除后，快 速拼装负环管片，盾构机抵拢工作面，避免工作面暴露太久失稳坍塌。拉槽 图7-7-1 凿除分块示意图
1.2 盾构机始发流程 盾构机始发前首先将反力架连接在预埋件的位置，吊装盾构机组件在始发台上组装、调试；然后安装400宽的负环钢管片，盾构机试运转；最后拆除洞门端墙盾构机贯入开挖面加压掘进。 盾构机始发流程见下图： 盾构机始发时临时封堵操作工艺流程如下： 安装反力架、始发台 盾构机组件的吊装 组装临时钢管片、 盾构机试运转 拆除端头维护桩 盾构机贯入开挖面加压掘进（拼装临时管片） 盾尾通过入，压板加 固、壁后回填注浆 端头地层加固 检查开挖面地层 始发准备工作 拆除端头围护桩 掘 进 安装螺栓、橡胶帘布板及钢压板 上拉压板，置于盾构机通过位置 盾尾通过始发口 下拉压板 盾尾同步注浆
大型泥水盾构施工中的 泥 水 分 离 处 理 系 统
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道的一种专用施工机械，盾构施工法也已成为当今城市隧道和地铁工程中不可缺少的一种施工法。 为了满足城市隧道建设的地表沉降控制和加快施工速度，泥水加压式盾构逐渐发展并成熟，泥水加压式盾构用泥浆代替气压，用管道输送代替轨道出土，加快了掘进速度，改善了劳动条件和施工环境，能较好地稳定开挖面和防止地表隆陷，成为当今一种划时代的盾构新技术。 1996年，上海采用直径11.22m泥水加压式盾构，成功穿越7m 浅覆土河床和4.2m超浅覆土软土地层，完成延安东路南线水底公路隧道施工，标志着中国隧道施工技术已达到国际先进水平。 近来，上海市相继开始建设大连路和复兴东路越江隧道工程，并采用直径11.22m泥水加压式盾构施工，为该施工工艺在软土地基中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水后，排去分离后的水，经调整槽进行再次调整，使其成为优质泥水后再循环到开挖面。 二、泥水平衡机理及指标 1、泥水平衡机理 泥水平衡盾构是在切削刀盘与隔板之间形成的密封舱中，注入满足施工要求压力的泥浆，使其在开挖面形成泥膜，支承正面土体，并由安装在正面的大刀盘切削土体表层泥膜，由刀盘开口进入密封舱与泥水混合后，形成高密度泥浆，由排泥泵及管道输送至地面进行处理，整个过程通过建立在地面中央控制室内的泥水平衡自动控制系统统一管理。盾构掘进机设有操作步骤设定，各操作步骤间设有联锁装置，制约因误操作而引起事故，施工安全可靠。 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
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。
海瑞克土压6.3m盾构基本参数 名称技术参数备注 管片设计 外径6米 内径5．4米 管片宽度1．5米 数量5+1 盾体 前体 6.25x6.25x2.9米86.5吨 中体 6.24x6.24x2.58米80吨 前盾数量1个 中盾数量1个 直径6．25米不计耐磨堆焊层 长度(前体和中体) 4．68米螺栓连接并带密封盾构类型土压平衡 300米 盾构最小水平转弯 半径 最大工作压力3BAR 土压传感器(数量) 5个 气闸连接法兰1个 1个 螺旋输送机连接法 兰 盾尾 6.23x6.23x3.61米30吨 盾尾数量1个 型式绞接 长度3．61米 密封3排钢丝刷 注浆口4个DN50,单管 推进油缸液压 数量30个10组双缸+10组单缸分组数量4组 推力34 210KN 最大300BAR 行程2米 工作压力300BAR 伸出速度80mm/min 所有油缸 绞接油缸 类型被动式 数量14个 行程150 mm 刀盘 6.28x6.25x2.6米65吨 数量1个 形式装配有滚刀式 直径6．28米
旋转方向左/右 刀具配置4把17寸中心双刃滚刀，32把17寸单刃滚刀，28把齿刀（250 mm 宽），8组边刮刀（1组两把）。 8个 刀盘上泡沫喷嘴数 量 中心回转体1个 刀盘驱动 数量1个 形式液压驱动 液压马达数量9个 额定转矩6000KNm 最大脱困扭矩7150KNm 转速0~4.5转/分 功率945KW 3x315KW 主轴承形式固定式 人闸 数量1个 形式双仓 直径1．6米 工作压力3BAR 测试压力4．5BAR 额定人数（容纳）3+2 主仓/副仓 管片安装器 管片安装器及行走 5．0x4.0x3.8米22吨 梁 数量1个 形式中心回转式 抓紧系统机械式 自由度6个 旋转角度+/—200度比例控制 管片宽度1．2/1．5米 纵向移动行程2米比例控制 控制装置无线、有线控制 螺旋输送机 形式双螺旋转、有轴式 1号螺旋输送机13.4x1.2x1.4米23吨 长度13．4米 直径800mm 功率160KW 最大扭矩198 KNm 拖困扭矩225 KNm 转速1~22转/分无级调速 285方/时100%充满时 最大出土量（理论 值）
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。
第三节盾构通过花岗岩球状风化体的掘进技术 花岗岩风化土中存在的球状风化核，俗称“孤石”，在广州地区是普遍存在的一种地质现象，尤其在广州地铁三号线天～华区间的施工中多次碰到。花岗岩风化土中的球状风化核，其成因是岩浆中的石英富集部分不容易风化所致。由于其埋藏分布及大小是随机的，很难通过地质钻探探明其分布情况。孤石形状各异，大小从几十公分到几米，岩石单轴抗压强度可以达到100Mpa以上。相对于孤石的强度，周边风化土层强度小很多。盾构推进过程中，很容易出现孤石不能被滚刀破碎，在刀盘前滚动，严重损坏刀具和刀盘的现象。同时孤石通常存在于自稳能力不好的残积层，洞内基本上无条件直接进行处理，因此盾构在存在孤石的花岗岩残积层中掘进，将面临极大的施工风险，严重影响工程进度及成本。 一、盾构通过花岗岩球状风化体存在的问题 1、掘进非常困难并频繁卡刀盘； 2、盾构机姿态难以控制； 3、刀具磨损非常严重，刀圈崩断，刀座、刀盘变形 4、更换刀具困难，花岗岩残积层不稳定，遇水膨胀崩解，泥化以致流淌，必须进行地面或洞内加固，加固后再进行气压换刀，耗用大量时间。 5、掘进震动大，对保护地面建筑物不利。 二、破碎花岗岩球状风化体的方法 1、盾构机直接破除孤石，盾构机直接破除孤石需要满足两个条件： （1）盾构提供足够的切削力破岩。 （2）在孤石被刀具破碎过程中，周边土体不能产生破坏，即孤石不能移动。 2、不能通过盾构机直接破除的孤石，可采取如下方法： （1）对孤石周边风化土层进行地面或洞内预加固，然后再盾构机破岩或人工破岩。 （2）洞内静态爆破或火药爆破。 （3）地面钻孔爆破或冲孔破除孤石。 （4）压气作业条件下人工破除孤石，破除时可采用岩石分裂机等设备。 三、施工中应采取的针对性措施 1、加密补充地质勘探，掌握孤石分布情况。
狮子洋隧道盾构施工技术 1工程相关简介 1.1 工程概况 狮子洋隧道广深港铁路客运专线的控制性工程，工程位于珠江入海口、虎门大桥上游，处于线路东涌站～虎门站之间，下穿珠江主航道——狮子洋水道，隧道工程全长10.8km，设计时速350公里，是我国首座水下铁路隧道，同时也是目前国内水深最深、长度最长、标准最高的水下盾构隧道，被誉为“中国铁路的世纪隧道”。 狮子洋隧道分为进口（SDⅡ标）、出口（SDⅢ标）两个标段，盾构隧道投入四台直径Φ11.18m气压调节式泥水平衡盾构机，采用“相向掘进，地下对接，洞内解体”方式组织施工。我中铁隧道集团承担狮子洋隧道出口标段（SDⅢ标）的施工任务，合同总价亿元。 SDⅢ标段工程包括引道敞开段180m，明挖暗埋段长597m，工作井长23m，明挖工程总长800m；盾构段左线长4450m，右线长4750m；另外，还包含敞开段雨棚、设备用房、11处联络通道和泵房等附属工程。左线正线长度 5.25km，右线正线长度5.55km。 盾构隧道采用预制拼装式管片衬砌，管片采用“5+2+1”双面楔形通用环管片，错缝拼装。管片内径9.8m、外径10.8m、管片厚度500mm、管片环宽2.0m，楔形量为24mm。盾构隧道以管片自防水为主，接缝采用两道弹性密封止水条防水。 隧道最大纵坡20‰，最小纵坡3‰。盾构隧道最大覆土52.3m，最小覆土7.8m；狮子洋水道最大水深26.4m，水深最大处的隧道覆土26.0m。隧道轨面最低点标高为-60.988m，与百年一遇高潮位的高差约64.2m。 盾构隧道大部分处于微风化泥质粉砂岩、砂岩和砂砾岩中，局部位于淤泥质与粉质黏土中，部分地段穿越软硬不均底层，并通过多处断裂带和风化深槽；穿越基岩的最大单轴抗压强度为，渗透系数达×10-4m/s，石英含量最高达%，岩石地层的黏粉粒（≤75μm）含量达%。地下水主要为第四系地层的孔隙水和白垩系岩层的裂隙水，且具承压性，本标段隧道最大水压为。 本标段工程有工程规模大、设计标准高、涉及工法多、工期紧、工程地质复杂、水压力大、盾构掘进距离长等特点。同时，本工程存在明挖基坑地层软弱、长距离盾构掘进及刀具管理、高水压带压作业以及江底地中盾构对接与拆解等重难点。
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
盾构机操作及参数控制 目前，住总集团大多采用德国海瑞克盾构机、日本小松及日立盾构机，现就其小松盾构机操作情况及参数控制作如下总结： 1 开机前准备 1) 检查延伸水管、电缆连接是否正常； 2) 检查供电是否正常； 3) 检查循环水压力是否正常； 4) 检查滤清器是否正常； 5) 检查皮带输送机、皮带是否正常； 6) 检查空压机运行是否正常； 7) 检查油箱油位是否正常； 8) 检查脂系统油位是否正常； 9) 检查泡沫原液液位是否正常； 10)检查注浆系统是否已准备好并运行正常； 11)检查后配套轨道是否正常； 12)检查出碴系统是否已准备就绪； 13)检查盾构操作面板状态：开机前应使螺旋输送机前门应处于开启状态，螺旋输送机的螺杆应伸出，管片安装模式应无效，无其它报警指示； 14)检查测量导向系统是否工作正常； 若以上检查存在问题，首先处理或解决问题，然后再准备开机。 15)请示技术负责人并记录有关盾构掘进所需要的相关参数，如掘进模式，土仓保持压力，线路数据，注浆压力等； 16)请示设备机修负责人并记录有关盾构掘进的设备参数； 17)若需要则根据技术负责人和设备机修负责人的指令修改盾构参数； 2 开机 1)确认外循环水已供应，启动内循环水泵； 2)确认空压机冷却水阀门处于打开状态，启动空压机； 3)根据工程要求选择盾尾油脂密封的控制模式，即选择采用行程控制还是采用压力控制模式；
4)在“报警系统”界面，检查是否存在当前错误报警，若有，首先处理； 5)将面版的螺旋输送机转速调节旋扭、刀盘转速调节旋扭、推进油缸压力调节旋扭、盾构推进速度旋扭等调至最小位； 6)启动前后液压泵站冷却循环泵，并注意泵启动是否正常，包括其启动声音及振动情况等。以下每一个泵启动情况均需注意其启动情况； 7)依次启动润滑脂泵（EP2）、齿轮油泵、HBW 泵、内循环水泵； 8)依次启动推进泵及辅助泵； 9)选择手动或半自动或自动方式启动泡沫系统； 10)启动盾尾油脂密封泵，并选择自动位；至此，盾构的动力部分已启动完毕，下面根据不同的工序进一步进行说明。 3掘进 1)启动皮带输送机 2)启动刀盘 根据测量系统面版上显示的盾构目前旋转状态选择盾构旋向按钮，一般选择能够纠正盾构转向的旋转方向； 选择刀盘启动按扭，当启动绿色按钮常亮后。并慢慢右旋刀盘转速控制旋钮，使刀盘转速逐渐稳定在 2rpm 左右。严禁旋转旋钮过快，以免造成过大机械冲击，损机械设备。此时注意主驱动扭矩变化，若因扭矩过高而使刀盘启动停止，则先把电位器旋钮左旋至最小再重新启动； 3)启动螺旋输送机 慢慢开启螺旋输送机的后门； 启动螺旋输送机按钮，并逐渐增大螺旋输送机的转速； 4)按下推进按钮，并根据 ZED 屏幕上指示的盾构姿态调整四组油缸的压力至适当的值，并逐渐增大推进系统的整体推进速度； 5)至此盾构开始掘进； 4土仓压力调整 1)如果开挖地层自稳定性较好采用敞开式掘进，则不用调正压力，以较大开挖速度为原则； 2) 如果开挖地层有一定的自稳性而采用半敞开式掘进，则注意调节螺旋输送机的转速，使土仓内保持一定的渣土量，一般约保持 2/3左右的渣土。