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1、泥水盾构施工技术授课讲义目录一、 前言1、 泥水盾构产生2、 泥水盾构发展3、 泥水盾构的形式二、 泥水盾构结构原理1、 泥水盾构工作原理2、 泥水盾构的结构3、 泥水盾构法施工辅助设备三、 泥水盾构选型1、 盾构机形式和种类的选定依据2、 机型选定四、 泥水盾构的始发1、 封门2、 土体加固3、 临时支撑4、 洞门密封五、 泥水盾构正常掘进1、 泥水平衡模式下的操作2、 复合模式下的操作3、 泥水模式（欠压）4、 掘进参数的控制六、 泥水盾构到达管理1、 到达前姿态控制2、 管片拉紧3、 洞门封门4、 接收导轨安装5、 土体加固七、 泥水盾构施工过程中注意事项1、 盾构始发2、 盾构掘进3、
2、 盾构到达注意事项一、 前言1、 泥水盾构产生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
3、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。2、 泥水盾构发展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
4、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4.48
5、m。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，HowaldtswerkeDeutscheWerft及VoestAlpineBergtechnik等公司都是这类盾构最重要的制造商.3、 泥水盾构的形式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
6、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。泥水盾构的刀盘是扁平设计的，而且几乎是封闭的，这样一来也能提供机械的开挖面支撑.为搬掉障碍物等,通往隧洞开挖面的通道只能经过几个开口，它们在运行时是被封闭的。通常刀具及齿具均为双排幅射布置,刀盘可在任一方向转动.土料经过窄长而平行的刀盘面开口进入开挖室,这些开口被调整到既能通过尽可能大的土石块,又
7、能限制水力输运管道所不能通过的块体。图1根据土层类型的泥水盾构适用范围根据所需的扭矩，切削刀盘采用中心轴形式、鼓型或中心锥型设计。支护液从开挖室的上部添加,土料与悬浮液的混合液由底部靠近搅拌器的地方排出。安装搅拌器是为了防止沉淀以产生均匀的输送介质。在泥水盾构中，隧洞开挖面支护压力直接受开挖室中添加或排出泥水的影响.支护压力,在开挖室及输入泥水管中用压力传感器测量,并与计算出的支护压力的理论值相比较.悬浮液回路中的泵与阀也用同样的方法予以控制.因为不可能看到隧洞开挖面的变化，稳定性只能在理论的及当前的开挖量之间用质量进行比较。当前的开挖量由测量支护液的密度得出,理论开挖量则参考比重、结实性及孔
8、隙的份额等得出。这些值是在最初岩心钻的基础上取得的。盾构机掘进时的所有调控功能都取自地面的中央处理装置。虽然在中央处理装置中，大量的数据都可收集、测定并看到，但盾构机中的操作人员仍是需要的，在难对付的情况下也要人工干预。3.2水力盾构（德国体系）与日本的地质条件相比，在欧洲则不同地点差异很大，因而水力盾构的基本原理对地质的适用范围就更灵活。水力盾构适于所有松散地层,如加装另外的装置还能用于岩层。几乎所有的水力盾构都以Wayss&Freytag开发的为基础。除了设计并建造第一台样机（HamburgWilhelmsburg1974）外,该公司还在德国及德国以外实施了很多成功的工程。水力盾构很突出的
9、部分是用沉浸墙隔离开挖室(在液体支护的隧洞开挖面附近,支护压力由后腔的气囊调整)以及有单独固定幅条的开式星型刀盘。另外不同于日本泥水盾构的是采用水膨润土悬浮液,这更适合欧洲的地质情况。采用膨润土与在隧洞开挖面形成滤饼是相联系的，所以此型盾构也称之为膨润土盾构。水力盾构系统最重要的优点是通过气囊调节支护压力，泥水回路中悬浮液的量的变化不会改变支护压力的大小。比如，当掘进通过断层带，支护悬浮液可能会突然损失，但隧洞开挖面上的支护压力不会损失。通过布置在盾构顶部的压缩空气闸室以及穿过气囊及沉浸墙进入开挖室，这比日本的泥水盾构容易搬掉障碍物。为了搬掉障碍物或在刀盘上进行修理及维护工作，开挖室中的悬浮液
10、可以被排出并由压缩空气取代.悬浮液在开挖面处形成的滤饼或泥膜层及其密封效应，使得可以单独用压缩空气支护隧洞开挖面。当与空气接触时,膨润土饼层会减薄，为了限制漏气，应每隔一段时间对膨润土饼层进行更新，如向隧洞开挖面喷射膨润土或将膨润土液满溢开挖室。开式刀盘在泥浆输出管前装有一拦石栅,截住超过管道运输尺寸的土石块。拦石栅前有一液力操作的破碎机将大石块破碎到要求的尺寸。拦石栅前的沉积料用悬浮液喷射除去.对不同的地层可以在刀盘上装设不同的开挖刀具。图2根据土层类型的水力盾构适用范围3。3混合型盾构中的水力盾构形式在水力盾构基本概念的基础上，Wayss&Freytag与Herrenknecht一起设计了
11、一种根据地质变化情况而进行开挖面支撑方式转换的混合型盾构。混合型盾构可转变成泥水模式、土压平衡及压缩空气模式等。在盾构机运行过程中根据需要可以完成从一种模式到另一种模式的转换，因而其应用范围较广。在已有的混合型盾构的工程应用例子当中，大多数都是运行在水力盾构模式下而无需转换到别的模式，所以也习惯地将它们归类为或称之为水力盾构。3.4悬臂刀头式泥水盾构Holzmann悬臂刀头式泥水盾构是泥水支撑和部分断面开挖的组合.可伸缩的刀头悬臂装在密封承压隔板中部，当绞刀头接触到岩土层时,通过人工或自动控制操作进行开挖面开挖动作。开挖出的土料通过刀头的开口及悬臂内管道以泥水状态输出。刀头的开口尺寸与泥水输出
12、管道尺寸相匹配，不适于管道输送的较大尺寸土石块被刀头开口阻挡。如必须进入开挖室进行修理工作或搬掉障碍物时,可以部分或全部地降低悬浮液或用压缩空气进行置换，其适用的地质范围与水力盾构一样。在开挖室沿盾壳内侧布置多个可单独进行液压控制的支撑胸板, 当胸板被顶推起来时可在盾构前方将其封闭.盾构底拱设有一石料闸室，直径小于500mm的石头无需进入开挖室区域即可搬除.此盾构机运行时的特点是对膨润土悬浮液支撑压力的调整及控制。停机时，调整控制压力有如水力盾构，即用气垫（气囊)和气舱.而运行时压力控制则有如泥水盾构,通过泥水输入输出泵的自动控制进行调节。为此，开挖室内悬浮液的压力通过压力传感器监测，然后与计
13、算参考值比较并作相应改变。3。5用于顶管的泥水式盾构3.5.1用于顶管的水力盾构为了把水力盾构原理的优点用于小直径隧洞，WayssFreytagh公司开发了此种盾构的简化形式。其目的是设计一种刀盘外径在2m以下适于各种松散并承水地层中顶管的盾构机。经承压隔板通往开挖室，采用净宽为 800mm的圆型闭锁门。承压隔板处无空间用于刀盘驱动装置,所以把它置于沉浸墙，这样驱动装置便在支撑悬浮液中运转。所有后部闸门都设计成能保证可更换被损坏的驱动装置的最小的尺寸。由刀盘作用于驱动轴的力应特别考虑，翻转力矩及横向力与扭矩有关,此扭矩应能通过驱动装置发生的最大液压力加以控制.沉浸墙也应承受刀盘上增加的轴向力，
14、由推进力产生的纵向力可以用沉浸墙的弹性弯曲来测量并控制。到目前为止已有的这类盾构的直径从1.96m到3。6m。然而，从采用齿轮马达的经济性考虑，盾构直径只能到2。6m，因为更大直径的盾构需要几个驱动装置单元。3.5.2水力喷射盾构水力喷射盾构也是WayssFreytag开发的，并于1979年获得专利。它是基于这样一个现实,即近地面的隧洞工程常常会遇到很多的障碍物。由于很多天然的及人为的障碍物，其形式及材料均不同（如树根、基础、石头及桩柱等）,全部机械化的隧洞工程要求多用途及适用的开挖机具，那样可能很贵。对于不大的隧洞工程，不宜使用全机械化的盾构，而适用在水力盾构的基础上开发水力开挖的水力喷射盾
15、构.用切割轮代替机械开挖，使地层开挖在开挖室中通过有目标的液体喷射进行.省略布置在中心的驱动装置,允许小直径机器通往隧洞工作面。人工开挖并搬动障碍物，可在任意时间进行,使水力喷射盾构成为一种灵活的办法，其地质的适用范围与惯用的水力盾构一样.然而，密实的及坚硬的地层限制了它的适用范围，粘性的地层虽然负载压力一样，但只允许低进尺。喷嘴布置在盾构轴线侧面的切割边缘内,使喷射直接影响的范围在盾壳的里面。喷嘴摇摆的直径约为1024mm,压力可达1MPa，喷射的范围在1。5m以内.由于喷嘴有标准设计，与机械开挖机具相比，成本低得多。隧洞工作面上由滤饼提供的支撑不会受小范围喷射水的影响。从土壤结构中挪去石头
16、要比在机械开挖中更要当心,因为射水激石会转变或挪动四周较软的基底，而不增加开挖的能量.沉浸墙离得远，允许用人工拆卸格栅，无需从隧洞面除去支撑液。因为障碍物不能被自动检测，沉浸墙及所有柔性部分均需超应力保护，安全开关可以避免压力隔板超应力.用液力喷射时，不一定是圆形断面,通过喷嘴布置可选择任意形式的断面.这种系统的弊端是调整机器的方向比较困难,在切割边缘的前方形成控制的超挖是不可能的（即用于调向的目的）。还有,喷嘴不能消除盾构的翻转。二、 泥水盾构原理及结构1、 泥水盾构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
17、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3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：l 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
18、。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.l 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。l 泥水的粘性泥水必须具有适当的粘性，以收到以下效果：防止泥水中的粘土、砂粒在泥水室内的沉积,保持开挖面
19、稳定；提高粘性，增大阻力防止逸泥；-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
20、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。2、 泥水盾构的结构泥水盾构主要由盾壳、刀盘、密封泥水舱、盾构干斤顶、管片拼装机以及铰接密封、盾尾密封装置等组成。概括地说，泥水加压盾构是在盾构前部增设一道密封隔舱板，把盾构开挖面与盾构后面和隧道空间截然分开,使密封隔舱板与开挖面土层之间形成密封泥水舱,在泥水舱内充以压力泥浆，刀盘浸没在泥水舱中工作，由刀盘开挖下的泥土进入泥水舱后，经刀盘切削搅拌和搅拌机搅拌后形成稠泥浆，通过管道排送到地面,排出的泥浆作分
21、离处理，排除土碴，对余下的浆液进行粘度、比重调整，重新送入盾构密封泥水舱循环使用.复合式泥水盾构机还包含隔板或连通管、气舱。这种系统的工作特微是由泥浆和空气双重回路组成。在盾构密封泥水舱内插装一道半隔板，在半隔板前充以压力泥浆,在半隔板后面盾构轴心线以上部分充以压缩空气，形成空气缓冲层,气压作用在隔板后面与泥浆接触面上，由于接触面上气、液具有相同压力，因此只要调节空气压力，就可以确定和保持在全开挖面上相应的泥浆支护压力.当盾构掘进时，有时由于泥浆的流失，或推进速度的变化，进、排泥浆量将会失去平衡,气液接触面就会出现上下波动现象。通过液位传感器，根据液位的高低变化来操纵供泥浆泵转速，使液位恢复到
22、设定位置，以保持开挖面支护液压的稳定。也就是说，供泥浆泵输出量随液位下降而增加，随液位上升而减小,另外在液位最高和最低处设有限位器，当液位达到最高位时，停止供泥浆泵，当液位降低到最低位时，则停止排泥浆泵。正是由于空气缓冲层的弹性作用,从而当液位波动时，对支护泥浆压力变化无明显影响。显然,间接控制型泥水加压盾构与直接控制型相比,操作控制更为简化，对开挖面土层支护更为稳定，对地表变形控制也更为有利。2。1主机盾构有些系统安装在盾构内部，外部为盾壳,包括动力系统和管片安装等.盾构主机由三个主要部分组成：包括刀盘和主驱动装置在内的切口环；包括操作控制系统、电气和液压系统、推进系统在内的支撑环；以及包含
23、衬砌系统的盾尾环。一般来讲，盾构设备包括以下几个部分：2.1。1驱动系统：刀盘或刀头、主轴承及其驱动系统刀盘是盾构最前端的部件,直接与掌子面接触并安装有各种刀具、进排泥水喷头等.盾构的刀具分为滚刀、切刀、刮刀、铲刀等.滚刀用于硬岩和较大石块的破碎和掘进；切刀用于软岩和含有较小石块的混合型地质条件的掘进；刮刀用于将掌子面上切下来的碴料刮送到盾构土压仓中运走。有些盾构装有中心凸刀，安装在刀盘的中央位置,且呈锥形向前突出于刀盘，使盾构开挖更容易进行.中心凸刀在软土地层及复合地层中使用，配有锥型刀尖及四周凸缘设计，锥形凸刀整个表面及切割刀具均经过硬化处理。中心凸刀可以设计成各种形式。中心凸刀起超前探测
24、地层状况和保护刀盘的作用。盾构刀盘上的刀具可以根据地质条件的变化很容易的进行更换，绝大多数盾构采用独特的“后装式”刀具安装方式，即在刀盘后面进行安装。这样既提高了刀具更换速度，又充分保证了维修人员的安全。 工作人员日常更换刀具及保养时，无需暴露在没有支撑的掌子面上.刀盘可以分为软岩刀盘、硬岩刀盘、复合式刀盘等。刀盘的安装方式也可分为中心支撑方式、周边支撑方式。刀盘开口形式、开口率、刀具设置等决定了盾构的适用范围，不过可以根据工程的地质情况更换为适宜的刀盘，从而扩大盾构的适用范围.2.1。2进排泥水系统:包括进泥喷嘴及阀门、排泥吸口及阀门、排浆泵（也有安装在后配套拖车上)、流量计、密度计、碎石系
25、统、进排泥旁通系统等.碎石系统有碎石机和锥形破碎器两种.碎石机安装在刀盘后部或后配套拖车上，锥形破碎器是利用刀盘支撑臂与刀盘背后的锥形区域组成，支撑臂旋转时，支撑臂与锥形区域上的突起臂之间相对运动将碴石破碎。也有利用泥水箱直接将大点的石碴过滤出来的。进排泥旁通系统用于泥水循环的建立、泥水反冲。2.1。3衬砌系统：拼装管片，包括衬砌管片装卸、输送、拼装，最后形成管环及盾尾注浆，完成隧道衬砌施工。2.1.4 导向系统：包括方向控制,铰接系统。硬件和软件。2。1。5电气系统. 2.1。6液压系统：液压系统用于整个设备的掘进、衬砌管片的拼装。盾构的推进由安装在静止环内的液压油缸来完成，液压油缸作用在衬
26、砌管片和支撑环上。2.1。7控制系统：多数盾构的控制系统、仪器仪表系统集中安装在支撑环内的操作控制间内.操作控制间安装在观察刀盘和衬砌运行的最佳视角位置。也有安装在拖车或地面上的。2.1.8报警系统:为了操作安全，并对盾构内部的所有灯光和供电系统都按照一级防爆标准进行处理。有些配备了瓦斯探测系统,当空气中的瓦斯浓度达到一定水平时,瓦斯探测系统将自动关闭供电系统电源。2.1。9防滚系统：为防止侧滚，在盾构加装了侧滚角度传感器。当侧滚角度超过限定值时，系统将自动将盾构的电源切断。2。1。10密封系统：钢丝刷尾端密封将泥浆、水和粘土完全隔离在外面。尾端的压力油脂喷射润滑更有效地帮助隔离.2。1。11
27、气垫及气锁系统:德国生产的复合式盾构上有配备，包括隔墙、闸门、送排气系统、人舱、加压舱、应急舱、气压调节系统等。气垫系统用于间接控制开挖面的土压、水压，从而保持开挖面的稳定。气锁系统用于设备检查和换刀.2。2后配套盾构辅助系统：包括：盾尾注浆系统；超前探测,地质固结系统；通风系统；数据采集和处理系统;隧道导向系统等等。3、 泥水盾构法施工辅助设备3。1压缩空气系统:含供气设备、过滤系统(含冷干机、三级过滤器）。3。2通风系统：通风机，有些配备空调冷却空气之后送入洞内。3。3冷却水系统：过滤机、进排水泵、管道过滤器等。3。4变配电系统：高低压配电设备、接线盒等。3.5泥水处理系统：一般分离设备有
28、振动筛、旋转分离器、离心机、压滤机等。l 振动筛对于不同粒径和级配的物质分离，振动筛是最基本的设备，振动筛是由一个或多个筛板组成，每个筛板的筛孔逐级减小。振动筛一般用于粗糙材料的筛分,其孔眼小至60m.l 旋转分离器旋转分离器是由一固定的锥体组成，它的进料口紧挨其壳体，在圆锥体的顶部设有一上溢流出口，底部设一下溢流出口，开挖料以较大速度抽入旋转的锥体中,使之产生涡流作用，泥水进入锥体中的螺旋体.尺寸大、重量重的粒状物通过离心作用,以一定速度分离出来，集中到锥体的内壁上，最后通过底部出口排出；细小的颗粒，保留在泥水中，经螺旋体从上溢口排出。旋转分离器广泛应用于地表分离站,它可以从废弃泥水中分离出
29、砂和淤泥，甚至可以有效地分离出10m的颗粒。l 离心机通常使用的离心机是由两个围绕一静止室旋转的同轴部件组成。它用于净化膨润土泥浆很有效，只把6m的颗粒保留在泥浆中.l 压滤机压滤机分为两种类型：a）连续型，如带状压滤机;b）定量调节型，如盘状压滤机。它们将废弃的泥浆经压滤后适于运输处置。3。6运输系统：包含垂直运输系统和水平运输系统。3。7防排水系统3.8通讯监测系统3。9其它辅助设备三、 泥水盾构的选型1、 盾构机形式和种类的选定依据盾构机形式大体上分为开放式和密封式。开放式盾构机的使用条件是：切削面不受土压、水压的影响即自稳性好,或配合采用气压法、化学灌浆及其他辅助工法对切削面加以改良.
30、细分为人工挖掘式、半机械式、机械式。密封式盾构机可在尽可能不采用辅助工法的前提下，对切削面进行稳定切削,对土仓内的土压、水压进行有效控制.参照下表：表1 密封式盾构机的工作原理机型泥水平衡盾构机加泥浆土压平衡盾构机工作原理切削面与机内作业仓之间装有隔壁，工作时对切削面一侧施加泥浆压力，以克服切削面孔隙水压，在泥浆压力的作用下,切削面形成一层泥膜或渗透护壁,保持切削面稳定。泥土经刀盘切削，被加入高浓度泥浆或泡沫等材料后进入土仓内，再由贯穿隔壁的螺旋输送机排出，螺旋输送机内充满泥土,盾构机在保持与切削面土压平衡的状态下掘进。2、 机型选定在某些特定条件下的工程,如在大量含水砂砾层,无粘聚力、极不稳
31、定土层和覆土浅的工程，以及超大直径盾构和对地面变形要求特别高的地区施工，泥水加压盾构就能显示其优越性。另外对某些施工场地较宽敞，有丰富的水源和较好泥浆排放条件或泥浆仅需进行沉淀处理排放的工程，可大幅度降低施工费用。2.1选型依据l 土质条件、岩性（抗压、抗拉、颗粒、成层等各参数）；l 开挖面稳定（自立性能)；l 隧道埋深、地下水位;l 设计隧道的断面；l 环境条件、沿线场地(附近管线和建构筑物及其结构特性）；l 衬砌类型；l 工期；l 造价；l 辅助工法；l 设计路线、线形、坡度；l 电气等其它设备条件.2。2泥水盾构选型表2 适宜使用密封式盾构机的地质条件机型泥水平衡盾构机土压平衡盾构机一、
32、地质条件能适应粘土、砂土、砂砾,岩层等各种地质。需向开挖仓中注入泥浆，适合开挖面难以稳定、滞水砂层、砂砾层、含水量高的地层及隧道上方有水体的场合.能适应粘土、砂土、砂砾,岩石等各种地质.需要向开挖仓中注添加剂，来改善土碴的性能，使其成为具有良好塑流性及止水性的土体。二、开挖面稳定及止水性(水、土砂的喷涌)采用管道输送系统将开挖后的土碴成泥水排出，即使盾构机周围水压较高，也不会产生水及土砂的喷涌。只要通过对泥水压力及流量的正确管理,完全能保持开挖面的稳定.对于透水性大的砂性土，泥浆能渗入到土层内一定深度，并在很短时间内，在土层表面形成泥膜，有助于改善地层的自承能力，并使泥浆压力在开挖面上发挥有效
33、的支护作用。采用螺旋输送机排土，在富含水、透水性大的砂层、砂砾层中，需要向开挖面及土仓中添加泡沫或泥浆材料，才能使开挖土具有良好塑流性及止水性。对于土仓压力大于3bar的地层，螺旋输送机难以形成有效的土塞效应，从而有可能在螺旋输送机排土闸门处发生水、土砂喷涌现象，引起土仓中土压力下降,导致开挖面坍塌。三、隧道埋深、地下水位使用于隧道埋深大，地下水位高的场合。渗透系数102以上.渗透系数为103101，当K1102时，开挖仓中添加剂被稀释，水、砂、砂砾相互混合后，不易形成具有良好塑流性及止水性的土碴,施工相对困难。四、盾构推力由于泥浆的作用，土层对盾壳的阻力小，盾构推进力比土压盾构小。土层对盾壳
34、的阻力大，盾构推进力比泥水盾构大。五、刀盘、刀具寿命、刀盘扭矩切削面及土仓中充满泥水，对刀具、刀盘起到一定的润滑作用，摩擦阻力与土压盾构相比要小，泥浆搅拌阻力小，因而相对土压盾构而言,其刀具、刀盘的寿命要长，刀盘驱动扭矩小.刀盘与开挖面的摩擦力大，土仓中土碴与添加材料搅拌阻力也大，故其刀具、刀盘的寿命比泥水盾构要短，刀盘驱动扭矩比泥水盾构大。六、推进效率掘削下来的碴土转换成泥水通过管道输送,并且施工性能良好,辅助工作少，故效率比土压盾构高。开挖土的输送随着掘进距离的增加，其施工效率也降低，辅助工作多。七、设计路线、线形、坡度盾构机在泥水形成的浮力作用下工作，有利于曲线施工。八、沉降地层沉降较少
35、.地层沉降较少.七、隧道内环境由于采用封闭管道输送废土,没有出碴矿车,无碴土散落，环境良好需矿车运送碴土，碴土有可能散落,相对而言，环境较差。八、施工场地由于在施工地面需配置必要的泥水处理设备，所以占地面积较大.碴土呈泥状，无需进行任何处理即可运送，所以占地面积较小.九、经济性整套设备购置费用高。 整套设备购置费用低.根据土压平衡盾构和泥水平衡盾构不同的构造及开挖机理，土压平衡盾构比泥水盾构更适合于在颗粒细小、灵敏度高的粘性土体中施工。泥水平衡盾构更适合渗透性好的砂性土中使用（见图1、2），近年对于埋深较大的过江、过海隧道,由于水压较大(36Bar之间），也大都采用泥水平衡盾构施工.土压平衡盾
36、构在高水压下施工最大风险在于：泥浆从螺旋输送机闸门缝隙喷涌；往土仓加入人造泥浆后，被大量的水稀释，难以保证土压平衡.四、 泥水盾构的始发(出洞)泥水盾构的始发是盾构施工的关键工序，也是盾构施工难题之一，决定着盾构施工的成败。泥水盾构始发难点在于进排泥水系统在始发时的安装连接、出洞时的防止洞口土体坍塌、流砂、涌水。泥水盾构始发的主要内容包含：封门、土体加固、临时支撑、洞门密封等，也有采用辅助工法进行始发的（冻结法）。泥水盾构始发方法多种多样，有利用现有空间组装好后利用临时支撑始发的（如地铁工程利用车站始发）、有利用竖井始发的、有开挖始发隧道始发的（始发隧道有长有短）.1、封门1。1现浇钢筋混凝土
37、封门工作井的施工一般采用沉井或连续墙工法,按照顿沟外径尺寸在井壁（或连续墙钢筋龙)上预埋环形钢板。环形钢板切断了井壁受力筋，洞周需作构造处理。环形钢板内的钢筋混凝土圆板可按四周弹性固定进行受力分析及断面设计。盾构出洞之前,需花费很多人力凿除钢筋混凝土封门，工人劳动强度大，进度慢,封门外土体必须加固.1.2钢板桩封门盾构工作沉井制作时，按照设计要求在井壁上预留圆形孔洞。沉井下沉到位后,井壁外侧压入密排钢板桩，封闭预留孔洞。在沉井下沉后，依靠钢板桩来抵挡住侧向水土压力.盾构刀盘切入洞口抵近钢板桩时，用大型起重机将钢板桩逐根拔起。钢板桩也可与其他材料合用，成为复合式的封门.使用钢板桩作为盾构出洞封门
38、有一个最大的缺点，就如同利用钢板桩作为基坑维护一样，在拔除钢板桩时会引起较大的地表沉降，影响周围管线和建筑物。洞口土体加固后,钢板桩沉入有困难，下部易弯曲，达不到封闭洞口的目的。对于过江隧道,盾构在江边沉井中出洞,因为钢板桩打入和拔起时会导致大量的地面水涌入工作井.1。3装配式封门按照设计尺寸，将混凝土获轻质混凝土支撑圆形楔块,沉井下沉前将该楔块嵌入井壁预留孔洞.沉井下沉后，由楔块承担侧向水土压力并防止地下水渗漏。出洞时可用刀盘旋转切削直接出洞,甚至可以不作洞外土体加固，特别是用于盾构法越江隧道施工中盾构在江边沉井中出洞.1.4其他在基岩中始发时，围岩自稳性良好、水量不大时，可以不制作封门,直
39、接用钢筋混凝土制作洞门，预留出洞口，直接出洞施工。2、土体加固洞口周围土体加固包括注浆加固、深层搅拌桩、旋喷桩等化学加固方法和井点降水疏干、冻结加固等物理加固方法。2。1土体加固原则具体采用哪一种加固方法，应根据实际情况作出选择,在砂质土层不宜使用注浆加固;埋深较深的进出洞口不宜用井点降水疏干等。2。2土体加固厚度砂性土体中盾构出洞加固范围为盾构机长度加上3环管片的长度；粘性土体加固厚度一般可取洞口直径的1/2。3、临时支撑临时支撑始盾构始发是盾构法施工的根本,是重要工序.要有足够的稳定性，确保盾构始发时推力均匀地传递到各支撑上。临时支撑包括基座、导轨、支撑等。还有些泥水盾构利用钢管片、安装负
40、环管片始发。4、洞门密封为了防止盾构始发时泥水、地下水从盾壳和洞门的间隙处流失,以及盾尾通过洞门后背衬注浆浆液的流失,在盾构始发时需安装洞门临时密封装置,临时密封装置由帘布橡胶、扇形压板、垫片和螺栓等组成。为了保证在盾构机始发时快速、牢固地安装密封装置,在始发隧道洞门施工时在洞门处预埋环状钢板.密封装置安装前对帘布橡胶的整体性、硬度、老化程度等进行检查，对圆环板的成圆螺栓孔位等进行检查,并提前把帘布橡胶的螺栓孔加工好。盾构机进入预留洞门前在外围刀盘和帘布橡胶板外侧涂润滑油以免盾构机刀盘挂破帘布橡胶板影响密封效果.泥水盾构始发时，为了确保洞门的密封，可采用铰接压板。当盾构机刀盘进入洞门前将铰接压
41、板全部折向隧道方向,与盾构机成一定角度压在盾构机外壳上,并用螺栓固定；当盾构机主机全部通过洞门后铰接压板前段靠在推垫的外表面，起到防止泥水、浆液流失的作用,确保洞门密封能抵挡高水压,保证始发顺利进行。五、 泥水盾构正常掘进1、泥水平衡模式下的操作泥水平衡模式是泥水盾构的主要操作模式，该模式适应于围岩的自稳性较好，地表沉降要求不高,地下水含量不大以及非砂层砾石层等.在泥水平衡模式下掘进的原理是:位于设备最前端的刀盘来切削掌子面的围岩，位于地面的进浆泵将浆液泵送入开挖舱，一系列的排浆泵将刀盘切削下来并经破碎的石碴泵送至地面的泥水处理系统进行石碴的分离,通过控制进、排浆量来使开挖舱维持一定的压力，这
42、个压力即可平衡掌子面的水压和土压，保证掌子面的稳定。在泥水平衡模式下掘进时，操作人员必须时刻注意各种掘进参数的变化并迅速分析、判断并对变化的参数进行合理的调整。一般来说,掘进时应对以下项目进行控制和测量：l 盾构机切削刀盘与掌子面压力的控制和测量l 切削刀盘的扭矩(驱动压力）的控制和测量l 盾构机开控舱泥水压力的控制和测量l 盾构机顶部泥水压力的测量l 同步注浆及注脂的额控制l 盾构机推进压力的控制的测量l 进排浆系统压力及流量的控制和测量l 掘进方向的控制和测量2、复合模式下的操作复合式盾构的设计原理基于泥水盾构这一传统概念。切削刀盘在膨润土悬浮液中进行旋转时，使土壤充分脱离,并与悬浮液混合
43、在一起.压力墙把抽取室和处于大气压力下的工作室隔离开来.膨润土悬浮液通过压缩空气以一定压力注入抽取室内,这个压力应与土压和水压相对应,使得刀盘前物料稳定,并按一定速率进入掘进室内。抽取室被隔板墙分开，保证掘进室内有足够的支撑压力,以使隔板墙后的物料略高于设备轴心线。2。1复合式模式与泥水平衡模式的区别2。1.1使用的泥水不同l 复合式模式使用的泥水为膨润土悬浮液；l 泥水平衡模式使用的泥水可以为清水，也可以是膨润土悬浮液;2.1。2控制方式不同l 复合式模式为间接控制式,通过压缩空气垫平衡掌子面的水压和土压；空气垫具有缓冲作用,掌子面的泥水压力变化不会很大、很快;掌子面的泥水压力靠压缩空气垫自
44、动控制；压力平衡室的液面靠进、排压缩空气量控制；l 泥水平衡模式为直接控制式，通过泥水压力平衡掌子面的水压和土压,泥水压力靠进排浆量来控制；2。1。3适用地质不同l 符合式模式基本适用于盾构机所能适用的所有地质；l 泥水平衡模式适用于掌子面自稳性较好,涌水量不大的地质条件；2。2复合式模式的操作与泥水平衡模式基本相同,不同点在于：压缩空气垫的建立和控制、压力平衡室的液位控制、进排浆量控制。2。3复合式模式的操作在盾构机开机前，除泥水平衡模式下检查项目外，增加对压力平衡室舱门是否关闭、压缩空气供应情况（压力）.掘进前首先建立复合式模式:打开压力平衡室进浆喷嘴，向压力平衡室注入6075%膨润土悬浮
45、液，关闭压力平衡室进浆喷嘴；向压力平衡室加入压缩空气，确保空气垫达到与刀盘前部压力相同；然后打开连通管，观察空气压力和膨润土液位。其他步骤与泥水平衡模式相同。3、泥水模式（欠压）泥水盾构还可以使用非平衡的泥水模式：位于设备最前端的刀盘来切削掌子面的围岩，位于地面的进浆泵将清水泵送入开挖舱，一系列的排浆泵将刀盘切削下来并经破碎的石碴泵送至地面的泥水处理系统进行石碴的分离，通过控制进、排浆量来使开挖舱维持一定的压力，这个压力不需要平衡掌子面的水压和土压，只要掌子面的自稳，泥水充满刀盘，保证进排泥水的顺利进行即可。此种模式的操作方式与泥水平衡模式基本相同。4、 掘进参数的控制4。1泥水压力的设定根据
46、地质情况和开挖面涌水量的大小确定泥水压力，一般保持在松弛土压+孔隙水压+备用压力.围岩稳定性较好，可以保持在孔隙水压+备用压力。围岩稳定性很好，可以保持在泥水刚刚充满盾构开挖舱即可。泥水压力设定是通过泥水循环系统实现的，通过调整进、排泥水流量,可以实现泥水压力的增高、降低.4。2推进速度推进速度受到各种条件（盾构推力、刀盘转速、刀盘扭矩等）的制约，由于盾构机的推进是依据刀盘切削泥土或破岩来实现的，因此掘进中确保刀具受力不超过额定载荷是至关重要的，这些又与地质密切相关.推进速度还应该控制在盾构设计范围内，一方面防止动力部分过载，另一方面还应该保证碴土顺利排出.掘进中应密切注意刀盘扭矩的变化,一旦
47、刀盘扭矩过大，应立即调整推力,从而调整推进速度。4。3排碴量严格控制排碴量,防止超挖和欠挖。泥水盾构的排碴是通过泥水携带排出的，通过泥水分离系统分离的碴土和监测泥水密度的变化，可以计算出碴土排量，此排量应等于碴土量乘以松散系数。实际上，严格控制开挖面泥水压力和泥水质量,确保开挖面泥水压力足以抵抗开挖面土压、水压，确保泥水造墙性，从而维持开挖面的稳定，就达到了控制排碴量的目的。4.4同步注浆和补强注浆同步注浆是盾构施工的一重要环节随着盾构的推进、已拼管片与无挖隧道内壁将会形成一环环空隙这一空隙若不及时填充则会影响管片的形变及地表的沉降等不良后果。另外同步注浆还可以提高隧道的止水性能保证管片的稳定性.同步注浆一般采用惰性浆液,特殊地段采用速凝浆液。同步注浆量的确定是以围岩与管片外壁的环形空隙（一般稍大于此环形空隙）为基础的，同时应考虑开挖地层及掌子面水压等综合因素。注浆压力的控制要综合考虑地质情况、浆液性质及开挖舱压力等因素.通常情况下注浆压力都控制在等于或略低于开挖舱压力以保证浆液不流向掌子面而与碴土一起被排出。为控制隧道后期沉降和加强隧道防水，须及时采取补强注浆，补强注浆位置和注浆量根据具体情况而定.4.5盾构姿态控制及方向调整盾构施工过程姿态变化不宜过大、过频，并且严格控制隧道平面和高程偏差引起的隧道折角不超过
