第三章盾構(gòu)機(jī)類型與基本原理

1、第三章第三章 盾構(gòu)盾構(gòu)機(jī)類型與基本原理機(jī)類型與基本原理1、按照平衡開挖面的方式 A、插板式 B、擠壓網(wǎng)格式 C、土壓平衡式 D、泥水平衡式 E、加泥式 F、加水式3 3. .1 1 盾構(gòu)機(jī)的種類盾構(gòu)機(jī)的種類2、按照機(jī)械化程度 A、人工 B、機(jī)械化 C、全自動化3、按照施工過程中的運輸方式 A、皮帶傳送 B、泥漿泵 C、手工挖小車推不不同同敞敞開開程程度度的的盾盾構(gòu)構(gòu)全敞開式全敞開式部分敞開式部分敞開式密閉式密閉式能直接看到全部掘削面狀況的形式。在掘削面與內(nèi)倉之間設(shè)有一層隔板，故無法直接觀察掘削面狀況，只能靠一些傳感器間接地掌握掘削面狀況。只能看到部分掘削面狀況的形式。4、按照掌子面敞開程度全敞

2、開式盾構(gòu)全敞開式盾構(gòu)掘削面呈裸露狀態(tài)，故掘削狀態(tài)是干挖，出土效率高特點：特點：根據(jù)機(jī)械化程度差異分三類：根據(jù)機(jī)械化程度差異分三類：人工挖掘式、半機(jī)械式、機(jī)械式。適用地層：適用地層：適用于掘削面自穩(wěn)性好的地層（洪積層壓實沙、沙礫、固結(jié)粉砂及粘土等），對于自穩(wěn)性差的地層（沖積層中的砂層、粉砂層及粘土層）應(yīng)輔以壓氣、降水、注漿加固等措施，以確保掘削面的穩(wěn)定。部分敞開式盾構(gòu)部分敞開式盾構(gòu)主要指網(wǎng)格擠壓式盾構(gòu)，又稱為窗閘式盾構(gòu)。主要指網(wǎng)格擠壓式盾構(gòu)，又稱為窗閘式盾構(gòu)。適用范圍：適用范圍：利用盾構(gòu)切口的網(wǎng)格將正面土體擠壓并切削為小塊，同時以切口、封板及網(wǎng)格板與土體間的摩阻力來平衡正面地層側(cè)向壓力，達(dá)到開挖

3、面的穩(wěn)定。特征：特征：因正面網(wǎng)格開孔出土面積較小，適宜在軟弱粘土層中施工。在局部粉砂層可以輔以局部壓氣法來穩(wěn)定正面土體。因?qū)φ嫱馏w存在擠壓擾動，較難有效地控制地表沉降，不宜在建筑物密集地方使用。上海排水隧上海排水隧道網(wǎng)格盾構(gòu)道網(wǎng)格盾構(gòu)上海打浦路越江隧道網(wǎng)上海打浦路越江隧道網(wǎng)格盾構(gòu)格盾構(gòu)10.22m密密閉閉式式盾盾構(gòu)構(gòu)泥水平衡式泥水平衡式削土式削土式土壓平衡式土壓平衡式加泥式加泥式氣泡材氣泡材礦物類添加材礦物類添加材（膨潤土）（膨潤土）樹脂材樹脂材硅溶膠式硅溶膠式。輻條形輻條形面板形面板形 刀盤由輻條及輻條上的刀具構(gòu)成，特點為：刀盤扭矩小，排土容易，土倉壓力可有效地作用在掘削面上。多用于土壓盾

4、構(gòu)。 刀盤由面板、刀具、槽口組成，特點為：面板直接支撐掘削面，即具有擋土功能，有利于掘削面穩(wěn)定，但粘土易粘附在面板表面，妨礙刀盤選擇，進(jìn)而影響掘削質(zhì)量。泥水盾構(gòu)和土壓盾構(gòu)均可采用。盾構(gòu)刀盤的正面形狀盾構(gòu)刀盤的正面形狀輻條形輻條形5、斷面形式 A、單圓 B、雙圓 C、三圓 D、矩形 E、球形 F、橢圓形等等新型盾構(gòu)(1)(1)MF(Multi-Face)MF(Multi-Face)盾構(gòu)盾構(gòu) MF MF盾構(gòu)是由多個圓形斷面的一部分錯位重合而成，可同盾構(gòu)是由多個圓形斷面的一部分錯位重合而成，可同時開挖多個圓形斷面。時開挖多個圓形斷面。特點：特點：u 開挖面小，斷面利用率高，適用于地下空間受限的隧道建

5、設(shè)。u 各圓形斷面的控制相對獨立。馬蹄形馬蹄形橢圓形橢圓形(2)(2)偏心多軸式盾構(gòu)偏心多軸式盾構(gòu) 矩形矩形中折盾構(gòu)中折盾構(gòu)(3)(3)中折盾構(gòu)中折盾構(gòu) 球體盾構(gòu)由大盾構(gòu)、球體、小盾構(gòu)等部件構(gòu)成。大盾構(gòu)內(nèi)藏一個可以旋轉(zhuǎn)的球體，球體內(nèi)藏一個無尾板可以伸縮的小盾構(gòu)。大盾構(gòu)的作用是完成大直徑隧道的掘削，球體的作用是轉(zhuǎn)向，小盾構(gòu)的作用是完成轉(zhuǎn)向后小直徑隧道的掘削。概念：概念：分類分類豎橫球體盾構(gòu)豎橫球體盾構(gòu)換刀球體盾構(gòu)換刀球體盾構(gòu)橫橫球體盾構(gòu)橫橫球體盾構(gòu)。用于豎井、隧道的一次性連續(xù)構(gòu)筑（大埋深情況）。大深度、長距離掘進(jìn)時可隨時隨地更換刀具。大深度急轉(zhuǎn)彎隧道。(4)(4)球體盾構(gòu)球體盾構(gòu) 在母盾構(gòu)（大盾

6、構(gòu)）內(nèi)藏一個直徑較小的子盾構(gòu)（小盾構(gòu)），當(dāng)掘進(jìn)至工程需要的點時，使子盾構(gòu)從母盾構(gòu)中分離出來繼續(xù)掘進(jìn)，從而構(gòu)筑一條直徑由大變小的兩種隧道。概念：概念：分類：分類：同心母子盾構(gòu)、異心母子盾構(gòu)。特點：特點：可以略去中間豎井而修筑一條變徑的盾構(gòu)隧道；和采用與母盾構(gòu)直徑相同的大盾構(gòu)構(gòu)相比可以減少掘削土量；成本上，1臺母子盾構(gòu)1臺大盾構(gòu)+1臺小盾構(gòu)。( (5 5) ) 母子盾構(gòu)母子盾構(gòu) 異心母子盾構(gòu)異心母子盾構(gòu)同心母同心母子盾構(gòu)子盾構(gòu)母母子子盾盾構(gòu)構(gòu)機(jī)機(jī)實實物物圖圖( (6 6) ) DOT DOT盾構(gòu)盾構(gòu) DOT DOT盾構(gòu)是指在同一個開挖面上安裝兩對輻條型刀具盾構(gòu)是指在同一個開挖面上安裝兩對輻條型刀具

7、的土壓平衡式盾構(gòu)。的土壓平衡式盾構(gòu)。特點：特點：類似于類似于MFMF盾構(gòu)，但兩對輻條形刀具相互吻合，轉(zhuǎn)向相反盾構(gòu)，但兩對輻條形刀具相互吻合，轉(zhuǎn)向相反并給予同步控制，彼此并不獨立。并給予同步控制，彼此并不獨立。( (7 7) ) MSD MSD（Mechanical Shield Docking)Mechanical Shield Docking)盾構(gòu)盾構(gòu) 該工法是指進(jìn)行地中對接并解體的盾構(gòu)施工方法。該該工法是指進(jìn)行地中對接并解體的盾構(gòu)施工方法。該工法有一對盾構(gòu)組成，一臺為發(fā)射盾構(gòu)，一臺為接受盾構(gòu)。工法有一對盾構(gòu)組成，一臺為發(fā)射盾構(gòu)，一臺為接受盾構(gòu)。特點：特點： 不需設(shè)置到達(dá)豎井，大大延伸了不設(shè)

8、豎井的不需設(shè)置到達(dá)豎井，大大延伸了不設(shè)豎井的盾構(gòu)掘進(jìn)長度。盾構(gòu)掘進(jìn)長度。施工過程概要：施工過程概要：發(fā)射盾構(gòu)發(fā)射盾構(gòu)接收盾構(gòu)接收盾構(gòu) 先向土艙內(nèi)的掘削土中注入由膨潤土、增粘劑、胍膠(CPM)等材料構(gòu)成的主材。主材的作用是提高礫石層掘削土的流動性。隨后向螺旋輸送機(jī)內(nèi)注入有機(jī)酸產(chǎn)生吸水反應(yīng)即止水作用，該止水效果被稱為注漿栓效果。采用上述添加材措施后，盾構(gòu)可在礫石層順利掘進(jìn)(掘削面穩(wěn)定、出土順利、阻止了噴水噴砂現(xiàn)象)。這種工法稱為注漿栓盾構(gòu)工法(即CPS工法)。CPS工法的優(yōu)點是對、土層行之有效的工法。缺點是材料費高；當(dāng)?shù)貙又写嬖趬A成分時(如以前對地層做過化學(xué)注漿加固)栓效應(yīng)失效，即該工法失效。(

9、(8 8) ) CPS CPS（Chemical Plug Shield)Chemical Plug Shield)盾構(gòu)盾構(gòu) 3 3. .2 2 泥水盾構(gòu)的基本原理泥水盾構(gòu)的基本原理全敞開式盾構(gòu)的局限性：全敞開式盾構(gòu)的局限性：應(yīng)用于掘削面具有自立性的地層，對于自立性較差的軟弱地層，必須輔以壓氣壓氣、降水降水、注漿注漿等措施，以確保掘削面的穩(wěn)定。但這些措施存在以下問題：1.當(dāng)氣壓過大時，操作人員會患高壓病，直接威脅人體健康；2.降水會引起地下水位下降，引發(fā)一系列的環(huán)境問題；3.全線注漿加固地層時，導(dǎo)致工程造價上升，而且采用有機(jī)漿液時還會使地下水遭受污染。擠壓式盾構(gòu)的局限性：擠壓式盾構(gòu)的局限性：適

10、用土質(zhì)范圍較小。而且易引起地層較大的隆起或沉降。為了克服上述弊端，人們開發(fā)了泥水平衡式盾構(gòu)、為了克服上述弊端，人們開發(fā)了泥水平衡式盾構(gòu)、土壓平衡式盾構(gòu)等密閉式盾構(gòu)工法。土壓平衡式盾構(gòu)等密閉式盾構(gòu)工法。 泥水平衡式盾構(gòu)就是：在刀盤后方設(shè)置一道封閉隔板，使得隔板與刀盤之間形成一個密閉的空間，即泥水艙，將水、粘土及添加劑混合制成的泥水，經(jīng)輸送管道壓入泥水艙，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)時，推進(jìn)力通過以泥水作為介質(zhì)而傳遞到掘削面的土體上，及泥水對掘削面上的土體作用有一定的壓力，該壓力稱為泥水壓力。為了維持掘削面的穩(wěn)定，通常該壓力按下式設(shè)定：泥水壓=地下水壓+土壓+預(yù)壓 刀盤掘削下來的土砂進(jìn)入泥水艙，經(jīng)攪拌后含掘削

11、土砂的高濃度高濃度泥水，由泥漿泵送到地表的泥水分離系統(tǒng)，進(jìn)行水、土分離后，再把泥水重新壓回泥水艙，如此不斷循環(huán)地掘削、排土、推進(jìn)。由于是泥水壓力使得掘削面穩(wěn)定平是泥水壓力使得掘削面穩(wěn)定平衡衡，故稱其為泥水加壓平衡式盾構(gòu)泥水加壓平衡式盾構(gòu)，簡稱泥水盾構(gòu)泥水盾構(gòu)。 泥水盾構(gòu)由于需要配套的泥水處理系統(tǒng)，相對于土壓盾構(gòu)而言，需要額外的占用地面資源，這對于建筑物密集的城市地鐵而言無疑是十分苛刻的，這也是為什么城市地鐵沒有大量采用泥水盾構(gòu)的主要原因之一。泥泥水水的的作作用用形成泥膜及穩(wěn)定掘削面形成泥膜及穩(wěn)定掘削面運送掘削土砂運送掘削土砂泥膜的形成過程泥膜的形成過程 由于泥水壓大于掘削地層的間隙水壓(即地下

12、水壓)，泥水中的細(xì)粒成分及水通過地層間隙流入掘削地層。其中，細(xì)粒成分填充地層間隙，使地層的滲透系數(shù)變小。隨著時間的增加，地層間隙被細(xì)粒成分填充的越來越充分，地層的滲水系數(shù)越來越小,最后完全被填充。 顯然，泥膜生成后，泥水艙內(nèi)的泥水再不能進(jìn)入掘削地層(即杜絕了泥水損失，保證了泥水壓力有效地作用在掘削面上)，與此同時掘削地層中的地下水也不能涌入泥水艙，這就是泥水的，保證了掘削面的穩(wěn)定，防止掘削面的變形、坍塌及地層沉降。 另外，由于泥水中的粘土顆粒帶，而地層土顆粒帶，故泥水中的粘土顆粒吸附聚集在掘削面的表面，形成一層均勻的泥膜。 綜上所述，形成泥膜的因素有：滲透填充因素滲透填充因素和表面吸附聚集表面

13、吸附聚集因素因素。 必須具備如下一些特性：物理穩(wěn)定性好；化學(xué)穩(wěn)定性好；泥水的粒度級配、相對密度、粘度要適當(dāng)；流動性好；成膜性好。 泥膜的性能要求泥膜的性能要求泥水壓力可按下式設(shè)定： 泥水壓泥水壓 = = 地下水壓地下水壓 + + 土壓土壓 + + 預(yù)壓預(yù)壓砂土地層中：為孔隙水壓粘土地層中：計入土壓力中指掘削面上指掘削面上的水平方向的水平方向的作用土壓的作用土壓力。力。 淺埋：為靜止水平土壓力，計算式如下：深埋：為根據(jù)松動土壓力計算而得的水平主動土壓力。P0=K0H p0靜止水平土壓力； K0靜止側(cè)壓力系數(shù)。Pa=Kape Pe Terzaghi松弛土壓力Ka主動土壓力系數(shù) 3 3. .3 3

14、土壓平衡式盾構(gòu)的基本原理土壓平衡式盾構(gòu)的基本原理 土壓盾構(gòu)與泥水盾構(gòu)的差異是保持密封土艙內(nèi)的承壓介質(zhì)不同：泥水盾構(gòu)對應(yīng)的介質(zhì)為泥水；土壓盾構(gòu)對應(yīng)的介質(zhì)為泥土。但是穩(wěn)定掘削面的基本原理是一致的。 土壓盾構(gòu)推進(jìn)時其前端刀盤旋轉(zhuǎn)掘削地層、土體，掘削下來的土體涌入土艙，當(dāng)掘削土體充滿土艙時，由于盾構(gòu)的推進(jìn)作用，致使掘削土體即對掘削面加壓。當(dāng)該加壓壓力(削土土壓)與掘削地層的土壓+水壓相等，隨后若能維持螺旋輸送機(jī)的排土量與刀盤的掘土量相等，把這種穩(wěn)定的出土狀態(tài)稱為掘削面平衡，即穩(wěn)定。泥土壓的設(shè)定方法與泥水盾構(gòu)的泥水壓的設(shè)定方法相同。 要想維持排土量與掘土量相等，掘削土必須具備一定的和。有些地層的掘削土僅靠自身的塑流性和抗?jié)B性，即可滿足掘削面穩(wěn)定的要求。這種利用掘削土穩(wěn)定掘削面的盾構(gòu)稱為削土盾構(gòu)。此外，多數(shù)地層土體的塑流性、抗?jié)B性無法滿足穩(wěn)定掘削面的要