泥水式盾構(gòu)機(jī)(盾構(gòu)機(jī)系列講座之3)

1、泥水式盾構(gòu)機(jī)(盾構(gòu)機(jī)系列講座之3)1發(fā)展概況文獻(xiàn)12分別介紹了盾構(gòu)機(jī)概況和土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，這里介紹泥水式盾構(gòu)機(jī)。泥水式盾構(gòu)機(jī)是通過(guò)有一定壓力的泥漿來(lái)支撐穩(wěn)固開(kāi)挖面；由旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)、懸臂刀頭或水力射流等進(jìn)行土體開(kāi)挖；開(kāi)挖下來(lái)的土料與泥水混合以泥水狀態(tài)由泥漿泵進(jìn)行輸運(yùn)。泥水式盾構(gòu)機(jī)適用于各種松散地層，有無(wú)地下水均可。采用泥水式盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工的隧洞工程都說(shuō)明它是一種低沉降及安全的施工方法，在穩(wěn)定的地層中其優(yōu)點(diǎn)更加明顯。最初的泥水盾構(gòu)要追溯到一百多年前的Greathead及Haag的專(zhuān)利。由于高透水性地層用壓縮空氣支撐隧洞開(kāi)挖面非常困難，1874年，Greathead開(kāi)發(fā)了用流體支撐開(kāi)挖面的盾構(gòu)，開(kāi)挖出

2、的土料以泥水流的方式排出。1896年Haag在柏林為第一臺(tái)德國(guó)泥水式盾構(gòu)申請(qǐng)了專(zhuān)利，該盾構(gòu)以液體支撐開(kāi)挖面，其開(kāi)挖室是有壓和密封的。1959年E.C.Gardner成功地將以液體支撐開(kāi)挖面應(yīng)用于一臺(tái)用于建造排污隧洞的直徑為 3.35 m的盾構(gòu)。1960年 Schneidereit 引進(jìn)了用膨潤(rùn)土懸浮液來(lái)支撐開(kāi)挖面，而H.Lorenz 的專(zhuān)利提出用加壓的膨潤(rùn)土液來(lái)穩(wěn)固開(kāi)挖面。1967年第一臺(tái)有切削刀盤(pán)并以水力出土、直徑為3.1m的泥水盾構(gòu)在日本開(kāi)始使用。在德國(guó)，第一臺(tái)以膨潤(rùn)土懸浮液支撐開(kāi)挖面的盾構(gòu)由Wayss & Freytag開(kāi)發(fā)并投入使用。泥水式盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展有三種歷程，即日本歷程、英

3、國(guó)歷程和德國(guó)歷程。到目前則只有日本和德國(guó)兩個(gè)主要的發(fā)展體系。日本的發(fā)展歷程導(dǎo)致當(dāng)今的泥水盾構(gòu),德國(guó)的發(fā)展歷程導(dǎo)致水力盾構(gòu)。以日本的泥水盾構(gòu)為基礎(chǔ)發(fā)展了土壓平衡盾構(gòu)，而德國(guó)的水力盾構(gòu)導(dǎo)致很多不同的機(jī)型,如混合型盾構(gòu),懸臂刀頭泥水盾構(gòu)及水力噴射盾構(gòu)等。德國(guó)和日本體系的主要區(qū)別是，德國(guó)式的在泥水艙中設(shè)置了氣壓艙，便于人工正面控制泥水壓力，構(gòu)造簡(jiǎn)單；日本式的泥水密封艙中全是泥水，要有一套自動(dòng)控制泥水平衡的裝置。1967年三菱公司制造了第一臺(tái)為泥漿開(kāi)挖面支護(hù)的試驗(yàn)盾構(gòu)，直徑為3.10m的樣機(jī)取得經(jīng)驗(yàn)后, 1970年建造了第一臺(tái)大型泥水盾構(gòu),直徑為7.20m,用于建設(shè)海峽下的Keiyo鐵路線。自此以后,日

4、本的很多制造商生產(chǎn)了此型盾構(gòu)。與歐洲相比,泥水盾構(gòu)在日本使用很多。在歐洲,英國(guó)的Markham,法國(guó)的NFM及FCB公司等采用日本許可證,也制造了泥水盾構(gòu)。德國(guó)的發(fā)展歷程起始于1972年，德國(guó)承包商Wayss及Freytag公司開(kāi)發(fā)了水力盾構(gòu)系統(tǒng)。1974年，其樣機(jī)用于建設(shè)Hamburg港口下的Hamburg-Wilhelmsburg總管道，盾構(gòu)外徑為4.48m。當(dāng)時(shí)還沒(méi)有可靠的盾尾密封。這樣一來(lái)整條隧道被加壓。因?yàn)榇诵投軜?gòu)是首次使用，很多修改事先未預(yù)料到。為了繼續(xù)隧洞修建工程,采取了許多補(bǔ)救措施，解決了一些主要問(wèn)題。第二次掘進(jìn)著重解決了可靠的尾封，使得在最后的30m，采用了新的尾封后才達(dá)到隧

5、洞內(nèi)無(wú)壓力的目的。當(dāng)今水力盾構(gòu)在歐洲市場(chǎng)占有很重要的位置,Herrenknecht，HowaldtswerkeDeutscheWerft及VoestAlpineBergtechnik等公司都是這類(lèi)盾構(gòu)最重要的制造商。圖1開(kāi)挖面泥水支撐2工作原理泥水式盾構(gòu)機(jī)施工時(shí)穩(wěn)定開(kāi)挖面的機(jī)理為：以泥水壓力來(lái)抵抗開(kāi)挖面的土壓力和水壓力以保持開(kāi)挖面的穩(wěn)定，同時(shí)，控制開(kāi)挖面變形和地基沉降；在開(kāi)挖面形成弱透水性泥膜，保持泥水壓力有效作用于開(kāi)挖面。 圖2泥水式盾構(gòu)工作原理在開(kāi)挖面，隨著加壓后的泥水不斷滲入土體，泥水中的砂土顆粒填入土體孔隙中，可形成滲透系數(shù)非常小的泥膜（膨潤(rùn)土懸浮液支撐時(shí)形成一濾餅層）。而且

6、，由于泥膜形成后減小了開(kāi)挖面的壓力損失，泥水壓力可有效地作用于開(kāi)挖面，從而可防止開(kāi)挖面的變形和崩塌，并確保開(kāi)挖面的穩(wěn)定。因此，在泥水式盾構(gòu)機(jī)施工中，控制泥水壓力和控制泥水質(zhì)量是兩個(gè)重要的課題。為了保持開(kāi)挖面穩(wěn)定，必須可靠而迅速地形成泥膜，以使壓力有效地作用于開(kāi)挖面。為此，泥水應(yīng)具有以下特性：（1）泥水的密度為保持開(kāi)挖面的穩(wěn)定，即把開(kāi)挖面的變形控制到最小限度，泥水密度應(yīng)比較高。從理論上講，泥水密度最好能達(dá)到開(kāi)挖土體的密度。但是，大密度的泥水會(huì)引起泥漿泵超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)以及泥水處理困難；而小密度的泥水雖可減輕泥漿泵的負(fù)荷，但因泥粒滲走量增加，泥膜形成慢，對(duì)開(kāi)挖面穩(wěn)定不利。因此，在選定泥水密度時(shí)，必須充分

7、考慮土體的地層結(jié)構(gòu)，在保證開(kāi)挖面的穩(wěn)定的同時(shí)也要考慮設(shè)備能力。（2）含砂量在強(qiáng)透水性土體中，泥膜形成的快慢與摻入泥水中砂粒的最大粒徑以及含砂量（砂粒重/粘土顆粒重）有密切的關(guān)系，這是因?yàn)樯傲＞哂刑疃峦馏w孔隙的作用。為了充分發(fā)揮這一作用，砂粒的粒徑應(yīng)比土體孔隙大而且含量適中。（3）泥水的粘性泥水必須具有適當(dāng)?shù)恼承?，以收到以下效果：防止泥水中的粘土、砂粒在泥水室?nèi)的沉積，保持開(kāi)挖面穩(wěn)定；提高粘性，增大阻力防止逸泥；使開(kāi)挖下來(lái)的棄土以流體輸送，經(jīng)后處理設(shè)備濾除廢渣，將泥水分離。土體一經(jīng)盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖，其原有的應(yīng)力即被釋放，并將產(chǎn)生向應(yīng)力釋放面的變形。此時(shí)，為控制地基沉降，保持開(kāi)挖面穩(wěn)定，必須向開(kāi)挖面施加

8、一個(gè)相當(dāng)于釋放應(yīng)力大小的力。泥水式盾構(gòu)機(jī)中由泥水壓力來(lái)抵消開(kāi)挖面的釋放應(yīng)力。在決定泥水壓力時(shí)主要要考慮開(kāi)挖面的水壓力、土壓力以及預(yù)留壓力。在泥水式盾構(gòu)機(jī)中支護(hù)開(kāi)挖面的液體同時(shí)又作為運(yùn)輸介質(zhì)。開(kāi)挖工具開(kāi)挖的土料在開(kāi)挖室中與支護(hù)液混合。然后，開(kāi)挖土料與懸浮液的混合物被泵送到地面。在地面的篩分場(chǎng)中支護(hù)液與土料分離。隨后，如需要，添加新的膨潤(rùn)土，再將此液體泵回隧洞開(kāi)挖面。泥水式盾構(gòu)機(jī)的主要弊病是篩分場(chǎng)（場(chǎng)地及能源需要、環(huán)境污染）和排出膨潤(rùn)土液中包含的不可分離細(xì)料所引起的困難。與其他系統(tǒng)相比，經(jīng)濟(jì)地運(yùn)用泥水式盾構(gòu)機(jī)主要取決于泥水懸浮液分離的要求及地層的滲透性和懸浮液的成分。3幾種不同形式的泥水式盾構(gòu)機(jī)3

9、.1泥水盾構(gòu)（日本體系）日本泥水盾構(gòu)流體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展以及它們大量應(yīng)用是由于日本沿海城市的地質(zhì)特征。經(jīng)常是水平層理并由江河及大海沉積物形成。泥水盾構(gòu)是為在砂土及淤泥中應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，在很粘的粘土中應(yīng)用受到限制,會(huì)導(dǎo)致孔口的堵塞。密實(shí)的卵石層則需要增加力矩克服作用于刀盤(pán)上的摩擦力。在小直徑機(jī)器中由于增加力矩而考慮設(shè)置相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置就非常困難。泥水盾構(gòu)的主要特征是支護(hù)液的類(lèi)型（正常時(shí)是粘土懸浮液）、刀盤(pán)設(shè)計(jì)及控制支護(hù)液壓力的方法。泥水盾構(gòu)的刀盤(pán)是扁平設(shè)計(jì)的，而且?guī)缀跏欠忾]的，這樣一來(lái)也能提供機(jī)械的開(kāi)挖面支撐。為搬掉障礙物等，通往隧洞開(kāi)挖面的通道只能經(jīng)過(guò)幾個(gè)開(kāi)口，它們?cè)谶\(yùn)行時(shí)是被封閉的。通常刀具及齒具均

10、為雙排幅射布置，刀盤(pán)可在任一方向轉(zhuǎn)動(dòng)。土料經(jīng)過(guò)窄長(zhǎng)而平行的刀盤(pán)面開(kāi)口進(jìn)入開(kāi)挖室，這些開(kāi)口被調(diào)整到既能通過(guò)盡可能大的土石塊，又能限制水力輸運(yùn)管道所不能通過(guò)的塊體。 圖3根據(jù)土層類(lèi)型的泥水盾構(gòu)適用范圍根據(jù)所需的扭矩，切削刀盤(pán)采用中心軸形式、鼓型或中心錐型設(shè)計(jì)。支護(hù)液從開(kāi)挖室的上部添加，土料與懸浮液的混合液由底部靠近攪拌器的地方排出。安裝攪拌器是為了防止沉淀以產(chǎn)生均勻的輸送介質(zhì)。在泥水盾構(gòu)中，隧洞開(kāi)挖面支護(hù)壓力直接受開(kāi)挖室中添加或排出泥水的影響。支護(hù)壓力，在開(kāi)挖室及輸入泥水管中用壓力傳感器測(cè)量，并與計(jì)算出的支護(hù)壓力的理論值相比較。懸浮液回路中的泵與閥也用同樣的方法予以控制。因?yàn)椴豢赡芸吹剿?/p>

11、洞開(kāi)挖面的變化,穩(wěn)定性只能在理論的及當(dāng)前的開(kāi)挖量之間用質(zhì)量進(jìn)行比較。當(dāng)前的開(kāi)挖量由測(cè)量支護(hù)液的密度得出，理論開(kāi)挖量則參考比重、結(jié)實(shí)性及孔隙的份額等得出。這些值是在最初巖心鉆的基礎(chǔ)上取得的。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)的所有調(diào)控功能都取自地面的中央處理裝置。雖然在中央處理裝置中,大量的數(shù)據(jù)都可收集、測(cè)定并看到,但盾構(gòu)機(jī)中的操作人員仍是需要的,在難對(duì)付的情況下也要人工干預(yù)。3.2水力盾構(gòu)與日本的地質(zhì)條件相比,在歐洲則不同地點(diǎn)差異很大，因而水力盾構(gòu)的基本原理對(duì)地質(zhì)的適用范圍就更靈活。水力盾構(gòu)適于所有松散地層,如加裝另外的裝置還能用于巖層。幾乎所有的水力盾構(gòu)都以Wayss&Freytag開(kāi)發(fā)的為基礎(chǔ)。除了設(shè)計(jì)

12、并建造第一臺(tái)樣機(jī)（Hamburg-Wilhelmsburg1974）外,該公司還在德國(guó)及德國(guó)以外實(shí)施了很多成功的工程。水力盾構(gòu)很突出的部分是用沉浸墻隔離開(kāi)挖室（在液體支護(hù)的隧洞開(kāi)挖面附近,支護(hù)壓力由后腔的氣囊調(diào)整）以及有單獨(dú)固定幅條的開(kāi)式星型刀盤(pán)。另外不同于日本泥水盾構(gòu)的是采用水-膨潤(rùn)土懸浮液,這更適合歐洲的地質(zhì)情況。采用膨潤(rùn)土與在隧洞開(kāi)挖面形成濾餅是相聯(lián)系的，所以此型盾構(gòu)也稱(chēng)之為膨潤(rùn)土盾構(gòu)。水力盾構(gòu)系統(tǒng)最重要的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)氣囊調(diào)節(jié)支護(hù)壓力，泥水回路中懸浮液的量的變化不會(huì)改變支護(hù)壓力的大小。比如，當(dāng)掘進(jìn)通過(guò)斷層帶，支護(hù)懸浮液可能會(huì)突然損失，但隧洞開(kāi)挖面上的支護(hù)壓力不會(huì)損失。通過(guò)布置在盾構(gòu)頂部的壓

13、縮空氣閘室以及穿過(guò)氣囊及沉浸墻進(jìn)入開(kāi)挖室，這比日本的泥水盾構(gòu)容易搬掉障礙物。為了搬掉障礙物或在刀盤(pán)上進(jìn)行修理及維護(hù)工作，開(kāi)挖室中的懸浮液可以被排出并由壓縮空氣取代。懸浮液在開(kāi)挖面處形成的濾餅或泥膜層及其密封效應(yīng)，使得可以單獨(dú)用壓縮空氣支護(hù)隧洞開(kāi)挖面。當(dāng)與空氣接觸時(shí)，膨潤(rùn)土餅層會(huì)減薄，為了限制漏氣，應(yīng)每隔一段時(shí)間對(duì)膨潤(rùn)土餅層進(jìn)行更新，如向隧洞開(kāi)挖面噴射膨潤(rùn)土或?qū)⑴驖?rùn)土液滿(mǎn)溢開(kāi)挖室。 圖4根據(jù)土層類(lèi)型的水力盾構(gòu)適用范圍開(kāi)式刀盤(pán)在泥漿輸出管前裝有一攔石柵，截住超過(guò)管道運(yùn)輸尺寸的土石塊。攔石柵前有一液力操作的破碎機(jī)將大石塊破碎到要求的尺寸。攔石柵前的沉積料用懸浮液噴射除去。對(duì)不同的地層可以在

14、刀盤(pán)上裝設(shè)不同的開(kāi)挖刀具。3.3混合型盾構(gòu)中的水力盾構(gòu)形式在水力盾構(gòu)基本概念的基礎(chǔ)上，Wayss&Freytag與Herrenknecht一起設(shè)計(jì)了一種根據(jù)地質(zhì)變化情況而進(jìn)行開(kāi)挖面支撐方式轉(zhuǎn)換的混合型盾構(gòu)?；旌闲投軜?gòu)可轉(zhuǎn)變成泥水模式、土壓平衡及壓縮空氣模式等。在盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)需要可以完成從一種模式到另一種模式的轉(zhuǎn)換，因而其應(yīng)用范圍較廣。在已有的混合型盾構(gòu)的工程應(yīng)用例子當(dāng)中，大多數(shù)都是運(yùn)行在水力盾構(gòu)模式下而無(wú)需轉(zhuǎn)換到別的模式，所以也習(xí)慣地將它們歸類(lèi)為或稱(chēng)之為水力盾構(gòu)。3.4懸臂刀頭式泥水盾構(gòu)Holzmann懸臂刀頭式泥水盾構(gòu)是泥水支撐和部分?jǐn)嗝骈_(kāi)挖的組合?？缮炜s的刀頭懸臂裝在密封承

15、壓隔板中部，當(dāng)絞刀頭接觸到巖土層時(shí)，通過(guò)人工或自動(dòng)控制操作進(jìn)行開(kāi)挖面開(kāi)挖動(dòng)作。開(kāi)挖出的土料通過(guò)刀頭的開(kāi)口及懸臂內(nèi)管道以泥水狀態(tài)輸出。刀頭的開(kāi)口尺寸與泥水輸出管道尺寸相匹配，不適于管道輸送的較大尺寸土石塊被刀頭開(kāi)口阻擋。如必須進(jìn)入開(kāi)挖室進(jìn)行修理工作或搬掉障礙物時(shí),可以部分或全部地降低懸浮液或用壓縮空氣進(jìn)行置換，其適用的地質(zhì)范圍與水力盾構(gòu)一樣。在開(kāi)挖室沿盾殼內(nèi)側(cè)布置多個(gè)可單獨(dú)進(jìn)行液壓控制的支撐胸板, 當(dāng)胸板被頂推起來(lái)時(shí)可在盾構(gòu)前方將其封閉。盾構(gòu)底拱設(shè)有一石料閘室,直徑小于500mm的石頭無(wú)需進(jìn)入開(kāi)挖室區(qū)域即可搬除。此盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行時(shí)的特點(diǎn)是對(duì)膨潤(rùn)土懸浮液支撐壓力的調(diào)整及控制。停機(jī)時(shí)，調(diào)整控制壓力有如水

16、力盾構(gòu)，即用氣墊（氣囊）和氣艙。而運(yùn)行時(shí)壓力控制則有如泥水盾構(gòu)，通過(guò)泥水輸入輸出泵的自動(dòng)控制進(jìn)行調(diào)節(jié)。為此，開(kāi)挖室內(nèi)懸浮液的壓力通過(guò)壓力傳感器監(jiān)測(cè)，然后與計(jì)算參考值比較并作相應(yīng)改變。3.5用于頂管的泥水式盾構(gòu)3.5.1用于頂管的水力盾構(gòu)為了把水力盾構(gòu)原理的優(yōu)點(diǎn)用于小直徑隧洞，Wayss&Freytagh公司開(kāi)發(fā)了此種盾構(gòu)的簡(jiǎn)化形式。其目的是設(shè)計(jì)一種刀盤(pán)外徑在2m以下適于各種松散并承水地層中頂管的盾構(gòu)機(jī)。經(jīng)承壓隔板通往開(kāi)挖室，采用凈寬為 800mm的圓型閉鎖門(mén)。承壓隔板處無(wú)空間用于刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)裝置，所以把它置于沉浸墻，這樣驅(qū)動(dòng)裝置便在支撐懸浮液中運(yùn)轉(zhuǎn)。所有后部閘門(mén)都設(shè)計(jì)成能保證可更換被損壞的

17、驅(qū)動(dòng)裝置的最小的尺寸。由刀盤(pán)作用于驅(qū)動(dòng)軸的力應(yīng)特別考慮，翻轉(zhuǎn)力矩及橫向力與扭矩有關(guān)，此扭矩應(yīng)能通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)生的最大液壓力加以控制。沉浸墻也應(yīng)承受刀盤(pán)上增加的軸向力，由推進(jìn)力產(chǎn)生的縱向力可以用沉浸墻的彈性彎曲來(lái)測(cè)量并控制。到目前為止已有的這類(lèi)盾構(gòu)的直徑從1.96m到3.6m。然而，從采用齒輪馬達(dá)的經(jīng)濟(jì)性考慮，盾構(gòu)直徑只能到2.6m，因?yàn)楦笾睆降亩軜?gòu)需要幾個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置單元。3.5.2水力噴射盾構(gòu)水力噴射盾構(gòu)也是Wayss&Freytag開(kāi)發(fā)的，并于1979年獲得專(zhuān)利。它是基于這樣一個(gè)現(xiàn)實(shí)，即近地面的隧洞工程常常會(huì)遇到很多的障礙物。由于很多天然的及人為的障礙物，其形式及材料均不同（如樹(shù)根、

18、基礎(chǔ)、石頭及樁柱等），全部機(jī)械化的隧洞工程要求多用途及適用的開(kāi)挖機(jī)具，那樣可能很貴。對(duì)于不大的隧洞工程，不宜使用全機(jī)械化的盾構(gòu)，而適用在水力盾構(gòu)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)水力開(kāi)挖的水力噴射盾構(gòu)。用切割輪代替機(jī)械開(kāi)挖，使地層開(kāi)挖在開(kāi)挖室中通過(guò)有目標(biāo)的液體噴射進(jìn)行。省略布置在中心的驅(qū)動(dòng)裝置，允許小直徑機(jī)器通往隧洞工作面。人工開(kāi)挖并搬動(dòng)障礙物，可在任意時(shí)間進(jìn)行，使水力噴射盾構(gòu)成為一種靈活的辦法，其地質(zhì)的適用范圍與慣用的水力盾構(gòu)一樣。然而,密實(shí)的及堅(jiān)硬的地層限制了它的適用范圍，粘性的地層雖然負(fù)載壓力一樣，但只允許低進(jìn)尺。噴嘴布置在盾構(gòu)軸線側(cè)面的切割邊緣內(nèi)，使噴射直接影響的范圍在盾殼的里面。噴嘴搖擺的直徑約為1024mm，壓力可達(dá)1MPa，噴射的范圍在1.5m以?xún)?nèi)。由于噴嘴有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，與機(jī)械開(kāi)挖機(jī)具相比，成本低得多。隧洞工作面上由濾餅提供的支撐不會(huì)受小范圍噴射水的影響。從土壤結(jié)構(gòu)中挪去石頭要比在機(jī)械開(kāi)挖中更要當(dāng)心，因?yàn)樯渌な瘯?huì)轉(zhuǎn)變或挪動(dòng)四周較軟的基底，而不增加開(kāi)挖的能量。沉浸墻離得遠(yuǎn)，允許用人工拆卸格柵，無(wú)需從隧洞面除去支撐液。因?yàn)檎系K物不能被自動(dòng)檢測(cè)，沉浸墻及所有柔性部分均需超應(yīng)力保護(hù)，安全開(kāi)關(guān)可以避免壓力隔板超應(yīng)力。用液力噴射時(shí),不一定是圓形斷面，通過(guò)噴嘴布置可選擇任意形式的斷面。這種系統(tǒng)的弊端是調(diào)整機(jī)器的方向比較