泥水式盾構(gòu)機發(fā)展概況及工作原理

1、泥水式盾構(gòu)機發(fā)展概況及工作原理泥水式盾構(gòu)機1發(fā)展概況泥水式盾構(gòu)機是通過有一定壓力的泥漿來支撐穩(wěn)固開挖面；由旋轉(zhuǎn)刀盤、懸臂刀頭或水力射流等進行土體開挖；開挖下來的土料與泥水混合以泥水狀態(tài)由泥漿泵進行輸運。泥水式盾構(gòu)機適用于各種松散地層，有無地下水均可。采用泥水式盾構(gòu)機進行施工的隧洞工程都說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的專禾I。由于高透水性地層用壓縮空氣支撐隧洞開挖面非常困難，1874年，Greathead開發(fā)了用流體支撐開挖面的盾構(gòu)，開挖出的土料以泥水流的方式排出。1896年Haag在柏林為第一臺德

2、國泥水式盾構(gòu)申請了專利，該盾構(gòu)以液體支撐開挖面，具開挖室是有壓和密封的。1959年E.C.Gardner成功地將以液體支撐開挖面應(yīng)用于一臺用于建造排污隧洞的直徑為3.35m的盾構(gòu)。1960年Schneidereit引進了用膨潤土懸浮液來支撐開挖面，而H.Lorenz的專利提出用加壓的膨潤土液來穩(wěn)固開挖面。1967年第一臺有切削刀盤并以水力出土、直徑為3.1m的泥水盾構(gòu)在日本開始使用。在德國，第一臺以膨潤土懸浮液支撐開挖面的盾構(gòu)由Wayss&Freytag開發(fā)并投入使用。泥水式盾構(gòu)機的發(fā)展有三種歷程，即日本歷程、英國歷程和德國歷程。到目前則只有日本和德國兩個主要的發(fā)展體系。日本的發(fā)展歷程導(dǎo)致當(dāng)今

3、的泥水盾構(gòu)德國的發(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)，而德國的水力盾構(gòu)導(dǎo)致很多不同的機型，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。德國和日本體系的主要區(qū)別是，德國式的在泥水艙中設(shè)置了氣壓艙，便于人工正面控制泥水壓力，構(gòu)造簡單；日本式的泥水密封艙中全是泥水，要有一套自動控制泥水平衡的裝置。1967年三菱公司制造了第一臺為泥漿開挖面支護的試驗盾構(gòu)，直徑為3.10m的樣機取得經(jīng)驗后，1970年建造了第一臺大型泥水盾構(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，英國的Mar

4、kham法國的NFIWFC球司等采用日本許可證，也制造了泥水盾構(gòu)。彳惠國的發(fā)展歷程起始于1972年，彳惠國承包商Wayss及Freytag公司開發(fā)了水力盾構(gòu)系統(tǒng)。1974年，其樣機用于建設(shè)Hamburg港口下的Hamburg-Wilhelmsburg總管道，盾構(gòu)外徑為4.48m。當(dāng)時還沒有可靠的盾尾密封。這樣一來整條隧道被加壓。因為此型盾構(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，采取了許多補救措施，解決了一些主要問題。第二次掘進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)到隧洞內(nèi)無壓力的目的。當(dāng)今水力盾構(gòu)在歐洲市場占有很重要的位置，Herrenknecht,Ho

5、waldtswerkeDeutscheWerft及VoestAlpineBergtechnik等公司都是這類盾構(gòu)最重要的制造商。2工作原理泥水式盾構(gòu)機施工時穩(wěn)定開挖面的機理為：以泥水壓力來抵抗開挖面的土壓力和水壓力以保持開挖面的穩(wěn)定，同時，控制開挖面變形和地基沉降；在開挖面形成弱透水性泥膜，保持泥水壓力有效作用于開挖面。在開挖面，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（膨潤土懸浮液支撐時形成一濾餅層）。而且，由于泥膜形成后減小了開挖面的壓力損失，泥水壓力可有效地作用于開挖面，從而可防止開挖面的變形和崩塌，并確保開挖面的穩(wěn)定。因此，在泥水式盾構(gòu)機

6、施工中，控制泥水壓力和控制泥水質(zhì)量是兩個重要的課題。為了保持開挖面穩(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挖面。為此，泥水應(yīng)具有以下特性：(1)泥水的密度為保持開挖面的穩(wěn)定，即把開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)到開挖土體的密度。但是，大密度的泥水會引起泥漿泵超負(fù)荷運轉(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，對開挖面穩(wěn)定不利。因此，在選定泥水密度時，必須充分考慮土體的地層結(jié)構(gòu)，在保證開挖面的穩(wěn)定的同時也要考慮設(shè)備能力。(2)含砂量在強透水性土體中，泥膜形成的快慢與摻入泥水中砂粒的最大粒徑以及含砂

7、量(砂粒重/粘土顆粒重)有密切的關(guān)系，這是因為砂粒具有填堵土體孔隙的作用。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，保持開挖面穩(wěn)定；提高粘性，增大阻力防止逸泥；使開挖下來的棄土以流體輸送，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)機開挖，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，為控制地基沉降，保持開挖面穩(wěn)定，必須向開挖面施加一個相當(dāng)于釋放應(yīng)力大小的力。泥水式盾構(gòu)機中由泥水壓力來抵消開挖面的釋放應(yīng)力。在決定泥水壓力時主要要考慮開挖面的水壓力、土壓力以及預(yù)留壓力。在

8、泥水式盾構(gòu)機中支護開挖面的液體同時又作為運輸介質(zhì)。開挖工具開挖的土料在開挖室中與支護液混合。然后，開挖土料與懸浮液的混合物被泵送到地面。在地面的篩分場中支護液與土料分離。隨后，如需要，添加新的膨潤土，再將此液體泵回隧洞開挖面。泥水式盾構(gòu)機的主要弊病是篩分場(場地及能源需要、環(huán)境污染)和排出膨潤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)濟地運用泥水式盾構(gòu)機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)機泥水盾構(gòu)(日本體系)日本泥水盾構(gòu)流體動力學(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)

9、是為在砂土及淤泥中應(yīng)用而設(shè)計的，在很粘的粘土中應(yīng)用受到限制，會導(dǎo)致孔口的堵塞。密實的卵石層則需要增加力矩克服作用于刀盤上的摩擦力。在小直徑機器中由于增加力矩而考慮設(shè)置相應(yīng)的驅(qū)動裝置就非常困難。泥水盾構(gòu)的主要特征是支護液的類型（正常時是粘土懸浮液）、刀盤設(shè)計及控制支護液壓力的方法。泥水盾構(gòu)的刀盤是扁平設(shè)計的，而且?guī)缀跏欠忾]的，這樣一來也能提供機械的開挖面支撐。為搬掉障礙物等，通往隧洞開挖面的通道只能經(jīng)過幾個開口，它們在運行時是被封閉的。通常刀具及齒具均為雙排幅射布置，刀盤可在任一方向轉(zhuǎn)動。土料經(jīng)過窄長而平行的刀盤面開口進入開挖室，這些開口被調(diào)整到既能通過盡可能大的土石塊，又能限制水力輸運管道所不

10、能通過的塊體。根據(jù)所需的扭矩，切削刀盤采用中心軸形式、鼓型或中心錐型設(shè)計。支護液從開挖室的上部添加，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，隧洞開挖面支護壓力直接受開挖室中添加或排出泥水的影響。支護壓力，在開挖室及輸入泥水管中用壓力傳感器測量，并與計算出的支護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。因為不可能看到隧洞開挖面的變化，穩(wěn)定性只能在理論的及當(dāng)前的開挖量之間用質(zhì)量進行比較。當(dāng)前的開挖量由測量支護液的密度得出，理論開挖量則參考比重、結(jié)實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)

11、機掘進時的所有調(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、測定并看到，但盾構(gòu)機中的操作人員仍是需要的，在難對付的情況下也要人工干預(yù)。水力盾構(gòu)與日本的地質(zhì)條件相比，在歐洲則不同地點差異很大，因而水力盾構(gòu)的基本原理對地質(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開發(fā)的為基礎(chǔ)。除了設(shè)計并建造第一臺樣機（Hamburg-Wilhelmsburg1974）外，該公司還在彳惠國及彳惠國以外實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挖室（在液體支護的隧洞開挖面附近，支護壓力由后腔

12、的氣囊調(diào)整）以及有單獨固定幅條的開式星型刀盤。另外不同于日本泥水盾構(gòu)的是采用水-膨潤土懸浮液，這更適合歐洲的地質(zhì)情況。采用膨潤土與在隧洞開挖面形成濾餅是相聯(lián)系的，所以此型盾構(gòu)也稱之為膨潤土盾構(gòu)。水力盾構(gòu)系統(tǒng)最重要的優(yōu)點是通過氣囊調(diào)節(jié)支護壓力，泥水回路中懸浮液的量的變化不會改變支護壓力的大小。比如，當(dāng)掘進通過斷層帶，支護懸浮液可能會突然損失，但隧洞開挖面上的支護壓力不會損失。通過布置在盾構(gòu)頂部的壓縮空氣閘室以及穿過氣囊及沉浸墻進入開挖室，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上進行修理及維護工作，開挖室中的懸浮液可以被排出并由壓縮空氣取代。懸浮液在開挖面處形成的濾餅或泥膜層及其

13、密封效應(yīng)，使得可以單獨用壓縮空氣支護隧洞開挖面。當(dāng)與空氣接觸時，膨潤土餅層會減薄，為了限制漏氣，應(yīng)每隔一段時間對膨潤土餅層進行更新，如向隧洞開挖面噴射膨潤土或?qū)⑴驖櫷烈簼M溢開挖室。開式刀盤在泥漿輸出管前裝有一攔石柵，截住超過管道運輸尺寸的土石塊。攔石柵前有一液力操作的破碎機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。對不同的地層可以在刀盤上裝設(shè)不同的開挖刀具?；旌闲投軜?gòu)中的水力盾構(gòu)形式在水力盾構(gòu)基本才K念的基礎(chǔ)上，Wayss&Freytag與Herrenknecht一起設(shè)計了一種根據(jù)地質(zhì)變化情況而進行開挖面支撐方式轉(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

14、模式等。在盾構(gòu)機運行過程中根據(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)都是運行在水力盾構(gòu)模式下而無需轉(zhuǎn)換到別的模式，所以也習(xí)慣地將它們歸類為或稱之為水力盾構(gòu)。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_挖的組合?？缮炜s的刀頭懸臂裝在密封承壓隔板中部，當(dāng)絞刀頭接觸到巖土層時，通過人工或自動控制操作進行開挖面開挖動作。開挖出的土料通過刀頭的開口及懸臂內(nèi)管道以泥水狀態(tài)輸出。刀頭的開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口阻擋。如必須進入開挖室進行修理工作或搬掉障礙物時可以部

15、分或全部地降低懸浮液或用壓縮空氣進行置換，其適用的地質(zhì)范圍與水力盾構(gòu)一樣。在開挖室沿盾殼內(nèi)側(cè)布置多個可單獨進行液壓控制的支撐胸板，當(dāng)胸板被頂推起來時可在盾構(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勺石頭無需進入開挖室區(qū)域即可搬除。此盾構(gòu)機運行時的特點是對膨潤土懸浮液支撐壓力的調(diào)整及控制。停機時，調(diào)整控制壓力有如水力盾構(gòu)，即用氣墊（氣囊）和氣艙。而運行時壓力控制則有如泥水盾構(gòu)，通過泥水輸入輸出泵的自動控制進行調(diào)節(jié)。為此，開挖室內(nèi)懸浮液的壓力通過壓力傳感器監(jiān)測，然后與計算參考值比較并作相應(yīng)改變。用于頂管的泥水式盾構(gòu)用于頂管的水力盾構(gòu)為了把水力盾構(gòu)原理的優(yōu)點用于小直徑隧洞，Wayss

16、&Freytagh公司開發(fā)了此種盾構(gòu)的簡化形式。其目的是設(shè)計一種刀盤外徑在2m以下適于各種松散并承水地層中頂管的盾構(gòu)機。經(jīng)承壓隔板通往開挖室，采用凈寬為800mm勺圓型閉鎖門。承壓隔板處無空間用于刀盤驅(qū)動裝置，所以把它置于沉浸墻，這樣驅(qū)動裝置便在支撐懸浮液中運轉(zhuǎn)。所有后部閘門都設(shè)計成能保證可更換被損壞的驅(qū)動裝置的最小的尺寸。由刀盤作用于驅(qū)動軸的力應(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)能通過驅(qū)動裝置發(fā)生的最大液壓力加以控制。沉浸墻也應(yīng)承受刀盤上增加的軸向力，由推進力產(chǎn)生的縱向力可以用沉浸墻的彈性彎曲來測量并控制。到目前為止已有的這類盾構(gòu)的直徑從1.96m至ij3.6m。然而，從采用齒輪

17、馬達(dá)的經(jīng)濟性考慮，盾構(gòu)直徑只能到2.6m,因為更大直徑的盾構(gòu)需要幾個驅(qū)動裝置單元。水力噴射盾構(gòu)水力噴射盾構(gòu)也是Wayss&Freytag開發(fā)的，并于1979年獲得專利。它是基于這樣一個現(xiàn)實，即近地面的隧洞工程常常會遇到很多的障礙物。由于很多天然的及人為的障礙物，其形式及材料均不同（如樹根、基礎(chǔ)、石頭及樁柱等），全部機械化的隧洞工程要求多用途及適用的開挖機具，那樣可能很貴。對于不大的隧洞工程，不宜使用全機械化的盾構(gòu)，而適用在水力盾構(gòu)的基礎(chǔ)上開發(fā)水力開挖的水力噴射盾構(gòu)。用切割輪代替機械開挖，使地層開挖在開挖室中通過有目標(biāo)的液體噴射進行。省略布置在中心的驅(qū)動裝置，允許小直徑機器通往隧洞工作面。人工開

18、挖并搬動障礙物，可在任意時間進行，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，密實的及堅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以內(nèi)。由于噴嘴有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，與機械開挖機具相比，成本低得多。隧洞工作面上由濾餅提供的支撐不會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械開挖中更要當(dāng)心，因為射水激石會轉(zhuǎn)變或挪動四周較軟的基底，而不增加開挖的能量。沉浸墻離得遠(yuǎn)，允許用人工拆卸格柵，無需從隧洞面除去支撐液。因為障礙物不能被自動檢測，沉浸墻及所有柔性部分均需超應(yīng)力保護，安全開關(guān)可以避免壓