2 土壓與泥水盾構(gòu)結(jié)構(gòu)原理

1、中鐵隧道集團有限公司中鐵隧道集團有限公司2010.03.17提綱1 泥水盾構(gòu)的概念泥水盾構(gòu)的概念2 泥水盾構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理泥水盾構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理3 泥水盾構(gòu)的基本配置泥水盾構(gòu)的基本配置4 泥水盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定機理泥水盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定機理5 泥水系統(tǒng)的作用和組成泥水系統(tǒng)的作用和組成6 地質(zhì)適應范圍地質(zhì)適應范圍7 泥水盾構(gòu)工程應用案例及視頻泥水盾構(gòu)工程應用案例及視頻分 離 站 調(diào) 漿 池 送 泥 泵 中 繼 泵 排 泥 泵 v泥水加壓平衡盾構(gòu)（slurry pressure balance shield），簡稱SPB盾構(gòu)。是在機械式盾構(gòu)的前部設置隔板，與刀盤之間形成泥水艙,開挖面的穩(wěn)定是將泥漿送入泥水艙內(nèi)，在

2、開挖面上用泥漿形成不透水的泥膜，通過該泥膜的張力保持水壓力，以平衡作用于開挖面的土壓力和水壓力。開挖的土砂以泥漿形式輸送到地面，通過泥水處理設備進行分離，分離后的泥水進行質(zhì)量調(diào)整，再輸送到開挖面。v日本和英國一般采用直接控制型直接控制型泥水盾構(gòu)直接控制型直接控制型泥水系統(tǒng)流程如下：送泥泵從地面泥漿池將新鮮泥漿輸入盾構(gòu)泥水艙，與開挖泥土進行混合，形成稠泥漿，然后由排泥泵輸送到地面泥水分離處理站，經(jīng)分離后排除土碴，而稀泥漿流向調(diào)漿池，再對泥漿密度和濃度進行調(diào)整后，重新輸入盾構(gòu)循環(huán)使用。泥水艙中的泥漿壓力，可通過調(diào)節(jié)送泥泵轉(zhuǎn)速或調(diào)節(jié)控制閥的開度來進行。由于送泥泵安在地面，控制距離長而產(chǎn)生延遲效應，不

3、便于控制泥漿壓力，因此常用調(diào)節(jié)控制閥的開度來進行泥漿壓力調(diào)節(jié)。地地 層層刀盤刀盤進泥管進泥管排泥管排泥管泥漿泥漿壓縮空氣壓縮空氣連通管連通管壓縮空氣壓縮空氣泥模形成區(qū)泥模形成區(qū)v泥水盾構(gòu)主要由以下五大系統(tǒng)構(gòu)成： 一邊利用刀盤挖掘整個開挖面、一邊推進的盾構(gòu)掘進系統(tǒng)； 可調(diào)整泥漿物性，并將其送至開挖面，保持開挖面穩(wěn)定的泥水循環(huán)系統(tǒng)； 綜合管理送排泥狀態(tài)、泥水壓力及泥水處理設備運轉(zhuǎn)狀況的綜合管理系統(tǒng)； 泥水分離處理系統(tǒng)； 壁后同步注漿系統(tǒng)。 水壓PW土壓泥水壓力PS=PC+PW地表面水位線排泥排泥送泥排泥送泥地表下沉水壓PW土壓泥水壓力PSPC+PW地表面水位線排泥 1 及時向開挖面的泥水艙提供盾構(gòu)

4、及時向開挖面的泥水艙提供盾構(gòu)掘進需求的泥漿，用優(yōu)質(zhì)膨潤土配掘進需求的泥漿，用優(yōu)質(zhì)膨潤土配制的泥漿的比重、粘度等技術指標制的泥漿的比重、粘度等技術指標必須滿足在開挖面形成泥膜和穩(wěn)定必須滿足在開挖面形成泥膜和穩(wěn)定開挖面的要求；開挖面的要求； 2 及時把切削下來的土砂形成的泥及時把切削下來的土砂形成的泥漿輸送到地面進行分離和處理，再漿輸送到地面進行分離和處理，再將回收的泥漿調(diào)整利用。將回收的泥漿調(diào)整利用。支護泥水在泥水盾構(gòu)掘進中起著重要作用：支護泥水在泥水盾構(gòu)掘進中起著重要作用： v在開挖面土體表面形成泥膜，泥膜厚度隨在開挖面土體表面形成泥膜，泥膜厚度隨滲透時間增加而增加，從而有效提高滲透滲透時間增

5、加而增加，從而有效提高滲透抵抗力。抵抗力。v 支承、穩(wěn)定開挖面土體。支承、穩(wěn)定開挖面土體。v 盾構(gòu)借助泥水壓力與正面土壓產(chǎn)生泥水平盾構(gòu)借助泥水壓力與正面土壓產(chǎn)生泥水平衡效果，有效支承正面土體。衡效果，有效支承正面土體。v 對刀盤和刀具等切削設備有冷卻和潤滑作對刀盤和刀具等切削設備有冷卻和潤滑作用。用。主要由膨潤土、CMS、純堿和水組成 v膨潤土的作用提高泥水粘度、比重、懸浮性、觸變性vCMS（縮甲基淀粉）的作用降低失水率、增加粘度v純堿（碳酸鈉）調(diào)節(jié)PH值、分散泥水顆粒 為使開挖面穩(wěn)定，須將開挖面的變形控制在最低限度以內(nèi)，希望泥水比重要相當高。但比重高的泥水使得送泥泵處于超負荷狀態(tài)，并將導致泥

6、水處理的困難；而比重低的泥水雖具有減低泵的負荷等優(yōu)點，但卻產(chǎn)生了逸泥量的增加、推遲泥膜的形成。 一般的泥水比重在1.051.3范圍內(nèi)較適宜。 可通過將泥水從漏斗容器流出的時間來判定泥水的粘性(在清水中500cc漏斗粘性是19秒)。通常是采用2540秒/500cc左右值的泥水。泥水盾構(gòu)的泥水系統(tǒng)由四大部分組成泥水盾構(gòu)的泥水系統(tǒng)由四大部分組成 造漿分系統(tǒng)造漿分系統(tǒng) 泥水泥水輸送分系統(tǒng)輸送分系統(tǒng) 泥水泥水處理分系統(tǒng)處理分系統(tǒng) 泥水監(jiān)控分系統(tǒng)泥水監(jiān)控分系統(tǒng)v盾構(gòu)在掘進過程中，需要進行新舊泥漿交替盾構(gòu)在掘進過程中，需要進行新舊泥漿交替補充到盾構(gòu)開挖面，形成一定厚度的泥膜便補充到盾構(gòu)開挖面，形成一定厚度的

7、泥膜便于刀盤切削。于刀盤切削。v當舊漿液漿量不足，需要及時補充新鮮漿液，當舊漿液漿量不足，需要及時補充新鮮漿液，造漿系統(tǒng)根據(jù)漿液的粘度、比重等技術指標造漿系統(tǒng)根據(jù)漿液的粘度、比重等技術指標進行調(diào)整。以便及時向盾構(gòu)泥水艙補充漿液，進行調(diào)整。以便及時向盾構(gòu)泥水艙補充漿液，使開挖面快速形成泥膜，便于開挖面穩(wěn)定和使開挖面快速形成泥膜，便于開挖面穩(wěn)定和盾構(gòu)順利掘進。盾構(gòu)順利掘進。v拌制泥漿的主要材料是膨潤土、拌制泥漿的主要材料是膨潤土、CMS等。等。v泥水拌制系統(tǒng)由新漿槽、新漿泵、新漿攪拌器、新漿泥水拌制系統(tǒng)由新漿槽、新漿泵、新漿攪拌器、新漿貯備槽、貯備槽、CMS攪拌槽、攪拌槽、CMS攪拌器、攪拌器、C

8、MS泵、分配閥泵、分配閥和加水設備組成。和加水設備組成。vCMS攪拌槽貯存化學漿糊、新漿槽貯存膨潤土等材料，攪拌槽貯存化學漿糊、新漿槽貯存膨潤土等材料，將攪拌后的將攪拌后的CMS化學漿糊送入新漿槽進行混合攪拌制化學漿糊送入新漿槽進行混合攪拌制成新鮮漿液成新鮮漿液。v漿液調(diào)整分系統(tǒng)具有新舊漿液攪拌調(diào)整功能，同時也起到貯存漿液作用。v回收的漿液經(jīng)過盾構(gòu)反復應用后，漿液的比重、粘度指標會不斷發(fā)生變化，需要再次把切削土砂形成的混合泥漿通過新漿分系統(tǒng)分配的新漿重新進行漿液技術指標的調(diào)整。v漿液調(diào)整系統(tǒng)由調(diào)整槽、剩余槽、調(diào)整槽攪拌漿液調(diào)整系統(tǒng)由調(diào)整槽、剩余槽、調(diào)整槽攪拌器、剩余槽攪拌器、調(diào)整泵、剩余泵、密

9、度泵、器、剩余槽攪拌器、調(diào)整泵、剩余泵、密度泵、送漿泵和加水設備等組成，送漿泵和加水設備等組成，v調(diào)整槽對新舊漿液進行調(diào)整、剩余槽貯存新舊調(diào)整槽對新舊漿液進行調(diào)整、剩余槽貯存新舊漿液，分別由攪拌器進行攪拌，由密度泵進行漿液，分別由攪拌器進行攪拌，由密度泵進行密度檢測，而后由送漿泵將調(diào)整好的漿液送往密度檢測，而后由送漿泵將調(diào)整好的漿液送往盾構(gòu)泥水艙。盾構(gòu)泥水艙。HMT6,65FDPPPPPPPPPPVers usine detraitement de boueTo slurry treatmentplantDepuis lusine deproduction de boueFrom the be

10、ntonite plantLFMP.3MMPFDPPMPPMP.2.iP.1.1P.2.1P.1.iV01V03V02V04V05V06V07V09V11V12V08V10V13V17V15V16V14V20V19V18V21V24V23V22v泥水處理分系統(tǒng)的作用是將刀盤切削土砂形成的泥水進行顆粒分離。v選擇泥水處理設備時，必須考慮兩個方面：必須能有效地分離排泥漿中的泥土和水分；必須具有與推進速度相適應的處理能力。v泥水系統(tǒng)的運行和操縱由泥水監(jiān)控分系統(tǒng)來泥水系統(tǒng)的運行和操縱由泥水監(jiān)控分系統(tǒng)來實現(xiàn)。實現(xiàn)。v泥水監(jiān)控分系統(tǒng)由泥水監(jiān)控分系統(tǒng)由PLC程序?qū)崿F(xiàn)。通過泥水程序?qū)崿F(xiàn)。通過泥水監(jiān)控分系統(tǒng)的運

11、用，隨時為盾構(gòu)施工提供可監(jiān)控分系統(tǒng)的運用，隨時為盾構(gòu)施工提供可靠的信息和采集泥水系統(tǒng)的技術數(shù)據(jù)?？康男畔⒑筒杉嗨到y(tǒng)的技術數(shù)據(jù)。v泥水監(jiān)控分系統(tǒng)以旁通模式、掘進模式、反泥水監(jiān)控分系統(tǒng)以旁通模式、掘進模式、反循環(huán)模式、隔離模式和長時間停機模式控制循環(huán)模式、隔離模式和長時間停機模式控制等五種不同的狀態(tài)進行監(jiān)控。等五種不同的狀態(tài)進行監(jiān)控。HMT6,65FDPPPPPPPPPPVers usine detraitement de boueTo slurry treatmentplantDepuis lusine deproduction de boueFrom the bentonite plant

12、LFMP.3MMPFDPPMPPMP.2.iP.1.1P.2.1P.1.iV01V03V02V04V05V06V07V09V11V12V08V10V13V17V15V16V14V20V19V18V21V24V23V22泥水加壓盾構(gòu)最初是在沖積粘土和洪積砂泥水加壓盾構(gòu)最初是在沖積粘土和洪積砂土交錯出現(xiàn)的特殊地層中使用，由于泥水土交錯出現(xiàn)的特殊地層中使用，由于泥水對開挖面的作用明顯，因此在軟弱的淤泥對開挖面的作用明顯，因此在軟弱的淤泥質(zhì)土層、松動的砂土層、砂礫層、卵石、質(zhì)土層、松動的砂土層、砂礫層、卵石、砂礫層、砂礫和堅硬土的互層等地層中均砂礫層、砂礫和堅硬土的互層等地層中均適用。適用。目前泥水加

13、壓盾構(gòu)工法對地層的適用范圍目前泥水加壓盾構(gòu)工法對地層的適用范圍不斷擴大，即使處于惡化的施工環(huán)境和存不斷擴大，即使處于惡化的施工環(huán)境和存在地下水等的不良條件下，由于有相應的在地下水等的不良條件下，由于有相應的處理方法，因而幾乎能適應所有的地層。處理方法，因而幾乎能適應所有的地層。 粘土礦物經(jīng)相互間電化學結(jié)合而形成的粘性土層，近似變質(zhì)了的瓊膠塊狀體，由泥水比重和加壓帶來的力容易形成對開挖面的穩(wěn)定，不論粘性土層的軟弱狀態(tài)如何，都適合于用泥水盾構(gòu)施工。泥水盾構(gòu)也適用于粉砂土地層施工 不含水的砂層由于漏漿，不能保持住對開挖面的加壓和穩(wěn)定。不含水的砂層由于漏漿，不能保持住對開挖面的加壓和穩(wěn)定。通常，在含有

14、某一數(shù)量的粉砂土、粘土的沖積層中，幾乎都通常，在含有某一數(shù)量的粉砂土、粘土的沖積層中，幾乎都有一定的含水量，全部都是細砂的地層是少見的，干燥的松有一定的含水量，全部都是細砂的地層是少見的，干燥的松弛砂也很少有，由于砂層內(nèi)摩擦角有許多是在弛砂也很少有，由于砂層內(nèi)摩擦角有許多是在=28左右，左右，所以大部分可用泥水加壓來保持開挖面的穩(wěn)定。松弛的含水所以大部分可用泥水加壓來保持開挖面的穩(wěn)定。松弛的含水量多的砂層，在其它盾構(gòu)工法中很難保持土層穩(wěn)定，可采用量多的砂層，在其它盾構(gòu)工法中很難保持土層穩(wěn)定，可采用泥水盾構(gòu)并提高其泥水比重、粘度和壓力。泥水盾構(gòu)并提高其泥水比重、粘度和壓力。 對于水分多、不含有作

15、為粘合劑的粉砂土及粘土等的礫石層和有大直徑的礫石層，可采用泥水盾構(gòu)施工，并在泥水艙內(nèi)安裝礫石破碎裝置。 貝殼層很難稱為一種土層，但含有水存在于土體中的貝殼很多，同上述礫石層一樣更加堅硬，開挖面很難穩(wěn)定，但使用泥水并用刀盤挖土就可以成為能適應的地層。東京灣海底公路隧道東京灣海底公路隧道 北北 土壓平衡盾構(gòu)是在機械式盾構(gòu)的前部設置隔板，在刀盤的旋轉(zhuǎn)作用下，刀具切削開挖面的泥土，破碎的泥土通過刀盤開口進入土艙，使土艙和排土用的螺旋輸送機內(nèi)充滿切削下來的泥土，依靠盾構(gòu)推進油缸的推力通過隔板給土艙內(nèi)的土碴加壓，使土壓作用于開挖面以平衡開挖面的水土壓力。v刀盤刀盤v刀盤驅(qū)動刀盤驅(qū)動v刀盤支承刀盤支承v碴土

16、改良系統(tǒng)碴土改良系統(tǒng)v螺旋輸送機螺旋輸送機v皮帶輸送機皮帶輸送機v同步注漿系統(tǒng)同步注漿系統(tǒng)v盾尾密封系統(tǒng)盾尾密封系統(tǒng)v管片安裝機管片安裝機v數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)v導向系統(tǒng)導向系統(tǒng)v土刀盤驅(qū)動v驅(qū)動方式有三種刀盤支承 皮帶輸送機v同步注漿系統(tǒng)的目的主要有以下三個方面： 。1)1)鉸接密封鉸接密封 2)2)盾尾密封盾尾密封 v隨時掌握和分析盾構(gòu)在掘進過程的各種參數(shù)，是指導盾構(gòu)正常掘進不可缺少的條件。v導向系統(tǒng)由經(jīng)緯儀、ELS靶、后視棱鏡、計算機等組成，能連續(xù)不斷地提供關于盾構(gòu)姿態(tài)的最新信息。通過適當?shù)霓D(zhuǎn)向控制，可將盾構(gòu)控制在設計隧道線路允許公差范圍內(nèi)。導向系統(tǒng)的主要基準點是由一個從激光經(jīng)緯儀發(fā)射出的激光束，經(jīng)緯儀安裝在盾構(gòu)后方的管片上。v切刀呈靴狀，切刀的切削原理是盾構(gòu)向前推進的切刀呈靴狀，切刀的切削原理是盾構(gòu)向前推進的同時，切刀隨刀盤旋轉(zhuǎn)對開挖面土體產(chǎn)生軸向剪同時，切刀隨刀盤旋轉(zhuǎn)對開挖面土體產(chǎn)生軸向剪切力和徑向切削力，在刀盤的轉(zhuǎn)動下，通過刀刃切力和徑向切削力，在刀盤的轉(zhuǎn)動下，通過刀刃和刀頭部分插入到地層內(nèi)部，象犁子犁地一樣切和刀頭部分插入到地層內(nèi)部，象