土壓平衡盾構(gòu) 盾構(gòu)結(jié)構(gòu)

盾構(gòu)構(gòu)造與施工技術(shù)土壓平衡盾構(gòu)盾構(gòu)前進(jìn)時(shí)其前端刀盤旋轉(zhuǎn)掘削地層、土體，掘削下來的土體涌入土倉(cāng)。當(dāng)掘削土體充滿土倉(cāng)時(shí)，由于盾構(gòu)的推進(jìn)作用，致使掘削土體對(duì)掘削面加壓。當(dāng)該加壓壓力與掘削地層的土壓和水壓之和相等，隨后也能維持螺旋輸送機(jī)的排土量與掘土量相等，把這種穩(wěn)定的出土狀態(tài)稱為掘削面平衡。一、土壓平衡土壓平衡：就是盾構(gòu)密封艙內(nèi)始終充滿了用刀盤切削下來的土，并保持一定壓力平衡開挖面的土壓力和地下水壓。地下水壓力+土壓力=土倉(cāng)壓力土壓平衡盾構(gòu)特別適用于低滲透性的含有黏土、粉土或淤泥的混合土質(zhì)；刀盤挖出的渣土支撐著隧道面。渣土應(yīng)具有的特點(diǎn)：1.高可塑性2.流體、軟連續(xù)性3.低內(nèi)摩擦性4.低滲水性。設(shè)備少，現(xiàn)場(chǎng)占地面積小二、土壓平衡盾構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)1.成本低。2.適應(yīng)地層范圍寬3.出土效率高排出的多是泥土幾乎對(duì)所有地層均可適用，特別是大礫石含礫率高的地層1.掘削扭矩大缺點(diǎn)掘削摩擦阻力大，扭矩大，致使裝備扭矩大，功耗大2.地層沉降大與泥水盾構(gòu)相比，對(duì)周圍地層擾動(dòng)大3.直徑不能過大二、土壓平衡盾構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)土壓平衡盾構(gòu)結(jié)構(gòu)主要包括刀盤、前盾、中盾、尾盾、主軸承、人倉(cāng)、安裝機(jī)軌道梁、管片安裝機(jī)和吊機(jī)、臺(tái)車結(jié)構(gòu)以及在臺(tái)車上布置的設(shè)備包括控制室、空壓機(jī)、電器設(shè)備、水泵水箱等。三、土壓平衡盾構(gòu)的結(jié)構(gòu)泥水盾構(gòu)由以下五大系統(tǒng)組成：①開挖系統(tǒng)；②出渣系統(tǒng)；③拼裝系統(tǒng)；④壁后注漿系統(tǒng)⑤推進(jìn)系統(tǒng)。1.為掘進(jìn)渣土排出的唯一通道，從承壓的開挖倉(cāng)中將土料排送到大氣壓下的隧道中。2.在滲水地層中予以密封，抵抗承壓水；3.通過控制排除料，在螺旋輸送機(jī)內(nèi)形成的土塞建立前方密封艙內(nèi)的壓力。1、螺旋輸送機(jī)的功用三、螺旋輸送機(jī)1.噴涌形成的施工環(huán)境（1）富水砂土地層引發(fā)噴涌；（2）富水?dāng)嗔褞бl(fā)噴涌；（3）江河下隔水層被擊穿引發(fā)噴涌；（4）已成隧道滲流匯水到開挖面引發(fā)噴涌；（5）泥餅引發(fā)噴涌。2、螺旋輸送器的噴涌及防治措施2.防治措施（1）在富水的砂層中，處理方法是加入適量的添加劑改善渣土的和易性；（2）在自立性好的地層中止水，如果管片同步注漿不充分，應(yīng)該再通過管片進(jìn)行雙液注漿，以盡快封堵隧道背后的匯水通道；（3）在黏性土中防噴涌的辦法是先防止結(jié)泥餅。1.引發(fā)地表塌陷前方壓力不穩(wěn)定2.引發(fā)地表隆起

推力加大3.引發(fā)江底噴涌和塌陷

4.引發(fā)盾構(gòu)機(jī)主軸承損壞

總推力、扭矩增大土倉(cāng)內(nèi)溫度增高，掘進(jìn)速度下降四、泥餅的成因及防治措施泥餅造成的危害泥餅的成因1.地質(zhì)條件可塑、硬塑狀的黏土類地層，黏土質(zhì)砂土地層，泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，母巖為花崗巖的殘積土層、全風(fēng)化巖層和強(qiáng)風(fēng)化巖層等。黏土礦物含量超過25%2.盾構(gòu)機(jī)型（1）刀盤系統(tǒng)（2）攪拌系統(tǒng)——刀盤支撐、活動(dòng)型攪拌棒、固定攪拌棒（3）螺旋輸送器3.施工條件

誤判地質(zhì)，設(shè)定過高的出土壓力，渣土改良，密封土倉(cāng)保壓時(shí)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)泥餅的防治措施1.根據(jù)地質(zhì)條件，有針對(duì)性地向密封艙和刀盤面板適量加注高質(zhì)量的泡沫、聚合物、膨潤(rùn)土或其中的兩種混合液甚至3種混合液等，以改善土體的和易性和塑性；2.在淺埋隧道施工，刀盤開口率小于40%，并且地層相對(duì)自穩(wěn)時(shí)，設(shè)定的出土壓力不宜超過主動(dòng)土壓，且最好控制在1kg/cm2以下，即宜采用欠土壓平衡模式掘進(jìn)；3.若地層穩(wěn)定性較差，但隔氣性較好時(shí)，宜采用輔助氣壓作業(yè)，掘進(jìn)也宜采用欠土壓平衡模式；4.采用冷卻措施，避免密封土艙高溫高熱；5.避免密封土艙飽滿時(shí)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，宜以泥漿或黏性差的砂土代替部分土體充填密封土艙。添加材的種類和特征塑流性、抗?jié)B性、止水性；添加材的功能（1）提高塑流性，保證土料能不斷地流送到螺旋輸送機(jī)，防止渣土卡住刀盤及大塊石沉入土艙底部，造成出渣困難、渣土阻塞；（2）開挖室內(nèi)土料具有的軟稠度和良好的塑性變形，使支撐壓力能規(guī)則地作用于開挖面，保證開挖面平衡穩(wěn)定；（3）提高渣土的抗?jié)B性，在螺旋輸送機(jī)形成土塞效應(yīng)，防止噴涌；（4）減小刀盤及刀具的磨損與破壞，減少對(duì)螺旋輸送機(jī)的磨損；（5）降低了刀盤和螺旋輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩，減少電力消耗。五、渣土改良添加材的特性（1）密度雖高，但流動(dòng)性好，不發(fā)生材料分離和沉積；（2）滲入、填充、封堵掘削土顆粒間隙好；（3）使用方便，安全性好，排出掘削土對(duì)環(huán)境無污染，處理方便；（4）價(jià)格便宜，市場(chǎng)供貨穩(wěn)定。添加材的種類和使用目的1）礦物類；補(bǔ)充微粒、細(xì)粒成分，使黏土內(nèi)的內(nèi)摩檫角變小，可在土壓作用下發(fā)生變形和破壞，流動(dòng)性、止水性有一定程度的提高2）纖維類、多糖類、負(fù)離子；CMC（鈉羧甲基纖維素）為代表的纖維素類，可把土砂顆粒間隙中的自由水?dāng)D走，使顆粒間發(fā)生黏結(jié)，即內(nèi)摩擦角減小，流動(dòng)性提高；負(fù)離子類乳膠添加材可在土砂顆粒與水之間形成絮狀凝結(jié)物，使其發(fā)生黏結(jié)，即內(nèi)摩擦角減小，流動(dòng)性提高；這些材料與掘削土攪拌混合提高泥土塑流性和止水性的同時(shí)，還呈現(xiàn)用泵壓送的有效性；在掘削土的處理中，需要噴灑可以解除膠化的分解處理材料。4）表面活性材料使用的是特殊氣泡劑特殊氣泡劑與壓縮空氣產(chǎn)生氣泡和掘削土經(jīng)攪拌混合后，氣泡劑擠走土砂中的自由水，并靠氣泡的軸承作用，可以提高掘削土的塑流性和止水性。同時(shí)，還可以防止泥土的壓密黏附?；烊霘馀莸木蛳魍量梢韵?，所以對(duì)掘削土的處理容易。3）高吸水樹脂類；吸水但不溶于水，不會(huì)被地下水稀釋劣化，故在高壓水壓的地層中可以防止地下水的噴出5）復(fù)合添加材優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，比使用單一的添加材效果好。1.泡沫注入裝置泡沫劑儲(chǔ)罐、泡沫劑泵、水泵、安全閥、溶液計(jì)量調(diào)節(jié)閥、空氣計(jì)量調(diào)節(jié)閥、液體流量計(jì)、氣體流量計(jì)、泡沫發(fā)生器及連接管路等。包括：添加材配置設(shè)備、注入泵、輸送管道、注入口（刀盤中心鉆頭前端）添加材注入系統(tǒng)使用泡沫劑的目的：改善土體的和易性，保持密封土倉(cāng)內(nèi)土壓力的穩(wěn)定和出土的順暢。泡沫注入裝置（2）加到工作面上的泡沫，會(huì)形成一個(gè)不透水層，降低土體的滲透性，減少滲漏，增強(qiáng)工作面的密封性，使工作面壓力變動(dòng)小，有利于穩(wěn)定密土倉(cāng)壓力。（1）降低渣土的內(nèi)摩檫力，減少渣土對(duì)刀盤等部件的摩擦，從而降低刀盤的扭矩為核定扭矩的20%~50%。同時(shí)有助于減少刀具的磨損，并使盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)驅(qū)動(dòng)功率減少。（4）增強(qiáng)土體的流動(dòng)性，從而使其容易充滿密封土倉(cāng)和螺旋輸送器的全部空間，便于螺旋輸送器出土。（3）降低土體間的黏著力，減少密封土倉(cāng)中土體壓實(shí)形成泥餅。（5）可以增加土體的可壓縮性，更易于土壓平衡的控制。膨潤(rùn)土箱、膨潤(rùn)土泵、相關(guān)的管路控制閥及連接管路。（2）同步注漿停止時(shí)泵入膨潤(rùn)土以置換砂漿，防止注漿管路內(nèi)砂漿沉淀、凝固而發(fā)生堵塞。（1）利用膨潤(rùn)土的潤(rùn)滑性和黏性改良渣土，增加渣土的流動(dòng)性和和易性，防止其在刀盤面、密封土倉(cāng)或螺旋輸送器內(nèi)結(jié)泥餅。（4）可以改變密封土倉(cāng)內(nèi)渣土的和易性，提高砂性土的塑性，以便于出土，減少噴涌。膨潤(rùn)土注入裝置（3）可以在工作面上形成低滲透性的泥膜，有利于給工作面?zhèn)鬟f密封土倉(cāng)的壓力，以便平衡更大的水土壓力。。（5）盾殼周邊充滿噴膨潤(rùn)土，可以減少盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)力，提高有效推力；同時(shí)，可以降低刀盤扭矩，節(jié)約能耗。主要有膨潤(rùn)土添加系統(tǒng)和泡沫系統(tǒng)，是盾構(gòu)掘進(jìn)的調(diào)節(jié)媒介。采用該系統(tǒng)，對(duì)于不同的地質(zhì)條件，通過添加塑流化改性材料，改善盾構(gòu)土倉(cāng)內(nèi)切削土體的塑流性，既可實(shí)現(xiàn)平衡開挖面水土壓力，又能向外順暢排土，拓寬了土壓平衡盾構(gòu)的適應(yīng)范圍。碴土改良系統(tǒng)示意圖渣土改良系統(tǒng)掘削面穩(wěn)定機(jī)理土壓平衡盾構(gòu)保持密封土倉(cāng)內(nèi)承壓介質(zhì)是泥土。六、掘削面穩(wěn)定管理作為支撐介質(zhì)應(yīng)具備的性質(zhì)：（1）具有良好的塑性變形；（2）內(nèi)摩檫力??；（3）能漿化到軟稠的狀態(tài)；（4）滲透性低。土壓盾構(gòu)掘削面穩(wěn)定的必要條件：（1）泥土壓必須可以對(duì)抗掘削面上地層的土壓和水壓；（2）必須可以利用螺旋輸送機(jī)等排土機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)排土量；（3）對(duì)必須混入添加材的土質(zhì)而言，注入的添加材必須可使泥土的塑流性和抗?jié)B性提高到滿足掘削面穩(wěn)定要求的水準(zhǔn)。泥土的功能和特性（1）防止掘削面坍塌；（2）具有一定的塑流性，可以確保排土順暢，進(jìn)而保證掘削面穩(wěn)定；（3）管不泥土構(gòu)成不滲水層，以防止地下水從排土口噴出。1.泥土的功能黏性地層的泥土特性：多數(shù)情況下呈現(xiàn)較好的塑流性；但在砂含有率高的地層和洪積層中，因含水率低、塑流性差，土艙內(nèi)易發(fā)生泥土黏附。2.泥土的特性砂質(zhì)地層的泥土特性：掘削土不僅流動(dòng)性差，而且滲水性也大，必須確保止水性。特別是細(xì)粒含有率低于30%時(shí)，滲水傾向嚴(yán)重。土壓的主要影響因素：（1）掘進(jìn)速度；（2）挖出渣土的數(shù)量（3）改良渣土所用的添加介質(zhì)。1.土壓的管理土壓調(diào)節(jié)方法：（1）調(diào)節(jié)螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)；（2）調(diào)節(jié)盾構(gòu)千斤頂?shù)耐七M(jìn)速度；（3）兩者組合控制