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长江盾构穿越施工安全控制技术目录第一部分盾构概述一、盾构施工技术的发展1818年——布鲁尔（Brunel）研究出了开敞式手掘盾构机，1823年在伦敦泰晤士河水底公路隧道进行了盾构试验，后因坍方事故中止。Brunel对盾构进行了改进，于1834年使工程再次上马，历时7年于1841年隧道贯通。1869年——采用Greathead新开发的圆形盾构铸铁管片，在伦敦泰晤士河水底第二条隧道。1887年——气压盾构在南伦敦铁路隧道中应用。19世纪末～20世纪初——城市隧道工程促进了闭胸式盾构的产生，盾构工法相继传入美国、日本、法国、德国等国家。20世纪60年代至80年代——盾构工法迅速发展，完善了气压盾构、挤压（网格）盾构、插刀盾构、泥土加压盾构、泥水盾构等，盾构工法在地铁、市政隧道、公路隧道等的建设中得到广泛应用。20世纪80年代至今——研制出了加气泡盾构，同时大直径盾构、异形断面盾构（方形、椭圆形、马蹄形等）、双圆盾构、三圆盾构等得到发展。二、盾构机的构成盾构掘进机一般由盾构壳、推进千斤顶、正面支撑机构、挖土及运输组、衬砌拼装机构、液压系统、注浆系统和盾尾装置组成。盾构机的刀盘是安装在盾构机前面的旋转部分。它是用于开挖岩土、切削土层的主要部件，通过在刀盘上安装不同的刀具，就可分别完成软土和硬岩的开挖，以适应不同地质施工的要求。1、刀盘种类名称用途设置部位固定刀具掘削掘削面面板正面旋转刀具掘削掘削面面板正面超前刀具超前掘削面板正面导向钻头破碎地层面板正面外沿保护刀具保护刀盘外沿面板正面外沿修边刀具减小推进阻力面板外沿背面保护刀具保护背面面板面板背面加泥嘴保护刀具保护加泥嘴加泥嘴部位掘削障碍物刀具掘削障碍物面板正面外围刀具按掘削目的、设置位置和用途的分类刮刀贝壳刀鱼尾刀超挖刀刀具实物图2、盾体盾体的盾壳是一个用厚钢板焊接成的圆柱筒体，厚度为45mm,是承受地下水压、土压力、盾构千斤顶的推力、管片拼装时的附加力及各种施工载荷的承力钢结构，同时也保护操作人员安全。盾体内的主要结构部件包括刀盘驱动马达、人闸、推进油缸、铰接油缸等。盾体分为前盾、中盾和盾尾三部分。盾尾中盾前盾D环C环B环A环刀盘（1）前盾的主要组件：刀盘驱动、刀盘电机、中心回转体、人仓基座牛腿中心回转体螺旋机前闸门刀盘电机人仓基座前盾正面前盾背面（2）中盾的主要组件：推进油缸、铰接油缸、管片拼装机基座、阀块、管系等推进油缸铰接油缸铰接阀组推进控制阀块推进千斤顶撑靴管片拼装机基座中盾正面中盾背面（2）盾尾内置注浆管盾尾刷盾尾油脂注入孔3、管片拼装机管片安装机安装在盾体内，用于单块衬砌管片的就位，为中空的环形结构。它由悬臂梁、移动机架、回转机架、安装头等构件组成。速度0.2-1.5rpm旋转角度±220度3、螺旋输送机螺旋输送机通过一个密封套装在盾构机的土仓底部。机壳上留有添加剂注入口，可以根据渣土情况注入泡沫、膨润土等添加剂。螺旋输送机出渣口安装有滑动式闸门，该闸门的开度能调节，从而调节螺旋输送机的送料速度，使土仓保持一定的压力。螺旋输送机装有土压传感器，用于检测输送机内部的土压力，并反馈给PLC系统或操作人员，以决定对螺旋输送机的转速、出渣闸门的开度大小进行调整，从而很好的控制出土量，达到控制土仓压力的目的，最终保证盾构机的正常掘进。5、后配套系统设备连接桥（管片吊、泡沫发生器、注浆气动阀及管系等）一号台车（主泵站、油箱、盾尾油脂泵、润滑油脂泵等）二号台车（操作室、注浆罐、注浆泵等）三号台车（变频柜、膨润土系统、注浆系统液压站等）四号台车（主配电柜、泡沫系统等）五号台车（循环水系统、主变压器、皮带机驱动、出碴口等）六号台车（空压机、储气罐、二次通风机、电缆托盘等）管片吊喂片机皮带机设备连接桥正面注浆气动阀泡沫发生器设备连接桥侧面一号台车二号台车三号台车（左）三号台车（右）四号台车（左）四号台车（右）五号台车（左）五号台车（右）六号台车（左）六号台车（右）6、施工配套土箱管片车管片车浆液车土箱土箱电瓶车三、盾构施工的原理（一）泥水平衡盾构机原理1、泥水平衡盾构概念分离站调浆池送泥泵中继泵排泥泵泥水加压平衡盾构：是在机械式盾构的前部设置隔板，与刀盘之间形成泥水舱,开挖面的稳定是将泥浆送入泥水舱内，在开挖面上用泥浆形成不透水的泥膜，通过该泥膜的张力保持水压力，以平衡作用于开挖面的土压力和水压力。开挖的土砂以泥浆形式输送到地面，通过泥水处理设备进行分离，分离后的泥水进行质量调整，再输送到开挖面。2、泥水平衡盾构分类泥水盾构根据泥水舱构造形式和对泥浆压力的控制方式的不同，泥水盾构分为:直接控制型和间接控制型直接控制型：送泥泵从地面泥浆池将新鲜泥浆输入盾构泥水舱，与开挖泥土进行混合，形成稠泥浆，然后由排泥泵输送到地面泥水分离处理站，经分离后排除土碴，而稀泥浆流向调浆池，再对泥浆密度和浓度进行调整后，重新输入盾构循环使用。泥水舱中的泥浆压力，可通过调节送泥泵转速或调节控制阀的开度来进行。由于送泥泵安在地面，控制距离长而产生延迟效应，不便于控制泥浆压力，因此常用调节控制阀的开度来进行泥浆压力调节。间接控制型：其泥水系统由泥浆和空气双重回路组成。在盾构的泥水舱内插装一道半隔板，在半隔板前充以压力泥浆，在半隔板后面盾构轴心线以上部分充以压缩空气，形成空气缓冲层，气压作用在半隔板后面与泥浆的接触面上，由于接触面上气、液具有相同压力，因此只要调节空气压力，就可以确定和保持在开挖面上相应的泥浆支护压力。排泥送泥地表下沉水压PW土压泥水压力PSPC+PW地表面水位线排泥3、开挖面稳定机理泥水盾构通过向密封的泥水舱内输送加压的泥水来获得开挖面的稳定，对于不透水性的粘土，泥浆压力适当大于围岩主动土压力，就可以保证隧道开挖面的稳定；对于透水性大的砂性土，泥浆会渗入到土层内一定深度，并在很短时间内，在土层表面形成不透水的泥膜，使泥浆压力在开挖面上产生与作业面上的土压、水压相抗衡的泥水压，以保持作业面的稳定。当泥水舱内的泥水压力大于地层压力和水压力时，地表将会隆起；当泥水舱内的泥水压力小于地层压力和水压力时，地表将会下沉。因此泥水舱内的泥水压力应与地层土压力和水压力平衡。水压PW土压泥水压力PS=PC+PW地表面水位线排泥排泥送泥排泥送泥地表隆起水压PW土压泥水压力PSPC+PW地表面水位线排泥4、泥水系统支护泥水在泥水盾构掘进中起着重要作用：在开挖面土体表面形成泥膜，泥膜厚度随渗透时间增加而增加，从而有效提高渗透抵抗力。支承、稳定开挖面土体。盾构借助泥水压力与正面土压产生泥水平衡效果，有效支承正面土体。对刀盘和刀具等切削设备有冷却和润滑作用。泥水系统构成：主要由膨润土、CMS、纯碱和水组成膨润土的作用提高泥水粘度、比重、悬浮性、触变性CMS（缩甲基淀粉）的作用降低失水率、增加粘度纯碱（碳酸钠）调节PH值、分散泥水颗粒造浆分系统包括泥水拌制分系统和浆液调整分系统盾构在掘进过程中，需要进行新旧泥浆交替补充到盾构开挖面，形成一定厚度的泥膜便于刀盘切削。当旧浆液浆量不足，需要及时补充新鲜浆液，造浆系统根据浆液的粘度、比重等技术指标进行调整。以便及时向盾构泥水舱补充浆液，使开挖面快速形成泥膜，便于开挖面稳定和盾构顺利掘进。拌制泥浆的主要材料是膨润土、CMS等。泥水盾构的泥水系统由四大部分组成⑴造浆分系统⑵泥水输送分系统⑶泥水处理分系统⑷泥水监控分系统泥水拌制系统泥水拌制系统由新浆槽、新浆泵、新浆搅拌器、新浆贮备槽、CMS搅拌槽、CMS搅拌器、CMS泵、分配阀和加水设备组成。CMS搅拌槽贮存化学浆糊、新浆槽贮存膨润土等材料，将搅拌后的CMS化学浆糊送入新浆槽进行混合搅拌制成新鲜浆液。浆液调整系统浆液调整系统由调整槽、剩余槽、调整槽搅拌器、剩余槽搅拌器、调整泵、剩余泵、密度泵、送浆泵和加水设备等组成，调整槽对新旧浆液进行调整、剩余槽贮存新旧浆液，分别由搅拌器进行搅拌，由密度泵进行密度检测，而后由送浆泵将调整好的浆液送往盾构泥水舱。HMT6,65FDPPPPPPPPPPVersusinedetraitementdeboueToslurrytreatmentplantDepuisl'usinedeproductiondeboueFromthebentoniteplantLFMP.3MMPFDPPMPPMP.2.iP.1.1P.2.1P.1.iV01V03V02V04V05V06V07V09V11V12V08V10V13V17V15V16V14V20V19V18V21V24V23V22泥水输送分系统泥水输送分系统将调整浆通过送泥泵与送泥管道输送至盾构泥水舱。刀盘切削下来的土砂和泥水舱中的泥水合成的泥浆，通过排泥泵与排泥管道送往地面的泥水处理分系统进行分离。泥水输送分系统主要由送排泥泵、阀、送排泥管道及配套部件等组成，通过泥水监控分系统进行自动化操作。泥水处理分系统泥水处理分系统的作用是将刀盘切削土砂形成的泥水进行颗粒分离。选择泥水处理设备时，必须考虑两个方面：①必须能有效地分离排泥浆中的泥土和水分；②必须具有与推进速度相适应的处理能力。采用振动筛作为首道初级分离，振动筛的作用是对泥水作预处理，去除团状和块状等粗大颗粒。粗颗粒的分离一般采用双层或三层振动筛。旋流器采用旋流器进行第二道分离．旋流器的主要功能是将经过振动筛分离以后的中细颗粒浆液再次进行细化处理，逐次降低浆液粒径，一般采用多级旋流器进行处理。旋流器的工作原理是依据水动力高速旋转产生的离心力达到处理目的，利用旋流泵在旋转过程使旋流器产生负压力，迫使旋流器内部悬浮的细微颗粒，通过离心作用产生螺旋式上升，通过上溢口被负压力挤出，浆液中粗重颗粒在自重的重力作用下落入下溢口弃浆槽内。旋流器不同的内径和颈长比以及不同的工作压力，会起到不同的处理效果。泥水监控分系统泥水系统的运行和操纵由泥水监控分系统来实现。泥水监控分系统由PLC程序实现。通过泥水监控分系统的运用，随时为盾构施工提供可靠的信息和采集泥水系统的技术数据。泥水监控分系统以旁通模式、掘进模式、反循环模式、隔离模式和长时间停机模式控制等五种不同的状态进行监控。（二）土压平衡盾构机1、土压平衡盾构概念土压平衡盾构：是在机械式盾构的前部设置隔板，在刀盘的旋转作用下，刀具切削开挖面的泥土，破碎的泥土通过刀盘开口进入土舱，使土舱和排土用的螺旋输送机内充满切削下来的泥土，依靠盾构推进油缸的推力通过隔板给土舱内的土碴加压，使土压作用于开挖面以平衡开挖面的水土压力。2、土压平衡盾构工作原理刀盘旋转切削开挖面的泥土，破碎的泥土通过刀盘开口进入土舱，泥土落到土仓底部后，通过螺旋输送机运到皮带输送机上，然后输送到停在轨道上的碴车上。盾构在推进油缸的推力作用下向前推进。盾壳对挖掘出的还未衬砌的隧道起着临时支护作用，承受周围土层的土压、承受地下水的水压以及将地下水挡在盾壳外面。掘进、排土、衬砌等作业在盾壳的掩护下进行。3、土压平衡盾构出渣渣土改良系统主要有膨润土添加系统和泡沫系统。是盾构掘进的调节媒介。采用该系统，对于不同的地质条件，通过添加塑流化改性材料，改善盾构土舱内切削土体的塑流性，既可实现平衡开挖面水土压力，又能向外顺畅排土，拓宽了土压平衡盾构的适应范围。螺旋输送机螺旋输送机由伸缩筒、出碴筒、液压马达、螺旋轴、出碴闸门组成。是土压平衡盾构的排土装置，主要有以下三个功能：①将盾构土仓内的土体向外连续排出，②土体在螺旋输送机内向外排出的过程中形成密封土塞，阻止土体中的水分散失，保持土仓内土压的稳定。③将盾构土仓内的土压值自动与设定土压值进行比较，随时调整向外排土的速度，控制盾构土仓内实现连续的动态土压平衡过程，确保盾构连续正常向前掘进。皮带输送机将碴土从螺旋输送机的出碴口运到碴车内。四、盾构施工的特点（一）盾构法施工的优点1、盾构法隧道施工不受地面自然条件的影响。在盾构支护下进行地下工程暗挖施工，不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节、气候等条件的影响，能较经济合理地保证隧道安全施工；2、盾构法施工隧道机械化、自动化程度高。盾构的推进、出土、衬砌拼装等可实行