2 土压与泥水盾构结构原理

中铁隧道集团有限公司2010.03.17陈馈第一篇泥水盾构结构原理提纲1泥水盾构的概念2泥水盾构的结构原理3泥水盾构的基本配置4泥水盾构开挖面稳定机理5泥水系统的作用和组成6地质适应范围7泥水盾构工程应用案例及视频分离站调浆池送泥泵中继泵排泥泵1、泥水加压平衡盾构的概念泥水加压平衡盾构（slurrypressurebalanceshield），简称SPB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、结构原理◆泥水盾构有两种体系。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泥水盾构日本和英国一般采用直接控制型泥水盾构●直接控制型泥水系统流程如下：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。间接控制型泥水盾构德国采用间接控制型泥水盾构，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。地层刀盘进泥管排泥管泥浆压缩空气连通管压缩空气泥模形成区两种体系的比较间接控制型泥水盾构（+/-0.05bar）与直接控制型泥水盾构(+/-1.0bar)相比，因间接控制型泥水盾构采用气压控制泥浆压力，气压具有缓冲作用，所以泥水压力的波动小,对开挖面土层支护更为稳定，对地表变形控制也更为有利。3、基本配置泥水盾构主要由以下五大系统构成：●一边利用刀盘挖掘整个开挖面、一边推进的盾构掘进系统；●可调整泥浆物性，并将其送至开挖面，保持开挖面稳定的泥水循环系统；●综合管理送排泥状态、泥水压力及泥水处理设备运转状况的综合管理系统；●泥水分离处理系统；●壁后同步注浆系统。4、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。泥水压力与水压力及土压力平衡水压PW土压泥水压力PS=PC+PW地表面水位线排泥排泥送泥泥水压力小于水压力及土压力之和排泥送泥地表下沉水压PW土压泥水压力PSPC+PW地表面水位线排泥泥水压力大于水压力及土压力之和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5、泥水系统的作用和组成泥水系统的作用1及时向开挖面的泥水舱提供盾构掘进需求的泥浆，用优质膨润土配制的泥浆的比重、粘度等技术指标必须满足在开挖面形成泥膜和稳定开挖面的要求；2及时把切削下来的土砂形成的泥浆输送到地面进行分离和处理，再将回收的泥浆调整利用。支护泥水的作用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。泥水配比设计主要由膨润土、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、分散泥水颗粒泥水的技术指标泥水比重为使开挖面稳定，须将开挖面的变形控制在最低限度以内，希望泥水比重要相当高。但比重高的泥水使得送泥泵处于超负荷状态，并将导致泥水处理的困难；而比重低的泥水虽具有减低泵的负荷等优点，但却产生了逸泥量的增加、推迟泥膜的形成。一般的泥水比重在1.05~1.3范围内较适宜。泥水的粘度可通过将泥水从漏斗容器流出的时间来判定泥水的粘性(在清水中500cc漏斗粘性是19秒)。通常是采用25~40秒/500cc左右值的泥水。泥膜形成机理类型1：几乎不让泥水渗透，仅形成泥膜。类型2：地层土的间隙较大，仅让泥水渗透过去，没有形成泥膜。类型3：是上述两种类型的中间状态，边让泥水渗透，边形成泥膜。泥水系统的组成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。浆液调整分系统浆液调整分系统具有新旧浆液搅拌调整功能，同时也起到贮存浆液作用。回收的浆液经过盾构反复应用后，浆液的比重、粘度指标会不断发生变化，需要再次把切削土砂形成的混合泥浆通过新浆分系统分配的新浆重新进行浆液技术指标的调整。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。旁通模式待机模式，用于盾构不进行开挖时执行其它功能。这个模式也用于当盾构从一种功能切换到另一种功能时。特别是，旁通功能是用于安装管片的情况。掘进模式开挖时使用此模式。根据气垫室里泥浆的液位以及所要求的排渣流量，对P1.1和P2.1的转速分别进行调整。调整P1.1泵的转速用以校正泥浆\气垫界面液位达到所要求的值。HMT6,65FDPPPPPPPPPPVersusinedetraitementdeboueToslurrytreatmentplantDepuisl'usinedeproductiondeboueFromthebentoniteplantLFMP.3MMPFDPPMPPMP.2.iP.1.1P.2.1P.1.iV01V03V02V04V05V06V07V09V11V12V08V10V13V17V15V16V14V20V19V18V21V24V23V22反循环模式这个模式使开挖室里的泥浆逆向流动。仅用于一些特别情况，特别是在开挖室内发生阻塞，或用于清理排渣管道。隔离模式这个模式使隧道里的泥浆管道系统与地面系统处于完全隔离的状态，但此时设在地面的分离厂的回路仍保持流通。这种模式常用于隧道泥浆管道延伸时的情况。长时间停机模式这个模式是自动控制的。此时所有泵都停止运转。开挖面压力由压缩空气回路来控制。当气垫室泥浆液位低于预定的低限时，便进行校正。6、泥水盾构地质适应范围泥水加压盾构最初是在冲积粘土和洪积砂土交错出现的特殊地层中使用，由于泥水对开挖面的作用明显，因此在软弱的淤泥质土层、松动的砂土层、砂砾层、卵石、砂砾层、砂砾和坚硬土的互层等地层中均适用。目前泥水加压盾构工法对地层的适用范围不断扩大，即使处于恶化的施工环境和存在地下水等的不良条件下，由于有相应的处理方法，因而几乎能适应所有的地层。粘性土层粘土矿物经相互间电化学结合而形成的粘性土层，近似变质了的琼胶块状体，由泥水比重和加压带来的力容易形成对开挖面的稳定，不论粘性土层的软弱状态如何，都适合于用泥水盾构施工。泥水盾构也适用于粉砂土地层施工砂层不含水的砂层由于漏浆，不能保持住对开挖面的加压和稳定。通常，在含有某一数量的粉砂土、粘土的冲积层中，几乎都有一定的含水量，全部都是细砂的地层是少见的，干燥的松弛砂也很少有，由于砂层内摩擦角有许多是在φ=28°左右，所以大部分可用泥水加压来保持开挖面的稳定。松弛的含水量多的砂层，在其它盾构工法中很难保持土层稳定，可采用泥水盾构并提高其泥水比重、粘度和压力。砾石层对于水分多、不含有作为粘合剂的粉砂土及粘土等的砾石层和有大直径的砾石层，可采用泥水盾构施工，并在泥水舱内安装砾石破碎装置。贝壳层贝壳层很难称为一种土层，但含有水存在于土体中的贝壳很多，同上述砾石层一样更加坚硬，开挖面很难稳定，但使用泥水并用刀盘挖土就可以成为能适应的地层。泥水盾构能适用于各类地质的土层，对开挖面难以稳定的土质特别有效，还能克服地面条件和其它地下条件的因素所造成的种种困难，譬如上部是河或海等有水体的地方；有道路、建筑物的地方；适合于要减少沉降的地方等。在这些场所采用泥水加压盾构，无论在工法上还是经济上都是有效的。7、泥水盾构的工程应用东京湾海底公路隧道日本于1998年建成通车的东京湾公路工程，全长15.1km，其中海底隧道长9.12km，由两条