第三章盾构机类型与基本原理

第三章盾构机类型与基本原理1、按照平衡开挖面的方式A、插板式B、挤压网格式C、土压平衡式D、泥水平衡式E、加泥式F、加水式3.1盾构机的种类2、按照机械化程度A、人工B、机械化C、全自动化3、按照施工过程中的运输方式A、皮带传送B、泥浆泵C、手工挖小车推不同敞开程度的盾构全敞开式部分敞开式密闭式能直接看到全部掘削面状况的形式。在掘削面与内仓之间设有一层隔板，故无法直接观察掘削面状况，只能靠一些传感器间接地掌握掘削面状况。只能看到部分掘削面状况的形式。4、按照掌子面敞开程度全敞开式盾构掘削面呈裸露状态，故掘削状态是干挖，出土效率高特点：根据机械化程度差异分三类：人工挖掘式、半机械式、机械式。适用地层：适用于掘削面自稳性好的地层（洪积层压实沙、沙砾、固结粉砂及粘土等），对于自稳性差的地层（冲积层中的砂层、粉砂层及粘土层）应辅以压气、降水、注浆加固等措施，以确保掘削面的稳定。部分敞开式盾构主要指网格挤压式盾构，又称为窗闸式盾构。适用范围：利用盾构切口的网格将正面土体挤压并切削为小块，同时以切口、封板及网格板与土体间的摩阻力来平衡正面地层侧向压力，达到开挖面的稳定。特征：因正面网格开孔出土面积较小，适宜在软弱粘土层中施工。在局部粉砂层可以辅以局部压气法来稳定正面土体。因对正面土体存在挤压扰动，较难有效地控制地表沉降，不宜在建筑物密集地方使用。上海排水隧道网格盾构上海打浦路越江隧道网格盾构Φ10.22m密闭式盾构泥水平衡式削土式土压平衡式加泥式气泡材矿物类添加材（膨润土）树脂材硅溶胶式。。。。。辐条形面板形刀盘由辐条及辐条上的刀具构成，特点为：刀盘扭矩小，排土容易，土仓压力可有效地作用在掘削面上。多用于土压盾构。刀盘由面板、刀具、槽口组成，特点为：面板直接支撑掘削面，即具有挡土功能，有利于掘削面稳定，但粘土易粘附在面板表面，妨碍刀盘选择，进而影响掘削质量。泥水盾构和土压盾构均可采用。盾构刀盘的正面形状辐条形5、断面形式A、单圆B、双圆C、三圆D、矩形E、球形F、椭圆形等等新型盾构(1)MF(Multi-Face)盾构MF盾构是由多个圆形断面的一部分错位重合而成，可同时开挖多个圆形断面。特点：开挖面小，断面利用率高，适用于地下空间受限的隧道建设。各圆形断面的控制相对独立。马蹄形椭圆形(2)偏心多轴式盾构矩形中折盾构(3)中折盾构球体盾构由大盾构、球体、小盾构等部件构成。大盾构内藏一个可以旋转的球体，球体内藏一个无尾板可以伸缩的小盾构。大盾构的作用是完成大直径隧道的掘削，球体的作用是转向，小盾构的作用是完成转向后小直径隧道的掘削。概念：分类竖横球体盾构换刀球体盾构横横球体盾构。。。。。。用于竖井、隧道的一次性连续构筑（大埋深情况）。大深度、长距离掘进时可随时随地更换刀具。大深度急转弯隧道。(4)球体盾构在母盾构（大盾构）内藏一个直径较小的子盾构（小盾构），当掘进至工程需要的点时，使子盾构从母盾构中分离出来继续掘进，从而构筑一条直径由大变小的两种隧道。概念：分类：同心母子盾构、异心母子盾构。特点：可以略去中间竖井而修筑一条变径的盾构隧道；和采用与母盾构直径相同的大盾构构相比可以减少掘削土量；成本上，1台母子盾构1台大盾构+1台小盾构。(5)母子盾构异心母子盾构同心母子盾构母子盾构机实物图(6)DOT盾构DOT盾构是指在同一个开挖面上安装两对辐条型刀具的土压平衡式盾构。特点：类似于MF盾构，但两对辐条形刀具相互吻合，转向相反并给予同步控制，彼此并不独立。(7)MSD（MechanicalShieldDocking)盾构该工法是指进行地中对接并解体的盾构施工方法。该工法有一对盾构组成，一台为发射盾构，一台为接受盾构。特点：不需设置到达竖井，大大延伸了不设竖井的盾构掘进长度。施工过程概要：发射盾构接收盾构先向土舱内的掘削土中注入由膨润土、增粘剂、胍胶(CPM)等材料构成的主材。主材的作用是提高砾石层掘削土的流动性。随后向螺旋输送机内注入有机酸产生吸水反应即止水作用，该止水效果被称为注浆栓效果。采用上述添加材措施后，盾构可在砾石层顺利掘进(掘削面稳定、出土顺利、阻止了喷水喷砂现象)。这种工法称为注浆栓盾构工法(即CPS工法)。CPS工法的优点是对高水压、高渗水性土层行之有效的工法。缺点是材料费高；当地层中存在碱成分时(如以前对地层做过化学注浆加固)栓效应失效，即该工法失效。(8)CPS（ChemicalPlugShield)盾构3.2泥水盾构的基本原理全敞开式盾构的局限性：应用于掘削面具有自立性的地层，对于自立性较差的软弱地层，必须辅以压气、降水、注浆等措施，以确保掘削面的稳定。但这些措施存在以下问题：1.当气压过大时，操作人员会患高压病，直接威胁人体健康；2.降水会引起地下水位下降，引发一系列的环境问题；3.全线注浆加固地层时，导致工程造价上升，而且采用有机浆液时还会使地下水遭受污染。挤压式盾构的局限性：适用土质范围较小。而且易引起地层较大的隆起或沉降。为了克服上述弊端，人们开发了泥水平衡式盾构、土压平衡式盾构等密闭式盾构工法。泥水平衡式盾构就是：在刀盘后方设置一道封闭隔板，使得隔板与刀盘之间形成一个密闭的空间，即泥水舱，将水、粘土及添加剂混合制成的泥水，经输送管道压入泥水舱，当盾构机向前推进时，推进力通过以泥水作为介质而传递到掘削面的土体上，及泥水对掘削面上的土体作用有一定的压力，该压力称为泥水压力。为了维持掘削面的稳定，通常该压力按下式设定：泥水压=地下水压+土压+预压刀盘掘削下来的土砂进入泥水舱，经搅拌后含掘削土砂的高浓度泥水，由泥浆泵送到地表的泥水分离系统，进行水、土分离后，再把泥水重新压回泥水舱，如此不断循环地掘削、排土、推进。由于是泥水压力使得掘削面稳定平衡，故称其为泥水加压平衡式盾构，简称泥水盾构。泥水盾构由于需要配套的泥水处理系统，相对于土压盾构而言，需要额外的占用地面资源，这对于建筑物密集的城市地铁而言无疑是十分苛刻的，这也是为什么城市地铁没有大量采用泥水盾构的主要原因之一。地面泥水处理系统泥水的作用形成泥膜及稳定掘削面运送掘削土砂★泥膜的形成过程由于泥水压大于掘削地层的间隙水压(即地下水压)，泥水中的细粒成分及水通过地层间隙流入掘削地层。其中，细粒成分填充地层间隙，使地层的渗透系数变小。随着时间的增加，地层间隙被细粒成分填充的越来越充分，地层的渗水系数越来越小,最后完全被填充。显然，泥膜生成后，泥水舱内的泥水再不能进入掘削地层(即杜绝了泥水损失，保证了泥水压力有效地作用在掘削面上)，与此同时掘削地层中的地下水也不能涌入泥水舱，这就是泥水的双向隔离作用，保证了掘削面的稳定，防止掘削面的变形、坍塌及地层沉降。另外，由于泥水中的粘土颗粒带负电荷，而地层土颗粒带正电荷，故泥水中的粘土颗粒吸附聚集在掘削面的表面，形成一层均匀的泥膜。综上所述，形成泥膜的因素有：渗透填充因素和表面吸附聚集因素。必须具备如下一些特性：物理稳定性好；化学稳定性好；泥水的粒度级配、相对密度、粘度要适当；流动性好；成膜性好。★泥膜的性能要求泥水压力可按下式设定：泥水压=地下水压+土压+预压①地下水压砂土地层中：为孔隙水压粘土地层中：计入土压力中②土压：指掘削面上的水平方向的作用土压力。浅埋：为静止水平土压力，计算式如下：深埋：为根据松动土压力计算而得的水平主动土压力。P0=K0·γ·Hp0——静止水平土压力；K0——静止侧压力系数。Pa=Ka·pePe——Terzaghi松弛土压力Ka——主动土压力系数3.3土压平衡式盾构的基本原理土压盾构与泥水盾构的差异是保持密封土舱内的承压介质不同：泥水盾构对应的介质为泥水；土压盾构对应的介质为泥土。但是稳定掘削面的基本原理是一致的。土压盾构推进时其前端刀盘旋转掘削地层、土体，掘削下来的土体涌入土舱，当掘削土体充满土舱时，由于盾构的推进作用，致使掘削土体即对掘削面加压。当该加压压力(削土土压)与掘削地层的土压+水压相等，随后若能维持螺旋输送机的排土量与刀盘的掘土量相等，把这种稳定的出土状态称为掘削面平衡，即稳定。泥土压的设定方法与泥水盾构的泥水压的设定方法相同。要想维持排土量与掘土量相等，掘削土必须具备一定的流塑性和抗渗性。有些地层的掘削土仅靠自身的塑流性和抗渗性，即可满足掘削面稳定的要求。这种利用掘削土稳定掘削面的盾构称为削土盾构。此外，多数地层土体的塑流性、抗渗性无法满足稳定掘削面的要求，为此须混人提高流塑性和抗渗性的添加材，实现稳定掘削面的目的。通常把注入添加材的掘削土(称为泥土)盾构称为泥土盾构。削土盾构和泥土盾构统称为土压盾构，两者的区别是前者不用添加材，后者使用添加材。土压盾构掘削面稳定的必要条件如下：①泥土压必须可以对抗掘削面上地层的土压和水压。②必须可以利用螺旋输送机等排土机构，调节排土量。③对必须混入添加材的土质而言，注入的添加材必须可使泥土(混入添加材的掘削土)的塑流性和抗渗性提高到满足掘面稳定要求的水准。