泥水平衡盾构技术基础

泥水盾构技术介绍盾构技术基础内容1、盾构机概述（基本概念，历史与现状）2、盾构机的分类3、泥水盾构基本工作原理4、泥水盾构机与配套设备5、泥水平衡盾构施工6、关键技术问题泥水盾构机1、盾构概述（基本概念，历史与现状）1.1盾构基本概念盾构机（ShieldMachine,TunnelBoringMachine，TBM）—也称为隧道掘进机。综合配有各种不同的挖掘、顶进、转向、支护、排渣、衬砌、运输机械，和自身配备的传感、测量与控制装置一起，形成一个完整的施工机械系统。盾构实际上是盾构机的简称。它是一个横断面外形与隧道横断面外形相同、尺寸稍大，内藏挖土、排土机具，自身设有保护外壳的暗挖隧道的机械。以盾构为核心的一整套完整的隧道施工方法称为盾构工法。盾构工法的设想19世纪初产生于英国，已有200年的历史。盾构工法问世以前隧道施工主要靠开挖法。但就城市隧道施工而言，开挖法存在受地形、地貌、环境条件的限制；开挖法给城市交通带来极大不便；开挖产生的地层沉降较大；施工机械的噪声和振动；施工对环境构成的污染等诸多不利因素。相对而言，盾构工法不存在这些缺陷，故受到人们的极大重视，并得以迅速发展。人们不仅开发了软土盾构工法，而且还开发了适于卵石地层等多种其它地层的盾构工法。此外，还在提高安全性、提高工程质量、缩短工期及降低成本等方面作了精心的研究和开发，并取得了较大的成功。目前盾构工法在城市隧道施工技术中已确立了稳固的统治地位，且已成为一种必不可少的通用隧道施工技术。1.2盾构发展历史1806,Brunel’shield18世纪未英国人提出在伦敦地下修建横贯泰晤士河隧道的构想，并对具体的掘削工法和使用机械等问题做了讨论。到1798年开始着手希望实现这个构思，但由于竖井挖不到预定的深度，故计划受挫。但横贯泰晤士河隧道的设想与日俱增，4年后Torevix决定由另一地点建造连结两岸的隧道，随后工程再次开工。施工中克服了种种困难，当掘进到最后30m时，开挖面急剧浸水隧道被水淹没，横贯泰晤士河的设想再次破灭，工程从开工到被迫终止用了5年时间。横贯泰晤士河的计划在以后10年中未见显著进展。1818年Brunel观察了小虫腐蚀木船底板成洞的经过，从而得到启示，在此基础上提出了盾构工法，并取得了专利。这就是所谓的开放型手掘盾构的原型。Brunel对自己的新工法非常自信，并于1823年拟定了伦敦泰晤士河两岸的另一条道路隧道的计划。随后，这个计划由当时的国会确认，工程于1825年动工。隧道长458m，隧道断面为11.4m×6.8m。工程进展顺利，但因地层下沉，致使工程被迫中止。但Brunel并没有因此而灰心失望，他总结了失败的教训，对盾构做了7年的改进，后于1834年工程再次开工，又经过7年的精心施工，终于在1841年贯通隧道。Brunel在该隧道中采用的是方形铸铁框盾构。自Brunel向泰晤士河隧道挑战到隧道峻工前后经历了20个春秋，Brunel经过不懈的努力，克服了种种困难，终于最后取得了胜利。此时，他已是72岁的老人。Brunel对盾构工法的贡献极为卓著，这是后人的一致公论。1825/43,Brunel’shield1825/43,Brunel’shield1882,ThamesIrruptionwater1876,mechanisedshield自Brunel的方形盾构以后，盾构技术又经过了23年的改进，到1869年建造横贯泰晤士河上的第二条隧道，首次采用圆形断面，外径2.18m,长402m，这项工程由Burlow和Great两人负责。Great采用了新开发的圆形盾构，使用铸铁扇形管片直到隧道掘削结束未出任何事故。随后Great在1887年南伦敦铁道隧道施工中使用了盾构和气压组合工法获得成功，这为现在的盾构工法奠定了基础。从起初Torevix反复失败和受挫折，到引出Brunel的盾构工法，及进而改进成为Great的盾构工法前后经过80年的漫长岁月。1904/08,9.35m19世纪末到20世纪中叶盾构工法相继传入美国、法国、德国、日本、苏联等国，并得以不同程度的发展。美国于1892年最先开发了封闭式盾构；同年法国巴黎使用混凝土管片建造了下水道隧道；1896年~1899年德国使用钢管片建造了柏林隧道；1913年德国建造了断面为马蹄形的易北河隧道；1917年日本采用盾构工法建造国铁羽越线，后因地质条件差而停止使用；1931年苏联用英制盾构建造了莫斯科地铁隧道，施工中使用了化学注浆和冻结工法；1939年日本采用手掘圆形盾构建造了直径7m的关门隧道；1948年苏联建造了列宁格勒地铁隧道；1954年中国阜新建造φ2.6m的圆形盾构疏水隧道；1957年中国北京建造了φ2m、2.6m的盾构下水道隧道；1957年日本采用封闭式盾构建造东京地铁隧道。总之在这50~60年的时间里盾构工法虽然也有进步，但这一时期的特点是盾构工法在世界各国得以推广普及。20世纪60~80年代盾构工法继续发展完善，成绩显著。1960年英国伦敦开始使用滚筒式挖掘机；同年美国纽约最先使用油压千斤顶盾构；1964年日本埼玉隧道中最先使用泥水盾构；1969年日本在东京首次实施泥水加压盾构施工；1972年日本开发土压盾构成功；1975年日本推出泥土加压盾构成功；1978年日本开发高浓度泥水盾构成功；1981年日本开发气泡盾构成功；1982年日本开发ECL工法成功；1988年日本开发泥水式双圆搭接盾构工法成功；1989年日本开发HV工法、注浆盾构工法成功。总之这一时期的特点是开发了多种新型盾构工法，以泥水式、土压式盾构工法为主。1990年~2003年这一段时间里盾构工法的技术进步极为显著。归纳起来有以下几个特点：①盾构隧道长距离化、大直径化②盾构多样化③施工自动化1.3我国盾构应用情况1.盾构台数多。现有各类盾构机150多台2.盾构种类齐全。土压平衡式，泥水平衡式，双护盾式，硬岩，复合式…盾构直径大、小均有，最大为15.4米，目前世界最大。3.盾构适应地质范围不断扩大。4.盾构应用范围广，地铁，铁路，公路，水利，观光，市政，燃气等。得到广泛认可。5.盾构施工技术水平提高。2.盾构机的分类与选型一般将全断面隧道掘进机器(TBM)分为三类：即盾构机（shieldmachine）、岩石掘进机（tunnelboringmachine,TBM）和顶管掘进机(pipejackingmachine)。这三种机器原理基本相似。随着科学技术的发展和机器的不断改进，盾构机与TBM的差别越来越小。人工开挖式；机械开挖式敞开式；密闭式土压平衡式；泥水平衡式软土盾构；硬岩盾构现代盾构机主要分为土压平衡式、泥水平衡式、硬岩式、复合式等类型。复合式盾构盾构类型泥水平衡式开式土压平衡式硬岩式SlurryEPBSandKörnungslinie400,006GrainDiameterdinmmMassenanteilederKörnerdin%derGesamtmenge00,0011030200,0020,020,060,2SiltSchlämmkornClayFein-7060508090100Mittel-600,62,06,060,020,0100908070Gravel50403020100SiebkornGrob-Fein-Mittel-Grob-Fein-Mittel-Grob-GrainSizeDistributionGrainSizeDistributionFoamPermeabilityPermeabilityTunnellingEquipment––10––1––10-1––10-2––10-3––10-4––10-5––10-6––10-7––10-8––10-9––10-10––10-11––10-12CobblesCoarsegravelMediumgravelFinegravelCoarsesandMediumsandFinesandSandy,SiltyclaySiltClayEPBSlurry/HydroPermeabilityFactork(m/s)盾构机选型依据泥水平衡式盾构土压平衡式盾构1、适应土层中细砂、粗砂和砂砾石等各类软土地层砂、粉砂和粘土等各类软土地层2、工作面稳定通过注入适当压力的泥浆来支承开挖面的土压力和水压通过改良充满土舱的开挖土并保持适当的压力来支承开挖面的土压力和水压3、压力波动敏感程度及地表沉降1.泥水中，压力波动敏感，即泥水压力传递速度快而均匀2.开挖面平衡土压力的控制精度高，对开挖面周边土体的干扰减少，从而地面沉降量的控制精度提高1.因为原状土的塑流性较差，相对泥水压力波动敏感度较差即土压力传递速度较慢2.开挖面平衡土压力的控制精度相对较低，对开挖面周边土体的干扰较大，从而对地面沉降量的控制精度降低4、刀盘及刀具寿命切削面及土仓中充满泥水，对刀具、刀盘起到一定的润滑作用，摩擦阻力与土压盾构相比要小，因而相对土压盾构而言，其刀具、刀盘的寿命要长，刀盘驱动扭矩小刀盘与开挖面的摩擦力大，土仓中土碴与添加材料搅拌阻力也大，故其刀具、刀盘的寿命比泥水盾构要短，刀盘驱动扭矩比泥水盾构大泥水平衡式盾构机与土压平衡盾构机工作特点对比表5、盾构推力由于泥浆的作用，土层对盾壳的阻力小，盾构推进力比土压盾构小。土层对盾壳的阻力大，盾构推进力比泥水盾构大6、控制地表沉降原理控制泥浆质量、压力及推进速度、保持进、排泥量的动态平衡保持土舱压力、控制推进速度、维持切削量与出土量相等7、泥土输送方式泥水管道输送，输送速度快而连续螺旋输送机出土，土箱运输，输送间断不连续8、输送处理设备及其场地需要较大规模的泥水处理设备及设置的场地泥土出土使用场地较小9、耐水压性靠处理后的泥水在开挖面形成的泥膜和泥水压力抵抗水压，耐水压性优靠土舱压力及改良后的泥土不透水性抵抗水压，耐水性良10、推进效率掘削下来的碴土转换成泥水通过管道输送，减少了电机车的运输量，辅助工作少，故效率比土压平衡盾构高土箱的来回输送增加了电机车的运输工作量和运输时间，施工速度减慢11、隧洞内环境由于采用封闭管道输送废土，没有出碴矿车，无碴土散落，环境良好需矿车运送碴土，碴土有可能散落，相对而言，环境较差12、工程成本增加了泥水制作、输送及泥水分离设备，设备及运转费用较土压平衡高减少了泥水处理设备，只需配置添加剂注入设备即可，设备及运行费用较低泥水平衡式盾构机与土压平衡盾构机工作特点对比表地层情况与盾构选型的关系不同类型的盾构对地层有一定的适应范围，土压平衡式盾构较适应于粉细颗粒地层，使切削的碴土易获得塑性流动性和不透水性。而泥水平衡式盾构机较适应于较粗颗粒地层及水压较高的地层，通过泥浆在砂土地层形成泥膜，以保持开挖面的稳定。两种盾构机的适应范围见地层颗粒粒径分布与盾构机选型关系图。Seite2April20045N.ZuberYellowRiverProject.1234567891011121.ZeilebleibtimmerfreiEPBMethods土压平衡区间MixshieldMethods泥水盾构区间60,020.06,02,00,60,20,060,020,0060,0020,0011009040302010080706050SieveSizeFineClaySiltSandGravelMediumMediumCoarseFineCoarseFineMediumCoarseGraindiameterd(mm)粒径直径MMSieveresidueinweight%EPB/MixshieldRange.粒径分布与盾构选型图Portionofgrainsdin%ofthetotalamount地层渗透性、水压与盾构机选型的关系地层渗透系数是盾构机选型另一个重要的因素。根据国外的施工经验，两种盾构机对于地层渗水性能适应范围见下图。其中渗透系数1×10－7m/s是个分界点，大于此系数宜选用泥水平衡式盾构机，小于此系数宜选用土压平衡式盾构机。粉细砂卵石层粗砂砾层中