泥水盾构

泥水加压式盾构概述泥水加压式盾构工作面土体是依靠泥水压力对工作面上的水压力发挥平衡作用以求得稳定。泥水压力主要是在掘进中起支护作用。工作面任何一点的泥水压力总是大于地下水压力，从而形成了一个向外的水力梯度，保持工作面稳定。在泥水平衡理论中，泥膜的形成是至关重要的，当泥水压力大于地下水压力时，泥水渗入土壤，形成与土壤间隙成一定比例的悬浮颗粒，被捕获并集聚与泥水的接触表面，泥膜就此形成。随着时间的推移，泥膜的厚度不断增加，渗透抵抗力逐渐增强。当泥膜抵抗力远大于正面土压时，产生泥水平衡效果。因为是泥水压力使掘削面稳定平衡，故得名泥水加压平衡盾构，简称泥水盾构。盾构机推进系统的推进力经舱内的泥水传递到掘削面土体上，即泥水对掘削面上的土体作用有一定的压力（与推进力对应），该压力称泥水压力。为使掘削面稳定，通常泥水压力按下式设定：泥水压＝地下水压＋土压＋预压地下水压力：掘削面地层中的孔隙水压力，对粘土层而言，通常是把地下水压计为土压力中。土压力：指掘削面上的水平方向的作用土压力。预压：是考虑地下水压和土压的设定误差及送、排泥设备中的泥水压变动等因素，根据经验设定，通常取值为20-30KN／㎡。泥水加压平衡盾构工法是最适宜于开挖区难以稳定、滞水砂层、含水量高的松软粘性土层及隧道上方有水体的场合。土压和泥水盾构的选择土压盾构A少水地层、砂卵石地层宜选择复合式土压平衡盾构（如沈阳、成都等地层）B有软稠度的粘质粉土和粉砂是最适合使用土压平衡式盾构机的土层。根据土层的稠度，有时不需要水或只需要加很少量的水。通过搅拌装置在开挖室内的搅拌，即使十分粘着的土层也能变成塑性好的泥浆。泥水加压盾构(a)泥水加压盾构对于不稳定的软弱地层或地下水位高，含水砂层，粘土以及冲积层以及洪积层等流动性高的土质，使用效果较好。(b)泥水加压平衡盾构具有土层适应性强、对周围土体影响小、施工机械化程度高等优点。(c)在砂层中进行大断面、长距离推进的盾构机，大多采用泥水加压式盾构机。实践证明，掘进断面越大，用泥水加压式盾构机的效果越好。(d)泥水加压式盾构机除在控制开挖面稳定以减少地面沉降方面较为有利外，还在减少刀头磨损、适应长距离推进方面显示出优越性。(e)泥水加压盾构存在盾尾的漏水以及难以确认开挖面状态等缺点，还需要较大的泥水处理场地。泥水盾构由以下五大系统构成：●开挖系统；●泥水循环系统；●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。泥水平衡式盾构的基本原理该型式盾构是在机械式盾构的刀盘的后侧，设置一道封闭隔板，隔板与刀盘间的空间定名为泥水仓。把水、粘土及其添加剂混合制成的泥水，经输送管道压入泥水仓，待泥水充满整个泥水仓，并具有一定压力，形成泥水压力室。通过泥水的加压作用和压力保持机构，能够维持开挖工作面的稳定。盾构推进时，旋转刀盘切削下来的土砂经搅拌装置搅拌后形成高浓度泥水，用流体输送方式送到地面泥水分离系统，将碴土、水分离后，再把虑除的掘削土砂的泥水重新压送回泥水舱。如此不断循环完成掘削、排土、推进工作过程。泥水平衡盾构工作原理图地层切削刀盘进浆管排浆管膨润土溶液压缩空气气垫室膨润土液区泥水盾构的分类泥水盾构根据泥水室构造形式和对泥浆压力的控制方式的不同，泥水盾构分为:直接控制型间接控制型1、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泥水系统流程是供泥浆泵从地面泥水调整槽将压力泥水输入盾构泥水室，供入泥水比重在1.05～1.25之间，在泥水室与开挖泥砂混合后形成厚泥浆由排泥泵输送到地面泥水处理场。排出泥水比重在1.1～1.4之间。排出泥水通常要经过振动筛、旋流器和压滤机或离心机等三级分离处理，将弃土排除，清泥水回到调整槽重复循环使用。控制泥水室的泥水压力，通常有两种方法：若供泥泵为变速泵，即可通过控制泵的转速来实现压力控制；若供泥泵为恒速泵，则通过调节节流阀的开口比值来实现压力控制。2、间接控制型泥水盾构德国采用间接控制型泥水盾构，其泥水系统的工作特征是由泥浆和空气双重回路组成，因此也称为“D”模式或气压复合模式间接控制型泥水系统的工作特征是由空气和泥水双重系统组成。在盾构泥水室内，装有一道半隔板，将泥水室分隔成两部分，在半隔板的前面充满压力泥浆，半隔板后面在盾构轴线以上部分加入压缩空气，形成气压缓冲层，气压作用在隔板后面的泥浆接触面上。由于在接触面上的气、液具有相同的压力，因此只要调节空气压力，就可以确定开挖面上相应的支护压力。当盾构掘进时，由于泥浆的流失或盾构推进速度变化，进出泥浆量将会失去平衡，空气和泥浆接触面位置就会出现上下波动现象。通过液位传感器，可以根据液位的变化控制供泥泵的转速，使液位恢复到设定位置，以保持开挖面支护压力的稳定。当液位达到最高极限位置时，供泥泵可自动停止，当液位到达最低极限位置时，排泥泵可自动停止。由于空气缓冲层的弹性作用，当液位波动时，对支护泥浆压力变化无明显影响两种体系的比较直接控制模式，由泥浆液体直接支护开挖面并提供维持平衡压力的盾构；间接控制模式，是通过支护液体的压力插入一个空气缓冲层加以控制，即通过空气缓冲层的压力控制，间接控制开挖面的压力。间接控制型泥水盾构与直接控制型泥水盾构相比，操作控制更为简化，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。主机前体部分为两个仓室，分别是泥水仓（或称开挖仓）和气垫仓。其中泥水仓掘进时一般充满泥水，气垫仓在掘进时一般底部为泥水，上部为压缩空气。泥水仓主要功能为切削渣土的携带，气仓的主要功能为储存足够体积的压缩空气，以保证压力稳定的需要。泥水仓的压力稳定是直接关系到掌子面稳定的重要因素，为保证工作面压力的稳定，泥水盾构提供了一套专门的压缩空气系统。该系统气源一般由一台空压机提供。气体通过空压机出口上方的粗滤器，然后通过两条独立的管线分配到人闸和开挖室。该系统布置了两套独立的压力调节系统，能根据设定值，自动调节气仓内压力，使气仓内压力一直稳定在设定值。由于气仓和泥水仓联通，因此能够稳定泥水仓的压力在某一个设定值范围内。气压调节系统的功能是保证泥水仓的压力。气压调节的原理是当压力降低或升高，与设定值有偏差时，通过压力的反馈，调整进气阀或者排气阀，对气仓内进行补气或排气，使压力逐渐升高或降低到设定压力值，直至与设定值平衡。因为掘进时液位总是存在一定的波动，其压力有一定变化，气压调节系统能根据压力的反馈，及时对气压进行调整。一般气仓压力一经设定，一个掘进循环内不再进行调整，所以掘进循环内，刀盘压力稳定在某个恒定值。只有当掘进条件发生变化，需要调整掘进压力时，再对压力调节器重新进行压力设定。压力调节器进排气阀泥水循环系统泥水输送系统是将新浆和调整浆通过泵与管道输送至盾构开挖面。刀盘切削下来的干土和水合成的泥浆，通过泵与管道将泥水送往地面的处理系统进行调整。泥水输送系统主要由泵、阀、管道及配套部件等组成，通过泥水监控系统进行自动化操作。因送入掘削面的泥水粘度、密度均不大，故尽管盾构的掘进距离增长，送泥管的长度也不断加长，但是送泥管中的泥水压力下降极小，所以送泥管道通常不设中继泵。但携带掘削土砂经排放管道输至地表的泥水，由于该泥水的密度、粘度均有较大的增加，所以流经管道时的内壁摩擦阻力较大，即排放压力损失大，致使排泥压力下降。为防止该压力下降，故需在管道途中设置中继泵，保证排泥通道的通畅。1、泥水循环系统的作用一是及时向开挖面密闭舱提供掘进施工需求的泥浆，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高透水砂层中形成泥膜和稳定开挖面的要求；二是及时把切削土砂形成的混合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。2、泥浆泵（1）送泥泵：从泥水处理设备（调整槽）向掘削面压送泥水。通常选用定置式泥浆泵设置于地表。（2）排泥泵：把携带掘削土砂的泥水排向地表的泥水处理设备。通常选用转数可调的泥浆泵，设置在盾构机后方台车上。（3）中继泵：弥补掘进距离增加造成排泥压力损失。通常选用定置定速泵，每200-300m设置一台。（4）井下泵：把排放的泥水从井下升至地表的泥水处理设备。常选用转数可调式泵。3、伸缩管装置伴随盾构机掘进距离的延伸，掘进循环达到一定距离，需要延伸泥浆管。泥浆管延伸装置，目前了解有两种方式，一种是活塞式，一种是软管式。活塞式延伸时，先将泥浆管内泥浆泵送到刀盘里，再进行活塞收缩，然后安装泥浆管，再重新进行连接。软管式延伸时，先用清水将延伸管内的止浆塞推入隧道内的泥浆管内，然后移动收回软管，此时因为止浆塞的在隧道内的泥浆管内，能够阻止泥浆的倒流进入隧道。这时安装新的泥浆管后，重新连接，再浆止浆塞打回原有的延伸系统内活塞式软管式隧道泥浆管软管环平移托架隧道泥浆管隧道泥浆管隧道泥浆管隧道泥浆管隧道泥浆管图1图2图3图4托架向前移动TBM到达其延长行程末端，必须增加新的泥浆管增加新的一段隧道泥浆管盾构机向前开挖4、泥水循环模式泥浆循环的方式包括：旁通模式开挖模式反循环模式隔离模式长时间停机模式1、旁通模式当盾构在砾石层和软粘土层中掘进时，存在掘削土砂堵塞排泥管道的可能性。此时，由于掘削面上的送入泥水过剩，压力增大，很可能出现管道爆裂，导致掘削面坍塌及周围地层先隆起后沉降。因此，有必要设置可使泥水不再进入掘削面的傍路运转系统。这个模式是待机模式，用于盾构不进行开挖时执行其它功能，当盾构从一种功能切换到另一种功能时。特别是用于安装管片衬砌环的情况，它使开挖室被隔离。在旁通模式，各泥浆泵都根据泵的超载压力和所要求的排渣流量所控制的转速保持旋转。2、开挖模式这个模式于开挖时使用。根据气垫室里泥浆的液位以及所要求的排渣流量，对伺服的泵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，同时确保它沿程的下一个泵的超载压力要大于所要求的净吸压力。调整P2.2泵的转速，用以校正排渣流量达到所要求的排渣模式的值，同时确保沿程的下一个泵的超载压力要大于所要求的净吸压力。P2.2泵的转速必须能确保排渣的流体能被泵送到地面的分离厂。调整P2.2泵的转速以便在泥浆分离厂入口处达到必要的压力。HMT6,65FDPPPPPPPPPPVersusinedetraitementdeboueToslurrytreatmentplantDepuisl'usinedeproductiondeboueFromthebentoniteplantLFMP.3MMPFDPPMPPMP.2.iP.1.1P.2.1P.1.iV01V03V02V04V05V06V07V09V11V12V08V10V13V17V15V16V14V20V19V18V21V24V23V223、反循环模式这个模式使开挖室里的泥浆逆向流动。仅用于一些特别的情况，特别是在开挖室内发生阻塞，或用于清理盾构内的排渣管道。为了不让泥浆充满开挖室，气垫压力与泥浆\气垫界面液位的控制仍需维持。4、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和制备厂之间的回路仍保持连通。特别是，这种模式是用于隧道泥浆管道延伸时的情况。各排渣泵（P2.1，P2.2）停止运转。而P1.1仍保持运行，以保持制备厂和分离厂之间回路的循环。始发井中的旁通阀V18控制着这个回路。5、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。开挖面稳定机理在泥水平衡的理论中，泥膜的形成是至关重要的，当泥水压力大于地下水压力时，泥水按达西定律渗入土壤，形成与土壤间隙成一定比例的悬浮颗粒，被捕获并积聚于土壤与泥水的接触表面，泥膜就此形成。随着时间的推移，泥膜的厚度不断增加，渗透抵抗力逐渐增强。当泥膜抵抗力远大于正面土压时，产生泥水平衡效果。1、不同地层的泥膜形成机理类型1：几乎不让泥水渗透过，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