隧道與洞室工程土壓平衡盾構(gòu)

1、土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)（如圖1所示）的開發(fā)始于70年代初。第一臺(tái)土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)外徑為3.72m，由日本IHI設(shè)計(jì)制造，于1974年在東京投入使用。隨后，其它一些廠家也開始生產(chǎn)土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，產(chǎn)品的名稱不完全相同，但從原理上都可歸納為土壓平衡系統(tǒng)（Earth-pressure balance system，即EPBS）。1 概述 11切削刀盤2開挖室3承壓隔板4壓縮空氣閘室5推進(jìn)千斤頂6尾盾密封7油箱8帶式輸送機(jī)9管片拼裝機(jī)10刀盤驅(qū)動(dòng)11螺旋輸送機(jī)圖1土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)23土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展基于擠壓式盾構(gòu)機(jī)（閉胸）和泥水式盾構(gòu)機(jī)。擠壓式盾構(gòu)機(jī)在其承壓隔板上設(shè)有面積可調(diào)的排土口，開挖面的穩(wěn)定靠調(diào)

2、節(jié)孔口大小和排土阻力，使盾構(gòu)千斤頂推力和開挖面土壓達(dá)到平衡來實(shí)現(xiàn)。4 擠壓式盾構(gòu)機(jī)適用于具有良好塑性的粘土層，適用地質(zhì)范圍狹窄。 泥水式盾構(gòu)機(jī)在非粘土層中廣泛應(yīng)用，但隨細(xì)顆粒土砂百分比的增加其分離越來越復(fù)雜，代價(jià)越來越高，懸浮液也需頻繁更換，還存在環(huán)保問題。 特別是在日本主要城市施工時(shí)，由于空間有限使得安裝分離設(shè)備較為困難。5 這些都促進(jìn)了土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展。與泥水式盾構(gòu)機(jī)相比，土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)沒有分離裝置，施工時(shí)的覆土層可以相對(duì)較淺。 其適用地質(zhì)范圍比擠壓式盾構(gòu)機(jī)廣，掘進(jìn)性能也優(yōu)于擠壓式盾構(gòu)機(jī)。6從1964年到1974年的10年間，與氣壓施工法同時(shí)使用的手掘式盾構(gòu)機(jī)占總數(shù)的3/4，從19

3、74年到1984年的10年間，這種盾構(gòu)機(jī)型減少，泥水式和土壓平衡式等機(jī)械挖掘式盾構(gòu)機(jī)不斷增加。日本隧道技術(shù)協(xié)會(huì)對(duì)世界盾構(gòu)施工法現(xiàn)狀開展通信調(diào)查的結(jié)果（其中96%是日本的工程），從1980年至1985年的6年間，密閉型盾構(gòu)機(jī)從1980年占各種類型盾構(gòu)機(jī)總數(shù)的60%急增至86%，特別是土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)從19%增大到60%。78910土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的刀盤切削面與后面的承壓隔板所形成的空間為開挖室或泥土室。刀盤旋轉(zhuǎn)切削下來的土壤通過刀盤上的開口進(jìn)入泥土室，與泥土室內(nèi)的可塑土漿混合或被攪拌混合，盾構(gòu)千斤頂?shù)耐屏νㄟ^承壓隔板傳遞到泥土室內(nèi)的泥土漿上，由泥土漿的壓力作用于開挖面，以平衡開挖面處的地下水壓和

4、土壓。從而保持開挖面的穩(wěn)定。11螺旋輸送機(jī)從承壓隔板的開孔處伸入泥土室進(jìn)行排土。盾構(gòu)機(jī)的挖掘推進(jìn)速度和螺旋輸送機(jī)單位時(shí)間的排土量或其旋轉(zhuǎn)速度都會(huì)影響泥土室內(nèi)土漿壓力的大小，所以應(yīng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。12在最初的土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)中采用體積控制方法來檢查開挖面的穩(wěn)定情況。它將測(cè)量的開挖體積與根據(jù)掘進(jìn)速度和開挖洞徑計(jì)算得到的理論體積值進(jìn)行比較，對(duì)盾構(gòu)機(jī)挖掘推進(jìn)速度和螺旋輸送機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。對(duì)開挖出土料體積的測(cè)量方法有傳統(tǒng)的稱重方法及近些年采用的超聲波和激光測(cè)量方法。13超聲波法和激光法要求輸送帶上的土料表面較光滑，在實(shí)際應(yīng)用中較難保證。僅靠體積控制的方法存在一些缺點(diǎn)，它不提供任何開挖室內(nèi)實(shí)際

5、填充情況和土體壓實(shí)度的有關(guān)信息；體積測(cè)量裝置復(fù)雜而且昂貴，它們的安裝位置有時(shí)會(huì)阻礙輸送帶對(duì)土料的輸送；只有在一段時(shí)間之后才能做定性分析無法得到開挖面的實(shí)時(shí)情況；在同時(shí)有土壤改良劑料加入時(shí)，無法得出精確體積值。14對(duì)開挖室內(nèi)土壓的測(cè)量則會(huì)提供更多的開挖面穩(wěn)定控制所需的信息。土壓是通過安裝在承壓隔板上不同位置的土壓傳感器進(jìn)行測(cè)量的。土壓測(cè)量裝置的原理比泥水式盾構(gòu)機(jī)中支撐液體靜壓的測(cè)量方法要復(fù)雜，它的應(yīng)用和發(fā)展已能夠根據(jù)事先計(jì)算的開挖面支撐壓力曲線對(duì)壓力進(jìn)行精確控制。15在隧洞掘進(jìn)的過程中，通過土壓的測(cè)量值由調(diào)節(jié)電路來調(diào)整有關(guān)控制參數(shù)。土壓通過改變盾構(gòu)千斤頂?shù)耐七M(jìn)速度或推螺旋輸送機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度而增減。

6、在盾構(gòu)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行中，操作員的經(jīng)驗(yàn)及對(duì)盾構(gòu)機(jī)中各重要測(cè)量參數(shù)的監(jiān)視非常重要。16土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)用開挖出的土料作為支撐開挖面穩(wěn)定的介質(zhì)，對(duì)作為支撐介質(zhì)的土料要求為：具有良好的塑性變形，軟稠度，內(nèi)摩擦角小及滲透率小。由于一般土壤不能完全滿足這些特性，所以要進(jìn)行改良。改良的方法通常為：加水，膨潤(rùn)土，粘土，外加劑（CMC），聚合物和泡沫等，根據(jù)土質(zhì)情況選用。2 土質(zhì)改良和應(yīng)用范圍17通過這些改良措施，擴(kuò)大了土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的應(yīng)用范圍。18開挖室內(nèi)土料具有的軟稠度和良好的塑性變形，使支撐壓力能規(guī)則地作用于開挖面保證了土料能不斷地流送到螺旋輸送機(jī)避免了土料在開挖室低壓部位的堆集、對(duì)刀盤的阻塞以及對(duì)開挖室

7、的堵塞降低了刀盤和螺旋輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩，從而更為經(jīng)濟(jì)但土料不能過軟，否則不適于帶式輸送機(jī)和料車的輸運(yùn)。19土料由螺旋輸送機(jī)從有壓的開挖室輸送到大氣壓下的隧洞里從螺旋輸送機(jī)到帶式輸送機(jī)的轉(zhuǎn)運(yùn)如沒有料閘裝置，則土料應(yīng)具有低的滲透性，低滲透性可以避免液流穿過螺旋輸送機(jī)。有軟稠度的粘質(zhì)粉土和粉砂是最適合使用土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的土層。20根據(jù)土層的稠度，有時(shí)不需要水或只需要加很少量的水。通過攪拌裝置在開挖室內(nèi)的攪拌，即使十分粘著的土層也能變成塑性的泥漿。隨著含砂率的增加，加水就顯得不夠，因?yàn)樗荒軠p小內(nèi)摩擦角。增大的滲透性必須解決好螺旋輸送機(jī)的密封問題。細(xì)土粒含量的缺乏可以通過加入粘土和膨潤(rùn)土懸浮液來補(bǔ)償

8、。這樣孔隙里的水就可通過膨脹的懸浮液限制，挖出的土料便可變成流動(dòng)性很好、滲透性降低的可塑土漿21對(duì)非粘透水性土層可以通過注射泡沫進(jìn)行改良處理。泡沫被加入挖出的土壤中并成為粒狀結(jié)構(gòu)的一部分。粒狀結(jié)構(gòu)中的氣泡可以降低土漿密度，減小顆粒摩擦。土漿混合物的體積變化率得到降低使其在較寬的形變范圍內(nèi)有最理想的彈性，這樣才可能控制開挖面支撐壓力。22自主開發(fā)氣泡劑自主開發(fā)氣泡發(fā)泡裝置23自主開發(fā)氣泡劑自主開發(fā)氣泡發(fā)泡裝置24自主開發(fā)氣泡劑自主開發(fā)氣泡發(fā)泡裝置25隨著開挖室內(nèi)壓力的降低，粒狀結(jié)構(gòu)內(nèi)的氣相會(huì)膨脹，土體會(huì)形變；隨著開挖室內(nèi)壓力的增大，土體中孔隙不斷變小，這樣就可避免切削刀盤的驅(qū)動(dòng)力矩的快速增大。由

9、于化學(xué)的和物理的粘著力的作用，使用適當(dāng)?shù)呐菽旌衔?，開挖的土料可以變得非常粘著，完全可以用帶式輸送機(jī)進(jìn)行輸送。26實(shí)際上泡沫的90%都是空氣，而空氣在幾天后就會(huì)全部逸出，因此土料可以恢復(fù)原來的稠度，在對(duì)開挖出土料的儲(chǔ)置或進(jìn)一步利用上這是一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)，而且不需要復(fù)雜昂貴的分離設(shè)備。加泡沫技術(shù)用于含水土層時(shí)還可抵抗較高的地下水壓，它的發(fā)展可擴(kuò)大土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的應(yīng)用范圍，使它也可用在原先只適于泥水式盾構(gòu)機(jī)的土層中。泡沫混合物在使用后幾天之內(nèi)化學(xué)物質(zhì)就會(huì)完全生物分解，基本不存在環(huán)境污染的問題。27土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的應(yīng)用范圍如圖2所示。在寬限制線（曲線1）上細(xì)土粒含量不少于30%，這時(shí)針對(duì)土層的顆粒分

10、布，應(yīng)用上沒有限制。這主要是指稠度由現(xiàn)有水含量決定的一般不透水地層。28圖2土層顆粒尺寸分布的土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)適用范圍29對(duì)稠度Ic1、高粘性和低滲透性的土層一般可以在無支撐壓的情況下施工。但如果開挖面需要支撐，土料的稠度應(yīng)為柔軟（Ic=0.4-0.75）。根據(jù)土層的礦物學(xué)結(jié)構(gòu)組成情況，也可以使用水、低粘性懸浮液（膨潤(rùn)土，聚合物）和泡沫。30在限制線以下土層滲透性及內(nèi)摩擦大大增加，應(yīng)用所受的限制由滲透系數(shù)k和地下水壓力決定。在實(shí)際應(yīng)用中，壓力最大為200kPa時(shí)水的滲透系數(shù)不應(yīng)大于10-5m/s。在曲線2和曲線3之間的部分，土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)不能在水壓下使用。在曲線3以下，滲透性太強(qiáng)，對(duì)土層進(jìn)行

11、改良處理也不會(huì)有效。31在對(duì)曲線2下面的土層的改良處理中，只能選用高粘性粘土懸浮液（高密度泥漿）和聚合物泡沫。若處理液的比例超過了開挖量的40%-45%，稠度已達(dá)到液體值，此時(shí)應(yīng)用泥漿系統(tǒng)取代輸送帶。32雖然通過土層處理土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的應(yīng)用范圍可以擴(kuò)大到泥水式盾構(gòu)機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，但不應(yīng)將非粘性土層歸在土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的應(yīng)用范圍之內(nèi)。在細(xì)砂含量少的非粘性土層中，使用泥水式盾構(gòu)機(jī)比土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)有更大的優(yōu)越性，應(yīng)首先考慮使用。33土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)可分為土壓式盾構(gòu)機(jī)和泥土加壓式盾構(gòu)機(jī)。土壓式盾構(gòu)機(jī)是在擠壓式盾構(gòu)機(jī)上安裝刀盤進(jìn)行開挖，同時(shí)使開挖的土料流動(dòng)，以便排土，它只適于可用切削刀開挖且含砂量小的塑

12、性流動(dòng)性軟粘土。34泥土加壓式盾構(gòu)機(jī)裝備有注入土壤改良用添加劑料的機(jī)構(gòu)和攪拌機(jī)構(gòu)，它的適用范圍較廣，可用于沖積粘土、洪積粘土、砂質(zhì)土、砂、砂礫、卵石等土層。這種盾構(gòu)機(jī)又分成攪拌全部開挖土料的泥土加壓式盾構(gòu)機(jī)和攪拌部分開挖土料的泥漿加壓盾構(gòu)機(jī)。35泥土加壓式盾構(gòu)機(jī)的刀盤形狀多為輪輻形的，容易進(jìn)行土壓調(diào)節(jié)，適用于大范圍的土質(zhì)。泥漿式盾構(gòu)機(jī)是在刀盤開挖的土料內(nèi)注入改良劑料，在土室內(nèi)攪拌，使開挖土料變成泥漿。3637土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的基本裝置是切削刀盤及其軸承和驅(qū)動(dòng)裝置，開挖室以及螺旋輸送機(jī)等。3.1 切削刀盤切削刀盤切割開挖面上的土壤和在開挖室內(nèi)攪拌使之變成可塑的泥土漿。切削刀盤前面一般布置有添加土壤

13、改良劑料的灌注口，對(duì)開挖面上的土壤進(jìn)行改良處理。3 土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的主要部件38 切削刀盤盤面有封閉式和敞開式兩種。封閉式切削刀盤是用于開挖面不穩(wěn)定的土層類型，這樣可以避免在開挖面有大量的土壤松動(dòng)。 切削刀盤上開口的百分比在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下可以根據(jù)實(shí)際需要而變化。 開口的寬度限制了螺旋輸送機(jī)中可以輸送的最大石塊的尺寸。394041 大的石塊需在切削刀盤前壓碎到與開口縫隙尺寸相配，這樣可以避免損壞螺旋輸送機(jī)。 封閉式切削刀盤的一個(gè)缺點(diǎn)是在開挖面上支撐壓力的分布不均勻。 承壓隔板上測(cè)得的土壓值不一定就是真實(shí)值，它還和刀盤的位置和轉(zhuǎn)向有關(guān)。4243敞開式切削刀盤（敞開式星形設(shè)計(jì)），一般不會(huì)發(fā)生

14、阻塞，此時(shí)開挖面支撐壓力分布均勻且送到螺旋輸送機(jī)上的土料流動(dòng)穩(wěn)定。但它的缺點(diǎn)是由于缺乏機(jī)械支撐，進(jìn)入壓縮空氣下的開挖室的危險(xiǎn)較大。此外，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)，在覆土淺時(shí)易造成沉降，穩(wěn)定性和刀盤的強(qiáng)度降低。若敞開式星形設(shè)計(jì)有輪緣，則切削刀盤的穩(wěn)定性會(huì)增強(qiáng)。44根據(jù)地質(zhì)情況，刀盤可配鏟型刮刀、盤型滾刀等不同刀具。它們都安裝于刀盤的后面，以便檢查和更換。根據(jù)隧洞的走向及盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)，刀盤還配有超挖刀具。453.2 軸承和驅(qū)動(dòng)部件在軸承和驅(qū)動(dòng)部件方面，采用了與泥水式盾構(gòu)機(jī)和巖石掘進(jìn)機(jī)相似的系統(tǒng)。在土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)中，軸承的密封系統(tǒng)和易于拆換非常重要，因?yàn)檫@些部件在磨蝕性強(qiáng)的土層中會(huì)受到很大的機(jī)械應(yīng)力，易造成密

15、封區(qū)域的嚴(yán)重?fù)p壞。46在結(jié)構(gòu)上一般分為中心軸驅(qū)動(dòng)方式和非中心軸驅(qū)動(dòng)方式。中心軸驅(qū)動(dòng)部件的封閉或敞開式切削刀盤是一種比較簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，在開挖室內(nèi)不需要什么處理，也沒什么障礙物。它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是所有密封都可以從盾構(gòu)機(jī)上接觸到，因此易于修復(fù)。中心軸驅(qū)動(dòng)部件的缺點(diǎn)是盾構(gòu)中心被切削刀盤部件占滿，使螺旋輸送機(jī)的安裝坡度特別小，這必然導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)的加長(zhǎng)。47非中心軸驅(qū)動(dòng)部件的封閉或敞開式切削刀盤驅(qū)動(dòng)軸承的直徑約為盾構(gòu)直徑的一半。切削刀盤有單獨(dú)的支架支承。優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)引穩(wěn)定、不易阻塞和支承支架能起一定的攪拌作用，并可以從盾構(gòu)區(qū)域接近密封系統(tǒng)。483.3 開挖室土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的刀盤切削面與后面的承壓隔板所形成的空間為

16、開挖室。在這里從開挖面挖出的土料轉(zhuǎn)變成有良好的變形性的可塑土漿（假如在開挖面的開挖中還沒做到這一點(diǎn)的話），以保證在開挖面有穩(wěn)定的支撐壓力。49挖掘工作腔室的設(shè)計(jì)由螺旋輸送機(jī)、壓縮空氣室（如果有的話）和切削刀盤驅(qū)動(dòng)部件的位置決定。開挖室的設(shè)計(jì)應(yīng)順應(yīng)土料流動(dòng)以避免土料聚集，保證土料持續(xù)地流到螺旋輸送機(jī)中。50開挖室的長(zhǎng)度決定了與推進(jìn)速率相關(guān)的土料留在室內(nèi)的時(shí)間。開挖室還可根據(jù)需要布置一些攪拌機(jī)構(gòu)，對(duì)土料進(jìn)行攪拌。對(duì)大直徑盾構(gòu)機(jī)，堵塞的危險(xiǎn)性較大（尤其在開挖室中部），因?yàn)樾D(zhuǎn)攪拌工具的轉(zhuǎn)速越靠中間越小。當(dāng)切削刀盤的一般轉(zhuǎn)速為1-2m/min時(shí)，攪拌機(jī)構(gòu)對(duì)靠近中心的部位不起作用，因此在中心部位應(yīng)設(shè)置可

17、以獨(dú)立旋轉(zhuǎn)的切削或攪拌裝置。51壓力艙土體閉塞模型盾構(gòu)機(jī)2BGP1hP2tP3H開挖面0整體受力分析 成拱系數(shù) 1，土體成拱；1，土體不成拱；=1，為臨界情況。2BhtH開挖面盾構(gòu)機(jī)H盾構(gòu)機(jī)簡(jiǎn)化模型 土體閉塞受力平衡方程成拱土體高度523.4 螺旋輸送機(jī)在土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)中螺旋輸送機(jī)具有以下功能：從有壓力的開挖室內(nèi)將土料送到大氣壓下的隧洞中；在滲水土層中密封有壓水；通過控制開挖土料的進(jìn)出量來控制開挖室的支撐壓力。53T刀盤扭矩上升原理示意圖開挖土體堵塞土艙示意圖盾殼推力開挖面壓力螺旋排土器54螺旋輸送機(jī)是一個(gè)連續(xù)工作的系統(tǒng)，由可旋轉(zhuǎn)的螺旋葉片和靜止螺旋葉片外殼組成。螺旋葉片一般是裝配在旋轉(zhuǎn)軸上，但也可以設(shè)計(jì)成沒有中心軸以便在中心輸送較大的石塊。螺旋輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)可以布置在中心(軸)或周向邊緣。55中心驅(qū)動(dòng)時(shí)土料從圓柱體外殼的一扇門送出，而周向邊緣驅(qū)動(dòng)時(shí)，土料可以從圓柱體外殼的端部送出。螺旋輸送機(jī)的圓柱形殼體有一段是可以伸縮的。它伸到開挖室內(nèi)部,可以改善土料的供應(yīng)。由于存在摩擦，在殼體內(nèi)的土料不能旋轉(zhuǎn)，只能作軸向移動(dòng)。56螺旋輸送機(jī)的安裝位置較低時(shí)更好用，因?yàn)橥亮鲜抢闷渥陨碇亓繅喝肼菪斔蜋C(jī)開口中的。當(dāng)螺旋輸送機(jī)位于中心時(shí)，必須將在開挖室下部的土料向上壓送以克服重力作用。因此壓縮空氣氣室的位置越高越好。57若螺旋輸送機(jī)位于更低的位置，使用壓縮空氣將開挖室內(nèi)的土料向