土压平衡式盾构机技术交流

土压平衡式盾构机技术交流

1. 土压平衡式盾构机简介

1) 适用范围

土压平衡式盾构机能够适应多种环境和地层的要求，可在砂砾、砂、粉砂、粘土等压密程度低、软硬相间的地层以及砾层、砂层等地层中使用。 问题1：什么土质最适合？

粉质粘土、粉质沙土——流塑性好

具有良好的塑性变形，软稠度，内摩擦角小及渗透率小 问题2：难挖的土质是哪些，怎么办？

卵石、砾石、砂砾等块状的；冲积粘土、洪积粘土，压缩硬化，堵仓；含水高的土层，喷涌

加入泥浆、泡沫、聚合物、来改善土质。

问题3：淤泥土质，地下水丰富，易发生流砂的地层

泥水平衡式盾构机简介及其与土压机的区别。

引导：土压平衡式盾构机主要结构是怎样的，各部分如何工作？2) 主要结构

盾构机集机、电、液、气、自动控制于一身。

土压平衡式盾构机主要由刀盘及驱动系统、螺旋输送机、管片拼装机、皮带输送机、推进千斤顶、液压系统、电气控制系统、集中润滑系统、盾尾注浆系统、盾尾密封系统、加泥系统、泡沫系统、水系统、气路系统、盾构壳体、车架系统、双梁吊运系统等组成。

简介：各个主要结构及系统功能，简要说明土压平横式盾构机是如何工作的。

引导：土压平衡式盾构机原理？如何建立和保持土压平衡？平衡被破坏了怎么办？

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泥水平衡式盾构机简介：

是通过加压泥水或泥浆(通常为膨润土悬浮液)来稳定开挖面，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。

主要特征：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、水分离后重新送回泥水仓重复使用。整个过程通过建立在地面中央控制室内的泥水平衡自动控制系统统一管理。

特点：

在易发生流砂的地层中能稳定开挖面，可在正常大气压下施工作业，无需用气压法施工；

泥水压力传递速度快而均匀，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少，地面沉降量的控制精度高；

盾构出土由泥水管道输送，速度快而连续；减少了电机车的运输量，施工进度快；

刀具、刀盘磨损小，易于长距离盾构施工；

刀盘所受扭矩小，更适合大直径隧道的施工；

需要较大规模的泥水处理设备及设置泥水处理设备的场地。

土压平衡盾构机的特点：

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3) 基本原理 土仓的形成和土压平衡的建立，以及影响土压平衡的因素： 土压平衡式盾构机的刀盘切削面与承压隔板之间形成土仓。土压平衡盾构机的特点： 施工中不使用土体加固等辅助措施，节省技术措施费用； 本身具备改善土体的性刀盘旋转切削下来的土壤通过刀盘上的开口进入土仓，与土仓内的可塑土浆混合或被搅拌混合面，以盾构千斤顶的推力通过承压隔板传递到泥土室内的泥土浆上，由泥土浆的压力作用于开挖平衡开挖面处的地下水压和土压。 由于泥土经过刀盘切削和扰动后会增加流塑性，在受到刀盘切削和螺旋输送机传送后也会变得更为松软，使泥土舱内的土压能均匀传递。 盾构机的挖掘推进速度和螺旋输送机的旋转速度、闸门开口度、单位时间的排土量等都会影响泥土室内土浆压力的大小，所以应进行协调控制。因此，我们通过调节螺旋机转速或调节盾构推进速度，调节密封泥土舱内的土压并使其接近开挖面静止土压，保持开挖面土层的稳定。 问题1：土仓压力多大合适？ 上土压一般在50KPa-80KPa之间，上下左右土压不一样，一般以上土压或者两侧土压为准。实测地面沉降来确定土压。 问题2：土仓压力变化对周围土体会产生怎样的影响？ 土仓压力越大，周围土体的竖向位移受深度影响就越小，地面沉降与拱顶沉降的值越接近。 随着土仓压力的增大，地表最大沉降不断减小，但是，当土仓压力增大到一定值时，就不再存在所谓的沉降槽，开挖面前的地面呈隆起状态。 土仓压力在小范围内的改变对地表最终沉降的影响不大，不管是对最大沉降的影响还是对横向影响范围的影响都几乎可以忽略。但当土仓压力成倍改变时，对地表最终沉降量的影响就不容忽视。此时，地层因严重欠挖导致盾构机前方地层的大量隆起，造成后期地层沉降困难。 土仓压力的大小对开挖面地表的沉降控制有着明显的作用，在制定实际施工方案时，应综合各方面的因素定出合理的土仓压力值。 2 / 8 能，能适应多种环境和地层的需求； 根据土压变化调整出土和推进速度，易于达到工作面的稳定，减少地面变形沉降； 土压平衡式盾构机没有泥水分离装置，施工时的覆土层可以相对较浅； 能够保持开挖面的稳定，且土仓密封性好，施工的安全性和可操作性高。

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问题3：不同土质将产生怎样的影响？ 具有良好的塑性变形，软稠度，内摩擦角小及渗透率小 土料具有的软稠度和良好的塑性变形，使支撑压力能规则地作用于开挖面，也保证了土料能不断地流送到螺旋输送机，这样就避免了土料在开挖室低压部位的堆集、对刀盘的阻塞以及对开挖室的堵塞，降低了刀盘和螺旋输送机的驱动力矩，从而更为经济。但土料不能过软，否则不适于带式输送机和料车的输运。 当泥土含砂量超过一定限度时，土砂流动性差，靠刀盘切削扰动难以使泥土达到足够的塑流状态，有时会压密固结。当地下水量丰富时，通过螺旋输送机的泥土，就不能起到止水作用，无法进行施工。此时就需要加入水、泥浆、添加剂等，通过搅拌以匀质、具有流动性的土体充填土仓和螺旋机，达到工作面的稳定。 问题4：对于不同土质该如何处理？ 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的泥浆。 随着含砂率的增加，加水就显得不够，因为它不能减小内摩擦角。增大的渗透性必须解决好螺旋输送机的密封问题。细土粒含量的缺乏可以通过加入粘土和膨润土悬浮液来补偿。这样孔隙里的水就可通过膨胀的悬浮液限制，挖出的土料便可变成流动性很好、渗透性降低的可塑土浆了。 对非粘透水性土层可以通过注射泡沫进行改良处理。砂、沙砾地层，因为砂间存在间隙，透水性高；但是，气泡施工法是通过注入的气泡而将砂间的游离自由水排除。因为间隙被气泡充满，气泡土的透水性变得很低，螺旋机排土口的止水性效果有改善。随着开挖室内压力的降低，粒状结构内的气相会膨胀，土体会形变；随着开挖室内压力的增大，土体中孔隙不断变小，这样就可避免切削刀盘的驱动力矩的快速增大。由于化学的和物理的粘着力的作用，使用适当的泡沫混合物，开挖的土料可以变得非常粘着，完全可以用带式输送机进行输送。 3 / 8

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2. 土压平衡式盾构机流体系统介绍 1) 加泥加水系统 问题1：加泥，加的泥是什么？ 泥，即膨润土(Bentonite)，是以蒙脱石为主的含水粘土矿。 蒙脱石的化学成分为:（Al2,Mg3）Si4O10 OH2•nH2O，由于它具有特殊的性质：如膨润性、粘结性、吸附性、催化性、触变性、悬浮性以及阳离子交换性，所以广泛用于各个工业领域。 问题2：加泥的目的是什么？ 加泥加水的主要作用既改善土质。（已经介绍，不再赘述） 问题3：电力4.14m盾构机的加泥系统怎么样组成的？ 本车加泥加水系统主要由两台泥浆泵和两个加泥搅拌箱组成，分别安装在6#、7#车的左侧，可根据需要向土仓、刀盘前部和螺旋输送机筒内加注水或泥浆。加注孔的位置分别在刀盘中心加泥口，刀盘270°加泥口，前胸板（承压隔板）左上和螺旋输送机前端。 控制单元为两组气动球阀，布置在1#车左侧，通过供气系统来控制气动球阀的启闭，在操作室内操作盘上实现控制。 加泥加水系统的压力不足1MPa，所用管路均为为1层钢丝软管，这种管路不宜大角度弯折和挤压，容易产生不可恢复的形变。 尤其是两台台车连接处的软管，最容易出现形变，所以这个位置严禁踩踏！ 问题4：加泥系统的管路需要清洗吗？ 不需要清洗，膨润土和水泥砂浆不同，水泥会很快凝固，需要及时清洗，而膨润土不会，所以不用清洗。 问题5：加泥泵的工作原理是什么？ 本车使用的加泥加水输送装置为软管蠕动泵，其工作原理是基于弹性软管的交替伸缩来输送物质，它的运行就像我们的喉管和食道那样简单。内壁光滑、强度可靠的软管安装在泵体内部，通过转盘上的两个突块转动挤压。这样的旋转使得介质往一个方向输送而不至于有倒流，可使泵应用于精确计量的场合，压力可达到16Bar。 4 / 8

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问题6：加泥泵的使用和维护应该注意什么？ A、软管的更换与调整 （a）更换软管时，先将两端管卡螺栓松掉，并将管卡拆下，再将其中一端的吊圈螺栓松掉，点动电机将胶管自泵抽出；然后将新的软管从拆下短管的一端插入蠕动泵泵壳与压辊之间，点动电机，将软管装入；再将吊圈固定、管卡装上，至此更换任务完成。 注意：在安装软管时，务必将软管与泵壳贴紧，确认后方能投入正常运行。 （b）软管使用200小时左右，可将软管转动90度，对单管软管泵除转动方向外，还可前后抽动软管，以改变软管的压点，延长软管的使用寿命。 B、压辊的调整 蠕动泵出厂时，压辊已按正常情况调整到位，如遇物料吸不上或在泵的额定压力下，流量达不到要求时，请调整压辊的偏心距， 注意：调整间隙时不要压的过紧，以达到额定流量为准，压的越紧，对胶管寿命影响越大。 C、蠕动泵的润滑保养 （a）侧导辊应定期用油枪从注油咀注油（牌号：高温锂基脂GB5671—91）,使侧导辊处于良好的润滑状态。 注意：注油时检查侧导辊的松紧情况，若发现过松，用尖咀钳将其旋紧，如发现侧导辊有异常声音，经调整松紧，仍不能消除，应考虑侧导辊内轴承磨损，可将其拆下换轴承或换侧导辊。 （b）转子轴承每隔六个月注油脂（牌号：高温锂基脂GB5671—91）一次。 （c）新的减速机在运行一段时间后，将油箱内的机油放掉，重新加30#机油。 D、软管的使用与保护 软管的存放期不宜过长，一般以一年为限。对装有软管的泵，若长期不用，每隔一个月至少转动泵一次。 5 / 8

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2) 泡沫系统 问题1：气泡施工法是什么？ 气泡施工法是掘进中向切削面或土仓内加注气泡，注入的形态犹如摩丝状气泡体，有利于提高渣土的流动性，并具有止水效果。能够顺利地排土，保持切削面的稳定，掘进可以稳定地进行。 问题2：泡沫是怎样产生的？ 泡沫液由一种特殊的发泡剂（既泡沫原液）和水按一定的比例混合均匀，配比一般在1:5至1:10之间。泡沫液和气体在泡沫发生器中混合，形成状入摩丝的丰富泡沫。泡沫发生器的结构简单实用，产生的泡沫丰富，原理就如同吹泡泡一样。 本车泡沫系统主要由泡沫原液箱、一台原液输送泵、泡沫搅拌箱、两台泡沫输送泵、泡沫发生器等组成，可根据需要向土仓、刀盘前部和螺旋输送机筒内加注入泡沫；泡沫搅拌箱、泡沫发生器均为不锈钢材质，因为泡沫原液具有一定的弱酸性，其PH值在6.4左右。在工厂用它洗手去污能力不错，但是手会掉皮。 问题3：加注泡沫的效果怎样？ A、易于稳定切削面 土压式盾构，以使土仓内充满渣土，防止切削面坍塌为特征。但是因为土质不同，有相当类型的渣土在充满土仓时，渣土失去流动性，造成堵仓。结果是刀盘驱动扭矩上升，无法排土。另外，地下水压高的场合，只是基于螺旋机的止水效果及闸门的相应对策是不充分的，有土砂与地下水一起喷出的现象出现。 使用盾构气泡施工法，土仓内的渣土混入气泡后，变成具有适度流动性及止水性的气泡土。通过推进油缸的顶力，土仓内建立起气泡土压力，作用于切削面，与地层的水土压平衡。 为保持切削面的稳定，通过调节油缸速度、螺旋机的回转速度及气泡混合率使 气泡土压≥地层土压＋水压的条件成立。另外，气泡具有可压缩性，盾构控制过程中产生的土仓内的土压波动，可被气泡的体积变化所吸收,有利于稳定土压。 6 / 8

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B、流动性 气泡通过渗透与渣土混合，分布于土粒子间，产生滚珠的效果，可以减小渣土内部摩擦角，因此而提高渣土的流动性。因此渣土可充满土仓，土仓堵仓也不易发生，同时也可降低刀盘驱动扭矩的机械负荷。 C、止水性 砂、沙砾地层，因为砂间存在间隙，透水性高。但是，气泡施工法是通过注入的气泡而将砂间的游离自由水排除。因为间隙被气泡充满，气泡土的透水性变得很低，螺旋机排土口的止水性效果有改善。 D、防止附着 进行含水率低、黏着力大的粘性土地层的掘进时，渣土容易附着于刀盘面板及土仓内壁，造成土仓堵塞。气泡施工法是通过注入的气泡的滚珠效果，可以防止附着的沉积，并且可以降低刀盘驱动扭矩等机械负荷。 E、便于处理 实际上泡沫的90%都是空气，而空气在几天后就会全部逸出，因此土料可以恢复原来的稠度，在对开挖出土料的储置或进一步利用上这是一个显著的优点，而且不需要复杂昂贵的分离设备。加泡沫技术用于含水土层时还可抵抗较高的地下水压，它的发展可扩大土压平衡式盾构机的应用范围，使它也可用在原先只适于泥水式盾构机的土层中。泡沫混合物在使用后几天之内化学物质就会完全生物分解，基本不存在环境污染的问题。3) 同步注浆清洗系统 问题1：什么是同步注浆清洗系统？ 同步注浆是盾构机在推进的同时，浆液保证能充裕地填满随着盾构机推进而出现的盾尾空间，从而控制地层的沉降。 【同步】是指注浆过程与推进过程同步，一般推进先开始，注浆后结束。 【注浆】浆液又分A/B液，A液既水泥砂浆，B液则为水玻璃，特性是遇水迅速凝固，应用于地下水过多甚至透水的场合。 7 / 8

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【清洗】 A液既水泥砂搁置浆时间过长将会凝固，堵塞管路，所以需要清洗；如果接连推进可以两三环清洗一次，如果搁置时间较长则必须立即清洗。清洗的部位包括注浆泵、注浆枪及其管路。 问题2：同步注浆通过什么设备完成的？ 【注浆枪】是同步注浆清洗系统中重要的部件，安装在盾尾上，有外置式和内置式两种；分为单液注浆枪和双液注浆枪，本车共安装四把注浆枪，其中上部两把为双液枪，下部两把为单液枪。工作时四把枪并不是全时全部工作的，在保证注浆量的前提下可以只有上部两把工作。 【注浆泵】 8 / 8