第三章盾構(gòu)機(jī)類型與基本原理

第三章盾構(gòu)機(jī)類型與基本原理1、按照平衡開挖面的方式A、插板式B、擠壓網(wǎng)格式C、土壓平衡式D、泥水平衡式E、加泥式F、加水式3.1盾構(gòu)機(jī)的種類2、按照機(jī)械化程度A、人工B、機(jī)械化C、全自動(dòng)化3、按照施工過程中的運(yùn)輸方式A、皮帶傳送B、泥漿泵C、手工挖小車推不同敞開程度的盾構(gòu)全敞開式部分敞開式密閉式能直接看到全部掘削面狀況的形式。在掘削面與內(nèi)倉(cāng)之間設(shè)有一層隔板，故無法直接觀察掘削面狀況，只能靠一些傳感器間接地掌握掘削面狀況。只能看到部分掘削面狀況的形式。4、按照掌子面敞開程度全敞開式盾構(gòu)掘削面呈裸露狀態(tài)，故掘削狀態(tài)是干挖，出土效率高特點(diǎn)：根據(jù)機(jī)械化程度差異分三類：人工挖掘式、半機(jī)械式、機(jī)械式。適用地層：適用于掘削面自穩(wěn)性好的地層（洪積層壓實(shí)沙、沙礫、固結(jié)粉砂及粘土等），對(duì)于自穩(wěn)性差的地層（沖積層中的砂層、粉砂層及粘土層）應(yīng)輔以壓氣、降水、注漿加固等措施，以確保掘削面的穩(wěn)定。部分敞開式盾構(gòu)主要指網(wǎng)格擠壓式盾構(gòu)，又稱為窗閘式盾構(gòu)。適用范圍：利用盾構(gòu)切口的網(wǎng)格將正面土體擠壓并切削為小塊，同時(shí)以切口、封板及網(wǎng)格板與土體間的摩阻力來平衡正面地層側(cè)向壓力，達(dá)到開挖面的穩(wěn)定。特征：因正面網(wǎng)格開孔出土面積較小，適宜在軟弱粘土層中施工。在局部粉砂層可以輔以局部壓氣法來穩(wěn)定正面土體。因?qū)φ嫱馏w存在擠壓擾動(dòng)，較難有效地控制地表沉降，不宜在建筑物密集地方使用。上海排水隧道網(wǎng)格盾構(gòu)上海打浦路越江隧道網(wǎng)格盾構(gòu)Φ10.22m密閉式盾構(gòu)泥水平衡式削土式土壓平衡式加泥式氣泡材礦物類添加材（膨潤(rùn)土）樹脂材硅溶膠式。。。。。輻條形面板形刀盤由輻條及輻條上的刀具構(gòu)成，特點(diǎn)為：刀盤扭矩小，排土容易，土倉(cāng)壓力可有效地作用在掘削面上。多用于土壓盾構(gòu)。刀盤由面板、刀具、槽口組成，特點(diǎn)為：面板直接支撐掘削面，即具有擋土功能，有利于掘削面穩(wěn)定，但粘土易粘附在面板表面，妨礙刀盤選擇，進(jìn)而影響掘削質(zhì)量。泥水盾構(gòu)和土壓盾構(gòu)均可采用。盾構(gòu)刀盤的正面形狀輻條形5、斷面形式A、單圓B、雙圓C、三圓D、矩形E、球形F、橢圓形等等新型盾構(gòu)(1)MF(Multi-Face)盾構(gòu)MF盾構(gòu)是由多個(gè)圓形斷面的一部分錯(cuò)位重合而成，可同時(shí)開挖多個(gè)圓形斷面。特點(diǎn)：開挖面小，斷面利用率高，適用于地下空間受限的隧道建設(shè)。各圓形斷面的控制相對(duì)獨(dú)立。馬蹄形橢圓形(2)偏心多軸式盾構(gòu)矩形中折盾構(gòu)(3)中折盾構(gòu)球體盾構(gòu)由大盾構(gòu)、球體、小盾構(gòu)等部件構(gòu)成。大盾構(gòu)內(nèi)藏一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的球體，球體內(nèi)藏一個(gè)無尾板可以伸縮的小盾構(gòu)。大盾構(gòu)的作用是完成大直徑隧道的掘削，球體的作用是轉(zhuǎn)向，小盾構(gòu)的作用是完成轉(zhuǎn)向后小直徑隧道的掘削。概念：分類豎橫球體盾構(gòu)換刀球體盾構(gòu)橫橫球體盾構(gòu)。。。。。。用于豎井、隧道的一次性連續(xù)構(gòu)筑（大埋深情況）。大深度、長(zhǎng)距離掘進(jìn)時(shí)可隨時(shí)隨地更換刀具。大深度急轉(zhuǎn)彎隧道。(4)球體盾構(gòu)在母盾構(gòu)（大盾構(gòu)）內(nèi)藏一個(gè)直徑較小的子盾構(gòu)（小盾構(gòu)），當(dāng)掘進(jìn)至工程需要的點(diǎn)時(shí)，使子盾構(gòu)從母盾構(gòu)中分離出來繼續(xù)掘進(jìn)，從而構(gòu)筑一條直徑由大變小的兩種隧道。概念：分類：同心母子盾構(gòu)、異心母子盾構(gòu)。特點(diǎn)：可以略去中間豎井而修筑一條變徑的盾構(gòu)隧道；和采用與母盾構(gòu)直徑相同的大盾構(gòu)構(gòu)相比可以減少掘削土量；成本上，1臺(tái)母子盾構(gòu)<1臺(tái)大盾構(gòu)+1臺(tái)小盾構(gòu)。(5)母子盾構(gòu)異心母子盾構(gòu)同心母子盾構(gòu)母子盾構(gòu)機(jī)實(shí)物圖(6)DOT盾構(gòu)DOT盾構(gòu)是指在同一個(gè)開挖面上安裝兩對(duì)輻條型刀具的土壓平衡式盾構(gòu)。特點(diǎn)：類似于MF盾構(gòu)，但兩對(duì)輻條形刀具相互吻合，轉(zhuǎn)向相反并給予同步控制，彼此并不獨(dú)立。(7)MSD（MechanicalShieldDocking)盾構(gòu)該工法是指進(jìn)行地中對(duì)接并解體的盾構(gòu)施工方法。該工法有一對(duì)盾構(gòu)組成，一臺(tái)為發(fā)射盾構(gòu)，一臺(tái)為接受盾構(gòu)。特點(diǎn)：不需設(shè)置到達(dá)豎井，大大延伸了不設(shè)豎井的盾構(gòu)掘進(jìn)長(zhǎng)度。施工過程概要：發(fā)射盾構(gòu)接收盾構(gòu)先向土艙內(nèi)的掘削土中注入由膨潤(rùn)土、增粘劑、胍膠(CPM)等材料構(gòu)成的主材。主材的作用是提高礫石層掘削土的流動(dòng)性。隨后向螺旋輸送機(jī)內(nèi)注入有機(jī)酸產(chǎn)生吸水反應(yīng)即止水作用，該止水效果被稱為注漿栓效果。采用上述添加材措施后，盾構(gòu)可在礫石層順利掘進(jìn)(掘削面穩(wěn)定、出土順利、阻止了噴水噴砂現(xiàn)象)。這種工法稱為注漿栓盾構(gòu)工法(即CPS工法)。CPS工法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)高水壓、高滲水性土層行之有效的工法。缺點(diǎn)是材料費(fèi)高；當(dāng)?shù)貙又写嬖趬A成分時(shí)(如以前對(duì)地層做過化學(xué)注漿加固)栓效應(yīng)失效，即該工法失效。(8)CPS（ChemicalPlugShield)盾構(gòu)3.2泥水盾構(gòu)的基本原理全敞開式盾構(gòu)的局限性：應(yīng)用于掘削面具有自立性的地層，對(duì)于自立性較差的軟弱地層，必須輔以壓氣、降水、注漿等措施，以確保掘削面的穩(wěn)定。但這些措施存在以下問題：1.當(dāng)氣壓過大時(shí)，操作人員會(huì)患高壓病，直接威脅人體健康；2.降水會(huì)引起地下水位下降，引發(fā)一系列的環(huán)境問題；3.全線注漿加固地層時(shí)，導(dǎo)致工程造價(jià)上升，而且采用有機(jī)漿液時(shí)還會(huì)使地下水遭受污染。擠壓式盾構(gòu)的局限性：適用土質(zhì)范圍較小。而且易引起地層較大的隆起或沉降。為了克服上述弊端，人們開發(fā)了泥水平衡式盾構(gòu)、土壓平衡式盾構(gòu)等密閉式盾構(gòu)工法。泥水平衡式盾構(gòu)就是：在刀盤后方設(shè)置一道封閉隔板，使得隔板與刀盤之間形成一個(gè)密閉的空間，即泥水艙，將水、粘土及添加劑混合制成的泥水，經(jīng)輸送管道壓入泥水艙，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)時(shí)，推進(jìn)力通過以泥水作為介質(zhì)而傳遞到掘削面的土體上，及泥水對(duì)掘削面上的土體作用有一定的壓力，該壓力稱為泥水壓力。為了維持掘削面的穩(wěn)定，通常該壓力按下式設(shè)定：泥水壓=地下水壓+土壓+預(yù)壓刀盤掘削下來的土砂進(jìn)入泥水艙，經(jīng)攪拌后含掘削土砂的高濃度泥水，由泥漿泵送到地表的泥水分離系統(tǒng)，進(jìn)行水、土分離后，再把泥水重新壓回泥水艙，如此不斷循環(huán)地掘削、排土、推進(jìn)。由于是泥水壓力使得掘削面穩(wěn)定平衡，故稱其為泥水加壓平衡式盾構(gòu)，簡(jiǎn)稱泥水盾構(gòu)。泥水盾構(gòu)由于需要配套的泥水處理系統(tǒng)，相對(duì)于土壓盾構(gòu)而言，需要額外的占用地面資源，這對(duì)于建筑物密集的城市地鐵而言無疑是十分苛刻的，這也是為什么城市地鐵沒有大量采用泥水盾構(gòu)的主要原因之一。地面泥水處理系統(tǒng)泥水的作用形成泥膜及穩(wěn)定掘削面運(yùn)送掘削土砂★泥膜的形成過程由于泥水壓大于掘削地層的間隙水壓(即地下水壓)，泥水中的細(xì)粒成分及水通過地層間隙流入掘削地層。其中，細(xì)粒成分填充地層間隙，使地層的滲透系數(shù)變小。隨著時(shí)間的增加，地層間隙被細(xì)粒成分填充的越來越充分，地層的滲水系數(shù)越來越小,最后完全被填充。顯然，泥膜生成后，泥水艙內(nèi)的泥水再不能進(jìn)入掘削地層(即杜絕了泥水損失，保證了泥水壓力有效地作用在掘削面上)，與此同時(shí)掘削地層中的地下水也不能涌入泥水艙，這就是泥水的雙向隔離作用，保證了掘削面的穩(wěn)定，防止掘削面的變形、坍塌及地層沉降。另外，由于泥水中的粘土顆粒帶負(fù)電荷，而地層土顆粒帶正電荷，故泥水中的粘土顆粒吸附聚集在掘削面的表面，形成一層均勻的泥膜。綜上所述，形成泥膜的因素有：滲透填充因素和表面吸附聚集因素。必須具備如下一些特性：物理穩(wěn)定性好；化學(xué)穩(wěn)定性好；泥水的粒度級(jí)配、相對(duì)密度、粘度要適當(dāng)；流動(dòng)性好；成膜性好。★泥膜的性能要求泥水壓力可按下式設(shè)定：

泥水壓=地下水壓+土壓+預(yù)壓

①地下水壓砂土地層中：為孔隙水壓粘土地層中：計(jì)入土壓力中②土壓：指掘削面上的水平方向的作用土壓力。淺埋：為靜止水平土壓力，計(jì)算式如下：深埋：為根據(jù)松動(dòng)土壓力計(jì)算而得的水平主動(dòng)土壓力。P0=K0·γ·H

p0——靜止水平土壓力；

K0——靜止側(cè)壓力系數(shù)。Pa=Ka·pe

Pe——Terzaghi松弛土壓力Ka——主動(dòng)土壓力系數(shù)3.3土壓平衡式盾構(gòu)的基本原理土壓盾構(gòu)與泥水盾構(gòu)的差異是保持密封土艙內(nèi)的承壓介質(zhì)不同：泥水盾構(gòu)對(duì)應(yīng)的介質(zhì)為泥水；土壓盾構(gòu)對(duì)應(yīng)的介質(zhì)為泥土。但是穩(wěn)定掘削面的基本原理是一致的。土壓盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)其前端刀盤旋轉(zhuǎn)掘削地層、土體，掘削下來的土體涌入土艙，當(dāng)掘削土體充滿土艙時(shí)，由于盾構(gòu)的推進(jìn)作用，致使掘削土體即對(duì)掘削面加壓。當(dāng)該加壓壓力(削土土壓)與掘削地層的土壓+水壓相等，隨后若能維持螺旋輸送機(jī)的排土量與刀盤的掘土量相等，把這種穩(wěn)定的出土狀態(tài)稱為掘削面平衡，即穩(wěn)定。泥土壓的設(shè)定方法與泥水盾構(gòu)的泥水壓的設(shè)定方法相同。要想維持排土量與掘土量相等，掘削土必須具備一定的流塑性和抗?jié)B性。有些地層的掘削土僅靠自身的塑流性和抗?jié)B性，即可滿足掘削面穩(wěn)定的要求。這種利用掘削土穩(wěn)定掘削面的盾構(gòu)稱為削土盾構(gòu)。此外，多數(shù)地層土體的塑流性、抗?jié)B性無法滿足穩(wěn)定掘削面的要求，為此須混人提高流塑性和抗?jié)B性的添加材，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定掘削面的目的