泥水盾构

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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。
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。
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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／㎡。
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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。
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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
❖ (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。
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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。
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泥水平衡式盾构的基本原理
压力控制。
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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
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。
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❖ 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。
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泥水平衡盾构工作原理图
气垫室
膨润土液区
地层
切削刀盘
压缩空气
进浆管
膨润土溶液
排浆管
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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
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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
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泥水系统流程是供泥浆泵从地面泥水调整槽将压力
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❖ 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
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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。
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土压力：指掘削面上的水平方向的作用土压力。
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❖ 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。
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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。
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
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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