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1、土压平衡式盾构机盾构机系列讲座之二胡胜利乔世珊1发展概况和工作原理土压平衡式盾构机的开发始于70年代初。第一台土压平衡式盾构机外径为3.72m，由日本IHI设计制造，于1974年在东京投入使用。随后，其它一些厂家也开始生产土压平衡式盾构机，产品的名称不完全相同，但从原理上都可归纳为土压平衡系统（Earth-pressure balance system，即EPBS）。土压平衡式盾构机的发展基于挤压式盾构机（闭胸）和泥水式盾构机。挤压式盾构机在其承压隔板上设有面积可调的排土口，开挖面的稳定靠调节孔口大小和排土阻力，使盾构千斤顶推力和开挖面土压达到平衡来实现。挤压式盾构机适用于具有良好塑性的粘土层
2、，适用地质范围狭窄。泥水式盾构机在非粘土层中广泛应用，但随细颗粒土砂百分比的增加其分离越来越复杂，代价越来越高，悬浮液也需频繁更换，还存在环保问题。特别是在日本主要城市施工时，由于空间有限使得安装分离设备较为困难。这些都促进了土压平衡式盾构机的发展。与泥水式盾构机相比，土压平衡式盾构机没有分离装置，施工时的覆土层可以相对较浅。其适用地质范围比挤压式盾构机广，掘进性能也优于挤压式盾构机。根据日本对不同盾构机型的统计资料，从1964年到1974年的10年间，与气压施工法同时使用的手掘式盾构机占总数的3/4，从1974年到1984年的10年间，这种盾构机型减少，泥水式和土压平衡式等机械挖掘式盾构机不
3、断增加。日本隧道技术协会对世界盾构施工法现状开展通信调查的结果（其中96%是日本的工程），从1980年至1985年的6年间，密闭型盾构机从1980年占各种类型盾构机总数的60%急增至86%，特别是土压平衡式盾构机从19%增大到60%。土压平衡式盾构机的刀盘切削面与后面的承压隔板所形成的空间为开挖室或泥土室。刀盘旋转切削下来的土壤通过刀盘上的开口进入泥土室，与泥土室内的可塑土浆混合或被搅拌混合，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面，以平衡开挖面处的地下水压和土压。从而保持开挖面的稳定。螺旋输送机从承压隔板的开孔处伸入泥土室进行排土。盾构机的挖掘推进速度
4、和螺旋输送机单位时间的排土量或其旋转速度都会影响泥土室内土浆压力的大小，所以应进行协调控制。1切削刀盘2开挖室3承压隔板4压缩空气闸室5推进千斤顶6尾盾密封7油箱8带式输送机9管片拼装机10刀盘驱动11螺旋输送机图1土压平衡式盾构机在最初的土压平衡式盾构机中采用体积控制方法来检查开挖面的稳定情况。它将测量的开挖体积与根据掘进速度和开挖洞径计算得到的理论体积值进行比较，对盾构机挖掘推进速度和螺旋输送机的旋转速度参数进行调节控制。对开挖出土料体积的测量方法有传统的称重方法及近些年采用的超声波和激光测量方法。超声波法和激光法要求输送带上的土料表面较光滑，在实际应用中较难保证。仅靠体积控制的方法存在一
5、些缺点，它不提供任何开挖室内实际填充情况和土体压实度的有关信息；体积测量装置复杂而且昂贵，它们的安装位置有时会阻碍输送带对土料的输送；只有在一段时间之后才能做定性分析，无法得到开挖面的实时情况；在同时有土壤改良剂料加入时，无法得出精确体积值。对开挖室内土压的测量则会提供更多的开挖面稳定控制所需的信息。土压是通过安装在承压隔板上不同位置的土压传感器进行测量的。土压测量装置的原理比泥水式盾构机中支撑液体静压的测量方法要复杂，它的应用和发展已能够根据事先计算的开挖面支撑压力曲线对压力进行精确控制。在隧洞掘进的过程中，通过土压的测量值由调节电路来调整有关控制参数。土压通过改变盾构千斤顶的推进速度或推螺
6、旋输送机的旋转速度而增减。在盾构机的实际运行中，操作员的经验及对盾构机中各重要测量参数的监视非常重要。2土质改良和应用范围土压平衡式盾构机用开挖出的土料作为支撑开挖面稳定的介质，对作为支撑介质的土料要求为：具有良好的塑性变形，软稠度，内摩擦角小及渗透率小。由于一般土壤不能完全满足这些特性，所以要进行改良。改良的方法通常为：加水，膨润土，粘土，CMC，聚合物和泡沫等，根据土质情况选用。通过这些改良措施，扩大了土压平衡式盾构机的应用范围。开挖室内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
7、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。土料由螺旋输送机从有压的开挖室输送到大气压下的隧洞里，从螺旋输送机到带式输送机的转运如没有料闸装置，则土料应具有低的渗透性，低渗透性可以避免液流穿过螺旋输送机。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
8、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。泡沫被加入挖出的土壤中并成为粒状结构的一部分。粒状结构中的气泡可以降低土浆密度，减小颗粒摩擦。土浆混合物的体积变化率得到降低使其在较宽的形变范围内有最理想的弹性，这样才可能控制开挖面支撑压力。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
9、送。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。土压平衡盾构机的应用范围如图2所示。在宽限制线（曲线1）上细土粒含量不少于30%，这时针对土层的颗粒分布，应用上没有限制。这主要是指稠度由现有水含量决定的一般不透水地层。图2土层颗粒尺寸分布的土压平衡式盾构机适用范围
10、对稠度Ic1、高粘性和低渗透性的土层一般可以在无支撑压的情况下施工。但如果开挖面需要支撑，土料的稠度应为柔软（Ic=0.4-0.75）。根据土层的矿物学结构组成情况，也可以使用水、低粘性悬浮液（膨润土，聚合物）和泡沫。在限制线以下土层渗透性及内摩擦大大增加，应用所受的限制由渗透系数k和地下水压力决定。在实际应用中，压力最大为200kPa时水的渗透系数不应大于10-5m/s。在曲线2和曲线3之间的部分，土压平衡式盾构机不能在水压下使用。在曲线3以下，渗透性太强，对土层进行改良处理也不会有效。在对曲线2下面的土层的改良处理中，只能选用高粘性粘土悬浮液（高密度泥浆）和聚合物泡沫。若处理液的比例超过了
11、开挖量的40%-45%，稠度已达到液体值，此时应用泥浆系统取代输送带。虽然通过土层处理土压平衡式盾构机的应用范围可以扩大到泥水式盾构机应用领域，但不应将非粘性土层归在土压平衡式盾构机的应用范围之内。在细砂含量少的非粘性土层中，使用泥水式盾构机比土压平衡式盾构机有更大的优越性，应首先考虑使用。土压平衡式盾构机可分为土压式盾构机和泥土加压式盾构机。土压式盾构机是在挤压式盾构机上安装刀盘进行开挖，同时使开挖的土料流动，以便排土，它只适于可用切削刀开挖且含砂量小的塑性流动性软粘土。泥土加压式盾构机装备有注入土壤改良用添加剂料的机构和搅拌机构，它的适用范围较广，可用于冲积粘土、洪积粘土、砂质土、砂、砂砾
12、、卵石等土层。这种盾构机又分成搅拌全部开挖土料的泥土加压式盾构机和搅拌部分开挖土料的泥浆加压盾构机。泥土加压式盾构机的刀盘形状多为轮辐形的，容易进行土压调节，适用于大范围的土质。泥浆式盾构机是在刀盘开挖的土料内注入改良剂料，在土室内搅拌，使开挖土料变成泥浆。3土压平衡式盾构机的主要部件土压平衡盾构机的基本装置是切削刀盘及其轴承和驱动装置，开挖室以及螺旋输送机等。3.1切削刀盘切削刀盘切割开挖面上的土壤和在开挖室内搅拌使之变成可塑的泥土浆。切削刀盘前面一般布置有添加土壤改良剂料的灌注口，对开挖面上的土壤进行改良处理。切削刀盘盘面有封闭式和敞开式两种。封闭式切削刀盘是用于开挖面不稳定的土层类型，这
13、样可以避免在开挖面有大量的土壤松动。切削刀盘上开口的百分比在保证系统稳定的前提下可以根据实际需要而变化。开口的宽度限制了螺旋输送机中可以输送的最大石块的尺寸。大的石块需在切削刀盘前压碎到与开口缝隙尺寸相配，这样可以避免损坏螺旋输送机。封闭式切削刀盘的一个缺点是在开挖面上支撑压力的分布不均匀。承压隔板上测得的土压值不一定就是真实值，它还和刀盘的位置和转向有关。敞开式切削刀盘（敞开式星形设计），一般不会发生阻塞，此时开挖面支撑压力分布均匀且送到螺旋输送机上的土料流动稳定。但它的缺点是由于缺乏机械支撑，进入压缩空气下的开挖室的危险较大。此外，长时间运行时，在覆土浅时易造成沉降，稳定性和刀盘的强度降低
14、。若敞开式星形设计有轮缘，则切削刀盘的稳定性会增强。根据地质情况，刀盘可配铲型刮刀、盘型滚刀等不同刀具。它们都安装于刀盘的后面，以便检查和更换。根据隧洞的走向及盾构机的设计，刀盘还配有超挖刀具。3.2轴承和驱动部件在轴承和驱动部件方面，采用了与泥水式盾构机和岩石掘进机相似的系统。在土压平衡式盾构机中，轴承的密封系统和易于拆换非常重要，因为这些部件在磨蚀性强的土层中会受到很大的机械应力，易造成密封区域的严重损坏。在结构上一般分为中心轴驱动方式和非中心轴驱动方式。中心轴驱动部件的封闭或敞开式切削刀盘是一种比较简单的设计，在开挖室内不需要什么处理，也没什么障碍物。它的另一个优点是所有密封都可以从盾构
15、机上接触到，因此易于修复。中心轴驱动部件的缺点是盾构中心被切削刀盘部件占满，使螺旋输送机的安装坡度特别小，这必然导致盾构机的加长。非中心轴驱动部件的封闭或敞开式切削刀盘驱动轴承的直径约为盾构直径的一半。切削刀盘有单独的支架支承。优点是导引稳定、不易阻塞和支承支架能起一定的搅拌作用，并可以从盾构区域接近密封系统。3.3开挖室土压平衡式盾构机的刀盘切削面与后面的承压隔板所形成的空间为开挖室。在这里从开挖面挖出的土料转变成有良好的变形性的可塑土浆（假如在开挖面的开挖中还没做到这一点的话），以保证在开挖面有稳定的支撑压力。挖掘工作腔室的设计由螺旋输送机、压缩空气室（如果有的话）和切削刀盘驱动部件的位置
16、决定。开挖室的设计应顺应土料流动以避免土料聚集，保证土料持续地流到螺旋输送机中。开挖室的长度决定了与推进速率相关的土料留在室内的时间。开挖室还可根据需要布置一些搅拌机构，对土料进行搅拌。对大直径盾构机，堵塞的危险性较大（尤其在开挖室中部），因为旋转搅拌工具的转速越靠中间越小。当切削刀盘的一般转速为1-2mmin时，搅拌机构对靠近中心的部位不起作用，因此在中心部位应设置可以独立旋转的切削或搅拌装置。3.4螺旋输送机在土压平衡式盾构机中螺旋输送机具有以下功能：从有压力的开挖室内将土料送到大气压下的隧洞中；在渗水土层中密封有压水；通过控制开挖土料的进出量来控制开挖室的支撑压力。螺旋输送机是一个连续工作的系统，由可旋转的螺旋
