隧道與洞室工程 土壓平衡盾構PPT課件

1、第1頁/共62頁 土壓平衡式盾構機的發(fā)展基于擠壓式盾構機（閉胸）和泥水式盾構機。 擠壓式盾構機在其承壓隔板上設有面積可調(diào)的排土口，開挖面的穩(wěn)定靠調(diào)節(jié)孔口大小和排土阻力，使盾構千斤頂推力和開挖面土壓達到平衡來實現(xiàn)。第2頁/共62頁 擠壓式盾構機適用于具有良好塑性的粘土層，適用地質范圍狹窄。 泥水式盾構機在非粘土層中廣泛應用，但隨細顆粒土砂百分比的增加其分離越來越復雜，代價越來越高，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，由于空間有限使得安裝分離設備較為困難。第3頁/共62頁 這些都促進了土壓平衡式盾構機的發(fā)展。與泥水式盾構機相比，土壓平衡式盾構機沒有分離裝置，施工時的覆

2、土層可以相對較淺。 其適用地質范圍比擠壓式盾構機廣，掘進性能也優(yōu)于擠壓式盾構機。第4頁/共62頁 從1964年到1974年的10年間，與氣壓施工法同時使用的手掘式盾構機占總數(shù)的3/4，從1974年到1984年的10年間，這種盾構機型減少，泥水式和土壓平衡式等機械挖掘式盾構機不斷增加。 日本隧道技術協(xié)會對世界盾構施工法現(xiàn)狀開展通信調(diào)查的結果（其中96%是日本的工程），從1980年至1985年的6年間，密閉型盾構機從1980年占各種類型盾構機總數(shù)的60%急增至86%，特別是土壓平衡式盾構機從19%增大到60%。第5頁/共62頁第6頁/共62頁第7頁/共62頁第8頁/共62頁 土壓平衡式盾構機的刀盤

3、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。 刀盤旋轉切削下來的土壤通過刀盤上的開口進入泥土室，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土壓。從而保持開挖面的穩(wěn)定。第9頁/共62頁 螺旋輸送機從承壓隔板的開孔處伸入泥土室進行排土。 盾構機的挖掘推進速度和螺旋輸送機單位時間的排土量或其旋轉速度都會影響泥土室內(nèi)土漿壓力的大小，所以應進行協(xié)調(diào)控制。第10頁/共62頁 在最初的土壓平衡式盾構機中采用體積控制方法來檢查開挖面的穩(wěn)定情況。 它將測量的開挖體積與根據(jù)掘進速度和開挖洞徑計算得到的理

4、論體積值進行比較，對盾構機挖掘推進速度和螺旋輸送機的旋轉速度參數(shù)進行調(diào)節(jié)控制。 對開挖出土料體積的測量方法有傳統(tǒng)的稱重方法及近些年采用的超聲波和激光測量方法。第11頁/共62頁 超聲波法和激光法要求輸送帶上的土料表面較光滑，在實際應用中較難保證。 僅靠體積控制的方法存在一些缺點，它不提供任何開挖室內(nèi)實際填充情況和土體壓實度的有關信息；體積測量裝置復雜而且昂貴，它們的安裝位置有時會阻礙輸送帶對土料的輸送；只有在一段時間之后才能做定性分析 無法得到開挖面的實時情況；在同時有土壤改良劑料加入時，無法得出精確體積值。第12頁/共62頁 對開挖室內(nèi)土壓的測量則會提供更多的開挖面穩(wěn)定控制所需的信息。土壓是

5、通過安裝在承壓隔板上不同位置的土壓傳感器進行測量的。 土壓測量裝置的原理比泥水式盾構機中支撐液體靜壓的測量方法要復雜，它的應用和發(fā)展已能夠根據(jù)事先計算的開挖面支撐壓力曲線對壓力進行精確控制。第13頁/共62頁 在隧洞掘進的過程中，通過土壓的測量值由調(diào)節(jié)電路來調(diào)整有關控制參數(shù)。 土壓通過改變盾構千斤頂?shù)耐七M速度或推螺旋輸送機的旋轉速度而增減。 在盾構機的實際運行中，操作員的經(jīng)驗及對盾構機中各重要測量參數(shù)的監(jiān)視非常重要。第14頁/共62頁 土壓平衡式盾構機用開挖出的土料作為支撐開挖面穩(wěn)定的介質，對作為支撐介質的土料要求為：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

6、這些特性，所以要進行改良。改良的方法通常為：加水，膨潤土，粘土，外加劑（CMC），聚合物和泡沫等，根據(jù)土質情況選用。2 土質改良和應用范圍第15頁/共62頁 通過這些改良措施，擴大了土壓平衡式盾構機的應用范圍。第16頁/共62頁 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 避免了土料在開挖室低壓部位的堆集、對刀盤的阻塞以及對開挖室的堵塞 降低了刀盤和螺旋輸送機的驅動力矩，從而更為經(jīng)濟 但土料不能過軟，否則不適于帶式輸送機和料車的輸運。第17頁/共62頁 土料由螺旋輸送機從有壓的開挖室輸送到大氣壓下的隧洞里 從螺旋輸送機到帶式輸送

7、機的轉運如沒有料閘裝置，則土料應具有低的滲透性，低滲透性可以避免液流穿過螺旋輸送機。 有軟稠度的粘質粉土和粉砂是最適合使用土壓平衡式盾構機的土層。第18頁/共62頁 根據(jù)土層的稠度，有時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，因為它不能減小內(nèi)摩擦角。 增大的滲透性必須解決好螺旋輸送機的密封問題。細土粒含量的缺乏可以通過加入粘土和膨潤土懸浮液來補償。 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性很好、滲透性降低的可塑土漿第19頁/共62頁 對非粘透水性土層可以通過注射泡沫進行改良處理

8、。泡沫被加入挖出的土壤中并成為粒狀結構的一部分。 粒狀結構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。第20頁/共62頁自主開發(fā)氣泡劑自主開發(fā)氣泡發(fā)泡裝置第21頁/共62頁自主開發(fā)氣泡劑自主開發(fā)氣泡發(fā)泡裝置第22頁/共62頁自主開發(fā)氣泡劑自主開發(fā)氣泡發(fā)泡裝置第23頁/共62頁 隨著開挖室內(nèi)壓力的降低，粒狀結構內(nèi)的氣相會膨脹，土體會形變； 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動力矩的快速增大。 由于化學的和物理的粘著力的作用，使用適當?shù)呐菽旌衔?，開挖的土料可以變得非常

9、粘著，完全可以用帶式輸送機進行輸送。第24頁/共62頁 實際上泡沫的90%都是空氣，而空氣在幾天后就會全部逸出，因此土料可以恢復原來的稠度，在對開挖出土料的儲置或進一步利用上這是一個顯著的優(yōu)點，而且不需要復雜昂貴的分離設備。 加泡沫技術用于含水土層時還可抵抗較高的地下水壓，它的發(fā)展可擴大土壓平衡式盾構機的應用范圍，使它也可用在原先只適于泥水式盾構機的土層中。泡沫混合物在使用后幾天之內(nèi)化學物質就會完全生物分解，基本不存在環(huán)境污染的問題。第25頁/共62頁 土壓平衡盾構機的應用范圍如圖2所示。在寬限制線（曲線1）上細土粒含量不少于30%，這時針對土層的顆粒分布，應用上沒有限制。 這主要是指稠度由現(xiàn)

10、有水含量決定的一般不透水地層。第26頁/共62頁圖2土層顆粒尺寸分布的土壓平衡式盾構機適用范圍第27頁/共62頁 對稠度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，土料的稠度應為柔軟（Ic=0.4-0.75）。 根據(jù)土層的礦物學結構組成情況，也可以使用水、低粘性懸浮液（膨潤土，聚合物）和泡沫。第28頁/共62頁 在限制線以下土層滲透性及內(nèi)摩擦大大增加，應用所受的限制由滲透系數(shù)k和地下水壓力決定。 在實際應用中，壓力最大為200kPa時水的滲透系數(shù)不應大于10-5m/s。 在曲線2和曲線3之間的部分，土壓平衡式盾構機不能在水壓下使用。 在曲線3以下，滲透

11、性太強，對土層進行改良處理也不會有效。第29頁/共62頁 在對曲線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%，稠度已達到液體值，此時應用泥漿系統(tǒng)取代輸送帶。第30頁/共62頁 雖然通過土層處理土壓平衡式盾構機的應用范圍可以擴大到泥水式盾構機應用領域，但不應將非粘性土層歸在土壓平衡式盾構機的應用范圍之內(nèi)。 在細砂含量少的非粘性土層中，使用泥水式盾構機比土壓平衡式盾構機有更大的優(yōu)越性，應首先考慮使用。第31頁/共62頁 土壓平衡式盾構機可分為土壓式盾構機和泥土加壓式盾構機。 土壓式盾構機是在擠壓式盾構機上安裝刀盤進行開

12、挖，同時使開挖的土料流動，以便排土，它只適于可用切削刀開挖且含砂量小的塑性流動性軟粘土。第32頁/共62頁 泥土加壓式盾構機裝備有注入土壤改良用添加劑料的機構和攪拌機構，它的適用范圍較廣，可用于沖積粘土、洪積粘土、砂質土、砂、砂礫、卵石等土層。 這種盾構機又分成攪拌全部開挖土料的泥土加壓式盾構機和攪拌部分開挖土料的泥漿加壓盾構機。第33頁/共62頁 泥土加壓式盾構機的刀盤形狀多為輪輻形的，容易進行土壓調(diào)節(jié)，適用于大范圍的土質。 泥漿式盾構機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。第34頁/共62頁第35頁/共62頁 土壓平衡盾構機的基本裝置是切削刀盤及其軸承和驅動裝

13、置，開挖室以及螺旋輸送機等。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改良劑料的灌注口，對開挖面上的土壤進行改良處理。3 土壓平衡式盾構機的主要部件第36頁/共62頁 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。 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)實際需要而變化。 開口的寬度限制了螺旋輸送機中可以輸送的最大石塊的尺寸。第37頁/共62頁第38頁/共62頁第39頁/共62頁 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

14、螺旋輸送機。 封閉式切削刀盤的一個缺點是在開挖面上支撐壓力的分布不均勻。 承壓隔板上測得的土壓值不一定就是真實值，它還和刀盤的位置和轉向有關。第40頁/共62頁第41頁/共62頁 敞開式切削刀盤（敞開式星形設計），一般不會發(fā)生阻塞，此時開挖面支撐壓力分布均勻且送到螺旋輸送機上的土料流動穩(wěn)定。 但它的缺點是由于缺乏機械支撐，進入壓縮空氣下的開挖室的危險較大。此外，長時間運行時，在覆土淺時易造成沉降，穩(wěn)定性和刀盤的強度降低。 若敞開式星形設計有輪緣，則切削刀盤的穩(wěn)定性會增強。第42頁/共62頁 根據(jù)地質情況，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

15、走向及盾構機的設計，刀盤還配有超挖刀具。第43頁/共62頁 3.2 軸承和驅動部件 在軸承和驅動部件方面，采用了與泥水式盾構機和巖石掘進機相似的系統(tǒng)。 在土壓平衡式盾構機中，軸承的密封系統(tǒng)和易于拆換非常重要，因為這些部件在磨蝕性強的土層中會受到很大的機械應力，易造成密封區(qū)域的嚴重損壞。第44頁/共62頁 在結構上一般分為中心軸驅動方式和非中心軸驅動方式。 中心軸驅動部件的封閉或敞開式切削刀盤是一種比較簡單的設計，在開挖室內(nèi)不需要什么處理，也沒什么障礙物。 它的另一個優(yōu)點是所有密封都可以從盾構機上接觸到，因此易于修復。 中心軸驅動部件的缺點是盾構中心被切削刀盤部件占滿，使螺旋輸送機的安裝坡度特別

16、小，這必然導致盾構機的加長。第45頁/共62頁 非中心軸驅動部件的封閉或敞開式切削刀盤驅動軸承的直徑約為盾構直徑的一半。 切削刀盤有單獨的支架支承。優(yōu)點是導引穩(wěn)定、不易阻塞和支承支架能起一定的攪拌作用，并可以從盾構區(qū)域接近密封系統(tǒng)。第46頁/共62頁 3.3 開挖室 土壓平衡式盾構機的刀盤切削面與后面的承壓隔板所形成的空間為開挖室。 在這里從開挖面挖出的土料轉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的話），以保證在開挖面有穩(wěn)定的支撐壓力。第47頁/共62頁 挖掘工作腔室的設計由螺旋輸送機、壓縮空氣室（如果有的話）和切削刀盤驅動部件的位置決定。 開挖室的設計應順應土料流動

17、以避免土料聚集，保證土料持續(xù)地流到螺旋輸送機中。第48頁/共62頁 開挖室的長度決定了與推進速率相關的土料留在室內(nèi)的時間。 開挖室還可根據(jù)需要布置一些攪拌機構，對土料進行攪拌。對大直徑盾構機，堵塞的危險性較大（尤其在開挖室中部），因為旋轉攪拌工具的轉速越靠中間越小。 當切削刀盤的一般轉速為1-2m/min時，攪拌機構對靠近中心的部位不起作用，因此在中心部位應設置可以獨立旋轉的切削或攪拌裝置。第49頁/共62頁壓力艙土體閉塞模型盾構機2BGP1hP2tP3H開挖面0整體受力分析整體受力分析 成拱系數(shù)成拱系數(shù) hH1，土體成拱；，土體成拱；1，土體不成拱；，土體不成拱；=1，為臨界情況。，為臨界情

18、況。2BhtH開挖面盾構機H盾構機簡化模型盾構機簡化模型 土體閉塞受力平衡方程土體閉塞受力平衡方程htHtHdZPfdZPf2120103222Bh2BPh成拱土體高度成拱土體高度第50頁/共62頁 3.4 螺旋輸送機 在土壓平衡式盾構機中螺旋輸送機具有以下功能： 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出量來控制開挖室的支撐壓力。第51頁/共62頁T刀盤扭矩上升原理示意刀盤扭矩上升原理示意圖圖開挖土體堵塞土艙示開挖土體堵塞土艙示意圖意圖盾盾殼殼推推力力開 挖 面 壓開 挖 面 壓力力螺 旋 排 土螺 旋 排 土器器第52頁/共62頁 螺旋輸送機是一個連續(xù)工作的系統(tǒng)，由可旋轉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軸上，但也可以設計成沒有中心軸以便在中心輸送較大的石塊。 螺旋輸送機的驅動可以布置在中心(軸)或周向邊緣。第53頁/共62頁 中心驅動時土料從圓柱體外殼的一扇門送出，而周向邊緣驅動時，土料可以從圓柱體外殼的端部送出。 螺旋輸送機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。由于存在摩擦，在殼體內(nèi)的土料不能旋轉，只能作軸向移動。第54頁/共62頁 螺旋輸送機的安裝位置較低時更好用，因為土料是利用其自身重量壓