隧道與洞室工程土壓平衡盾構(gòu)

土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)（如圖1所示）的開發(fā)始于70年代初。第一臺土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)外徑為3.72m，由日本IHI設(shè)計制造，于1974年在東京投入使用。隨后，其它一些廠家也開始生產(chǎn)土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，產(chǎn)品的名稱不完全相同，但從原理上都可歸納為土壓平衡系統(tǒng)（Earth-pressurebalancesystem，即EPBS）。1概述

1．切削刀盤2．開挖室3．承壓隔板4．壓縮空氣閘室

5．推進(jìn)千斤頂6．尾盾密封7．油箱8．帶式輸送機(jī)

9．管片拼裝機(jī)10．刀盤驅(qū)動11．螺旋輸送機(jī)

圖1土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展基于擠壓式盾構(gòu)機(jī)（閉胸）和泥水式盾構(gòu)機(jī)。擠壓式盾構(gòu)機(jī)在其承壓隔板上設(shè)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(gòu)千斤頂推力和開挖面土壓達(dá)到平衡來實現(xiàn)。擠壓式盾構(gòu)機(jī)適用于具有良好塑性的粘土層，適用地質(zhì)范圍狹窄。泥水式盾構(gòu)機(jī)在非粘土層中廣泛應(yīng)用，但隨細(xì)顆粒土砂百分比的增加其分離越來越復(fù)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(shè)備較為困難。這些都促進(jìn)了土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展。與泥水式盾構(gòu)機(jī)相比，土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)沒有分離裝置，施工時的覆土層可以相對較淺。其適用地質(zhì)范圍比擠壓式盾構(gòu)機(jī)廣，掘進(jìn)性能也優(yōu)于擠壓式盾構(gòu)機(jī)。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(gòu)機(jī)占總數(shù)的3/4，從1974年到1984年的10年間，這種盾構(gòu)機(jī)型減少，泥水式和土壓平衡式等機(jī)械挖掘式盾構(gòu)機(jī)不斷增加。日本隧道技術(shù)協(xié)會對世界盾構(gòu)施工法現(xiàn)狀開展通信調(diào)查的結(jié)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(gòu)機(jī)從1980年占各種類型盾構(gòu)機(jī)總數(shù)的60%急增至86%，特別是土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)從19%增大到60%。土壓平衡式盾盾構(gòu)機(jī)的刀盤盤切削面與后后面的承壓隔隔板所形成的的空間為開挖挖室或泥土室室。刀盤旋轉(zhuǎn)切削削下來的土壤壤通過刀盤上上的開口進(jìn)入入泥土室，與與泥土室內(nèi)的的可塑土漿混合或被攪拌拌混合，盾構(gòu)構(gòu)千斤頂?shù)耐仆屏νㄟ^承壓壓隔板傳遞到到泥土室內(nèi)的的泥土漿上，，由泥土漿的的壓力作用于于開挖面，以以平衡開挖面面處的地下水水壓和土壓。。從而保持開開挖面的穩(wěn)定定。螺旋輸送機(jī)從從承壓隔板的的開孔處伸入入泥土室進(jìn)行行排土。盾構(gòu)機(jī)的挖掘掘推進(jìn)速度和和螺旋輸送機(jī)機(jī)單位時間的的排土量或其其旋轉(zhuǎn)速度都都會影響泥土土室內(nèi)土漿壓壓力的大小，，所以應(yīng)進(jìn)行行協(xié)調(diào)控制。在最初的土壓平衡式式盾構(gòu)機(jī)中采采用體積控制制方法來檢查查開挖面的穩(wěn)穩(wěn)定情況。它將測量的開開挖體積與根根據(jù)掘進(jìn)速度度和開挖洞徑徑計算得到的的理論體積值值進(jìn)行比較，，對盾構(gòu)機(jī)挖挖掘推進(jìn)速度度和螺旋輸送送機(jī)的旋轉(zhuǎn)速速度參數(shù)進(jìn)行行調(diào)節(jié)控制。對開挖出土料料體積的測量量方法有傳統(tǒng)統(tǒng)的稱重方法法及近些年采采用的超聲波波和激光測量量方法。超聲波法和激激光法要求輸輸送帶上的土土料表面較光光滑，在實際際應(yīng)用中較難難保證。僅靠體積控制制的方法存在在一些缺點，它不提供任任何開挖室內(nèi)內(nèi)實際填充情情況和土體壓壓實度的有關(guān)關(guān)信息；體積積測量裝置復(fù)復(fù)雜而且昂貴貴，它們的安安裝位置有時時會阻礙輸送送帶對土料的的輸送；只有有在一段時間間之后才能做做定性分析無法得到開挖挖面的實時情情況；在同時時有土壤改良良劑料加入時時，無法得出出精確體積值值。對開挖室內(nèi)土壓的測量則會提提供更多的開開挖面穩(wěn)定控控制所需的信信息。土壓是是通過安裝在在承壓隔板上上不同位置的的土壓傳感器器進(jìn)行測量的的。土壓測量裝置置的原理比泥泥水式盾構(gòu)機(jī)機(jī)中支撐液體體靜壓的測量量方法要復(fù)雜雜，它的應(yīng)用用和發(fā)展已能能夠根據(jù)事先先計算的開挖面支支撐壓力力曲線對壓力進(jìn)進(jìn)行精確確控制。。在隧洞掘掘進(jìn)的過過程中，，通過土土壓的測測量值由由調(diào)節(jié)電路路來調(diào)整有有關(guān)控制制參數(shù)。。土壓通過過改變盾盾構(gòu)千斤頂?shù)耐七M(jìn)速速度或推推螺旋輸輸送機(jī)的的旋轉(zhuǎn)速速度而增增減。在盾構(gòu)機(jī)機(jī)的實際際運行中中，操作員的經(jīng)驗及及對盾構(gòu)構(gòu)機(jī)中各各重要測測量參數(shù)數(shù)的監(jiān)視視非常重重要。土壓平衡衡式盾構(gòu)構(gòu)機(jī)用開開挖出的的土料作作為支撐撐開挖面面穩(wěn)定的的介質(zhì)，，對作為為支撐介介質(zhì)的土土料要求為：具有有良好的的塑性變變形，軟軟稠度，，內(nèi)摩擦擦角小及及滲透率率小。由于一般般土壤不不能完全全滿足這這些特性性，所以以要進(jìn)行行改良。改良的的方法通通常為：：加水，，膨潤土土，粘土土，外加加劑（CMC）），聚合合物和泡泡沫等，，根據(jù)土土質(zhì)情況況選用。。2土土質(zhì)改良良和應(yīng)用用范圍通過這些些改良措措施，擴(kuò)擴(kuò)大了土土壓平衡衡式盾構(gòu)構(gòu)機(jī)的應(yīng)應(yīng)用范圍圍。開挖室內(nèi)內(nèi)土料具具有的軟軟稠度和和良好的的塑性變變形，使使支撐壓力力能規(guī)則地地作用于于開挖面面保證了土土料能不不斷地流流送到螺螺旋輸送送機(jī)避免了土土料在開開挖室低低壓部位位的堆集集、對刀刀盤的阻阻塞以及及對開挖挖室的堵堵塞降低了刀刀盤和螺螺旋輸送送機(jī)的驅(qū)驅(qū)動力矩矩，從而而更為經(jīng)經(jīng)濟(jì)但土料不不能過軟，否則不不適于帶帶式輸送送機(jī)和料料車的輸輸運。土料由螺螺旋輸送送機(jī)從有有壓的開開挖室輸輸送到大大氣壓下下的隧洞洞里從螺旋輸輸送機(jī)到到帶式輸輸送機(jī)的的轉(zhuǎn)運如如沒有料料閘裝置置，則土土料應(yīng)具具有低的滲透透性，低滲透透性可以以避免液液流穿過過螺旋輸輸送機(jī)。。有軟稠度度的粘質(zhì)質(zhì)粉土和和粉砂是是最適合合使用土土壓平衡衡式盾構(gòu)構(gòu)機(jī)的土土層。根據(jù)土層層的稠度度，有時時不需要要水或只只需要加加很少量量的水。。通過攪攪拌裝置置在開挖挖室內(nèi)的的攪拌，，即使十十分粘著著的土層層也能變變成塑性性的泥漿漿。隨著含砂砂率的增增加，加加水就顯顯得不夠夠，因為為它不能能減小內(nèi)內(nèi)摩擦角角。增大的滲滲透性必必須解決決好螺旋旋輸送機(jī)機(jī)的密封封問題。。細(xì)土粒粒含量的的缺乏可可以通過過加入粘粘土和膨膨潤土懸懸浮液來來補(bǔ)償。。這樣孔隙隙里的水水就可通通過膨脹脹的懸浮浮液限制制，挖出出的土料料便可變變成流動動性很好好、滲透透性降低低的可塑塑土漿對非粘透透水性土土層可以以通過注射泡沫沫進(jìn)行改良良處理。。泡沫被被加入挖挖出的土土壤中并并成為粒粒狀結(jié)構(gòu)構(gòu)的一部部分。粒狀結(jié)構(gòu)構(gòu)中的氣氣泡可以以降低土土漿密度度，減小小顆粒摩摩擦。土漿混合合物的體體積變化化率得到到降低使使其在較較寬的形形變范圍圍內(nèi)有最最理想的的彈性，，這樣才才可能控控制開挖挖面支撐撐壓力。。自主開發(fā)發(fā)氣泡劑劑自主開發(fā)發(fā)氣泡發(fā)發(fā)泡裝置置自主開發(fā)發(fā)氣泡劑劑自主開發(fā)發(fā)氣泡發(fā)發(fā)泡裝置置自主開發(fā)發(fā)氣泡劑劑自主開發(fā)發(fā)氣泡發(fā)發(fā)泡裝置置隨著開挖挖室內(nèi)壓壓力的降降低，粒粒狀結(jié)構(gòu)構(gòu)內(nèi)的氣氣相會膨膨脹，土土體會形形變；隨著開挖挖室內(nèi)壓壓力的增增大，土土體中孔孔隙不斷斷變小，，這樣就就可避免免切削刀刀盤的驅(qū)驅(qū)動力矩矩的快速速增大。。由于化學(xué)學(xué)的和物物理的粘粘著力的的作用，，使用適適當(dāng)?shù)呐菖菽旌虾衔?，開開挖的土土料可以以變得非非常粘著，完全可可以用帶帶式輸送送機(jī)進(jìn)行行輸送。。實際上泡泡沫的90%都都是空氣氣，而空空氣在幾幾天后就就會全部部逸出，，因此土土料可以以恢復(fù)原原來的稠稠度，在在對開挖挖出土料料的儲置置或進(jìn)一一步利用用上這是是一個顯著的優(yōu)優(yōu)點，而且不不需要復(fù)復(fù)雜昂貴貴的分離離設(shè)備。。加泡沫技技術(shù)用于于含水土土層時還還可抵抗抗較高的的地下水壓壓，它的發(fā)發(fā)展可擴(kuò)擴(kuò)大土壓壓平衡式式盾構(gòu)機(jī)機(jī)的應(yīng)用用范圍，，使它也也可用在在原先只只適于泥泥水式盾盾構(gòu)機(jī)的的土層中中。泡沫沫混合物物在使用用后幾天天之內(nèi)化化學(xué)物質(zhì)質(zhì)就會完完全生物物分解，，基本不不存在環(huán)環(huán)境污染染的問題題。土壓平衡衡盾構(gòu)機(jī)機(jī)的應(yīng)用用范圍如如圖2所所示。在在寬限制制線（曲曲線1））上細(xì)土土粒含量量不少于于30%，這時時針對土土層的顆顆粒分布布，應(yīng)用用上沒有有限制。。這主要是是指稠度度由現(xiàn)有有水含量量決定的的一般不不透水地地層。圖2土土層顆粒粒尺寸分分布的土土壓平衡衡式盾構(gòu)構(gòu)機(jī)適用用范圍對稠度Ic>1、高粘粘性和低低滲透性性的土層層一般可可以在無無支撐壓壓的情況況下施工工。但如果開開挖面需需要支撐撐，土料料的稠度度應(yīng)為柔柔軟（Ic=0.4-0.75）。。根據(jù)土層層的礦物物學(xué)結(jié)構(gòu)構(gòu)組成情情況，也也可以使使用水、、低粘性性懸浮液液（膨潤潤土，聚聚合物））和泡沫沫。在限制線線以下土土層滲透透性及內(nèi)內(nèi)摩擦大大大增加加，應(yīng)用用所受的的限制由由滲透系系數(shù)k和和地下水水壓力決決定。在實際應(yīng)應(yīng)用中，，壓力最最大為200kPa時時水的滲滲透系數(shù)數(shù)不應(yīng)大大于10-5m/s。。在曲線2和曲線線3之間間的部分分，土壓壓平衡式式盾構(gòu)機(jī)機(jī)不能在在水壓下下使用。。在曲線3以下，，滲透性性太強(qiáng)，，對土層層進(jìn)行改改良處理理也不會會有效。。在對曲線線2下面面的土層層的改良良處理中中，只能能選用高高粘性粘粘土懸浮浮液（高高密度泥泥漿）和和聚合物物泡沫。。若處理液液的比例例超過了了開挖量量的40%-45%，，稠度已已達(dá)到液液體值，，此時應(yīng)應(yīng)用泥漿漿系統(tǒng)取代輸送帶。。雖然通過過土層處處理土壓壓平衡式式盾構(gòu)機(jī)機(jī)的應(yīng)用用范圍可可以擴(kuò)大大到泥水水式盾構(gòu)構(gòu)機(jī)應(yīng)用用領(lǐng)域，，但不應(yīng)應(yīng)將非粘性土土層歸在土壓壓平衡式式盾構(gòu)機(jī)機(jī)的應(yīng)用用范圍之之內(nèi)。在細(xì)砂含量量少的非粘性土土層中，使使用泥水式式盾構(gòu)機(jī)比比土壓平衡衡式盾構(gòu)機(jī)機(jī)有更大的的優(yōu)越性，，應(yīng)首先考考慮使用。。土壓平衡式式盾構(gòu)機(jī)可可分為土壓壓式盾構(gòu)機(jī)機(jī)和泥土加加壓式盾構(gòu)構(gòu)機(jī)。土壓式盾構(gòu)構(gòu)機(jī)是在擠擠壓式盾構(gòu)構(gòu)機(jī)上安裝裝刀盤進(jìn)行行開挖，同同時使開挖挖的土料流流動，以便便排土，它它只適于可可用切削刀刀開挖且含含砂量小的的塑性流動動性軟粘土土。泥土加壓式式盾構(gòu)機(jī)裝裝備有注入入土壤改良良用添加劑劑料的機(jī)構(gòu)構(gòu)和攪拌機(jī)機(jī)構(gòu)，它的的適用范圍圍較廣，可可用于沖積積粘土、洪洪積粘土、、砂質(zhì)土、、砂、砂礫礫、卵石等等土層。這種盾構(gòu)機(jī)機(jī)又分成攪攪拌全部開開挖土料的的泥土加壓壓式盾構(gòu)機(jī)機(jī)和攪拌部部分開挖土土料的泥漿漿加壓盾構(gòu)構(gòu)機(jī)。泥土加壓式式盾構(gòu)機(jī)的的刀盤形狀狀多為輪輻輻形的，容容易進(jìn)行土土壓調(diào)節(jié)，，適用于大大范圍的土土質(zhì)。泥漿式盾構(gòu)構(gòu)機(jī)是在刀刀盤開挖的的土料內(nèi)注注入改良劑劑料，在土土室內(nèi)攪拌拌，使開挖挖土料變成成泥漿。土壓平衡盾盾構(gòu)機(jī)的基基本裝置是是切削刀盤盤及其軸承承和驅(qū)動裝裝置，開挖挖室以及螺螺旋輸送機(jī)機(jī)等。3.1切切削刀盤切削刀盤切切割開挖面面上的土壤壤和在開挖挖室內(nèi)攪拌拌使之變成成可塑的泥泥土漿。切切削刀盤前前面一般布布置有添加加土壤改良良劑料的灌灌注口，對對開挖面上上的土壤進(jìn)進(jìn)行改良處處理。3土壓壓平衡式盾盾構(gòu)機(jī)的主主要部件切削刀盤盤盤面有封閉閉式和敞開開式兩種。。封閉式切切削刀盤是是用于開挖挖面不穩(wěn)定定的土層類類型，這樣樣可以避免免在開挖面面有大量的的土壤松動動。切削刀盤上上開口的百百分比在保保證系統(tǒng)穩(wěn)穩(wěn)定的前提提下可以根根據(jù)實際需需要而變化化。開口的寬度度限制了螺螺旋輸送機(jī)機(jī)中可以輸輸送的最大大石塊的尺尺寸。大的石塊需需在切削刀刀盤前壓碎碎到與開口口縫隙尺寸寸相配，這這樣可以避避免損壞螺螺旋輸送機(jī)機(jī)。封閉式切削削刀盤的一一個缺點是是在開挖面面上支撐壓壓力的分布布不均勻。。承壓隔板上上測得的土土壓值不一一定就是真真實值，它它還和刀盤盤的位置和和轉(zhuǎn)向有關(guān)關(guān)。敞開式切削削刀盤（敞敞開式星形形設(shè)計），，一般不會會發(fā)生阻塞塞，此時開開挖面支撐撐壓力分布布均勻且送送到螺旋輸輸送機(jī)上的的土料流動動穩(wěn)定。但它的缺點點是由于缺缺乏機(jī)械支支撐，進(jìn)入入壓縮空氣氣下的開挖挖室的危險險較大。此此外，長時時間運行時時，在覆土土淺時易造造成沉降，，穩(wěn)定性和和刀盤的強(qiáng)強(qiáng)度降低。。若敞開式星星形設(shè)計有有輪緣，則則切削刀盤盤的穩(wěn)定性性會增強(qiáng)。。根據(jù)地質(zhì)情情況，刀盤盤可配鏟型型刮刀、盤盤型滾刀等等不同刀具具。它們都安裝裝于刀盤的的后面，以以便檢查和和更換。根根據(jù)隧洞的的走向及盾盾構(gòu)機(jī)的設(shè)設(shè)計，刀盤盤還配有超超挖刀具。。3.2軸軸承和驅(qū)驅(qū)動部件在軸承和驅(qū)驅(qū)動部件方方面，采用用了與泥水水式盾構(gòu)機(jī)機(jī)和巖石掘掘進(jìn)機(jī)相似似的系統(tǒng)。。在土壓平衡衡式盾構(gòu)機(jī)機(jī)中，軸承承的密封系系統(tǒng)和易于于拆換非常常重要，因因為這些部部件在磨蝕蝕性強(qiáng)的土土層中會受受到很大的的機(jī)械應(yīng)力力，易造成成密封區(qū)域域的嚴(yán)重?fù)p損壞。在結(jié)構(gòu)上一一般分為中中心軸驅(qū)動動方式和非非中心軸驅(qū)驅(qū)動方式。。中心軸驅(qū)動動部件的封封閉或敞開開式切削刀刀盤是一種種比較簡單單的設(shè)計，，在開挖室室內(nèi)不需要要什么處理理，也沒什什么障礙物物。它的另一個個優(yōu)點是所所有密封都都可以從盾盾構(gòu)機(jī)上接接觸到，因因此易于修修復(fù)。中心軸驅(qū)動動部件的缺缺點是盾構(gòu)構(gòu)中心被切切削刀盤部部件占滿，，使螺旋輸輸送機(jī)的安安裝坡度特特別小，這這必然導(dǎo)致致盾構(gòu)機(jī)的的加長。非中心軸驅(qū)驅(qū)動部件的的封閉或敞敞開式切削削刀盤驅(qū)動動軸承的直直徑約為盾盾構(gòu)直徑的的一半。切削刀盤有有單獨的支支架支承。。優(yōu)點是導(dǎo)導(dǎo)引穩(wěn)定、、不易阻塞塞和支承支支架能起一一定的攪拌拌作用，并并可以從盾盾構(gòu)區(qū)域接接近密封系系統(tǒng)。3.3開開挖室土壓平衡式式盾構(gòu)機(jī)的的刀盤切削削面與后面面的承壓隔隔板所形成成的空間為為開挖室。。在這里從開開挖面挖出出的土料轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變成有良良好的變形形性的可塑塑土漿（假假如在開挖挖面的開挖挖中還沒做做到這一點點的話），，以保證在在開挖面有有穩(wěn)定的支支撐壓力。。挖掘工作腔腔室的設(shè)計計由螺旋輸輸送機(jī)、壓壓縮空氣室室（如果有有的話）和和切削刀盤盤驅(qū)動部件件的位置決決定。開挖室的設(shè)設(shè)計應(yīng)順應(yīng)應(yīng)土料流動動以避免土土料聚集，，保證土料料持續(xù)地流流到螺旋輸輸送機(jī)中。。開挖室的長長度決定了了與推進(jìn)速速率相關(guān)的的土料留在在室內(nèi)的時時間。開挖室還可可根據(jù)需要要布置一些些攪拌機(jī)構(gòu)構(gòu)，對土料料進(jìn)行攪拌拌。對大直直徑盾構(gòu)機(jī)機(jī)，堵塞的的危險性較較大（尤其其在開挖室室中部），，因為旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)攪拌工具具的轉(zhuǎn)速越越靠中間越越小。當(dāng)切削刀盤盤的一般轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為1-2m/min時，，攪拌機(jī)構(gòu)構(gòu)對靠近中中心的部位位不起作用用，因此在在中心部位位應(yīng)設(shè)置可可以獨立旋旋轉(zhuǎn)的切削削或攪拌裝裝置。壓力艙土體體閉塞模型型盾構(gòu)機(jī)2BGP1hP2tP3τH開挖面τττ0整體受力分析

成拱系數(shù)

λ>1，土體成拱；λ<1，土體不成拱；λ=1，為臨界情況。2BhtH開挖面盾構(gòu)機(jī)H′盾構(gòu)機(jī)簡化模型

土體閉塞受力平衡方程成拱土體高度3.4螺螺旋輸送送機(jī)在土壓平衡衡式盾構(gòu)機(jī)機(jī)中螺旋輸輸送機(jī)具有有以下功能能：從有壓力的的開挖室內(nèi)內(nèi)將土料送送到大氣壓壓下的隧洞洞中；在滲水土層層中密封有有壓水；通過控制開開挖土料的的進(jìn)出量來來控制開挖挖室的支撐撐壓力。σTτ刀盤扭矩上升原理示意圖ττττ開挖土體堵塞土艙示意圖盾殼推力開挖面壓力螺旋排土器螺旋輸送機(jī)機(jī)是一個連連續(xù)工作的的系統(tǒng)，由由可旋轉(zhuǎn)的的螺旋葉片片和靜止螺螺旋葉片外外殼組成。。螺旋葉片一一般是裝配配在旋轉(zhuǎn)軸軸上，但也也可以設(shè)計計成沒有中中心軸以便便在中心輸輸送較大的的石塊。螺旋輸送機(jī)機(jī)的驅(qū)動可可以布置在在中心(軸軸)或周向向邊緣。中心驅(qū)驅(qū)動時時土料料從圓圓柱體體外殼殼的一一扇門門送出出，而而周向向邊緣緣驅(qū)動動時，，土料料可以以從圓圓柱體體外殼殼的端端部送送出。。螺旋輸輸送機(jī)機(jī)的圓圓柱形形殼體體有一一段是是可以以伸縮縮的。