【正文】 第一章 緒 論 第一節(jié) 概述 第二節(jié) 泥水加壓平衡盾構(gòu)的發(fā)展 第三節(jié) 泥水加壓平衡盾構(gòu)分類 盾構(gòu)法始于英國，自 1925 年布魯諾爾 (Brunel)在倫敦泰晤士河下首次用一臺矩形盾構(gòu)開挖水底隧道以來，已有 170余年歷史。在一百多年中，世界各國制造了數(shù)以千計(jì)的各種類型、各種直徑的盾構(gòu)，盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)從低級發(fā)展到高級，從手工操作到計(jì)算機(jī)監(jiān)控機(jī)械化施工，使盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)及其施工技術(shù)得到了不斷發(fā)展和完善。至今，盾構(gòu)已發(fā)展成為軟土地層修建隧道的一種專用施工機(jī)械，盾構(gòu)施工法也已成為當(dāng)今城市隧道和地鐵工程中不可缺少的一種施 工法。 為了滿足城市隧道建設(shè)的地表沉降控制和加快施工速度，人們對盾構(gòu)法不斷提出新的要求， 20世紀(jì) 60年代開始先后在英國、日本和德國研究開發(fā)了泥水加壓式盾構(gòu)，一改以往傳統(tǒng)的盾構(gòu)施工法大多有賴于氣壓施工技術(shù)來對付不穩(wěn)定地層的局面。泥水加壓式盾構(gòu)用泥漿代替氣壓，用管道輸送代替軌道出土，加快了掘進(jìn)速度，改善了勞動條件和施工環(huán)境，能較好地穩(wěn)定開挖面和防止地表隆陷，成為當(dāng)今一種劃時(shí)代的盾構(gòu)新技術(shù)。 日本東京灣海底道路隧道采用八臺直徑 泥水加壓式盾構(gòu)掘進(jìn)施工并實(shí)現(xiàn)海底盾構(gòu)對接，大阪三連體泥水加壓式盾構(gòu)完 成地鐵車站施工，標(biāo)志著當(dāng)今國際泥水加壓平衡盾構(gòu)施工技術(shù)的發(fā)展水平。 1996 年，上海采用直徑 泥水加壓式盾構(gòu)，成功穿越 7m 淺覆土河床和 超淺覆土軟土地層，提前完成延安東路南線水底公路隧道施工，標(biāo)志著中國隧道施工技術(shù)已達(dá)到國際先進(jìn)水平。 第一章 一、概述 泥水加壓式盾構(gòu)是在機(jī)械掘削式盾構(gòu)的前部刀盤后側(cè)設(shè)置隔板，它與刀盤之間形成泥水壓力室，將加壓的泥水送入泥水壓力室，當(dāng)泥水壓力室充滿加壓的泥水后，通過加壓作用和壓力保持機(jī)構(gòu)，來謀求開挖面的穩(wěn)定。盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)由旋轉(zhuǎn)刀盤切削下來的土砂經(jīng)攪拌裝置攪拌后形 成高濃度泥水，用流體輸送方式送到地面，這是泥水加壓平衡盾構(gòu)法的主要特征。首臺大直徑泥水加壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)見照片 1。 在地面調(diào)整槽中，將泥水調(diào)整到適合地層土質(zhì)狀態(tài)后，由泥水輸送泵加壓后，經(jīng)管路送到盾構(gòu)開挖面泥水壓力室，泥水在穩(wěn)定開挖面的同時(shí)，將刀盤切削下來的土砂攪成濃泥漿，再由排泥泵經(jīng)管路輸送到地面。被送到地面的泥水，根據(jù)土砂顆粒直徑，通過一次分離設(shè)備和二次分離設(shè)備將土砂分離并脫水后，排去分離后的水，經(jīng)調(diào)整槽進(jìn)行再次調(diào)整，使其成為優(yōu)質(zhì)泥水后再循環(huán)到開挖面。排出的土砂量由排泥量測定裝置進(jìn)行測定，由此來推測開 挖面情況。對于盾構(gòu)設(shè)備及一系列系統(tǒng)裝置必需進(jìn)行綜合管理。 照片 1世界首臺大直徑盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī) 泥水加壓平衡盾構(gòu)工法是最適宜于開挖區(qū)難以穩(wěn)定、滯水砂層、含水量高的松軟粘性土層及隧道上方有水體的場合。其主要優(yōu)缺點(diǎn)如下。 優(yōu)點(diǎn)： (1)在不穩(wěn)定地層中當(dāng)盾構(gòu)開挖面受阻時(shí)，采用泥水加壓平衡盾構(gòu)，能使開挖面保持穩(wěn)定，確保隧道施工安全； (2)處在地下水位以下的隧道，能夠在正常大氣壓下施工作業(yè)，無需用氣壓法施工； (3)不會發(fā)生類似氣壓盾構(gòu)那樣的跑氣噴發(fā)的危險(xiǎn)； (4)泥水加壓盾構(gòu)能適應(yīng)在較 廣土層范圍內(nèi)施工，對于氣壓盾構(gòu)無法施工的滯水砂層、含水量高的粘土層及高水壓礫石層，泥水加壓平衡盾構(gòu)也能進(jìn)行施工； (5)對于大直徑礫石地層，只需增添粉碎裝置和取礫石裝置便能施工； (6)因采用管路排泥，井下施工作業(yè)環(huán)境能保持清潔良好，提高了作業(yè)人員的施工安全性； (7)可以分離出能滿足適合當(dāng)?shù)貤壨翀龅睾瓦\(yùn)輸方式的含水率土砂； (8)由于泥水在土層中的滲透性比空氣在土中的透氣性小，可在覆土較淺的條件下進(jìn)行盾構(gòu)法隧道施工； (9)在覆土深及地下水位高的條件下，若用氣壓盾構(gòu)施工則要用很高的壓力 ，對施工人員健康不利，用泥水加壓平衡盾構(gòu)施工則無此影響。更由于開挖是密閉的，即使土層發(fā)生坍塌和涌水等意外情況，也不致危及整條隧道施工。所以特別適用于地下水位高的不穩(wěn)定軟弱地層中及江河海底下修建隧道的施工； (10)地層的透水性比透氣性要小得多，因此在大孔隙地層中施工時(shí)可不必用化學(xué)灌漿等輔助措施來封閉加固地層，而且也可減少地下水的移動，從而減少由此而引起的地表沉降； (11)挖土及出土等可全部實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、管道化水力輸送，并可在地面上控制，從而改善隧道內(nèi)作業(yè)條件，提高了施工效率； (12)可避免空壓 機(jī)振動帶來的噪聲公害。 缺點(diǎn)： (1)需要土砂分離裝置，其設(shè)備費(fèi)用高，占地面積大； (2)對于微顆粒粘土，需用聚凝劑。 適合泥水加壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)施工的地質(zhì)情況： (1)江、河、海、湖泊及運(yùn)河等水體下地層； (2)滯水砂層、滯水礫石層及其它松散地層； (3)施工區(qū)域內(nèi)同時(shí)存在沖積層粘土和洪積層硬土兩種地層； (4)滯水砂礫層和粘性土層的互層地層； (5)高水壓層和高承壓水層； (6)有大直徑礫石的地層； (7)礫石直徑不大，但礫石數(shù)量甚多的地層。 第一章 二、泥水加 壓平衡盾構(gòu)的發(fā)展 20 世紀(jì) 60 年代初，穿越天然不穩(wěn)定和含水地層的隧道工程通用技術(shù)有：降水法、氣壓法、地基加固法和凍結(jié)法。其中氣壓法是最經(jīng)濟(jì)有效的，但是由于安全和健康等原因，希望有一種能通過地下水位的無粘聚力土層時(shí)不干擾地面和使工人不在氣壓下施工的新型隧道掘進(jìn)機(jī)，試驗(yàn)過幾種不同形式的掘進(jìn)機(jī)。歐洲大陸國家提出“局部氣壓”，設(shè)計(jì)了全斷面切削頭內(nèi)設(shè)有可調(diào)節(jié)開口的掘進(jìn)機(jī)，以放入恰當(dāng)?shù)臈壨羴肀苊獾乇淼淖冃巍５@種方法對工作面不提供不變的和有規(guī)則的支護(hù)，隧道和覆蓋層的安全完全依賴于機(jī)器操作者的調(diào)節(jié)。接著，英國隧道專家建議 在隔艙板前用噴水的“水力盾構(gòu)”，但水不能支護(hù)開挖面，無法阻止開挖面不停地流動。這種情況與充滿水的挖槽相類似，從而提出在開挖面用類同槽壁法的支護(hù)，而膨潤土泥漿可在無粘聚力土槽溝中支護(hù)掘出開挖面，這樣就誕生了泥水加壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)。 1 英國體系 1964 年英國 Mott,Hay 和 Anderson 的 John Bartlett 申請了泥水加壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)原理專利 (英國專利號 1083322)。英國國家研究和開發(fā)公司要求正確使用這種方法，并對這方面研究給予財(cái)政上支持。 1971年開挖直徑 、長 140m 的試 驗(yàn)段。英國體系泥水加壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)與同類德國體系相對照，其研制的特征是有長槽的鼓輪狀的切削頭、提取來自壓力室的泥漿，有粗和細(xì)兩套分離裝置，以及以控制棄土出口壓力 (閥或泵 )的方法保持開挖面的壓力。當(dāng)時(shí)，英國由于缺乏能適合促進(jìn)這種技術(shù)的隧道工程，這種技術(shù)的發(fā)展受到了限制。 2 日本體系 日本工程師相信液體支護(hù)隧道開挖面的原理，他們稱為“泥水盾構(gòu)” (即泥水加壓平衡盾構(gòu) )。 1970 年日本鐵道建設(shè)公司在京葉線森崎運(yùn)河下，羽田隧道工程中采用了直徑 泥水加壓盾構(gòu)施工，土質(zhì)為沖積粉砂土層和洪積砂層， N值為 2～ 50，施工長度為 865m179。 2條 =1712 延米，見圖 1。 泥水盾構(gòu)施工現(xiàn)場布置圖 圖 1 日本羽田隧道工程采用泥水加壓盾構(gòu)施工 為建設(shè)東京羽田隧道而研制的這種直徑 ，在隧道施工中獲得了極大的成功，它是當(dāng)時(shí)最大直徑的泥水加壓平衡盾構(gòu)。 該施工方法引人注目，尤其在 1974 年發(fā)生化學(xué)注漿的藥液公害后，對注漿藥液的品種進(jìn)行嚴(yán)格控制，因此對不必采用化學(xué)注漿的泥水加壓盾構(gòu)法又作了新的評價(jià)。 1975 年后，該法施工的工程數(shù)劇增，到了 1981年，用泥水加壓平衡盾構(gòu)法施工的工程數(shù)占盾構(gòu)法施工工程總數(shù)的 1/3，見圖 2。 圖 2 至 1982 年日本泥水加壓盾構(gòu)銷售實(shí)績 圖 圖 4 簡要地顯示了日本泥水加壓平衡盾構(gòu)工法的占有率、不同外徑尺寸的使用臺數(shù)以及不同場合的使用臺數(shù)。 圖 3 日本泥水加壓盾構(gòu)不同外徑尺寸的使用臺數(shù) 圖 4 日本泥水加壓盾構(gòu)在不同場合的使用臺數(shù) 1988 年 JTA 研究開發(fā)委員會盾構(gòu)施工法調(diào)查小組發(fā)表了一份《關(guān)于盾構(gòu)施工法對城市隧道適用性的調(diào)查報(bào)告》，根據(jù)調(diào)查報(bào)告可看到日本泥水加壓盾構(gòu)的工程現(xiàn)狀及發(fā)展的最新動向。 就盾構(gòu)的形式和工程長度而言，表 1所示的是從 1980 年至 1985 年 6年中的盾構(gòu)工程，按盾構(gòu)形式分類的施工長度，密閉型是 74%(泥水式 36%，土壓式 38%)應(yīng)用得非常多。 按盾構(gòu)形式分類的工程長度 表 1 形式 敞開型 密閉型 手掘式 半機(jī)械式 機(jī)械式 閉胸式 泥水式 土壓式 長度 km 61 72 18 29 261 270 比例％ 9 10 3 4 36 38 表 2 所示的是開工年度順序。 1980 年敞開型是 37%，密閉型是 63%。 敞開型盾構(gòu)和密閉型盾構(gòu)的開工年序 表 2 年 度 1980 1981 1982 1983 1984 1985 敞開型％ 37 35 30 20 16 10 密閉型％ 63 65 70 80 84 90 1985 年敞開型是 10%，而密閉型為 90%，最近是盡可能采用密閉型。 表 3所示的是密閉型盾構(gòu)情 況，可以了解到 1980 年和 1985 年泥水式和土壓式的比例在轉(zhuǎn)換，土壓式的應(yīng)用在增加。 密閉型盾構(gòu)一覽 表 3 年 度 1980 1981 1982 1983 1984 1985 泥水式％ 68 57 54 39 48 31 土壓式％ 32 43 46 61 52 69 圖 5 是各類盾構(gòu)在各種土層施工的長度，并按百分比的形式來表示。除軟巖外，泥水式和土壓式的密閉型盾構(gòu)在粘性土、砂質(zhì)土、砂礫等各類地層中的應(yīng)用達(dá) 60%以上。特別在砂質(zhì)土 地層中密閉型達(dá)到 86%，其中泥水式 (52%)和土壓式 (34%)應(yīng)用得較多。 1手掘式； 2閉胸式； 3半機(jī)械式； 4敞開型機(jī)械式； 5泥水式； 6土壓式； 7板刀式 圖 5 切口代表性土質(zhì)盾構(gòu)的形式 但以開工年度順序來看， 1980 年泥水式占 73%、土壓式 27%， 1985 年逆轉(zhuǎn)為泥水式 22%、土壓式 78%，見圖 6?？梢哉f明這是由當(dāng)時(shí)土壓盾構(gòu)的技術(shù)開發(fā)進(jìn)展迅速所致。 圖 6 砂質(zhì)土中密閉型盾構(gòu)選擇的 歷年變化 對于泥水加壓盾構(gòu)和土壓平衡盾構(gòu)之間的發(fā)展關(guān)系，日本專家認(rèn)為“由密閉型盾構(gòu)發(fā)展起來的土壓系盾構(gòu)工法，在日本原有的基礎(chǔ)上仍在不斷進(jìn)行改良，其適應(yīng)范圍正在日益擴(kuò)大。土壓盾構(gòu)工法有加水型、加泥水型；高濃度泥水加壓盾構(gòu)工法；泥漿盾構(gòu)工法等和泥水加壓盾構(gòu)工法的范疇錯綜復(fù)雜，作為思考方式，對于在開挖面進(jìn)行泥水加壓的方法，將其歸類于泥水加壓盾構(gòu)也許是不會錯的”。 3 德國體系 德國 Wayss 和 Fretag 公司意識到膨潤土技術(shù)所具有的潛在發(fā)展前途，開發(fā)了同類的膨潤土掘進(jìn)機(jī)，稱為“液壓盾構(gòu)”，是泥水加 壓平衡盾構(gòu)的一種類型。這種泥水加壓平衡盾構(gòu)的支護(hù)液體的壓力用插入一個(gè)氣壓緩沖層加以控制。用部分隔板將盾構(gòu)前面壓力艙分成兩個(gè)部分，隔板前面充滿著支護(hù)液，隔板后面在盾構(gòu)軸線上部的分格室有一個(gè)自由液面。氣壓緩沖層作用在支護(hù)液體上，即可用通?？刂茪鈮旱臋C(jī)構(gòu)來保持所要求的液面壓力。因此，支護(hù)液體面的頂端氣壓和支護(hù)液有相同壓力，控制壓縮空氣就可保證正確的液壓。 1974 年德國漢堡首次使用這種盾構(gòu)開挖 長污水總管，并在歐洲城市隧道施工中得到了良好的應(yīng)用。在大開羅污水工程中也曾使用過這種泥水加壓平衡盾構(gòu)。 第二 章 一、開挖面穩(wěn)定機(jī)理 1 泥膜形成機(jī)理 泥水加壓盾構(gòu)是通過在支承環(huán)前面裝置隔板的密封艙中，注入適當(dāng)壓力的泥漿，使其在開挖面形成泥膜，支承正面土體，并由安裝在正面的大刀盤切削土體表層泥膜，與泥水混合后，形成高密度泥漿，然后由排泥泵及管道把泥漿輸送到地面處理。整個(gè)過程是通過建立在地面中央控制室內(nèi)的泥水平衡自動控制系統(tǒng)統(tǒng)一管理。 在泥水平衡的理論中，泥膜的形成是至關(guān)重要的，當(dāng)泥水壓力大于地下水壓力時(shí)，泥水按達(dá)西定律滲入土壤，形成與土壤間隙成一定比例的懸浮顆粒，被捕獲并積聚于土壤與泥水的接觸表面，泥膜就此 形成。隨著時(shí)間的推移，泥膜的厚度不斷增加，滲透抵抗力逐漸增強(qiáng)。當(dāng)泥膜抵抗力遠(yuǎn)大于正面土壓時(shí)，產(chǎn)生泥水平衡效果。 2 泥膜形成基本要素 從泥水平衡理論中可以看出，在泥水加壓式盾構(gòu)法施工中，盡快形成不滲透泥膜是一個(gè)相當(dāng)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。然而，要形成泥膜必須滿足下列四項(xiàng)基本條件。 (1)泥水最大粒徑 —— 泥水最大顆粒粒徑對泥膜形成的效果有很大影響。根據(jù)土層滲透系數(shù) K的不同要求，泥水最大顆粒粒徑亦不同，它們之間必需相互匹配，其關(guān)系見表 5。 泥水最大粒徑與 K 值關(guān)系參考表 表 5 土層名稱 地層滲透系數(shù) K(cm/s) 泥水最大粒徑 (mm) 粗砂 1～ 9179。 101 ～ 2 中砂 1～ 9179。 100 ～ 細(xì)砂 1～ 9179。 101～ 2 ～ 粉砂 1～ 9179。 103 ＜ (2)顆粒級配 —— 顆粒級配對泥膜形成具有很大的影響，最佳的泥水顆粒粒徑分布形式必須通過大量實(shí)驗(yàn)來確定。 (3)泥水濃度 —— 泥水濃度提高能使泥水屈服值升高，同時(shí)能使泥膜的穩(wěn)定性增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)證明高密度的泥水可以產(chǎn)生高質(zhì)量的泥膜。 (4)泥水壓力