【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 特性而言，濃度和密度越高，開挖面的穩(wěn)定性越好，而濃度和密度越低泥水輸送時(shí)效率越高，因此考慮了以上條件，目前被廣泛作為泥水管理標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)值如下： （1）容重：～（g/cm 3）粘土、膨潤(rùn)土等。 （2）粘度：20～40（s） ，漏斗粘度 500/500ml。 （3）脫水量：Q＜200ml， （APL 過(guò)濾試驗(yàn) 3kg／cm 2,30min） 。 泥水加壓盾構(gòu)有日本體系及德國(guó)體系，如圖 8 所示。兩者區(qū)別是：德國(guó)式的密封艙中設(shè)置了起緩沖作用的氣壓艙，以便于人工控制正面泥漿壓力，構(gòu)造較簡(jiǎn)單；而日本式密封艙中全是泥水，要有一套自動(dòng)控制泥水平衡的裝置。一般地說(shuō)，泥水盾構(gòu)對(duì)地層擾動(dòng)最小，地面沉降也最小，但費(fèi)用最高。 泥水盾構(gòu)適用地層：泥水加壓盾構(gòu)最初是在沖積粘土和洪積砂土交錯(cuò)出現(xiàn)的特殊地層中使用，由于泥水對(duì)開挖面的作用明顯，因此軟弱的淤泥質(zhì)土層、松動(dòng)的砂土層、砂礫層、卵石砂礫層、砂礫和堅(jiān)硬土的互層等均運(yùn)用。泥水加壓盾構(gòu)對(duì)地層的適用范圍之9廣。但是在松動(dòng)的卵石層和堅(jiān)硬土層中采用泥水加壓盾構(gòu)施工，會(huì)產(chǎn)生逸水現(xiàn)象，因此在泥水中應(yīng)加入一些膠合劑來(lái)堵塞漏縫。在非常松散的卵石層中開挖時(shí)，也有可能失敗。還有在堅(jiān)硬的土層中開挖時(shí)，不僅土的微粒會(huì)使泥水質(zhì)量降低，而且粘土還常會(huì)粘附在刀盤和槽口上，給開挖帶來(lái)困難，因此應(yīng)該予以注意。 泥水加壓盾構(gòu)的適用性： （1）細(xì)粒土（粒徑 以下）含有率在粒徑累積曲線的 10%以上。 （2）礫石（粒徑 2mm 以上）含有率在粒徑加積曲線的 60%以上。 （3）自然含水量 18%以上。 （4）無(wú) 200～30Omm 的粗礫石。（5）滲透系數(shù) K102cm/s。 8．土壓平衡式盾構(gòu)。土壓盾構(gòu)又稱削土密閉式或泥土加壓式盾構(gòu)。它的前端有一個(gè)全斷面切削刀盤，切削刀盤的后面有一個(gè)貯留切削土體的密封艙，在密封艙中心線下部裝置長(zhǎng)筒形螺旋輸送機(jī)，輸送機(jī)一頭設(shè)有出入口，如圖 19 所示。所謂土壓平衡就是密封艙中切削下來(lái)的土體和泥水充滿密封艙，并可具有適當(dāng)壓力與開挖面土壓平衡，以減少對(duì)土體的擾動(dòng)，控制地表沉降。這種盾構(gòu)可節(jié)省泥水盾構(gòu)中所必須的泥水平衡及泥水處理裝置的大量費(fèi)用，主要適用于粘性土或有一定粘性的粉砂土?，F(xiàn)已有加水或加泥水的新型土壓平衡盾構(gòu)，可適用于多種土層。圖 19 土壓平衡式盾構(gòu)土壓平衡式盾構(gòu)的基本原理，由刀盤切削土層，切削后的泥土進(jìn)入土腔（工作室），土腔內(nèi)的泥土與開挖面壓力取得平衡的同時(shí)由土腔內(nèi)的螺旋輸送機(jī)出土，裝于排土口的排土裝置在出土量與推進(jìn)量取得平衡的狀態(tài)下，進(jìn)行連續(xù)出土。土壓平衡式盾構(gòu)的產(chǎn)品名稱是各不相同的，即使是相類似的盾構(gòu)，其名稱也因開挖面穩(wěn)定的方法和各公司對(duì)排土機(jī)構(gòu)開發(fā)過(guò)程的不同而各異。在使開挖面穩(wěn)定條件不同的盾構(gòu)中，把這種從土腔內(nèi)用10螺旋輸送機(jī)出土的盾構(gòu)與泥水加壓盾構(gòu)相區(qū)別。土壓平衡式盾構(gòu)又分為：削土加壓式，土壓平衡加水式，高濃度泥水加壓式，加泥式等 4 類。開挖工作面穩(wěn)定機(jī)構(gòu)：土壓平衡式盾構(gòu)的開挖面穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，按地質(zhì)條件可以分成二種型式，一種是適用于內(nèi)摩擦角小且易流動(dòng)的淤泥、粘土等等的粘質(zhì)土層；另一種是適用于土的內(nèi)摩擦角大、不易流動(dòng)、透水性大的砂、砂礫等等的砂質(zhì)士層。（1）粘性土層中的開挖面穩(wěn)定機(jī)構(gòu) 在粉質(zhì)粘土、粉砂、粉細(xì)砂等的粘性土層中，開挖面穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的排土方式是：由刀盤切削后的泥土先進(jìn)入土腔內(nèi)，在土腔內(nèi)的土壓與開挖面的土壓（在粘性土中，開挖面土壓與水壓的混合、壓力作用）達(dá)到平衡的同時(shí)，由螺旋輸送機(jī)把開挖的泥土送往后部，再?gòu)某鐾灵l門口出土。這種機(jī)構(gòu)首先是由挖掘的泥土充滿土腔，在軟弱的粘性土地層中，由刀盤切削后的泥土強(qiáng)度一般都比原狀土的強(qiáng)度低，因而易流動(dòng)。即使是在內(nèi)聚力很高的土層中，也由于刀盤的攪拌作用和螺旋輸送機(jī)的搬運(yùn)作用攪亂了土體，使土的流動(dòng)性增大，因此充滿在土腔內(nèi)和螺旋輸運(yùn)機(jī)內(nèi)泥土的土壓、可與開挖面的土壓達(dá)到相等。當(dāng)然這種充滿在土腔和輸送機(jī)內(nèi)泥土的土壓必須在與開挖面土壓相等的情況下由螺旋輸送機(jī)排土，挖掘量與排土量要保持平衡。但是，當(dāng)?shù)貙拥暮傲砍^(guò)某一限度時(shí)，由刀盤切削的土流動(dòng)性變差，而且當(dāng)土腔內(nèi)泥土過(guò)于充滿并固給時(shí)，泥土就會(huì)壓密，難以挖掘和排土，迫使推進(jìn)停止。在這種情況下，一般采用的方法是：向土腔內(nèi)添加膨潤(rùn)土、粘土等進(jìn)行攪拌，或者噴入水和空氣，用以增加土腔內(nèi)土的流動(dòng)性。（2）砂質(zhì)土層中開挖面的穩(wěn)定機(jī)構(gòu)在砂、砂礫的砂質(zhì)土地層中，土的摩擦阻力大，地下水豐富，透水系數(shù)也高，因此，依靠挖掘土的土壓和排土機(jī)構(gòu)與開挖面的壓力（地下水壓和土壓）達(dá)到平衡就很困難。而且由刀盤切削的土體流動(dòng)性也不能保證，對(duì)于這樣的土層僅采用排土機(jī)構(gòu)的機(jī)械控制使開挖面穩(wěn)定是很困難的。因此要用水、膨潤(rùn)土、粘土、高濃度泥水、泥漿材料等等的混合料向開挖面加壓灌注，并不斷地進(jìn)行攪拌，改變挖掘土的成分比例，以此保證土的流動(dòng)性和止水性，使開挖面穩(wěn)定。開挖面的穩(wěn)定機(jī)構(gòu)可分為以下幾種方式：①切削土加壓攪拌方式：在土腔內(nèi)噴入水、空氣、或者添加混合材料，來(lái)保證土腔內(nèi)的土砂流動(dòng)性。在螺旋輸送機(jī)的排土口裝有可止水的旋轉(zhuǎn)式送料器（轉(zhuǎn)動(dòng)閥或旋轉(zhuǎn)式漏斗），送料器的隔離作用能使開挖面穩(wěn)定。 ②加水方式：向開挖面加入壓力水，保證挖掘土的流動(dòng)性，同時(shí)讓壓力水與地下水壓相平衡。開挖面的土壓由土腔內(nèi)的混合土體的壓力與其平衡，為了能確保壓力水的作11用，在螺旋輸送機(jī)的后部裝有排土調(diào)整槽，控制調(diào)整槽的開度使開挖面穩(wěn)定。 ③高濃度泥水加壓方式：向開挖面加入高濃度泥水，通過(guò)泥水和挖掘土的攪拌，以保證挖掘土體的流動(dòng)性，開挖面土壓和水壓由高濃度泥水的壓力來(lái)平衡。在螺旋輸送機(jī)的排土口裝有旋轉(zhuǎn)式送料器，送料器的隔離作用使開挖面穩(wěn)定。 ④加泥式：向開挖面注入粘土類材料和泥漿，由輻條形的刀盤和攪拌機(jī)構(gòu)混合攪拌挖掘的土，使挖掘的土具有止水性和流動(dòng)性。由這種改性土的土壓與開挖面的土壓、水壓達(dá)到平衡，使開挖工作面得到穩(wěn)定。 土壓平衡盾構(gòu)較適應(yīng)于在軟弱的沖積土層中推進(jìn)，但在礫石層中或砂土層推進(jìn)時(shí)，加進(jìn)適當(dāng)?shù)哪嗤梁?，也能發(fā)揮土壓平衡盾構(gòu)的特點(diǎn)。因此 1983 年后，一般認(rèn)為土壓平衡盾構(gòu)的適應(yīng)性是強(qiáng)的，土壓平衡盾構(gòu)施工后的地表沉降量可控制在 30mm 以內(nèi)。但其要求施工人員具有相當(dāng)豐富的施工經(jīng)驗(yàn)，能根據(jù)地層和施工條件的變化采用一系列的施工管理方法。 土壓平衡盾構(gòu)（含加泥式盾構(gòu)）適用性：（1）細(xì)粒（粒徑 0．074mm 以下）含有率在粒徑加積曲線的 7%以上。（2）礫石（粒徑 2mm 以上）含有率在粒徑加積曲線的 70%以下。（3）粘性土（粘土、粉砂土含有率 4%以上）的 N 值在 15 以下。（4） 自然含水量，砂：18%以上，粘性土：25%以上。（5） 滲透系數(shù) K＜510 2cm/s。 泥水加壓盾構(gòu)和土壓平衡盾構(gòu)是當(dāng)前最先進(jìn)的盾構(gòu)形式，它們有自己的特點(diǎn)，但是，它們不能完全取代其它類型的盾構(gòu)形式，其理由之一就是它們的造價(jià)一般都高于其它類型的盾構(gòu)。 當(dāng)某施工范圍內(nèi)的土層為軟土，并且地質(zhì)情況變化不大，地表控制沉降的要求不高時(shí)，可采用擠壓盾構(gòu)。當(dāng)施工沿線有可能出現(xiàn)障礙物時(shí)，也有采用開胸手掘式盾構(gòu)的（手掘、機(jī)械兼用等） 。12第二章 盾構(gòu)機(jī)地質(zhì)適應(yīng)性的確定 盾構(gòu)的選型的原則與依據(jù) 盾構(gòu)的選型的原則盾構(gòu)選型是盾構(gòu)法隧道能否安全、環(huán)保、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、快速建成的關(guān)鍵工作之一，盾構(gòu)選型應(yīng)從安全適應(yīng)性、技術(shù)先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮，所選擇的盾構(gòu)形式要能盡量減少輔助施工法并確保開挖面穩(wěn)定和適應(yīng)圍巖條件，同時(shí)還要綜合考慮一下因素：1）可以合理使用的輔助施工法，如降水法、氣壓法、凍結(jié)法和注漿法等；2）滿足本工程隧道施工長(zhǎng)度和線形的要求；3）后配套設(shè)備、始發(fā)設(shè)施等能與盾構(gòu)的開挖能力配套；4）盾構(gòu)的工作環(huán)境。盾構(gòu)選型時(shí)主要遵循一下原則：1）應(yīng)對(duì)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)有較強(qiáng)的適應(yīng)性，首先要滿足施工安全的要求；2）安全適應(yīng)性、技術(shù)先進(jìn)性與經(jīng)濟(jì)性相統(tǒng)一，在安全可靠的情況下，考慮技術(shù)先進(jìn)性與經(jīng)濟(jì)合理性；3）滿足隧道外徑、長(zhǎng)度、埋深、施工場(chǎng)地、周圍環(huán)境等條件；4）滿足安全、質(zhì)量、工期、造價(jià)及環(huán)保要求；5）后配套設(shè)備的能力與主機(jī)配套，滿足生產(chǎn)能力與主機(jī)掘進(jìn)速度相匹配，同時(shí)具有施工安全、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布置合理和易于維護(hù)保養(yǎng)的特點(diǎn)；6）盾構(gòu)制造商的知名度、業(yè)績(jī)、信譽(yù)和技術(shù)服務(wù)。盾構(gòu)選型時(shí)，應(yīng)根據(jù)以上原則，對(duì)盾構(gòu)的形式和主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行研究分析，以確保盾構(gòu)法施工的安全和可靠，選擇最佳的盾構(gòu)施工方法和最適宜的盾構(gòu)。盾構(gòu)選型是盾構(gòu)法施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響盾構(gòu)隧道的施工安全、施工質(zhì)量、施工工藝及施工成本，為保證工程的順利完成，對(duì)盾構(gòu)的選型工作應(yīng)非常慎重。 盾構(gòu)的選型的依據(jù)一般地講，采用盾構(gòu)施工的地層大都是復(fù)雜多變的，目前還沒(méi)有一種萬(wàn)能的盾構(gòu)適合于各種地質(zhì)條件。實(shí)際上，在選定盾構(gòu)時(shí)，不僅要考慮到地質(zhì)條件，還要考慮到盾構(gòu)的外徑、隧道的長(zhǎng)度、工程的施工程序、勞動(dòng)力情況等，而且還要綜合研究工程的施工環(huán)境、基地面積、施工引起對(duì)環(huán)境的影響程度等。選擇盾構(gòu)的種類一般要求掌握不同盾構(gòu)的特征，同時(shí)還要逐個(gè)研究如下幾個(gè)項(xiàng)目：1）工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件：顆粒分析及粒度分布，單軸抗壓強(qiáng)度，含水率，礫石13直徑，液限和塑限，N 值，粘聚力 c，內(nèi)摩擦角 φ，土粒子相對(duì)密度，孔隙率和孔隙比，地層反力系數(shù)，壓密特性，彈性波速度，孔隙水壓，滲透系數(shù)，地下水位（最高、最低、平均） ，地下水的流速、流向，河床變遷情況等； 2）隧道長(zhǎng)度、隧道平縱斷面及橫斷面形狀和尺寸等設(shè)計(jì)參數(shù)；3）周圍環(huán)境條件：地上及地下建構(gòu)筑物分布，地下管線埋深及分布，沿線河流、湖泊、海洋的分布，沿線交通情況、施工場(chǎng)地條件，氣候條件，水電供應(yīng)情況等；4）隧道施工工程籌劃及節(jié)點(diǎn)工期要求；5）宜用的輔助工法；6）技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。 盾構(gòu)的選型一定要綜合考慮各種因素，不僅是技術(shù)方面的，而且還有經(jīng)濟(jì)和社會(huì)方面的因素，才能最后確定采用何種盾構(gòu)施工。 盾構(gòu)選型的主要方法 根據(jù)底層的滲透系數(shù)進(jìn)行選型地層滲透系數(shù)對(duì)于盾構(gòu)的選型是一個(gè)很重要的因素。通常當(dāng)?shù)貙拥臐B透系數(shù)小于 107m/s 時(shí)，可以選用土壓平衡盾構(gòu)；當(dāng)?shù)貙拥臐B透系數(shù)在 107～10 4m/s 之間時(shí)，即可以選用土壓平衡盾構(gòu)也可以選用泥水式盾構(gòu)；當(dāng)?shù)貙拥臐B水系數(shù)大于 104m/s 時(shí)，宜選用泥水盾構(gòu)。根據(jù)地層滲透系數(shù)與盾構(gòu)類型的關(guān)系，若地層以各種級(jí)配富水的沙層、沙礫層為主時(shí)，宜選用泥水盾構(gòu)；其他地層宜選用土壓平衡盾構(gòu)，如圖 21 所示。14圖 21 地下透水性對(duì)盾構(gòu)機(jī)選型的影響 根據(jù)地層的顆粒級(jí)配進(jìn)行選型土壓平衡盾構(gòu)主要是用于粉土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉土、粉砂層等粘稠土壤的施工，在粘性土層中掘進(jìn)時(shí)，由刀盤切削下來(lái)的土體進(jìn)入土倉(cāng)后由螺旋機(jī)輸出，在螺旋機(jī)內(nèi)形成壓力梯降，保持土倉(cāng)壓力穩(wěn)定，使開挖面土層處于穩(wěn)定。一般來(lái)說(shuō)，細(xì)顆粒含量多，渣土易形成不透水的流塑體，容易充滿土倉(cāng)的每個(gè)部位，在土倉(cāng)中可以建立壓力來(lái)平衡開挖面的土體。 一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)巖土中的粉粒和黏粒的總量達(dá)到 40％以上時(shí)，通常宜選用土壓平衡盾構(gòu)，相反的情況選擇泥水盾構(gòu)比較合適。粉粒的絕對(duì)大小通常以 為準(zhǔn)。 盾構(gòu)類型與顆粒級(jí)配的關(guān)系詳見圖 22：圖 22 盾構(gòu)類型與顆粒級(jí)配的關(guān)系圖中右邊藍(lán)色區(qū)域?yàn)檎惩?、淤泥質(zhì)土區(qū)，為土壓平衡盾構(gòu)適用的顆粒級(jí)配范圍。 左邊的黃色區(qū)域?yàn)榈[石粗砂區(qū)，為泥水盾構(gòu)適用的顆粒級(jí)配范圍。 中間的綠色區(qū)域?yàn)榧?xì)砂區(qū)域，兩類盾構(gòu)都能適用。圖 11 說(shuō)明細(xì)顆粒含量多則碴土能形成不透水的塑流體。粗顆粒含量高的碴土不能形成具備這種功能的碴土，因而不能實(shí)現(xiàn)土壓平衡機(jī)理，除非對(duì)碴15土進(jìn)行改良。 根據(jù)地下水壓進(jìn)行選型當(dāng)水壓大于 時(shí)，適宜采用泥水盾構(gòu)。如果采用土壓平衡盾構(gòu)，螺旋輸送機(jī)難以形成有效的土塞效應(yīng)，在螺旋輸送機(jī)排土閘門處易發(fā)生渣土噴涌現(xiàn)象引起土倉(cāng)中土壓力下降，導(dǎo)致開挖面坍塌。當(dāng)水壓大于 時(shí)，如因地質(zhì)原因需采用土壓平衡盾構(gòu)，則需增大螺旋輸送機(jī)的長(zhǎng)度或采用二級(jí)螺旋輸送機(jī)，或采用保壓泵。 盾構(gòu)選型時(shí)必須考慮的特殊因素在實(shí)際實(shí)施盾構(gòu)選型時(shí)，還需解決理論的合理性與實(shí)際的可能性之間的矛盾。必須考慮環(huán)保、地質(zhì)和安全因素。1）環(huán)保因素對(duì)泥水盾構(gòu)而言，雖然經(jīng)過(guò)過(guò)篩、旋流、沉淀等程序，可以將棄土漿液中的一些粗顆粒分離出來(lái)，并通過(guò)汽車等工具運(yùn)輸棄渣，但泥漿中的懸浮或半懸浮狀態(tài)的細(xì)土顆粒仍不能完全分離出來(lái)，而這些物質(zhì)又不能隨意處理，就形成了使用泥水盾構(gòu)的一大困難。要將棄土泥漿處理成可以作為固體物料運(yùn)輸?shù)某潭纫彩强梢詫?shí)現(xiàn)的，但是做到這點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題：處理設(shè)備貴，增加工程投資；用來(lái)安裝這些處理設(shè)備需要的場(chǎng)地較大；處理時(shí)間較長(zhǎng)。2）工程地質(zhì)因素盾構(gòu)施工段工程地質(zhì)的復(fù)雜性主要反映在基礎(chǔ)地質(zhì)和工程地質(zhì)特性的多變方面，在一個(gè)盾構(gòu)施工段中，會(huì)出現(xiàn)某部分的施工環(huán)境適合選用土壓平衡盾構(gòu)，某些又適合選用泥水盾構(gòu)。盾構(gòu)選型時(shí)要綜合考慮并對(duì)不同選擇進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析后擇其優(yōu)者。3）安全因素從保持工作面的穩(wěn)定、控制地面沉降的角度來(lái)看，當(dāng)隧道斷面較大時(shí)，使用泥水盾構(gòu)要比使用土壓平衡盾構(gòu)的效果好一些，特別是在河湖等水體下、在密集的建筑物與構(gòu)筑物下及上軟下硬的地層中施工時(shí)。 盾構(gòu)選型的確定盾構(gòu)機(jī)的選型一定要根據(jù)不同的工程、不同的地質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行“量體裁衣”式設(shè)計(jì)和選型，才能使盾構(gòu)機(jī)更好的適應(yīng)工程施工要求。16根據(jù)盾構(gòu)施工法的特點(diǎn)，盾構(gòu)機(jī)選型主要取決于盾構(gòu)經(jīng)過(guò)的地層的地質(zhì)情況，同時(shí)，所選盾構(gòu)機(jī)必須具有與工期相適應(yīng)的掘進(jìn)速度，而且能夠滿足隧道施工的要求，根據(jù)本區(qū)間地質(zhì)特點(diǎn)，制造盾構(gòu)機(jī)時(shí)有如下要求：盾構(gòu)機(jī)必須具備較強(qiáng)的穩(wěn)定開挖面、防止開挖面坍塌的能力。具有