【導讀】盾構法始于英國，自1925年布魯諾爾在倫敦泰晤士河下首次用一臺矩形盾構開挖水底隧道以。來，已有170余年歷史。在一百多年中，世界各國制造了數(shù)以千計的各種類型、各種直徑的盾構，盾構掘。至今，盾構已發(fā)展成為軟土地層修建隧道的一種專用施工機械，盾構施工法也已成為當今城市。隧道和地鐵工程中不可缺少的一種施工法。壓施工技術來對付不穩(wěn)定地層的局面。泥水加壓式盾構用泥漿代替氣壓，用管道輸送代替軌道出土，加快。體泥水加壓式盾構完成地鐵車站施工，標志著當今國際泥水加壓平衡盾構施工技術的發(fā)展水平。面，這是泥水加壓平衡盾構法的主要特征。首臺大直徑泥水加壓平衡盾構掘進機見照片1。離后的水，經(jīng)調整槽進行再次調整，使其成為優(yōu)質泥水后再循環(huán)到開挖面。置進行測定，由此來推測開挖面情況。及高水壓礫石層，泥水加壓平衡盾構也能進行施工；英國體系泥水加壓平衡盾構掘進機與同類德國體系相對照，其研制。它是當時最大直徑的泥水加壓平衡盾構。

　　

【正文】 異。由于推進快，所以開挖面敞開時間短 土量的檢查是依照泥漿等 掘削土是由密度計、流量計進行自動檢查。自動操作推力、扭矩。要進行泥水壓力 、比重等管理，以保證開挖面穩(wěn)定。自動進行泥水管理 要檢查土量，進行對土壓和推力，掘削推力和排土 量等的管理。檢查扭矩 經(jīng)濟性 盾構價格較便宜，但推進慢，人工費高，氣壓及其它費用大 盾構價格便宜，但需要作泥土處理、搬運、棄土，還需要處理周圍擾動 掘削機裝渣機部分比手掘式貴，但推進快，棄土同手掘敞開型一樣 盾構價格是手掘敞開型 2 倍以上，但長距離時是有利的，作業(yè)人員也少 盾構價格是機械盾構的 15 倍以上。當距離有 1km 以上時，和其它工法無差異 盾構比泥水加壓更貴，但處理設備少，掘削土為泥土化，所以需要處理費 第三章 泥水加壓平衡盾構法組成 第一節(jié) 盾構掘進系統(tǒng) 第二節(jié) 泥水加壓和循環(huán)系統(tǒng) 第三節(jié) 綜合管理系統(tǒng) 第四節(jié) 泥水分離處理系統(tǒng) 第五節(jié) 盾尾壁后注漿系統(tǒng) 泥水加壓平衡盾構法的最大特色之一是在隧道施工中在穩(wěn)定開挖面的同時，把盾構掘進、輸送土砂、分離土砂與水、處理礫石等各方面的作業(yè)作為一個整體進行綜合管理，這些作業(yè)都是在一個流程內(nèi)進行。泥水加壓平衡盾構流程圖見圖 23，大型泥水盾構在地面設有泥水處理廠，見照片 2。 圖 23 泥水加壓平衡盾構泥水流程圖 泥水加壓平衡盾構自成一個體系并在一個流程內(nèi)完成各項作業(yè)，所以能夠安全施工。當發(fā)生異常情況時，這類盾構掘進機還能快速轉換成敞開式掘進的顯著優(yōu)點。 泥水加壓平衡盾構主要由五大系統(tǒng)組成： (1)盾構掘進系統(tǒng)； (2)泥水加壓和循環(huán)系統(tǒng)； (3)綜合管理系統(tǒng)； (4)泥水分離處理系統(tǒng)； (5)壁后注漿系統(tǒng)。 照片 2 泥水處理廠概貌 第三章 二、泥水加壓和循環(huán)系統(tǒng) 泥水加壓平衡盾構的特征之一是將泥水送往開挖面，通過對開挖面加壓使其達到穩(wěn)定，并用流體輸送砂土。這一系統(tǒng)稱為泥水加壓、循環(huán)系統(tǒng)。在用高比重泥水來謀求開挖面穩(wěn) 定的泥水工法中，進一步考慮加壓是泥水加壓式盾構發(fā)展的技術進步。 泥水加壓平衡盾構開始是用泥水來平衡水壓和土壓，并進一步研究了在松弛土層中加壓，已能處理較廣泛的土層。用加在密閉泥水中相同的壓力值加壓于開挖面，其壓力關系見圖 49。 圖 49 開挖面壓力關系圖 泥水通過泥漿泵進行循環(huán)、加壓、流體輸送土砂，泥水分離后重新循環(huán)到開挖面。 用普通泥漿泵送入泥水并將掘削的土砂排放到地面，但也可以利用對該泵的操作進行開挖面加壓。所用的泵有送泥泵和排泥泵 (根據(jù)揚程、輸送距離決定使用臺數(shù) )。對排泥泵應作出一定轉數(shù)的規(guī)定 (即規(guī)定流速 )，對送泥泵應變化其轉速，使其對開挖面進行加壓。一般情況下，如果將儲水槽設置在地面上，那么從該位置起到開挖面的高程落差所產(chǎn)生的水壓，即使不使用泵也可以對開挖面進行加壓。因此，當考慮 停泵以及故障的措施時，用高于地下水位 2m 的位置 (等于加壓 )，來防止因壓力降低所引起的對開挖面的影響，但這一措施只在緊急時使用，對于自動控制要求，原則上使用送排泥泵。 使用管路進行泥水輸送，若使用操作方便的輕量級管路，容易磨損，多數(shù)仍使用煤氣鋼管。 泥水加壓和循環(huán)使用的泵，需要達到以下兩個目的。 ①流體輸送掘削出來的土砂 (含礫石 )； ②控制開挖面水壓的穩(wěn)定。 在泥水循環(huán)系統(tǒng)中，如輸送的僅為砂、粉砂土、粘土，則可以認為是小土粒子在膠液中被懸浮后進行輸送；如輸送礫石，因礫石在 管道內(nèi)是邊沉淀邊沿管壁滑動，輸送受到管徑大小、泵的能力、泥水濃度等限制，所以僅能輸送約 50%管徑的礫石。該系統(tǒng)的流程圖見圖 50。 圖 50 泥水加壓平衡盾構泥水循環(huán)系統(tǒng) 1 泥水加壓和循環(huán)系統(tǒng)設 計 泥水加壓和機械化系統(tǒng)的設計是考慮到在整個掘進中的最苛刻條件下進行輸送加壓而設計的。此外由于受到排泥泵能力的限制，故隨掘進距離 (輸送距離 )變長而要增設排泥泵數(shù)量。 (1)設計條件 ①參數(shù)設定 盾構掘進機外徑 D(m)； 最大輸送距離 L(m)； 豎井深度 H(m)； 豎井到調整槽距離 l1(m)； 豎井到處理場距離 l2(m)； =h(m) 掘進速度 VS(m/min) 開挖面水壓控制范圍 Pmin～ Pmax(kg/cm2) 送泥水密度 γ 1(kg/cm3) 排泥水密度 γ 2(kg/cm3) 最大礫徑 (mm) ②掘削斷面積 A(m 2) A= π D2(包括超挖部分 ) ③土體含泥率α (體積 %) α =100W′ W′ =含水率 ④掘削土砂量 G(m3/min) G=A179。α179。 S ⑤送泥水濃度 C1(體積 %) γ 1由過濾試驗、流變試驗及其它因素決定。 (2)排泥管內(nèi)臨界流速的探討 流入管路內(nèi)泥水的流動式樣因粒徑、比重、流速而異。 若粒徑、比重一旦變大，則在水平管內(nèi)，由重力不同而產(chǎn)生管內(nèi)上下部濃度差，形成不均質流動。若流速小，則會產(chǎn)生粒子沉淀。若高速運轉，則粒子會因躍動而成為混流，接近均質流動。 杜朗德的臨界沉淀流速公式： 式中： VL— 臨界沉淀流速 (m/s2) FL— 粒子濃度和粒徑的常數(shù) g— 重力加速度 =(m/s2) D— 管路直徑 (m) Gs— 固體比重 γ — 泥 水密度 (kg/m3)(送泥水 ) 排泥水時使用流速 VZ VZ=～ (3)排泥管直徑 D2的決定 排泥管直徑由排泥土最大礫徑、泥水濃度等決定。通常，盾構掘進機直徑和管路直徑之間關系見圖 51。 圖 51 盾構掘進機直徑和送排泥管直徑之間關系 (4)排泥水密度γ 2的探討 ①排泥水流量 Q2(m3/min) ②送泥水流量 Q1(m3/min) Q1=Q2G ③排泥水濃度 C2(體積 %) ④排泥水密度γ 2(kg/cm3) 排泥水密度的使用范圍在 ～ 左右。由于輸送泥水密度超過 很困難，為了降低密度，就要增大管徑，加大流量。 ⑤送泥水流速 V1(m/s) 送泥泵為滿足對開挖面加壓所需的流量，常采用加大管徑、減小流速以減少壓力損失。一般與排泥水管徑相同，或略大些。 式中： V1— 掘削時的送泥水流速 (m/s) (5)壓力損失與泵、電動機的選定 ①送泥管必要揚程 H1(m) Hf1=L1179。 hf1 L1=L+H+l1+B 式中： Hf1— 送泥管損失水頭 (mm) L1— 送泥管長 (m) hf1— 相當于直徑 1m的摩擦損失水頭 (mm) B— 閥門、彎管接頭、彎頭管等相當于直管長 (m)，見表 15 λ 1— 摩擦系數(shù)， (λ 1= ) V1— 送泥水流速 (m/s) g— 重力加速度 (m/s2) D1— 送泥水管直徑 (m) β 1— 泥漿系數(shù) (比重 ) C— 管種系數(shù) 100～ 120 由此得： 式中： H— 豎井深度 (m) 相當于直管長 (m) 表 15 ②排泥管必要揚程 H2(m) Hf2=L2179。 hf2 L2=L+H+l2+B 式中： Hf2— 排泥水管損失水頭 (mm) L2— 排泥水管長 (m) hf2— 相當于 1m 直管的摩擦損失水頭 (mm) λ 2 — 摩擦系數(shù) V2— 排泥水流速 (m/s) D2— 排泥水管直徑 (m) B2— 泥漿系數(shù) (比重 ) 排泥泵的必要揚程為 H2=Hf2+H+h ③送排泥水泵的選定 用上述設定來選定適合的最經(jīng)濟的泵和電動機，見照片 照片 6，并由特性曲線表進行選定。但由于特性曲線表是清水時作出的，考慮因泥水濃度產(chǎn)生的揚程減少率后再做出選定。 照片 5 中間式排泥泵啟動器 照片 6 中間排泥泵 H=y179。 H0 式中： H— 泥水必要揚程 (H1， H2) H0— 清水揚程 y— 揚程減少率 Q2=x179。 Q0 式中： Q2— 泥水流量 Q0— 清水流量 x— 流量減少率 從上述條件中選定送泥泵 P1，排泥泵 P2，中繼泵 P3～ N，并用以下公式求出滿足 Q2條件的臺數(shù)來進行設置。 式中： N— 中繼泵臺數(shù) (臺 ) HP2— P2泵揚程 (m) HPh— 相當于一臺中繼泵的揚程 (m) ④輸送礫石 把礫石處理設備設置在盾構掘進機體外的后方時，需要加大至后方的管路直徑，設置循環(huán)泵 P0，因為從開挖面到礫石處理設備處的流速要加大。其臨界沉淀流速 可按下述杜朗德公式計算： 式中： VL1— 臨界沉淀流速 (m/s) FL— 幾乎為 ； g — 重力加速度 (m/s2) D3— 由礫徑?jīng)Q定 (m) G5— 固體比重 γ 1— 送泥水比重 流量 Q3(m3/min)為 Q3= 179。 (～ ) 循環(huán)泵 P0所需流量 Q0為 Q0=Q3Q2 式中： Q0— P0泵流量 (m3/min) Q3— 開挖面～礫石處理設備間流量 (m3/min) Q2— 礫石處理設備以后的流量 (m3/min) 用以上數(shù)值來選定 P0泵。一般 P0泵揚程為 5～ 10m 左右。 ⑤軸功率和電動機功率選定 選定符合各種泵的電動機時，由于各個廠商具有各自的特色，所以都不相同，但一般公式如下： M′ =179。 M 式中： M— 軸功率 (kW) γ — 泥水密度 Q— 泵流量 (m3/min) H′ — 泵揚程 (m) η 0— 泵效率 z— 效率減少率 M′ 電動機功率 (kW) 一般 P P2泵采用變速電動機 ⑥其它注意事項 178。 葉輪片形狀、片數(shù) 178。 耐磨損性 178。 掘進速度、土砂量和管徑 178。 當開挖面壓力變動時，泵能瞬時應變 178。 水冷式電動機 (或空氣冷卻 ) 2 泥水輸送設備規(guī)格計算實例 (1)設計條件 ①盾構掘進機外徑 D： — 5850mm ②掘削距離 L： — 440m ③豎井深度 H： — 21m ④從豎井到調整槽距離 l1： — 60m ⑤從豎井到泥水處理場距離 l2： — 60m ⑥從 GL到輸出口高度 h： — 5m ⑦推進速度 Vs： — 5cm/min ⑧開挖面水壓控制范圍 p： — ～ ⑨送泥水側的液體規(guī)格 178。 液體種類泥水 178。 固體物真比重 ρ 1： 178。 液體比重 γ 1： ⑩土質條件 178。 真比重 ρ 2： 178。 含水率 k： (體積 %)(含水比 60%) (2)送泥流量 Q1，排泥流量 Q2的探討 ①掘削斷面積 ② 土體的含泥率 α =100k=%(體積 ) ③ 掘削土砂量 G=A179。 =179。 179。 = ④ 排泥側體積濃度 C2=20%(體積 ) ⑤ 求 Q1， Q2公式 ⑥ C2=20%(體積 )時 Q1= Q2= ⑦ 送泥流量 Q1，排泥流量 Q2以及排泥濃度 C2的決定考慮到管內(nèi)臨界沉淀流速，由下列公式?jīng)Q定。