1.概述

盾构法隧道施工的基本原理是用一件圆形的钢质组件,成为盾构,沿隧道设计轴线一边开挖土体一边向前行进。在隧道前进的过程中,需要对掌子面进行支撑。支撑土体的方法有机械的面板、压缩空气支撑、泥浆支撑、土压平衡支撑。

盾构可分为敞开式盾构或普通盾构、普通闭胸式盾构、机械化闭胸盾构、盾构掘进机(指在岩石条件下使用的全断面岩石掘进机)等四大类。

盾构技术对环境干扰小,不影响城市建筑物的安全,不影响地下水位,施工对周围环境的破坏干扰最小；施工速度快；但盾构机的造价较昂贵,隧道的衬砌、运输、拼装、机械安装等工艺较复杂。

2.土压盾构的工作原理

土压平衡盾构的原理在于利用土压来支撑和平衡掌子面(图11.42)。土压平衡式盾构刀盘的切削面和后面的承压隔板之间的空间称为泥土室。刀盘旋转切削下来的土壤通过刀盘上的开口充满了泥土室,与泥土室内的可塑土浆混合。盾构千斤顶的推力通过承压隔板传递到泥土室内的泥土浆上,形成的泥土浆压力作用于开挖面。它起着平衡开挖面处的地下水压、土压、保持开挖面稳定的作用。

图11.42　土压盾构原理

1—切削轮；2—开挖舱；3—压力舱壁；4—压缩空气闸；5—推进油缸；6—盾尾密封；7—管片；8—螺旋输送机；9—切削轮驱动装置；10—拼装器；11—皮带输送机

螺旋输送机从承压隔板的开孔处伸入泥土室进行排土。盾构机的挖掘推进速度和螺旋输送机单位时间的排土量(或其旋转速度)依靠压力控制系统两者保持着良好的协调,使泥土室内始终充满泥土,且土压与掌子面的压力保持平衡。

对开挖室内土压的测量则会提供更多的开挖面稳定控制所需的信息。现在,都采用安装在承压隔板上下不同位置的土压传感器来进行测量。土压通过改变盾构千斤顶的推进速度或螺旋输送机的旋转速度来进行调节。

通常土压平衡盾构由前、中、后护盾三部分壳体组成。中、后护盾间用铰接,基本的装置有切削刀盘及其轴承和驱动装置、泥土室以及螺旋输送机。后护盾下有管片安装机和盾构千斤顶,尾盾处有密封。

3.泥水盾构的工作原理

与土压平衡盾构不同,泥水盾构机施工时,稳定开挖面靠泥水压力,用它来抵抗开挖面的土压力和水压力以保持开挖面的稳定；同时控制开挖面的变形和地基沉降。

在泥水式盾构机中,支护开挖面的液体同时又作为运输渣土的介质。开挖的土料在开挖室中与支护液混合。然后,开挖土料与悬浮液(膨润土)的混合物被泵送到地面。在地面的泥水处理场中支护液与土料分离。随后,如需要,添加新的膨润土,再将此液体泵回隧洞开挖面。

在构造组成方面,其与土压平衡盾构的主要不同是没有螺旋输送机,而用泥浆系统取而代之。泥浆系统担负着运送渣土、调节泥浆成分和压力的重要作用。

泥水盾构有直接控制型、间接控制型、混合式等三种。

(1)直接控制型。直接控制型泥水盾构如图11.43所示。

图11.43　直接控制式盾构的泥水系统

1—清水槽；2—压滤机；3—加药；4—旋流器；5—振动器；6—黏土溶解；7—泥水调整槽；8—大刀盘；9—泥水室；10—流量计；11—密度计；12—伸缩管；13—供泥管；14—排水管

图11.44　泥水式盾构剖面图

1—泥浆注入口；2—刀盘；3—铰接油缸；4—管片定位装置；5—供浆管；6—开挖室；7—搅拌器；8—推进油缸；9—管片安装器；10—排渣管

控制泥水室的泥水压力,通常有两种方法：①控制供泥浆泵的转速；②调节节流阀的开口比值。(www.daowen.com)

为保证盾构掘进质量,应在进排泥水管路上分别装设流量计和密度计。通过检测的数据,即可算出盾构排土量。将检测到的排土量与理论掘进排土量进行比较,并使实际排土量控制在一定范围内,就可避免和减小地表沉陷,如图11.44和图11.45所示。

(2)间接控制型。间接控制型泥水盾构如图11.46所示。间接控制型的工作特征是,通过气垫压力来保持泥水压力和开挖面压力的稳定。

图11.45　11.22m泥水盾构[在这种泥水盾构中,隧洞开挖面支护压力直接受开挖室(或称泥水室)中添加或排出泥水的影响。]

1—化学注浆；2—纠偏千斤顶；3—管片；4—入孔；5—刀盘；6—仿形刀；7—转轴；8—气压舱；9—搅拌器；10—盾尾刷；11—同步注浆孔；12—作业台；13—拼装孔；14—刀盘驱动马达

在盾构泥水室内,装有一道半隔板(或称沉浸墙),将泥水室分隔成两部分,在半隔板的前面充满压力泥浆,半隔板后面在盾构轴线以上部分加入压缩空气,形成一个“气垫”。气压作用在隔板后面的泥浆接触面上。由于在接触面上的气、液具有相同的压力,因此只要调节空气压力,就可以确定开挖面上相应的支护压力。

图11.46　间接控制式原理

当盾构掘进时,由于泥浆的流失或盾构推进速度变化,进出泥浆量将会失去平衡,空气和泥浆接触面位置就会出现上下波动现象。通过液位传感器,可以根据液位的变化控制供泥泵的转速,使液位恢复到设定位置,以保持开挖面支护压力的稳定。当液位达到最高极限位置时,可以自动停止供泥泵,当液位到达最低极限位置时,可以自动停止排泥泵。

“气垫”的压力是根据开挖室需要的支护泥浆压力而确定的。空气压力可通过空气控制阀使压力保持恒定。同时由于“气垫”的弹性作用,使液位波动时对支护液也无明显影响。因此,间接控制型泥水平衡盾构与直接控制型相比,控制相对更为简化,对开挖面土层支护更为稳定,对地表沉陷的控制更为方便。实际的泥水盾构结构如图11.47所示。

(3)混合式。这种盾构可以根据地质变化情况对开挖面的支撑方式进行转换。混合型盾构的基本结构是间接控制型泥水盾构。在盾构运行过程中,可以根据需要通过旋转喂料器(图11.48)转换为土压平衡模式或压缩空气模式等。因此其适应的地质范围较广。

这种盾构要适应从泥水支撑到气压支撑或土压支撑方式之间的快速转换,盾构上需常备这几套系统,即适用于泥水盾构工况的泥浆系统,以及适用于土压盾构工况的螺旋输送机和皮带机系统等。盾构的结构和后配套设备也要适应这几种转换。

实际上,为减少配置,大多数混合型盾构都是运行在间接控制型泥水盾构的模式,而不转换到别的模式。

图11.47　气垫式泥水盾构

(a)气垫式泥水盾构剖面图；(b)气垫式原理
1—安全门；2—刀盘；3—注泥浆管；4—回转接头；5—刀盘回转驱动；6—气垫室；7—连接梁；8—排渣管；9—推进油缸；10—管片安装器；11—浸润墙；12—气垫；13—承压构件；14—供泥浆管；15—泥浆液位；16—排泥浆管

图11.48　混合式盾构的模型