第三章盾构机类型与基本原理ppt课件.ppt
第三章 盾构机类型与基本原理,1、按照平衡开挖面的方式 A、插板式 B、挤压网格式 C、土压平衡式 D、泥水平衡式 E、加泥式 F、加水式,3.1 盾构机的种类,2、按照机械化程度 A、人工 B、机械化 C、全自动化3、按照施工过程中的运输方式 A、皮带传送 B、泥浆泵 C、手工挖小车推,不同敞开程度的盾构,全敞开式,部分敞开式,密闭式,能直接看到全部掘削面状况的形式。,在掘削面与内仓之间设有一层隔板，故无法直接观察掘削面状况，只能靠一些传感器间接地掌握掘削面状况。,只能看到部分掘削面状况的形式。,4、按照掌子面敞开程度,全敞开式盾构,掘削面呈裸露状态，故掘削状态是干挖，出土效率高,特点：,根据机械化程度差异分三类：,人工挖掘式、半机械式、机械式。,适用地层：,适用于掘削面自稳性好的地层（洪积层压实沙、沙砾、固结粉砂及粘土等），对于自稳性差的地层（冲积层中的砂层、粉砂层及粘土层）应辅以压气、降水、注浆加固等措施，以确保掘削面的稳定。,部分敞开式盾构,主要指网格挤压式盾构，又称为窗闸式盾构。,适用范围：,利用盾构切口的网格将正面土体挤压并切削为小块，同时以切口、封板及网格板与土体间的摩阻力来平衡正面地层侧向压力，达到开挖面的稳定。,特征：,因正面网格开孔出土面积较小，适宜在软弱粘土层中施工。在局部粉砂层可以辅以局部压气法来稳定正面土体。,因对正面土体存在挤压扰动，较难有效地控制地表沉降，不宜在建筑物密集地方使用。,上海排水隧道网格盾构,上海打浦路越江隧道网格盾构10.22m,密闭式盾构,泥水平衡式,削土式,土压平衡式,加泥式,气泡材,矿物类添加材（膨润土）,树脂材,硅溶胶式,。,辐条形,面板形,刀盘由辐条及辐条上的刀具构成，特点为：刀盘扭矩小，排土容易，土仓压力可有效地作用在掘削面上。多用于土压盾构。,刀盘由面板、刀具、槽口组成，特点为：面板直接支撑掘削面，即具有挡土功能，有利于掘削面稳定，但粘土易粘附在面板表面，妨碍刀盘选择，进而影响掘削质量。泥水盾构和土压盾构均可采用。,盾构刀盘的正面形状,辐条形,5、断面形式 A、单圆 B、双圆 C、三圆 D、矩形 E、球形 F、椭圆形等等新型盾构,(1)MF(Multi-Face)盾构,MF盾构是由多个圆形断面的一部分错位重合而成，可同时开挖多个圆形断面。,特点：,开挖面小，断面利用率高，适用于地下空间受限的隧道建设。,各圆形断面的控制相对独立。,马蹄形,椭圆形,(2)偏心多轴式盾构,矩形,中折盾构,(3)中折盾构,球体盾构由大盾构、球体、小盾构等部件构成。大盾构内藏一个可以旋转的球体，球体内藏一个无尾板可以伸缩的小盾构。大盾构的作用是完成大直径隧道的掘削，球体的作用是转向，小盾构的作用是完成转向后小直径隧道的掘削。,概念：,分类,竖横球体盾构,换刀球体盾构,横横球体盾构,。,用于竖井、隧道的一次性连续构筑（大埋深情况）。,大深度、长距离掘进时可随时随地更换刀具。,大深度急转弯隧道。,(4)球体盾构,在母盾构（大盾构）内藏一个直径较小的子盾构（小盾构），当掘进至工程需要的点时，使子盾构从母盾构中分离出来继续掘进，从而构筑一条直径由大变小的两种隧道。,概念：,分类：,同心母子盾构、异心母子盾构。,特点：,可以略去中间竖井而修筑一条变径的盾构隧道；和采用与母盾构直径相同的大盾构构相比可以减少掘削土量；成本上，1台母子盾构1台大盾构+1台小盾构。,(5) 母子盾构,异心母子盾构,同心母子盾构,母子盾构机实物图,(6) DOT盾构,DOT盾构是指在同一个开挖面上安装两对辐条型刀具的土压平衡式盾构。,特点：,类似于MF盾构，但两对辐条形刀具相互吻合，转向相反并给予同步控制，彼此并不独立。,(7) MSD（Mechanical Shield Docking)盾构,该工法是指进行地中对接并解体的盾构施工方法。该工法有一对盾构组成，一台为发射盾构，一台为接受盾构。,特点：,不需设置到达竖井，大大延伸了不设竖井的盾构掘进长度。,施工过程概要：,发射盾构,接收盾构,先向土舱内的掘削土中注入由膨润土、增粘剂、胍胶(CPM)等材料构成的主材。主材的作用是提高砾石层掘削土的流动性。随后向螺旋输送机内注入有机酸产生吸水反应即止水作用，该止水效果被称为注浆栓效果。采用上述添加材措施后，盾构可在砾石层顺利掘进(掘削面稳定、出土顺利、阻止了喷水喷砂现象)。这种工法称为注浆栓盾构工法(即CPS工法)。CPS工法的优点是对高水压、高渗水性土层行之有效的工法。缺点是材料费高；当地层中存在碱成分时(如以前对地层做过化学注浆加固)栓效应失效，即该工法失效。,(8) CPS（Chemical Plug Shield)盾构,3.2 泥水盾构的基本原理,全敞开式盾构的局限性：,应用于掘削面具有自立性的地层，对于自立性较差的软弱地层，必须辅以压气、降水、注浆等措施，以确保掘削面的稳定。但这些措施存在以下问题：1.当气压过大时，操作人员会患高压病，直接威胁人体健康；2.降水会引起地下水位下降，引发一系列的环境问题；3.全线注浆加固地层时，导致工程造价上升，而且采用有机浆液时还会使地下水遭受污染。,挤压式盾构的局限性：,适用土质范围较小。而且易引起地层较大的隆起或沉降。,为了克服上述弊端，人们开发了泥水平衡式盾构、土压平衡式盾构等密闭式盾构工法。,泥水平衡式盾构就是：在刀盘后方设置一道封闭隔板，使得隔板与刀盘之间形成一个密闭的空间，即泥水舱，将水、粘土及添加剂混合制成的泥水，经输送管道压入泥水舱，当盾构机向前推进时，推进力通过以泥水作为介质而传递到掘削面的土体上，及泥水对掘削面上的土体作用有一定的压力，该压力称为泥水压力。,为了维持掘削面的稳定，通常该压力按下式设定：,泥水压=地下水压+土压+预压,刀盘掘削下来的土砂进入泥水舱，经搅拌后含掘削土砂的高浓度泥水，由泥浆泵送到地表的泥水分离系统，进行水、土分离后，再把泥水重新压回泥水舱，如此不断循环地掘削、排土、推进。由于是泥水压力使得掘削面稳定平衡，故称其为泥水加压平衡式盾构，简称泥水盾构。,泥水盾构由于需要配套的泥水处理系统，相对于土压盾构而言，需要额外的占用地面资源，这对于建筑物密集的城市地铁而言无疑是十分苛刻的，这也是为什么城市地铁没有大量采用泥水盾构的主要原因之一。,地面泥水处理系统,泥水的作用,形成泥膜及稳定掘削面,运送掘削土砂,泥膜的形成过程,由于泥水压大于掘削地层的间隙水压(即地下水压)，泥水中的细粒成分及水通过地层间隙流入掘削地层。其中，细粒成分填充地层间隙，使地层的渗透系数变小。随着时间的增加，地层间隙被细粒成分填充的越来越充分，地层的渗水系数越来越小,最后完全被填充。,显然，泥膜生成后，泥水舱内的泥水再不能进入掘削地层(即杜绝了泥水损失，保证了泥水压力有效地作用在掘削面上)，与此同时掘削地层中的地下水也不能涌入泥水舱，这就是泥水的双向隔离作用，保证了掘削面的稳定，防止掘削面的变形、坍塌及地层沉降。,另外，由于泥水中的粘土颗粒带负电荷，而地层土颗粒带正电荷，故泥水中的粘土颗粒吸附聚集在掘削面的表面，形成一层均匀的泥膜。 综上所述，形成泥膜的因素有：渗透填充因素和表面吸附聚集因素。,必须具备如下一些特性：物理稳定性好；化学稳定性好；泥水的粒度级配、相对密度、粘度要适当；流动性好；成膜性好。,泥膜的性能要求,泥水压力可按下式设定： 泥水压 = 地下水压 + 土压 + 预压, 地下水压,砂土地层中：为孔隙水压,粘土地层中：计入土压力中, 土压：,指掘削面上的水平方向的作用土压力。,浅埋：为静止水平土压力，计算式如下：,深埋：为根据松动土压力计算而得的水平主动土压力。,P0=K0H p0静止水平土压力； K0静止侧压力系数。,Pa=Kape,Pe Terzaghi松弛土压力,Ka主动土压力系数,3.3 土压平衡式盾构的基本原理,土压盾构与泥水盾构的差异是保持密封土舱内的承压介质不同：泥水盾构对应的介质为泥水；土压盾构对应的介质为泥土。但是稳定掘削面的基本原理是一致的。,土压盾构推进时其前端刀盘旋转掘削地层、土体，掘削下来的土体涌入土舱，当掘削土体充满土舱时，由于盾构的推进作用，致使掘削土体即对掘削面加压。当该加压压力(削土土压)与掘削地层的土压+水压相等，随后若能维持螺旋输送机的排土量与刀盘的掘土量相等，把这种稳定的出土状态称为掘削面平衡，即稳定。,泥土压的设定方法与泥水盾构的泥水压的设定方法相同。,要想维持排土量与掘土量相等，掘削土必须具备一定的流塑性和抗渗性。有些地层的掘削土仅靠自身的塑流性和抗渗性，即可满足掘削面稳定的要求。这种利用掘削土稳定掘削面的盾构称为削土盾构。此外，多数地层土体的塑流性、抗渗性无法满足稳定掘削面的要求，为此须混人提高流塑性和抗渗性的添加材，实现稳定掘削面的目的。通常把注入添加材的掘削土(称为泥土)盾构称为泥土盾构。削土盾构和泥土盾构统称为土压盾构，两者的区别是前者不用添加材，后者使用添加材。,土压盾构掘削面稳定的必要条件如下： 泥土压必须可以对抗掘削面上地层的土压和水压。 必须可以利用螺旋输送机等排土机构，调节排土量。 对必须混入添加材的土质而言，注入的添加材必须可使泥土(混入添加材的掘削土)的塑流性和抗渗性提高到满足掘面稳定要求的水准。,
