2 泥水加压工况下的掘进技术

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1、2、泥水加压工况下的掘进技术2.1 泥水加压盾构机掘进原理泥水加压盾构施工是在盾构前端的旋转刀盘后面设隔墙，在这隔墙和作业面之间充满加压泥水，利用加压泥水对围岩空隙的充填和造膜作用来抑制土压和地下水压，同时旋转刀盘在泥水中挖掘围岩，开挖的土砂与泥水一起通过排出洞外。用有压泥水使开挖面地层保持稳定，施工时对土体搅动极小；盾构掘进后，隧道上方的沉降量控制在10mm以内，易于保护周围环境。此外，泥水加压盾构靠泥水流体输送土颗粒间接出土，不设螺旋输送机等排土机械，且泥水可循环使用。采用泥水加压盾构修筑隧道时，开挖面土体的稳定可分为推进时和停止时两种情况。推进时开挖面土体的稳定主要靠加压泥水保持；盾构停

2、止推进时，因泥水压力消散与泥水中土颗粒沉淀，部分压力由刀盘面板承受，必要时可关闭进土槽口的闸门板，以提高支撑能力。盾构掘进时决定开挖面土体稳定的因素有泥水压力、泥水质量和推进速度等，相比之下，泥水质量最为重要。就稳定地层的效果而言，泥水浓度和密度越高，稳定开挖面土体的的效果就越好。通常情况下，可按以下指标范围控制泥水质量：（1）重度：10.512.5（kN/m3）；（2）粘度：1040（s），漏斗粘度500/700mL；（3）失水量：Q20mL（100kPa，30min）；（4）添加材料：粘土、膨润土、陶土+CMC(1%)+Na2CO3（4%）。在开挖面形成泥膜是有压泥水能使开挖面保持稳定的重

3、要条件。土体开挖面能生成泥膜的条件主要是保持额定压力和采用规格泥水。通常，比土层侧向压力大一定数量的加压泥水在一定的渗流条件下，可在较短的时间内使开挖面土体的表面形成透水性很低的泥膜（或止水域），位于土层和加压泥水之间的泥膜，性能优于土层，使泥水压力可通过泥膜向土层传递，形成地层水土压力的平衡力。2.2 泥水压力的确定泥水加压盾构的泥水压力要求符合下列条件：能确保隧道掘进工作面的稳定；能使隧道掘进工作面周围岩石的变形最小；能防止地层断裂；尽量减少砾质土或砂质土泥浆的渗漏。为了满足上述和两个条件，施加于隧道掘进工作面上的总压力不仅包括泥浆压力，而且还包括当盾构转刀旋转挖土时所作用的掘进力；为了满

4、足上述条件，所选用的泥浆压力应比地基断裂应力小得多；为了满足上述条件，泥浆的化学或物理性质必须根据具体地基类型进行调整。由此可见，盾构转刀的掘进作用在支护隧道掘进工作面方面发挥重要作用，因此适中的泥浆压力为静止土压力P0与盾构机转刀的推压力Pc之差值。泥水加压盾构掘进时，合理的泥水压力值主要开挖面上地层的侧向水土压力Ps可由公式计算，也可取用实测值。施工区域的土体为砂性土时，可按式（6）计算水土压力的合力，并将泥水压力值Ps取为：P=Ps+ （10）土层垂直压力P1已知，也可按下式直接计算泥水压力值：P=P1K0+ （11）以上两式中，K0为侧压力系数，为施工因素的附加泥水压力值。的大小可根据

5、地层实际情况确定，通常取为0.02 MPa。由式（10）、（11）计算得到的泥水压力值为用于施工管理的目标值。实际施工过程中，泥水压力的控制值常因以下因素的影响而随时发生变化：（1）土体开挖量变动，引起排泥量发生变化；（2）泥水中土颗粒的含量发生变化，或重复进行泥、水分离过程使泥水浓度和粘度发生变化，导致流体阻力随之发生变化；（3）盾构掘进时，送、排泥水的管路不断加长，使流体阻力增大。因此，施工中应随时注意调整泥水压力的控制值，使开挖面上的泥水压力值保持与目标值接近。盾构掘进过程中，沿管道的泥水压力并非常量，而是变量。图为盾构泥水流动路径示意图。盾构停止掘进时，与之相关的泥浆泵均停止工作，靠近

6、工作面的截流阀呈关闭状态，使开挖面上的泥水压力自行降低，并与地下水压力相接近。鉴于仅靠刀盘不足以使土层保持稳定，一般采用如下图所示的系统，在主管路的阀部另接一根小口径支管路，从地面直接引入具有一定的静水，以使开挖面上的泥水压力仍与目标值接近。为了防止密闭条件较差的盾尾密封环向盾构内泄漏，使开挖面上的泥水压力值低于目标值，因此在盾尾设有封水性能较为理想的刷子状的密封环。2.3 刀盘扭矩的确定泥水加压盾构刀盘扭矩可按下述经验公式确定：Tc=D3 （1）式中：Tc刀盘扭矩的设计值（kN/m）；D盾构外径（m）；系数，可根据地质条件，开挖距离等因数决定，一般取值1.01.5。除按上述经验公式计算外，确

7、定刀盘扭矩时，还应考虑支撑形式的影响，并以下各式计算和校验：（1）中心支撑刀盘：Tc=T1+T2+T3 （2）式中：T1土体切削阻力扭矩（kNm）；T2刀盘与土之间的摩擦阻力扭矩（kNm）；T3纵向荷载下机械自身阻力的扭矩（kNm）。（2）周边支撑式刀盘：Tc=T1+T2+T3+T4+T5 （3）式中：T1土体切削阻力扭矩（kNm）；T2刀盘与土之间的摩擦阻力扭矩（kNm）；T3纵向荷载下机械自身阻力的扭矩（kNm）。T4径向荷载下机械自身阻力的扭矩（kNm）；T5刀盘密封阻力扭矩（kNm）。上述三式的结果进行比较，取数值较大者为设计依据。2.4 盾构推力泥水加压盾构的推力用于在盾构顶进时克服

8、外壁与周围土体的摩阻力，以及后机架的牵引阻力等。（1）盾构外壁与周围土体的摩阻力盾构外壁与周围土体的摩阻力主要是纵向阻力。由于泥水加压盾构的外壁带有泥浆，这项阻力的量值通常小于其他类型的盾构，但在实际计算中，一般仍按惯用公式计算。土体为砂性土时阻力F1的计算式为：F1=Dl（Pe1qe1+Pe1qe2+Pg）/4 （4）土体为粘性土时，计算式为：F1=DlC （5）式中：D盾构外径（m）；l盾构长度（m）；Pe1垂直土压（kPa）；Pe1底部垂直土反力（kPa）；Pg底部竖向自重反力（kPa）；qe1顶部侧压（kPa）；qe2底部侧压（kPa）；盾构外壁与周围土体之间的摩擦系数，粘土和松砂为0

9、.3，硬粘土和密实砂为0.5；C地层土体内聚力（kPa）。（2）开挖面土体作用于盾构的正面阻力泥水加压盾构的正面阻力由开挖面的土压和泥水压组成。计算时，可将其取为作用于盾构中心点的合力Ps，故阻力F2的计算式为：F2=Ps=wh0+K0t（H-h0）+sh0 （6）式中：K0侧压力系数，一般取静止土侧压系数；H覆土层厚度，或松动圈高度（m）；h0地下水位高度（m）；t地下水位以上的土体的重度（kN/m3）；s地下水位以下的土体的重度（kN/m3）；w水的重度（kN/m3）。（3）管片与盾尾间的摩擦力管片与盾尾间的摩擦力F3的计算式为：F3=nsWs （7）式中：ns管片数量；W每环管片的重量（

10、kN）；s管片与盾尾之间的摩擦系数，一般在0.30.5的范围内取值。考虑到可能还有摩擦阻力的因数存在，且需一定的富余量，设计时可将泥水加压盾构的推力F3取两倍于以上计算结果，即：FJ=2（F1+F2+F3） （8）也可按以下经验公式求得盾构推力FJ：FJ=PJD2/4 （9）式中：FJ为单位开挖面面积所需的推力，取值范围通常为0.7MPa1.0Mpa。排土量计算与开挖面稳定条件泥水加压盾构一般先将切削土体与泥水混合，搅拌后形成高浓度泥水，然后由排泥水管路将其泵送至地面。由于排放泥水中混有大量切削土颗粒，排泥水管路内泥水的流速需达到2.5m/s4.0m/s，才能避免土颗粒沉淀。由排泥水管路排出的

11、泥水量与泥水流速及密度有关，计算时可先由电磁流量计测得泥水的流量，并由差压比重计或射线密度计测得泥水的有效携带泥水率，然后将两个数值相乘。因射线密度计在现场使用时存在有害射线，故常采用差压比重计。差压比重计宜设置在竖井内，使其可在垂直方向上进行量测，如图所示。一般布置4个测点，由差压求得液体的比重，计算式为：差压计测试图P1-P2=H-HP4-p3=H-H （12）式中：P1、P2、P3、P4分别为压力计G1、G2、G3、G4的实测压力；为泥水的比重；H为差压比重计之间的高差；为单位长度管路的压力损失。采用差压比重计测定比重的缺点是，要求被测泥水的流速相同，而当泥水中含有较大的土块和砾石时，泥

12、水的流速与土块或砾石的移动速度有差异，使计算结果产生较大的误差。因此，在砾石较多的地层中施工时，宜同时采用辅助计测手段帮助确定比重，通过泥水比重测定出土量。泥水加压盾构施工中必须计算出排泥水带走的泥土量。为使开挖面保持稳定，排泥量不能超量。有效排泥量是否超量可按以下三个公式的计算结果判断：1=（2Q2-1Q1）/A0V （13）2=（Q2-Q1）/AV （14）3=（2Q2-1Q1）/（Q2-Q1） （15）式中：1重量携带率；2体积携带率；3携带比重量；0地层土体重度；1送泥水重度；2排泥水重度；Q1送泥水流量；Q2排泥水流量；A开挖面截面积；V开挖速度。其中截面积A为已知值；0、1、2、Q

13、1、Q2、V为测定值；1、2、3为计算值，1、2为1时，排泥量与开挖量相等，开挖面土体处于稳定状态。3用于帮助判断泥水管道的工作状态，其值为1时，表示开挖面仅发生泥水流动；其值等于土颗粒比重时，表示开挖面仅发生土体移动。由于设定土体重量和测试值会有误差，以这一方法进行判断时即使开挖面处于稳定状态，1和2也未必为1。因此，进行判断时应综合考虑各方面的因素。除测试出土量外，还可从盾构内部对开挖面进行超声波探测、大刀盘土压测试和大刀盘偏压测试，以探明开挖面土体的稳定状态。超声波探测主要用于探明盾构刀盘与开挖面上部土体间是否存在间隙，以查明开挖面是否有土体自上部塌落；大刀盘土压测试和偏压测试主要查明开挖面各点土压力的分布是否正常，以判断开挖面是否以发生塌落现象。这种方法也可探明开挖面土体是否稳定。