隧道与洞室工程土压平衡盾构.pptx

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1、会计学1隧道与洞室工程隧道与洞室工程(gngchng)土压平衡盾土压平衡盾构构第一页，共62页。n n土压平衡式盾构机的发展基于挤压式盾构机（闭胸）和泥水式盾构机。n n挤压式盾构机在其承压隔板上设有面积可调的排土口，开挖面的稳定靠调节孔口大小和排土阻力，使盾构千斤顶推力和开挖面土压达到(d do)平衡来实现。第2页/共62页第二页，共62页。挤压式盾构机适用于具有良好塑性的粘土层，适用地质范围狭窄(xizhi)。泥水式盾构机在非粘土层中广泛应用，但随细颗粒土砂百分比的增加其分离越来越复杂，代价越来越高，悬浮液也需频繁更换，还存在环保问题。特别是在日本主要城市施工时，由于空间有限使得安装分离设

2、备较为困难。第3页/共62页第三页，共62页。这些都促进了土压平衡式盾构机的发展。与泥水式盾构机相比，土压平衡式盾构机没有分离装置，施工时的覆土层可以相对较浅。其适用地质范围比挤压(j y)式盾构机广，掘进性能也优于挤压(j y)式盾构机。第4页/共62页第四页，共62页。n n从从19641964年到年到19741974年的年的1010年间，与气压施工年间，与气压施工(sh gng)(sh gng)法同时使用的手掘式盾构机占总数的法同时使用的手掘式盾构机占总数的3/43/4，从，从19741974年年到到19841984年的年的1010年间，这种盾构机型减少，泥水式和土年间，这种盾构机型减少

3、，泥水式和土压平衡式等机械挖掘式盾构机不断增加。压平衡式等机械挖掘式盾构机不断增加。n n日本隧道技术协会对世界盾构施工日本隧道技术协会对世界盾构施工(sh gng)(sh gng)法现状法现状开展通信调查的结果（其中开展通信调查的结果（其中96%96%是日本的工程），从是日本的工程），从19801980年至年至19851985年的年的6 6年间，密闭型盾构机从年间，密闭型盾构机从19801980年占年占各种类型盾构机总数的各种类型盾构机总数的60%60%急增至急增至86%86%，特别是土压，特别是土压平衡式盾构机从平衡式盾构机从19%19%增大到增大到60%60%。第5页/共62页第五页，共

4、62页。第6页/共62页第六页，共62页。第7页/共62页第七页，共62页。第8页/共62页第八页，共62页。n n土压平衡(pnghng)式盾构机的刀盘切削面与后面的承压隔板所形成的空间为开挖室或泥土室。n n刀盘旋转切削下来的土壤通过刀盘上的开口进入泥土室，与泥土室内的可塑土浆混合或被搅拌混合，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，由泥土浆的压力作 用 于 开 挖 面，以 平 衡(pnghng)开挖面处的地下水压和土压。从而保持开挖面的稳定。第9页/共62页第九页，共62页。n n螺旋输送机从承压隔板的开孔处伸入泥土(nt)室进行排土。n n盾构机的挖掘推进速度和螺旋输送机

5、单位时间的排土量或其旋转速度都会影响泥土(nt)室内土浆压力的大小，所以应进行协调控制。第10页/共62页第十页，共62页。n n在最初的土压平衡式盾构机中采用体积控制方法来检查开挖面的稳定情况。n n它将测量的开挖体积与根据掘进速度和开挖洞径计算得到的理论(lln)体积值进行比较，对盾构机挖掘推进速度和螺旋输送机的旋转速度参数进行调节控制。n n对开挖出土料体积的测量方法有传统的称重方法及近些年采用的超声波和激光测量方法。第11页/共62页第十一页，共62页。n n超声波法和激光法要求输送带上的土料表面较光滑，在实际应用中较难保证。n n仅靠体积控制的方法存在一些缺点，它不提供任何开挖室内实

6、际填充情况和土体压实度的有关信息；体积测量装置复杂而且昂贵，它们的安装位置有时会阻碍输送带对土料的输送；只有在一段时间之后才能做定性分析n n无法得到开挖面的实时情况；在同时有土壤改良剂料加入(jir)时，无法得出精确体积值。第12页/共62页第十二页，共62页。n n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。土压是通过安装在承压隔板上不同位置的土压传感器进行测量的。n n土压测量装置的原理比泥水式盾构机中支撑液体静压的测量方法要复杂，它的应用和发展已能够根据事先(shxin)计算的开挖面支撑压力曲线对压力进行精确控制。第13页/共62页第十三页，共62页。n n在隧洞掘进的

7、过程中，通过土压的测量值由调节电路来调整有关控制参数。n n土压通过改变盾构千斤顶的推进速度或推螺旋(luxun)输送机的旋转速度而增减。n n在盾构机的实际运行中，操作员的经验及对盾构机中各重要测量参数的监视非常重要。第14页/共62页第十四页，共62页。n n土压平衡式盾构机用开挖出的土料作为支撑开挖面稳定的介质，对作为支撑介质的土料要求为：具有良好的塑性变形，软稠度(chu d)，内摩擦角小及渗透率小。n n由于一般土壤不能完全满足这些特性，所以要进行改良。改良的方法通常为：加水，膨润土，粘土，外加剂（CMC），聚合物和泡沫等，根据土质情况选用。2 土质改良和应用土质改良和应用(yngy

8、ng)范围范围第15页/共62页第十五页，共62页。n n通过这些改良措施，扩大(kud)了土压平衡式盾构机的应用范围。第16页/共62页第十六页，共62页。n n开挖室内土料具有的软稠度和良好的塑性变形，使支撑压力能规则地作用于开挖面n n保证了土料能不断地流送到螺旋输送机n n避免了土料在开挖室低压部位的堆集(du j)、对刀盘的阻塞以及对开挖室的堵塞n n降低了刀盘和螺旋输送机的驱动力矩，从而更为经济n n但土料不能过软，否则不适于带式输送机和料车的输运。第17页/共62页第十七页，共62页。n n土料由螺旋输送机从有压的开挖室输送到大气压下的隧洞(su dn)里n n从螺旋输送机到带式

9、输送机的转运如没有料闸装置，则土料应具有低的渗透性，低渗透性可以避免液流穿过螺旋输送机。n n有软稠度的粘质粉土和粉砂是最适合使用土压平衡式盾构机的土层。第18页/共62页第十八页，共62页。n n根据土层的稠度，有时不需要水或只需要加很少量的水。通过搅拌装置在开挖室内的搅拌，即使十分粘着的土层也能变成塑性的泥浆。n n随着含砂率的增加，加水就显得不够，因为它不能减小内摩擦角。n n增大的渗透性必须解决好螺旋输送机的密封问题。细土粒含量(hnling)的缺乏可以通过加入粘土和膨润土悬浮液来补偿。n n这样孔隙里的水就可通过膨胀的悬浮液限制，挖出的土料便可变成流动性很好、渗透性降低的可塑土浆第1

10、9页/共62页第十九页，共62页。n n对非粘透水性土层可以通过注射泡沫进行改良处理。泡沫被加入挖出的土壤(trng)中并成为粒状结构的一部分。n n粒状结构中的气泡可以降低土浆密度，减小颗粒摩擦。n n土浆混合物的体积变化率得到降低使其在较宽的形变范围内有最理想的弹性，这样才可能控制开挖面支撑压力。第20页/共62页第二十页，共62页。自主开发(kif)气泡剂自主开发气泡(qpo)发泡装置第21页/共62页第二十一页，共62页。自主(zzh)开发气泡剂自主(zzh)开发气泡发泡装置第22页/共62页第二十二页，共62页。自主(zzh)开发气泡剂自主开发(kif)气泡发泡装置第23页/共62页

11、第二十三页，共62页。n n随着开挖室内压力的降低，粒状结构内的气相会膨胀，土体会形变；n n随着开挖室内压力的增大，土体中孔隙不断变小，这样就可避免切削刀盘的驱动力矩的快速增大。n n由于化学的和物理的粘着力的作用，使用适当(shdng)的泡沫混合物，开挖的土料可以变得非常粘着，完全可以用带式输送机进行输送。第24页/共62页第二十四页，共62页。n n实际上泡沫的90%都是空气，而空气在几天后就会全部逸出，因此土料可以恢复原来的稠度，在对开挖出土料的储置或进一步利用上这是一个显著的优点，而且不需要复杂昂贵的分离设备。n n加泡沫技术(jsh)用于含水土层时还可抵抗较高的地下水压，它的发展可

12、扩大土压平衡式盾构机的应用范围，使它也可用在原先只适于泥水式盾构机的土层中。泡沫混合物在使用后几天之内化学物质就会完全生物分解，基本不存在环境污染的问题。第25页/共62页第二十五页，共62页。n n土压平衡盾构机的应用范围如图2所示。在宽限制线（曲线(qxin)1）上细土粒含量不少于30%，这时针对土层的颗粒分布，应用上没有限制。n n这主要是指稠度由现有水含量决定的一般不透水地层。第26页/共62页第二十六页，共62页。图图2 2土层颗粒尺寸分布土层颗粒尺寸分布(fnb)(fnb)的土压平衡式盾构机适用范围的土压平衡式盾构机适用范围第27页/共62页第二十七页，共62页。n n对稠度Ic1

13、、高粘性和低渗透性的土层一般可以在无支撑压的情况下施工。n n但如果开挖面需要支撑，土料的稠度应为柔软（Ic=0.4-0.75）。n n根据土层的矿物学结构组成情况，也可以使用(shyng)水、低粘性悬浮液（膨润土，聚合物）和泡沫。第28页/共62页第二十八页，共62页。n n在限制线以下土层(t cn)渗透性及内摩擦大大增加，应用所受的限制由渗透系数k和地下水压力决定。n n在实际应用中，压力最大为200kPa时水的渗透系数不应大于10-5m/s。n n在曲线2和曲线3之间的部分，土压平衡式盾构机不能在水压下使用。n n在曲线3以下，渗透性太强，对土层(t cn)进行改良处理也不会有效。第2

14、9页/共62页第二十九页，共62页。n n在对曲线2下面的土层的改良处理中，只能选用高粘性粘土悬浮液（高密度泥浆）和聚合物泡沫。n n若处理液的比例超过了开挖量的40%-45%，稠度已达到液体值，此时应用泥浆系统(xtng)取代输送带。第30页/共62页第三十页，共62页。n n虽然通过土层处理土压平衡式盾构机的应用范围可以(ky)扩大到泥水式盾构机应用领域，但不应将非粘性土层归在土压平衡式盾构机的应用范围之内。n n在细砂含量少的非粘性土层中，使用泥水式盾构机比土压平衡式盾构机有更大的优越性，应首先考虑使用。第31页/共62页第三十一页，共62页。n n土压平衡式盾构机可分为土压式盾构机和泥

15、土加压式盾构机。n n土压式盾构机是在挤压式盾构机上安装刀盘进行开挖，同时使开挖的土料流动(lidng)，以便排土，它只适于可用切削刀开挖且含砂量小的塑性流动(lidng)性软粘土。第32页/共62页第三十二页，共62页。n n泥土加压式盾构机装备有注入土壤改良用添加剂料的机构和搅拌机构，它的适用范围较广，可用于冲积粘土、洪积粘土、砂质土、砂、砂砾、卵石等土层。n n这种盾构机又分成搅拌全部开挖(ki w)土料的泥土加压式盾构机和搅拌部分开挖(ki w)土料的泥浆加压盾构机。第33页/共62页第三十三页，共62页。n n泥土加压式盾构机的刀盘形状多为轮辐形的，容易进行土压调节，适用(shyng

16、)于大范围的土质。n n泥浆式盾构机是在刀盘开挖的土料内注入改良剂料，在土室内搅拌，使开挖土料变成泥浆。第34页/共62页第三十四页，共62页。第35页/共62页第三十五页，共62页。n n土压平衡盾构机的基本装置是切削刀盘及其轴承和驱动装置，开挖室以及螺旋输送机等。n n3.1 切削刀盘n n切削刀盘切割开挖面上的土壤和在开挖室内搅拌使之变成可塑的泥土浆。切削刀盘前面一般布置有添加土壤改良剂料的灌注口，对开挖面上的土壤进行(jnxng)改良处理。3 土压平衡式盾构机的主要土压平衡式盾构机的主要(zhyo)部件部件第36页/共62页第三十六页，共62页。切削刀盘盘面有封闭式和敞开式两种。封闭式

17、切削刀盘是用于开挖面不稳定(wndng)的土层类型，这样可以避免在开挖面有大量的土壤松动。切削刀盘上开口的百分比在保证系统稳定(wndng)的前提下可以根据实际需要而变化。开口的宽度限制了螺旋输送机中可以输送的最大石块的尺寸。第37页/共62页第三十七页，共62页。第38页/共62页第三十八页，共62页。第39页/共62页第三十九页，共62页。大的石块需在切削刀盘前压碎到与开口缝隙尺寸相配，这样可以避免损坏螺旋输送机。封闭式切削刀盘的一个缺点(qudin)是在开挖面上支撑压力的分布不均匀。承压隔板上测得的土压值不一定就是真实值，它还和刀盘的位置和转向有关。第40页/共62页第四十页，共62页。

18、第41页/共62页第四十一页，共62页。n n敞开式切削刀盘（敞开式星形设计），一般不会发生阻塞，此时开挖面支撑(zh chng)压力分布均匀且送到螺旋输送机上的土料流动稳定。n n但它的缺点是由于缺乏机械支撑(zh chng)，进入压缩空气下的开挖室的危险较大。此外，长时间运行时，在覆土浅时易造成沉降，稳定性和刀盘的强度降低。n n若敞开式星形设计有轮缘，则切削刀盘的稳定性会增强。第42页/共62页第四十二页，共62页。n n根据地质情况，刀盘可配铲型刮刀、盘型滚刀等不同刀具。n n它们都安装于刀盘的后面(hu mian)，以便检查和更换。根据隧洞的走向及盾构机的设计，刀盘还配有超挖刀具。第

19、43页/共62页第四十三页，共62页。n n3.2 轴承和驱动部件轴承和驱动部件n n在轴承和驱动部件方面在轴承和驱动部件方面(fngmin)，采用了与泥水式，采用了与泥水式盾构机和岩石掘进机相似的系盾构机和岩石掘进机相似的系统。统。n n在土压平衡式盾构机中，轴承在土压平衡式盾构机中，轴承的密封系统和易于拆换非常重的密封系统和易于拆换非常重要，因为这些部件在磨蚀性强要，因为这些部件在磨蚀性强的土层中会受到很大的机械应的土层中会受到很大的机械应力，易造成密封区域的严重损力，易造成密封区域的严重损坏。坏。第44页/共62页第四十四页，共62页。n n在结构上一般分为中心轴驱动方式和非中心轴驱动方

20、式。n n中 心 轴 驱 动 部 件 的 封 闭(fngb)或敞开式切削刀盘是一种比较简单的设计，在开挖室内不需要什么处理，也没什么障碍物。n n它的另一个优点是所有密封都可以从盾构机上接触到，因此易于修复。n n中心轴驱动部件的缺点是盾构中心被切削刀盘部件占满，使螺旋输送机的安装坡度特别小，这必然导致盾构机的加长。第45页/共62页第四十五页，共62页。n n非中心轴驱动部件的封闭(fngb)或敞开式切削刀盘驱动轴承的直径约为盾构直径的一半。n n切削刀盘有单独的支架支承。优点是导引稳定、不易阻塞和支承支架能起一定的搅拌作用，并可以从盾构区域接近密封系统。第46页/共62页第四十六页，共62

21、页。n n3.3 开挖室开挖室n n土压平衡式盾构机的刀盘切削土压平衡式盾构机的刀盘切削面与后面的承压隔板面与后面的承压隔板(bn)所形成的空间为开挖室。所形成的空间为开挖室。n n在这里从开挖面挖出的土料转在这里从开挖面挖出的土料转变成有良好的变形性的可塑土变成有良好的变形性的可塑土浆（假如在开挖面的开挖中还浆（假如在开挖面的开挖中还没做到这一点的话），以保证没做到这一点的话），以保证在开挖面有稳定的支撑压力。在开挖面有稳定的支撑压力。第47页/共62页第四十七页，共62页。n n挖掘工作腔室的设计由螺旋(luxun)输送机、压缩空气室（如果有的话）和切削刀盘驱动部件的位置决定。n n开挖室

22、的设计应顺应土料流动以避免土料聚集，保证土料持续地流到螺旋(luxun)输送机中。第48页/共62页第四十八页，共62页。n n开挖室的长度决定了与推进速率相关(xinggun)的土料留在室内的时间。n n开挖室还可根据需要布置一些搅拌机构，对土料进行搅拌。对大直径盾构机，堵塞的危险性较大（尤其在开挖室中部），因为旋转搅拌工具的转速越靠中间越小。n n当切削刀盘的一般转速为1-2m/min时，搅拌机构对靠近中心的部位不起作用，因此在中心部位应设置可以独立旋转的切削或搅拌装置。第49页/共62页第四十九页，共62页。压力(yl)舱土体闭塞模型盾构机2BGP1hP2tP3H开挖面0整体受力分析整体

23、受力分析 成拱系数成拱系数 1，土体成拱；，土体成拱；1，土体不成拱；，土体不成拱；=1，为临界情况。，为临界情况。2BhtH开挖面盾构机H盾构机简化模型盾构机简化模型 土体闭塞受力平衡方程土体闭塞受力平衡方程成拱土体高度成拱土体高度第50页/共62页第五十页，共62页。n n3.4 螺旋输送机螺旋输送机n n在土压平衡在土压平衡(pnghng)式盾构式盾构机中螺旋输送机具有以下功能：机中螺旋输送机具有以下功能：n n从有压力的开挖室内将土料送从有压力的开挖室内将土料送到大气压下的隧洞中；到大气压下的隧洞中；n n在渗水土层中密封有压水；在渗水土层中密封有压水；n n通过控制开挖土料的进出量来

24、通过控制开挖土料的进出量来控制开挖室的支撑压力。控制开挖室的支撑压力。第51页/共62页第五十一页，共62页。T刀盘扭矩上升原理示意刀盘扭矩上升原理示意图图开挖土体堵塞土舱示开挖土体堵塞土舱示意图意图盾盾壳壳推推力力开开挖挖面面压压力力螺螺旋旋排排土土器器第52页/共62页第五十二页，共62页。n n螺旋输送机是一个连续工作(gngzu)的系统，由可旋转的螺旋叶片和静止螺旋叶片外壳组成。n n螺旋叶片一般是装配在旋转轴上，但也可以设计成没有中心轴以便在中心输送较大的石块。n n螺旋输送机的驱动可以布置在中心(轴)或周向边缘。第53页/共62页第五十三页，共62页。n n中心驱动时土料从圆柱体外

25、壳的一扇门送出，而周向边缘驱动时，土料可以从圆柱体外壳的端部送出。n n螺旋输送机的圆柱形壳体有一段是可以伸缩的。它伸到开挖室内部,可以改善土料的供应。由于存在摩擦，在壳体内的土料不能旋转，只能(zh nn)作轴向移动。第54页/共62页第五十四页，共62页。n n螺旋输送机的安装位置较低时更好用，因为土料是利用其自身重量(zhngling)压入螺旋输送机开口中的。n n当螺旋输送机位于中心时，必须将在开挖室下部的土料向上压送以克服重力作用。因此压缩空气气室的位置越高越好。第55页/共62页第五十五页，共62页。n n若螺旋(luxun)输送机位于更低的位置，使用压缩空气将开挖室内的土料向低位

26、压送没什么问题，因此压缩空气气室的位置越高越好。第56页/共62页第五十六页，共62页。n盾构机的选型及设计盾构机的选型及设计n工程在前期准备时最重要的工作工程在前期准备时最重要的工作n盾构机选型考虑因素盾构机选型考虑因素n地层土质条件地层土质条件n断面大小断面大小n线路周边环境线路周边环境n排土方式排土方式n地铁盾构常用地铁盾构常用(chn yn)(chn yn)的机型的机型n泥水平衡盾构泥水平衡盾构n土压平衡盾构土压平衡盾构泥水泥水(n shu)(n shu)平衡式盾构平衡式盾构 土压平衡土压平衡(pnghng)(pnghng)式盾构式盾构 第57页/共62页第五十七页，共62页。泥水泥水

27、(n shu)(n shu)平衡式盾构平衡式盾构 第58页/共62页第五十八页，共62页。土压平衡土压平衡(pnghng)(pnghng)式盾构式盾构 第59页/共62页第五十九页，共62页。泥水泥水(n shu)(n shu)平衡式盾构平衡式盾构 土压平衡土压平衡(pnghng)(pnghng)式盾构式盾构 比较比较(bjio)(bjio)项目项目 第60页/共62页第六十页，共62页。土层土层(t cn)(t cn)地质地质 粉细砂粉细砂卵石层卵石层粗砂砾层粗砂砾层中细砂砾层中细砂砾层粉细砾层粉细砾层粗砂粗砂泥砂泥砂粘土粘土地层渗透性与盾构选型地层渗透性与盾构选型-10泥水盾构泥水盾构土压平衡盾构土压平衡盾构透水系数透水系数(m/s)(m/s)-1-10-1-10-2-10-3-10-4-10-5-10-6-10-7-10-8-10-9-10-10第61页/共62页第六十一页，共62页。感谢您的观看感谢您的观看(gunkn)！第62页/共62页第六十二页，共62页。