泥水盾构掘进系统

中国盾构网 www.zgdungou.com 新闻来源：《最新泥水盾构技术》 掘进系统包括泥水加压平衡盾构掘进机和使其运转的动力设备、装载动力设备以及与掘进机同时前进的后方车架。 1

(1)旋转刀盘的切削方式和构造形状 ①切削方式

切削方式通常有下图三种，见图24。其中，回转切削方式的结构紧凑，因其易于调整侧向倾斜，一般多采用这种方式。

回转切削方式(左右回转) 行星切削方式 摇摆切削方式

图24 泥水盾构常用切削方式

②构造形状

一般根据施工要求和土质条件确定构造形状。幅条形状可减少切削时的实际扭矩，便于将土砂排出。面板形状对工作面的支护及工作面保存注浆材料有效。刀盘前端的形状分为中心凸出、全部凸出、凹陷等数种，选用时应根据工作面的稳定条件来决定。在含有大砾石的地层中，要注意由于形状不同会产生耐磨耗程度不同的问题。 (2)旋转刀盘支承方式

旋转刀盘在支承构造上主要有两大方式：中心支承方式和周边支承方式。

滚筒刀支承方式见图25，中心周边支承方式见图26，中心支承方式的泥水加压平衡盾构掘进机见图27、图28，周边支承方式的泥水加压平衡盾构掘进机见图29、图30。

图25 滚筒力支承方式

图26 中心周边支承方式

图27 中心支承方式φ6.15m泥水加压平衡盾构

图28 中心支承方式φ10.02m泥水加压平衡盾构

根据各自特征、开挖面状况、土质以及砾径等可选择相应支承方式使用。这两种支承方式的主要特征比较如表11。

图29 周边支承方式φ3.97m泥水加压平衡盾构

图30 周边支承方式φ6.75m泥水加压平衡盾构

(3)旋转刀盘主要构造(见照片3)

照片3 直径11.22m泥水加压平衡盾构大刀盘

旋转刀盘的两种支承方式的比较 表11

中心支承式 周边支撑式 掘削时泥水室内的泥水状态 由于是属单板大刀盘形式，上、下由于大刀盘内侧有料斗，能将下部的土部泥水混合有困难，所以上、下部砂扬起，上下部泥水浓度相同，并高于的泥水比重不同 送泥水浓度，对开挖面稳定有利 停止时泥水室内的泥水状态 从临近盾构顶部处送入泥水，需防由于送泥管位于中心部位，顶部泥水比止顶部土体塌方 排泥水管堵塞 重随时间推移而降低，对稳定不利 排泥水管易形成较陡坡度，较易堵排泥水管在中心呈水平布置，不易堵塞 塞 用搅拌机检测开挖面塌方 低速转动搅拌机，通过力矩变化来由于搅拌机靠近中心位置，不能检测 检测开挖面塌方情况 排除障碍物 盾构掘进机内有效空间小，困难 盾构掘进机内中心部位空间大，可以去除障碍物等 砾石处理 盾构掘进机内设置砾石处理装置可以在盾构掘进机内设置粉碎机，滚动有困难，设置在机外 大刀盘滑板装置 筛、铁栅筛等 因为是轴，能安装大刀盘的滑板装构造上有困难 置，可根据土质作调节 粘性土的粘附 为使粘性土不致粘附在大刀盘上，土易粘附在向上提升的叶片或料斗上，可以安装高压水等冲洗装置 须要考虑用送泥管等清洗 可以轻易地变更 变换成机械掘削式盾构 转矩损失 难出土 由机械阻力(轴承，密封)损失的转由机械阻力损失的转矩大。由泥水压力矩小 产生的径向荷载大，转动损耗大 因密封件滚动距离大，寿命短 密封件寿命 ①面板

因密封件滚动距离小，寿命长 机械掘削式盾构掘进机中的面板，在通过泥水加压的同时也是支护开挖面的重要机构。因此，面板开口的宽度、形状及大小等至少要满足能够排除掉砾石和障碍物，并且有良好的耐磨损性和耐腐蚀性。

②刀具(刀齿、刀头)

刀具多数是采用在母材上焊接超硬合金钢的材料，要求母材耐磨性能高，焊接性能好。通常使用相当于镍铬钼钢(SNCM8)的钢材。超硬合金钢要求硬而不脆，生产的盾构一般使用日本工业标准所规定的JISM3916材料。

刀头形状必须与土质相适应，在粉砂层和粘土层中使用切削形；在砾石层中使用能起出砾石的刀形；在泥岩、砾石等场合则使用圆盘滚刀，能起到使岩体受挤压力而碎裂作用。

对切削刀的前角及后角必须加以注意，见图31。对于硬粘土，前角及后角应大；对于砾石层，一般采用略小的角度。

图31 切削刀前角、后角

一般情况下，为了让刀头能在左右旋转时使用，多数将刀头安装成左右对称形。但也有当反方向旋转掘进时，因刀齿背面受到磨损，使母材与面板间的安装部位受磨损而减小，引起刀齿脱落现象。在掘进砾石层时，经常能看到刀齿的缺损。因此，希望刀齿结构设计成能在掘进中途可以更换的形式。 切削刀的配置必须根据围岩条件、盾构外径、切削刀头回转数、施工掘进长度等确定。 ③刀盘开口槽(进土开口部位) 刀盘开口率以下式表示：

式中：ω——开口率

As——面板开口部分总面积(不包括刀头的投影面积) Ar——盾构开挖断面积

在一般条件下，幅条数与盾构外径成比例增加，开口率也有加大的倾向。 即使是粘性土，也多将开口率加大进行开挖。

在易坍塌的地层中，如果开口率加大，则有过多的土砂易被排出的危险，必须注意。 开口槽形状及尺寸往往受幅条数、排出土石的尺寸等所制约，必须注意。

供进土用的开口槽置于刀盘的后部，其宽度根据最大砾径来决定。但是，从整个出土量来进行比较，如果只有少量的砾石，那么适合最大砾径的宽度未必就是适当的，希望在考虑开挖面稳定的同时，尽可能选择最小面积的开口槽。在开挖工作面有破碎砾石功能的盾构中，对开口的尺寸有时也要给以限制。通常开口宽度为10cm左右。此外，也有使用能改变开口槽宽度的形式。 开口槽的数量和形状种类繁多，其面积多数占刀盘面积10%左右。 结合土质条件，选择幅条的宽度及数目，可大致如下：

砾石地层宜采用与砾石直径相符的幅条宽度，其数量少一些好； 砂性地层采用最小限度的宽度，其数量也宜少； 粘性土地层采用适于排土的幅条宽度，其数量多些好。 ④刀盘开口槽开闭装置

在盾构掘进处于停止状态或开挖面不稳定时，需要关闭刀盘的开口槽。 刀盘的开口槽开闭装置的构造形式有以下几种。 ·挡板式

将刀盘停止在一定的位置上，由千斤顶从后面隔板处将挡板伸向刀盘，关闭切削刀盘开口槽。这种形式正受到广泛使用，只能用于中心支承式刀盘，使其做到全开或全闭，但不能半开或半闭，见图32。

图32 挡板式开闭装置

·滑板式

滑板式是采用拉门方式。但是当土砂刮入时，由于砾石破坏拉门会造成动作不良。拉门的优点是可以通过拉门开度来变换开口率。它可用于中心支承和周边支承式两种形式上，见图33。 ·转板式

由于是用销子固定转板，动作不良现象少。它不仅能全开，也可以半开。但由于结构复杂，因砾石引起的损坏和粘性土的粘附，使开口槽也有堵塞危险。转板式只适用于周边支承式刀盘，见图34。

图33 滑板式开闭装置

图34 转板式开闭装置

·橡胶板压着式

橡胶板压着式是随着推进产生的压力使插入开挖面侧的橡胶板打开，若一旦将力释放，则橡胶板就被推到开挖面来进行支撑的方式，但使用较少。 ·百叶门式

两层面板，象百叶门那样错开来堵塞开口槽，由于结构复杂几乎不使用。 ⑤刀盘轴承和土砂密封 ·中心支承式

中心支承式应能与大型中心轴旋转后产生的各种力抗衡，小直径盾构的径向轴承系用油脂供油轴承，大直径盾构现使用静压轴承。

静压轴承的作用是在用油压支承荷载的同时，减少因起动时金属接触产生的损伤。用油压使其浮起达到减少磨损。

径向轴承采用轴向球面滚柱轴承。

土砂密封一般使用铁橡胶U型密封。其结构是在U型密封部，从其背面供油到U型密封和主轴间，并设定高于泥水压力的油压，以防止泥水的渗入。 ·周边支承式

径向轴承有金属、滚柱轴承等，但金属较多，轴向轴承有滚柱、金属、滚柱轴承等，其中滚柱最多。

驱动部密封为双层凸缘形密封，一般从凸缘背面压送油脂。该密封是聚胺脂橡胶，用供入油脂来防止泥水渗入和滑动部的磨损。 (4)刀盘扭矩

刀盘所需扭矩由下列公式进行计算，另外还要考虑到经验公式和余量后才能决定刀盘扭矩。 ①中心支承式 T=T1+T2+T3

式中：T1—由土的切削阻力产生的扭矩

T2—与土的摩擦阻力所产生的扭矩 T3—机械阻力产生的扭矩 ②周边支承式 T=T1+T2+T3+T4+T5

式中：T1—由土的切削阻力产生的扭矩

T2—与土的摩擦阻力所产生的扭矩 T3—机械阻力产生的扭矩

T4—机械阻力(径向荷载)产生的扭矩 T5—密封阻力产生的扭矩 ③经验公式 T=αD

式中：T—刀盘扭矩(t-m) α—系数

D—盾构掘进机外径 α值的平均值一般为： 中心支承式0.9～1.1 周边支承式1.0～1.5

不同土质的α值(根据经验)见表12。

根据不同土质的α参数

值 表12 土质 α值

(5)推力

盾构掘进机设备的推力是对下列阻力进行计算并取其两倍值。 F=(F1+F2+F3+F4)×2

式中：F1—土和盾构壳体的摩擦阻力

F2—管片和盾构壳体的摩擦阻力(三环左右的重量作用于盾构壳体) F3—刀盘的剪切阻力 F4—正面阻力(土压+水压)

从施工中可以了解到几乎是用1/2的力推进，并和原计算值几乎一致。 施工中，设备推力为100～120 t/m，中心支承式和周边支承式都采用相同的值。 盾构掘进机装备推力的逐年变化见图35。

2

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泥岩，密实砾石 0.8～1.0 固结粉砂土，粘土 0.7～0.8 松弛砂 0.8～0.9 软弱粉砂土 0.6～0.7

图35 盾构掘进机装备推力的逐年变化

盾构千斤顶的配置有平均分布在圆周上的形式和在下部或左右等部位略多配置几个的形式。这种配置是用于防止盾构下倾或曲线段较多的场合，但位置的确定要兼顾管片的强度。此外，盾构千斤顶的撑块一定要对到管片的肋骨等部位，以便于推力的传递。若千斤顶中心偏向内侧或管片受到偏压，则都将造成管片破损。 2

盾尾密封是安装于盾构掘进机体尾部的内侧、位于盾尾与管片之间，是用来防止地下水、泥水和壁后注浆浆液对盾尾的渗漏。由于泥水加压平衡盾构切口部位泥水室中因加压，使泥水渗入盾构壳体周围并流入背部，将会引起开挖面压力降低，影响开挖面稳定。因此，盾尾密封装置的耐久性及其密封性能就成为一个特殊而重要的问题。由于密封装置是设在滑动部位，所以当其受力后而被磨损和撕拉引起损坏时，就会渗漏较多的浆液和土砂，进而严重影响隧道衬砌在盾尾部位的拼装作业。实际施工中希望使用能够修复的盾尾密封装置。

最近盾尾密封的开发大有进展，特别是泥水加压平衡盾构，有三层钢丝刷，使盾尾部位的泄漏和泥水的劣化程度逐渐减少。在盾尾密封材料中，有橡胶、钢、不锈钢、聚胺脂和一些组合材料等，其形状有板状、绳状、刷子状及管子状等，见图36。此外，盾尾衬垫是作为盾尾密封来使用，一般将聚胺脂、海棉橡皮、稻草、回丝等塞入盾壳和管片的外面使用。另一方面，贴在管片上的密封材料有丙烯系、硅树脂系等各种材料，要根据现场条件选定。

图36 盾尾密封装置实例

比利时地铁盾构施工，由德国巴德公司(Bade and Theelen)研制的水力盾构采用了盾尾密封装置。这种装置曾在长800m的地下铁道直线段施工中应用效果很好。自投入使用以来，一直完好无损。但后来在曲线段施工时，还是损坏而更换了。其整个装置是由三角橡胶密封装置、薄弹簧钢板及内圈充气密封三个部分组成，见图37。

日本羽田隧道用泥水加压式盾构施工时也采用盾尾密封装置，是由L型密封和U型密封两部分组成的双重密封结构，见图38。当密封材料被磨损之后，先用空气使U型密封垫膨胀起来，这时的外侧可以完全止水，于是可以更换盾尾的密封结构。

图37 德国巴德公司盾尾密封装置

图38 日本羽田隧道泥水盾构盾尾密封装置

在高水压条件下盾尾防水密封技术是一个技术难题。横穿日本东京湾的公路隧道采用泥水加压平衡盾构施工，管片外径为13.9m，承受水压约0.6MPa，单头掘进长度约2300～25.00m，在海底进行地中对接。其盾尾防水密封考虑到这样长距离的掘进和在高水压下的海底施工条件，配置了具有耐久性和耐压性的盾尾密封形状及材质。为了防止地下水、泥水及壁后注浆浆液流到盾构掘进机内，在盾尾部后端于盾壳和管片之间设置了4道盾尾密封，并再加紧急止水装置。每道盾尾密封是集弹簧钢板、钢丝刷及不锈钢金属网于一体的结构。在弹簧钢板和钢丝刷上涂氟树脂，进行防锈处理。此外，为了增加其抗水能力和钢丝刷的使用寿命，在相邻钢丝刷之间的环形空间内注入略低于外界水压的盾尾密封油脂。为了保持油脂压力须及时补充油脂，于是在盾尾上装有注油管道，设置专用油泵不断注入油

脂。此外，在长距离的掘进途中，为了对付在通过盾尾密封部时可能发生的大量漏水险情以及作为调换钢丝刷时的一种技术措施，采取了紧急止水手段，安装紧急止水装置。其工作原理是从连接背面(盾壳侧)加液压，使其膨胀，将密封呈入字形挤压在管片的外表面来确保止水性能的实现，见图39。

图39 盾尾密封

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(1)人孔闸

为了处理遇到的障碍物，在大直径盾构中，其隔墙上大都装有气压用人孔闸。但是，相对开挖面泥水室里的空间，小部分的压气量是很难维持气压压力以及在紧急场合下供避难等使用，所以实用性不大。

(2)进泥管和排泥管的连接口

进泥管和排泥管连接口安装在隔墙上，在中心支承方式中，设置在上部和下部，周边支承式则设置在中心部。此外，还需要设置有发生堵塞时用的备用连接口。 4

为了防止土砂在下部堆积，在开挖面泥水室内装有搅拌机，使所有泥水尽可能搅拌成相同的比重。中心支承式泥水加压平衡盾构的搅拌机是安装在下部，周边支承式泥水加压平衡盾构是安装在中心部位。 5

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泥水加压平衡盾构的推力比一般盾构大(一般盾构80t/m＜泥水加压盾构100～120t/m)，其动力设备也大。一般安置在后方车架上，但也有设置在盾构掘进机内的。运转时，它会产生较大的热量和噪音。

后方车架上除载有上述动力设备外，还装有变压器和壁后注浆脚手架。这些设备的设置位置要注意不要妨碍盾构轴线测量。

泥水加压平衡盾构后方设备位置示意见图40。

图40 泥水加压平衡盾构后方设备图

泥水加压平衡盾构施工的地面设备布置示意，见图41。

图41 泥水加压平衡盾构工法地面设备

6措施：

·在泥水加压平衡盾构掘进机后面安装砾石处理装置 ·在泥水加压平衡盾构掘进机内部安装砾石处理装置 ·在泥水加压平衡盾构掘进机前部安装砾石破碎装置 设在盾构掘进机体内的砾石处理装置种类，见表13。 设在盾构掘进机体外的砾石处理装置种类，见表14。

设在盾构掘进机体内的砾石处理装置种类 表13

泥水加压平衡盾构施工的地层中，若其大部分含有砾石，对此根据具体情况可选用下列砾石处理

废渣 搬出设备 砾 石 排出作业 可以处理 转筒筛方式 要 (只适合象砾石那样的块状物) 人力 可处理相当大的不要 同左 不要 粉碎机方式 容器方式 要 的块状物) 人力 同左(实绩)砾石 旋转阀方式 要 其规模较大) 不要 同左(实绩)砾石 (只适合象砾石那样(几乎是在隧道内输送，的砾石直径 块状物 φ300×L520mm(盾构φ300×L500mm(盾构直直径2.9m) 径2.9m) φ2.5m (实绩φ2.7m) 可 可安装辅助 设备的盾构直径 与管片 拼装同时作业 φ4m前后 φ3.5m (实绩：φ3.5) 可 ·粉碎后的砾石对排φ2.5m (实绩：φ2.7m) 不可 不可 其它 ·存在料斗内粘泥泵、管路磨损大 ·存在料斗内粘土粘土粘附问题 ·因砾石的硬度等而附问题 受到限制

·存在旋转阀的处理量、砾石大小余量的问题 ·机械保养困难 设在盾构机体外的砾石处理装置种类 表14

带有连续却除砾石装置的泥水加压平衡构掘进机见图42。

图42 带有连续去除砾石装置的泥水加压平衡盾构掘进机

装有粉碎机的盾构掘进机见图43。

图43 装有粉碎机的盾构掘进机

带有取砾石装置的盾构掘进机(容器型)见图44。

图44 带有取砾石装置的盾构掘进机(容器型)

旋转阀盾构示意图见图45。

图45 旋转阀盾构掘进机

水中粉碎机见图46。

图46 水中粉碎机(盾构掘进机外)

连续去除砾石动作原理见图47。 圆盘滚刀盾构见图48。

图47 连续去除砾石动作原理图

图48 圆盘滚刀盾构(破碎砾石用)

(1)在泥水加压平衡盾构机后面安装的砾石处理装置中有： · 转筒筛——砾石采入旋转笼，经常取出； · 旋流器——大直径砾石从下部取出； · 炉蓖——大直径砾石用铁筋拦取，经常取出；

· 粉碎机——在泥水中破碎后直接输送到后方，见照片4。

照片4 水中粉粹机

(2)在泥水加压平衡盾构内部安装的砾石处理装置中有： · 转筒筛——装于开挖面泥水压力室；

· 粉碎机——装于开挖面泥水压力室，粉碎机破碎砾石后，用管路送到地面； · 容器——装于开挖面水压室，其中放入砾石选择机，积满后取出；

· 旋转阀——装于泥水压力室处，在不变动泥水压力的情况下连续取砾石。用于开挖面砾石量较多的场合。

(3)在泥水加压平衡盾构前部安装砾石粉碎装置：

· 安装圆盘滚刀的泥水加压平衡盾构掘进机——在盾构前面刀盘上，装有圆盘滚刀在前面破碎砾石。

由于砾石直径、刀盘开口槽形状和开挖面稳定等有相互关联，在选择上述设备时，调查和掌握砾石的大小、砾石量等是十分重要的。