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土压平衡盾构与泥水平衡盾构的结构原理
2土压平衡盾构与泥水平衡盾构的结构原理
傅德明 **********
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上海市土木工程学会
土压平衡盾构的结构原理
图1 土压盾构基本形状
土压平衡盾构的基本原理
土压平衡盾构属封闭式盾构。盾构推进时，其前端刀盘旋转掘削地层土体，切削下来的土体进入土舱。当土体充满土舱时，其被动土压与掘削面上的土、水压基本相同，故掘削面实现平衡(即稳定)。。由图可知，这类盾构靠螺旋输送机将碴土(即掘削弃土)排送至土箱，运至地表。由装在螺旋输送机排土口处的滑动闸门或旋转漏斗控制出土量，确保掘削面稳定。
稳定掘削面的机理及种类
土压盾构稳定掘削面的机理，因工程地质条件的不同而不同。通常可分为粘性土和砂质土两类，这里分别进行叙述。
粘性土层掘削面的稳定机理
因刀盘掘削下来的土体的粘结性受到破坏，故变得松散易于流动。即使粘聚力大的土层，碴土的塑流性也会增大，故可通过调节螺旋输送机转速和出土口处的滑动闸门对排土量进行控制。对塑流性大的松软土体也可采用专用土砂泵、管道排土。
地层含砂量超过一定限度时，土体流性明显变差，土舱内的土体发生堆积、压密、固结，致使碴土难于排送，盾构推进被迫停止。解决这个问题的措施是向土舱内注水、空气、膨润土或泥浆等注入材，并作连续搅拌，以便提高土体的塑流性，确保碴土的顺利排放。
砂质土层掘削面的稳定机理
就砂、砂砾的砂质土地层而言，因土颗粒间的摩擦角大故摩擦阻力大；渗透系数大。当地下水位较高、水压较大时，靠掘削土压和排土机构的调节作用很难平衡掘削面上的土压和水压。再加上掘削土体自身的流动性差，所以在无其它措施的情况下，掘削面稳定极其困难。为此人们开发了向掘削面压注水、空气、膨润土、粘土、泥水或泥浆等添加材，不断搅拌，改变掘削土的成分比例，以此确保掘削土的流动性、止水性，使掘削面稳定。
土压盾构的种类
按稳定掘削面机构划分的土压平衡盾构大致有如下几种，见表1。
表1 土压盾构的种类
盾构名称
稳定掘削面的措施
适用土质
削土加压式盾构
①面板一次挡土。
②充满土舱内的掘削土的被动土压稳定掘削面。
③ 螺旋输出机排土滑动闸门的控制作用
冲积粘土：粉土、粘土、砂质粉土、砂质粘土、夹砂粉质粘土
加水式土压盾构
①面板一次挡土。
②向排槽内加水，与掘削面水压平衡，增土体的流动性。
③滞留于土舱内掘削土通过螺旋传送机滑动闸门作用挡土。
含水砂砾层
亚粘土层
高浓度泥水加压式土压盾构
①面板一次挡土。
②高浓度泥水加压平衡，并确保土体流动。
③转斗排土器的泥水压的保持调节作用。
松软渗透系数大的含水砂层，砂砾层，易坍层
加泥土压盾构
①向土舱内注入泥土、泥浆或高浓度泥浆，经搅拌后塑流性提高，且不渗水稳定掘削面
②检测土舱内压控制推进量，确保掘削面稳定。
软弱粘土层，易坍的含水砂层及混有卵石的砂砾层。
图2 土压平衡盾构种类
面板式土压盾构 辐条式土压盾构,不
. 构成系统
采用土压盾构时，必须根据地层土质条件建立一个施工系统。该系统由掘削推进装置、掘削面稳定装置、添加材注入装置、搅拌装置、碴土运出排放装置等装置构成。因该施工系统与土压、地下水压、土质、最大粒径、颗粒级配、含水量，加材的种类、配比、浓度、注入量、注入速度，刀盘扭矩，推进速度、排土装置等诸多因素有关。所以必须事先对这些因素的影响进行周密细致的调查，以便选择满足设计要求的有充足裕度的且可进行恰当管理的各种装置、设备、系统。
盾构机构造设计时的注意事项
因土压盾构掘削面与隔板之间充满掘削泥土，各种机械零部件的更换和改造极为困难，所以必须考虑其耐久性和耐磨性。各机械单元应注意的事项如下：
掘削刀盘的支承方式:必须根据土质条件选择可以充分发挥其特长的支承方式。
刀盘
① 面板：要不要面板应根据掘削面的稳定性、土舱内检修和掘削***更换的安全性等条件确定。使用面板时应据土质条件(粘聚力、砾石)、障碍物状况，总之以不妨碍泥土流入为原则选择面板开口的宽度和数量。
② 扭矩：通常根据土质条件，有无砾石确定。一般情况下，掘削时的摩擦扭矩、