第一章绪论第一节概述第二节泥水加压平衡盾构的发展第三节泥水加压平衡盾构分类盾构法始于英国，自1925年布鲁诺尔(Brunel)在伦敦泰晤士河下首次用一台矩形盾构开挖水底隧道以 来，已有170余年历史。在一百多年中，世界各国制造了数以千计的各种类型、各种直径的盾构，盾构掘 进机从低级发展到高级，从手工操作到计算机监控机械化施工，使盾构掘进机及其施工技术得到了不断发 展和完善。至今，盾构已发展成为软土地层修建隧道的一种专用施工机械，盾构施工法也已成为当今城市 隧道和地铁工程中不可缺少的一种施工法。为了满足城市隧道建设的地表沉降控制和加快施工速度，人们对盾构法不断提岀新的要求，20世纪60年代开始先后在英国、日本和德国研究开发了泥水加压式盾构，一改以往传统的盾构施工法大多有赖于气 压施工技术来对付不稳定地层的局面。泥水加压式盾构用泥浆代替气压，用管道输送代替轨道岀土，加快 了掘进速度，改善了劳动条件和施工环境，能较好地稳定开挖面和防止地表隆陷，成为当今一种划时代的 盾构新技术。日本东京湾海底道路隧道采用八台直径14.14m泥水加压式盾构掘进施工并实现海底盾构对接，大阪三连体泥水加压式盾构完成地铁车站施工，标志着当今国际泥水加压平衡盾构施工技术的发展水平。1996年，上海采用直径11.22m泥水加压式盾构，成功穿越 7m浅覆土河床和4.2m超浅覆土软土 地层，提前完成延安东路南线水底公路隧道施工，标志着中国隧道施工技术已达到国际先进水平。第一章一、概述泥水加压式盾构是在机械掘削式盾构的前部刀盘后侧设置隔板，它与刀盘之间形成泥水压力室，将加压的 泥水送入泥水压力室，当泥水压力室充满加压的泥水后，通过加压作用和压力保持机构，来谋求开挖面的 稳定。盾构推进时由旋转刀盘切削下来的土砂经搅拌装置搅拌后形成高浓度泥水，用流体输送方式送到地 面，这是泥水加压平衡盾构法的主要特征。首台大直径泥水加压平衡盾构掘进机见照片1。在地面调整槽中，将泥水调整到适合地层土质状态后，由泥水输送泵加压后，经管路送到盾构开挖面泥 水压力室，泥水在稳定开挖面的同时，将刀盘切削下来的土砂搅成浓泥浆，再由排泥泵经管路输送到地面。被送到地面的泥水，根据土砂颗粒直径，通过一次分离设备和二次分离设备将土砂分离并脱水后，排去分 离后的水，经调整槽进行再次调整，使其成为优质泥水后再循环到开挖面。排岀的土砂量由排泥量测定装 置进行测定，由此来推测开挖面情况。对于盾构设备及一系列系统装置必需进行综合管理。照片1世界首台大直径盾构掘进机泥水加压平衡盾构工法是最适宜于开挖区难以稳定、滞水砂层、含水量高的松软粘性土层及隧道上方有 水体的场合。其主要优缺点如下。优点：(1) 在不稳定地层中当盾构开挖面受阻时，采用泥水加压平衡盾构，能使开挖面保持稳定，确保隧道施工安全；(2) 处在地下水位以下的隧道，能够在正常大气压下施工作业，无需用气压法施工；(3) 不会发生类似气压盾构那样的跑气喷发的危险；(4) 泥水加压盾构能适应在较广土层范围内施工，对于气压盾构无法施工的滞水砂层、含水量高的粘土层及高水压砾石层，泥水加压平衡盾构也能进行施工；(5) 对于大直径砾石地层，只需增添粉碎装置和取砾石装置便能施工；(6) 因采用管路排泥，井下施工作业环境能保持清洁良好，提高了作业人员的施工安全性；(7) 可以分离出能满足适合当地弃土场地和运输方式的含水率土砂；(8) 由于泥水在土层中的渗透性比空气在土中的透气性小，可在覆土较浅的条件下进行盾构法隧道施工；(9) 在覆土深及地下水位高的条件下，若用气压盾构施工则要用很高的压力，对施工人员健康不利，用泥 水加压平衡盾构施工则无此影响。更由于开挖是密闭的，即使土层发生坍塌和涌水等意外情况，也不致危 及整条隧道施工。所以特别适用于地下水位高的不稳定软弱地层中及江河海底下修建隧道的施工；(10) 地层的透水性比透气性要小得多，因此在大孔隙地层中施工时可不必用化学灌浆等辅助措施来封闭加固地层，而且也可减少地下水的移动，从而减少由此而引起的地表沉降；(11) 挖土及出土等可全部实现机械化、管道化水力输送，并可在地面上控制，从而改善隧道内作业条件，提高了施工效率；(12) 可避免空压机振动带来的噪声公害。缺点：(1) 需要土砂分离装置，其设备费用高，占地面积大；(2) 对于微颗粒粘土，需用聚凝剂。适合泥水加压平衡盾构掘进施工的地质情况：(1) 江、河、海、湖泊及运河等水体下地层；(2) 滞水砂层、滞水砾石层及其它松散地层；(3) 施工区域内同时存在冲积层粘土和洪积层硬土两种地层；(4) 滞水砂砾层和粘性土层的互层地层；(5) 高水压层和高承压水层；(6) 有大直径砾石的地层；(7) 砾石直径不大，但砾石数量甚多的地层。第一章二、泥水加压平衡盾构的发展20世纪60年代初，穿越天然不稳定和含水地层的隧道工程通用技术有：降水法、气压法、地基加固法和 冻结法。其中气压法是最经济有效的，但是由于安全和健康等原因，希望有一种能通过地下水位的无粘聚 力土层时不干扰地面和使工人不在气压下施工的新型隧道掘进机，试验过几种不同形式的掘进机。欧洲大 陆国家提出“局部气压”，设计了全断面切削头内设有可调节开口的掘进机，以放入恰当的弃土来避免地表 的变形。但这种方法对工作面不提供不变的和有规则的支护，隧道和覆盖层的安全完全依赖于机器操作者 的调节。接着，英国隧道专家建议在隔舱板前用喷水的“水力盾构”，但水不能支护开挖面，无法阻止开挖面不停地流动。这种情况与充满水的挖槽相类似，从而提出在开挖面用类同槽壁法的支护，而膨润土泥浆 可在无粘聚力土槽沟中支护掘出开挖面，这样就诞生了泥水加压平衡盾构掘进机。1 英国体系1964年英国Mott,Hay 和Anderson的John Bartlett申请了泥水加压平衡盾构掘进机原理专利(英国专利号1083322)。英国国家研究和开发公司要求正确使用这种方法，并对这方面研究给予财政上支持。1971年开挖直径4.1m、长140m的试验段。英国体系泥水加压平衡盾构掘进机与同类德国体系相对照， 其研制的特征是有长槽的鼓轮状的切削头、提取来自压力室的泥浆，有粗和细两套分离装置，以及以控制 弃土岀口压力（阀或泵）的方法保持开挖面的压力。当时，英国由于缺乏能适合促进这种技术的隧道工程， 这种技术的发展受到了限制。2 日本体系日本工程师相信液体支护隧道开挖面的原理，他们称为“泥水盾构”（即泥水加压平衡盾构）。1970年日本铁道建设公司在京叶线森崎运河下， 羽田隧道工程中采用了直径 7.29m泥水加压盾构施工，土质为冲 积粉砂土层和洪积砂层， N值为250，施工长度为865m X2条=1712延米，见图1。泥水盾构施工现场布置图图1日本羽田隧道工程采用泥水加压盾构施工为建设东京羽田隧道而研制的这种直径7.29m泥水加压盾构掘进机，在隧道施工中获得了极大的成功，它是当时最大直径的泥水加压平衡盾构。该施工方法引人注目，尤其在 1974年发生化学注浆的药液公害后，对注浆药液的品种进行严格控制， 因此对不必采用化学注浆的泥水加压盾构法又作了新的评价。1975年后，该法施工的工程数剧增，到了1981年，用泥水加压平衡盾构法施工的工程数占盾构法施工工程总数的1/3，见图2。ft260混班MFk用禺匚江的片fl宰2初22Q2001B0160140WM6人半曲机G的寄斛:不包括健设E捕H严肿踊甘1*图2至1982年日本泥水加压盾构销售实绩图3、图4简要地显示了日本泥水加压平衡盾构工法的占有率、不同外径尺寸的使用台数以及不同场 合的使用台数。Cik 10 1r- KifcNMI a的Ch JTT tj- UtM- I flfi J.y JUflr)l id(I 7?JE 甘也MW R If 魅出 AM(華鈔斗 VClBCl * f I XiIlMhk图3日本泥水加压盾构不同外径尺寸的使用台数in ri in *.I II J. /L%. L h rj MU-jJ，-r*.G *1 -I i- ZtM I： z KUS 吟黑斗 鼻T： iI I Afli1988年JTA研究开发委员会盾构施工法调查小组发表了一份关于盾构施工法对城市隧道适用性的 调查报告，根据调查报告可看到日本泥水加压盾构的工程现状及发展的最新动向。就盾构的形式和工程长度而言，表1所示的是从1980年至1985年6年中的盾构工程，按盾构形式分类的施工长度，密闭型是74%(泥水式36%，土压式38%)应用得非常多。按盾构形式分类的工程长度表1形式敞开型密闭型手掘式半机械式机械式闭胸式泥水式土压式长度km61721829261270比例910343638表2所示的是开工年度顺序。1980年敞开型是37%，密闭型是63%敞开型盾构和密闭型盾构的开工年序表2年度198019811982198319841985敞开型373530201610密闭型6365708084901985年敞开型是10%，而密闭型为90%，最近是尽可能采用密闭型表3所示的是密闭型盾构情况，可以了解到1980年和1985年泥水式和土压式的比例在转换，土压式的应用在增加。密闭型盾构一览表3年度198019811982198319841985泥水式685754394831土压式324346615269图5是各类盾构在各种土层施工的长度，并按百分比的形式来表示。除软岩外，泥水式和土压式的密闭型盾构在粘性土、砂质土、砂砾等各类地层中的应用达 60%以上。特别在砂质土地层中密闭型达到86%，其中泥水式(52%)和土压式(34%)应用得较多。叩H/J件仕比i 1-手掘式；2-闭胸式；3-半机械式；4-敞开型机械式；5-泥水式；6- 土压式；7-板刀式图5切口代表性土质盾构的形式但以开工年度顺序来看，1980年泥水式占73%、土压式27% ,1985年逆转为泥水式22%、土压式 78%，见图6。可以说明这是由当时土压盾构的技术开发进展迅速所致。图6砂质土中密闭型盾构选择的历年变化对于泥水加压盾构和土压平衡盾构之间的发展关系，日本专家认为“由密闭型盾构发展起来的土压系 盾构工法，在日本原有的基础上仍在不断进行改良，其适应范围正在日益扩大。土压盾构工法有加水型、 加泥水型；高浓度泥水加压盾构工法；泥浆盾构工法等和泥水加压盾构工法的范畴错综复杂，作为思考方 式，对于在开挖面进行泥水加压的方法，将其归类于泥水加压盾构也许是不会错的”。3 德国体系德国Wayss和Fretag公司意识到膨润土技术所具有的潜在发展前途，开发了同类的膨润土掘进机， 称为“液压盾构”，是泥水加压平衡盾构的一种类型。这种泥水加压平衡盾构的支护液体的压力用插入一个 气压缓冲层加以控制。用部分隔板将盾构前面压力舱分成两个部分，隔板前面充满着支护液，隔板后面在 盾构轴线上部的分格室有一个自由液面。气压缓冲层作用在支护液体上，即可用通常控制气压的机构来保 持所要求的液面压力。因此，支护液体面的顶端气压和支护液有相同压力，控制压缩空气就可保证正确的 液压。1974年德国汉堡首次使用这种盾构开挖4.6km