土压平衡盾构机碴土改良技术及脱困处理解析.ppt

主讲：苏东中铁隧道股份有限公司土压平衡盾构机碴土改良技术及脱困处理¥盾构机简介 ¥盾构机碴土改良之一泡沫系统¥盾构机碴土改良之二膨润土系统¥盾构机施工被困案例及对策*2内容提要目前，在国内外地下工程的施工中，机械设备的使用已经占了很大的比例，尤其是在城市地下交通运输工程的建设中更为明显，其中土压平衡盾构最为常见土压平衡盾构机是一种用于软土隧道暗挖施工的隧道施工机械，能使隧道一次成形其具有金属外壳，主机壳内装有主要掘进设备并配套辅助设备，在金属壳的掩护下进行土体开挖、土碴排运、整机推进和管片安装等作业与传统的钻爆法相比，其具有对地质扰动小，施工沉降易控制，施工安全系统数高等优点，其缺点是：适应性有一定的局现性，特别是在不良地质施工中，易发生堵仓、困刀盘，盾体等，处理时间较长，要求的技术施工人员具有较高的技术及管理水平3土压平衡盾构机简介土压平衡盾构机二维图¥在土压平衡盾构的施工中，开挖的渣土不仅需要支撑掌子面的稳定，同时要 便于传送，所以，渣土必须具有塑性变形，软稠度良好，内摩擦角及渗透率 小的特性一般土壤不具备这些特性，要进行改良添加泡沫是一种很好的 渣土改良手段，根据渣土情况、压力要求，通过一些元器件去实现加入量调 节控制，再通过布设的管路输送到盾构机的刀盘、泥仓和螺旋输送机等工作 部位对碴土进行改良。

¥泡沫系统是土压平衡盾构机设备众多系统中的一个子系统，在刀盘、 泥仓和螺旋输送机三个位置向盾构机开挖的渣土中喷入泡沫，从而达 到改良渣土状态、便于渣土输送、改善盾构机掘进参数、提高盾构机 掘进功效的目的¥泡沫系统主要由泡沫箱、泡沫泵站、泡沫发生器、控制元件（电动调 节阀、球阀等）、检测元件（流量计、传感器）、输送管路、喷头和 控制系统（操作面板等）组成泡沫系统在土压平衡式盾构机施工中 的主要作用如下：*5泡沫系统简介¥1.减少盾构机机械的磨损土压平 衡式盾构机在摩擦性较大土体中掘 进时，与土体发生作用的刀具极易 磨损，通过在刀盘上注入泡沫材料 ，可以降低土体的摩擦性，减小刀 具的磨损程度 ¥2.调整土仓内土体塑性流动性土 压平衡盾构法掘进过程中，土仓内 土体性质如何，将直接影响盾构的 顺利掘进，切削后的渣土具有良好 的塑性流动性，不但能够使开挖面 维持较好的支护压力，而且能保证 排土顺利进行6泡沫系统简介在盾构掘进中，由于地层的变化，未经处理进入土 仓土体通常难以获得希望的塑性流动性，因此土仓 内容易发生“泥饼”、“堵塞”等问题，严重影响掘进效 率泡沫的注入可以有效解决上述问题¥3.降低渣土的透水性。

土压平衡盾构机在强透水层 施工时，刀盘开挖面上部地层水，由于底部受到破 坏会经过螺旋输送机输出口大量流出，严重时会发 生喷涌，影响掘进的顺利进行，注入泡沫可以有效 降低渣土的渗透性，有效防止掘进中喷涌的发生¥4.有效降低刀盘扭矩，防止机器能耗过高发热而发 生故障泡沫系统简介¥盾构机刀盘喷出的泡沫泡沫系统简介国内、外研究现状¥ 国外对土压平衡盾构机的使用比较早，对泡沫系统在改良渣土、 提高盾构机掘进效率方面的作用已经有十分深入的认识，国外在这方 面的研究已经十分成熟，并且已成功地运用到盾构机的配套系统中 目前，只要用户根据工程具体地质情况向盾构机厂家提出要求，厂家 都可以按照要求进行泡沫系统的生产并配套于盾构机制造中¥ 国内90年代末，我国逐步引进国外盾构机时，由于国内对泡沫系统 的研究和制造还处在初级阶段，一些盾构机制造厂家对泡沫系统的认 知和理解不够深入，认为泡沫系统只是盾构机的一个辅助系统，可有 可无，有些泡沫系统作为盾构机一个标准配置进口到国内，被闲置起 来；其次，国内一些施工单位单方面认为加注泡沫会增加工程成本， 不配置泡沫系统，或者配置后也很少使用¥近几年，随着国内修建地铁的城市逐渐增多，盾构机的使用也日趋普 遍，因为没有很好的使用泡沫系统，在一些地层条件下，盾构机频繁 出现堵仓、刀盘被卡、刀具异常损坏、喷涌、地表沉降、掘进效率降 低等问题。

众多问题的出现使得人们重新认识到泡沫系统和渣土改良 的重要性现在，盾构机配置、使用泡沫系统日益普遍国内外盾构机泡沫系统的使用对比表 序号盾构名称注水加泥注入泡沫使用时间1德国海瑞克公司-S195有有有，泡沫泵5～300 L/min,0.75KW，水泵 133L/min1997.62上海地铁盾构设备有限公司1～ 9＃盾构有，30KW， 15m3/min有有2002.43上海地铁盾构设备有限公司11 ～14＃盾构有有，11KW, 0.2 m3/min无，加泥系统可用于注入泡 沫，但不包括泡沫发生装置2002.44上海地铁盾构设备有限公司- ERP有，30KW， 15m3/min有有2003.115日本小松盾构（TM634 PSX）有，170L/min， 15kW有，泵流量 170L/min,功率 15KW,数量2套， 容量6.8m3有，泡沫泵5 L/min,0.75KW ，水泵133L/min,1.5kW2006.6国内、外研究现状二、泡沫剂的应用研究¥泡沫的形成原理¥土压平衡盾构机泡沫剂使用情况效用分析¥泡沫剂与其它土质改良剂对比¥泡沫剂添加位置¥使用泡沫剂的优缺点泡沫的形成原理形成原理： 当气体通过筛板上流动的液层 时，一般可以观察到由“气”与“液”两相所形成的 分散系统。

当气体速度在足够大的范围内变动 时，这种分散系统可分为三个组成部分，如图2 -1所示：A为鼓泡层，B为泡沫层，C为溅沫层 最下一层主要由单个气泡分散在液相中形 成，即在该层中所含气体不多，而以液体为主 ，一般称它为鼓泡层随着上升气体速度增加 ，这一层的厚度就渐渐降低在某些情况下， 当气体速度达到相当大时，这一层几乎会消失 鼓泡层上面的一层为泡沫层，它是一种膜状 的分散系统，是由通过液层的气流，以液膜相 互分开的气泡所组成当上升气流停止时，这 一泡沫层几乎很快地消失，因此一般称它为运 动状的泡沫层在泡沫层的上部有大量的液滴 悬浮在气流中，这一层称之为溅沫层它在气 体流速较大或液层较薄时尤为显著当气体流速小到一定值时，气液分散系统中以鼓泡层 为主随着气体流速的增大，该层的厚度就相应地减小， 而泡沫层的厚度却随之增如，此时形成一种运动很小的蜂 巢状结构的泡沫若“气”与“液”流速再增加，泡沫中的气 泡将变小，而它的运动性却增加当气体流速再继续增加 时，泡沫层的厚度又随着气体流速的增加而增高，同时运 动很小的蜂巢状结构的泡沫层亦逐渐变成为扰动状较大的 气泡的泡沫层，即我们所需要的泡沫若气体流速再增加 ，泡沫层就被破坏而转变成以大量的溅沫层为主。

泡沫的形成原理泡沫混合土的特性 ：泡沫应用于盾构掘进工程中时， 其作用的发挥是通过与土体结合而体现出来的，所以对泡 沫的分析侧重于其与开挖面切削土体混合后的性质，即泡 沫混合土性质，主要分为：1.泡沫混合土渗透性 2.泡沫用于增加土体塑性流动性 3.泡沫用于降低土体的黏附性土压平衡盾构机泡沫剂使用情况效用分析泡沫剂与其它土质改良剂对比粘土、膨润土泡沫剂高吸水性树脂增粘剂概 要利用添加的胶质减摩效果，使 开挖土塑性流动将粘 土、膨润土稀浆和开挖 土拌和，以减少渗透系 数，达到止水效果利用微细泡沫的润滑效果使开挖 土塑性流动通过将泡沫均 匀混合来止水将球状高吸水性树脂的水溶液与开 挖土混合，使开挖土流动 利用高吸水性树脂的吸水能 力和供水产生的膨胀压力间 隙,达到止水目的注入粘稠、保水性好的增 粘材料使开挖土流 动使用材 料粘 土 膨润土特殊气泡剂 泡沫外加剂 特殊灭泡剂 灭泡外加剂 粘土系列外加剂高吸水性树脂增粘剂特 性pH： 7.5~10.0 相对密度： 1.2~1.45 粘度： 2000~10000CPpH： 7.3~8.0 相对密度：1.0 粘度：3~200CPpH： 8.0 相对密度：1.0 粘度： 700~2000CPpH： 6.5~8.0 相对密度：1.0 粘度：500~15000CP适用地 层砂～砂砾粘土～粉细砂固结粘土～砂砾粗土～粗砂特征使用最普通的添加材料，便宜 ，应用实例也多，但制 泥和输送设备必须有大 的空间在砂砾层大多同时使用粘土和膨 润土在粘性软土层有时会因粘土变硬而 出现堵赛，若地下水中有大 量阳离子，吸水性可能发生 变化停止开挖时，有时会因增 粘剂的粘性降低而 发生堵塞泡沫剂添加位置¥泡沫的添加位置如图2-2所示。

泥仓刀盘螺旋输送机使用泡沫剂的优缺点 优点：科学应用泡沫剂做到适时、适量的注入泡沫剂，能有效的改善土压 平衡式盾构土仓内土体的状态，使“结泥饼”、“堵塞”、“喷涌”等问题少 发生或不发生；土体不易固结排水；土体处于较理想塑性流动状态； 土体具有较低的透水性缺点：泡沫应用于盾构施工中有着不同的目的，所以对泡沫剂优劣性判定 不易掌握，需结合工程使用泡沫的目的而言同时泡沫性能的发挥是 与原状土体的性质密切相关的，所以判断泡沫效果应该考虑所应用的 土质参数，同样的泡沫对不同的土质会产生不同的泡沫混合土特性， 但地质参数由于千变万化不能一一对应，使用量不易把控 三、泡沫系统设计¥原理图总体设计¥动力单元¥管路单元¥控制单元原理图总体设计土压平衡盾构机泡沫系统设计思路主要是：把泡沫原 液与水混合，加上一定压力与流量的空气，在泡沫发生器 中混合最终形成泡沫（见图3-1），通过管路输送到刀盘 、泥仓、螺旋输送机内进行碴土改良（见图2-2），根据 渣土情况、压力要求调节控制加入量泡沫系统主要由动 力原件、管路元件、控制单元组成，原理图总体设计图3-1 泡沫系统原理简图 原理图总体设计原理（见如上图）：水泵303经过由盾构机水系统提供的水源， 经过减压阀304向主管路供水，另一路由泡沫泵311将泡沫罐里的泡 沫剂通过单向阀7向主管路泵送泡沫剂，由于水与泡沫剂输出为同一 根管路，二者按一定的比例混合后分四路通过单向阀12，向四个主管 路输送，同时由隧道内空压机提供的空气经滤清器16进入到四个主管路上，此时由水、气、泡沫剂组成的三路不同物质通过管路在泡沫发 生器7内混合，经过精密控制比例后，达到最佳的发泡效果向刀盘（ d1～d8）、土仓内(q1～q4)、螺旋输送机内供送泡沫,以改良盾构机内的土质，由螺旋输送机输入，经皮带机、碴车运输到洞外进行二次 处理。

原理图总体设计动力单元 ¥泡沫供给（见图3-2）：在这个单元泡 沫原液通过球阀311到泡沫泵，从泵出 来后：一路通过溢流阀312回到泡沫原 液罐用来保护泡沫泵和系统安全；一路 进入主回路；¥用水供给（见图3-2）：由水系统提供 水源，通过球阀302和压力开关301进 入水泵303其中当压力开关301压力 低于0.5bar是说明水泵进水不足，水泵 停止运行从水泵出来后通过减压阀 304分成两路：一路通过电磁换向阀 305、节流口306、单向阀307到膨润土 罐，这一路有两个作用，一是调节泡沫 的水量，二是调节膨润土的浓度；一路 通过单向阀313与泡沫主回路混合，在 单向阀与混合之前装有流量传感器308 和压力表317，流量传感器在这里起到 很重要的作用，由它测出水的流量反馈 到PLC,再由PLC控制泡沫泵的流量，使 泡沫原液与水的比例保持在3：97左右 图3-2 动力单元原理图管路单元 泡沫主管路与供水系统混合后分成四路形成泡沫混合液通过管道输送出 去，分成四路供到注入点（见图3-3），每路在与压缩空气混合前分别安装了 单向阀12、球阀11、电动调节阀10、流量传感器9、压力表8然后与压缩空气 混合后通过泡沫发生器，再通过单向阀1，在管路上面安装了压力传感器6， 然后泡沫通过管路到各个注射点。

泡沫注入点数量：8个（刀盘）+4个（土仓 ）+6个（螺旋输送机）=18个，泡沫发生器数量：4个图3-3 管路单元原理图控制单元 ¥泡沫混合液和压缩空气的流量，由流量传感器进行检测，PLC控制电 控阀门的开度，得到最佳的混合比例（见附录泡沫系统原理图）泡 沫发生器出来的泡沫压力由压力传感器进行检测，反馈到。