盾构讲座四(土压平衡式盾构机).doc

土压平衡式盾构机
1 发展概况和工作原理
土压平衡式盾构机的开发始于70年代初。,由日本IHI设计制造,于1974年在东京投入使用。随后,其它一些厂家也开始生产土压平衡式盾构机,产品的名称不完全相同,但从原理上都可归纳为土压平衡系统(Earth-pressure balance system,即EPBS)。
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。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平衡来实现。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。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备较为困难。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式盾构机广,掘进性能也优于挤压式盾构机。
根据日本对不同盾构机型的统计资料,从1964年到1974年的10年间,与气压施工法同时使用的手掘式盾构机占总数的3/4,从1974年到1984年的10年间,这种盾构机型减少,泥水式和土压平衡式等机械挖掘式盾构机不断增加。日本隧道技术协会对世界盾构施工法现状开展通信调查的结果(其中96%是日本的工程),从1980年至1985年的6年间,密闭型盾构机从1980年占各种类型盾构机总数的60%急增至86%,特别是土压平衡式盾构机从19%增大到60%。
土压平衡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。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,以平衡开挖面处的地下水压和土压。从而保持开挖面的稳定。螺旋输送机从承压隔板的开孔处伸入泥土室进行排土。盾构机的挖掘推进速度和螺旋输送机单位时间的排土量或其旋转速度都会影响泥土室内土浆压力的大小,所以应进行协调控制。



图1 土压平衡式盾构机
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。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。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。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。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,无法得到开挖面的实时情况;在同时有土壤改良剂料加入时,无法得出精确体积值。
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