泥水加压式盾构机的优越性及适用条件

泥水加压式盾构（Slurry Pressure Balance Shield），简称SPB 盾构。它是应用封闭型平衡原理进行开挖的新型盾构，用泥浆代替气压支护开挖面土层，施工质量好、效率高、技术先进、安全可靠，是一种全新的盾构技术。

泥水加压式盾构需要一套较复杂的泥水处理设备，投资较大（大概就占了整个泥水盾构系统的1/3 的费用）；施工占地面积较大，在城市市区施工，有一定困难。然而在某些特定条件下的工程，如在大量含水砂砾层，无黏聚力、极不稳定土层和覆土浅的工程，以及超大直径盾构和对地面变形要求特别高的地区施工，泥水加压式盾构就能显示其优越性。另外对某些施工场地较宽敞，有丰富的水源和较好泥浆排放条件或泥浆仅需进行沉淀处理排放的工程，可大幅度降低施工费用。

（一）基本构造和工作原理

1.基本构造

图 18.10 所示为泥水加压式盾构的基本构造简图，主要由盾壳、刀盘、密封泥水舱、推进油缸、管片拼装机以及盾尾密封装置等组成。概括地说，泥水加压式盾构是在盾构前部增设一道密封隔仓板，把盾构开挖面与盾构后面和隧道空间截然分开，使密封隔仓板与开挖面土层之间形成密封泥水仓，在泥水仓内充以压力泥浆，刀盘浸没在泥水仓中工作，由刀盘开挖下的泥土进入泥水仓后，经刀盘切削搅拌和搅拌机搅拌后形成稠状泥浆，通过管道排送到地面，排出的泥浆作分离处理，排除土渣，对余下的浆液进行黏度、密度调整，重新送入盾构密封泥水仓循环使用。

图18.10　泥水加压式盾构构造

2.工作原理

泥水加压式盾构是利用向密封泥水仓中输入压力泥浆来支护开挖面土层，使盾构施工在开挖面土层十分稳定的条件下向前掘进，从而大大地提高了隧道施工质量和施工效率。泥浆的主要功用为：

（1）利用泥浆静压力平衡开挖面土层水土压。

（2）在开挖面土层表面，形成一层不透水泥膜，使泥浆压力发挥有效的支护作用。

（3）泥浆中细微黏粒在极短时间内渗入土层一定深度，进一步改善土层承压能力。

输入盾构的泥浆必须具有适当的黏度和密度，泥浆压力要保持高于土层地下水压0.02 MPa 左右。(www.xing528.com)

（二）两种类型的泥水加压式盾构机

根据泥水密封仓构造形式和对泥浆压力的控制方式不同，盾构的泥水系统分为两种基本类型：直接控制型和间接控制型。

1.直接控制型

图18.11 所示是直接控制型（日本型）泥水系统流程图，P1 为供泥浆泵，从地面泥浆调整槽将新鲜泥浆打入盾构泥水仓，与开挖下的泥土进行混合，形成稠状泥浆，然后由排泥浆泵 P2 输送到地面泥水处理场，排除土渣，而稀泥浆流向调整槽，再对泥浆密度和浓度进行调整后，重新输入盾构循环使用。

图18.11　直接控制型泥水系统流程图

控制泥水舱中泥浆压力，可通过调节 P1 泵转速或调节控制阀 V 的开度来进行。P1 泵安在地面，控制距离长而产生延迟效应不便于控制泥浆压力，因此常用调节控制阀 V 来进行泥浆压力调节。

由于泥水加压式盾构开挖面工况不能直接观察，为了保证施工质量，在进排泥浆的管路上分别安装流量计和密度计，通过检测泥浆的流量和密度，即可算出盾构的排土量，然后将排土量与理论掘进排土量进行比较，并使实际排土量控制在一定范围内，就可减小和避免地面变形，保证隧道施工质量。

2.间接控制型

图 18.12 所示为间接控制型（德国型）泥水系统流程图，这种系统的工作特征是由泥浆和空气双重回路组成。在盾构密封泥水舱内插装一道半隔板，在半隔板前充以压力泥浆，在半隔板后面盾构轴心线以上部分充以压缩空气，形成空气缓冲层，气压作用在隔板后面与泥浆接触面上，由于接触面上气、液具有相同压力，因此只要调节空气压力，就可以确定和保持在全开挖面上相应的泥浆支护压力。当盾构掘进时，有时由于泥浆的流失，或推进速度的变化，进、排泥浆量将会失去平衡，气液接触面就会出现上下波动现象。通过液位传感器，根据液位的高低变化来操纵供泥浆泵转速，使液位恢复到设定位置，以保持开挖面支护液压的稳定。也就是说，供泥浆泵输出量随液位下降而增加，随液位上升而减小，另外在液位最高和最低处设有限位器，当液位达到最高位时，停止供泥浆泵，当液位降低到最低位时，则停止排泥浆泵。正是由于空气缓冲层的弹性作用，从而当液位波动时，对支护泥浆压力变化无明显影响。显然，间接控制型泥水加压式盾构与直接控制型相比，操作控制更为简化，对开挖面土层支护更为稳定，对地表变形控制也更为有利。

图18.12　间接控制型泥水系统流程图