2.2 常用盾构机
2.2.1 泥水加压平衡盾构
泥水加压平衡盾构(slurry pressure balance shield),简称SPB盾构,即在机械式盾构的前部设置隔板,与刀盘之间形成泥水仓,将泥浆送入泥水仓内,在开挖面上用泥浆形成不透水的泥膜,通过该泥膜的张力保持水压力,以平衡作用于开挖面的土压力和水压力,保持开挖面的稳定。开挖的土砂以泥浆形式输送到地面,通过泥水处理设备进行分离,分离后的泥水进行质量调整,再输送到开挖面。SPB盾构示意见图2.7。
图2.7 SPB盾构示意图
根据泥水仓构造形式和对泥浆压力的控制方式的不同,泥水盾构分为直接控制型和间接控制型。
直接控制型泥水系统流程如下:泥泵从地面泥浆池将新鲜泥浆输入盾构泥水仓,与开挖泥土进行混合,形成稠泥浆,然后由排泥泵输送到地面泥水分离处理站,经分离后排除土渣,而稀泥浆流向调浆池,对泥浆密度和浓度进行调整后,重新输入盾构,循环使用。泥水仓中的泥浆压力,可通过调节送泥泵转速或调节控制阀的开度来进行。由于送泥泵在地面,控制距离长,因而产生延迟效应,不便于控制泥浆压力,因此常用调节控制阀的开度来进行泥浆压力调节。
间接控制型泥水盾构,其泥水系统由泥浆和空气双重回路组成。在盾构的泥水仓内插装一道半隔板,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,气压作用在半隔板后面与泥浆的接触面上,由于接触面上气、液具有相同压力,因此只要调节空气压力,就可以确保开挖面上相应的泥浆支护压力。间接控制型泥水盾构见图2.8。
2.2.2 泥水加压平衡盾构的工程应用
日本于1998年建成通车的东京湾公路工程,全长15.1km,其中海底隧道长9.12km,由2条外径13.9m的单向公路隧道组成,采用了8台直径14.14m的泥水盾构施工。在海底隧道段的中间处筑造了川崎人工岛,从川崎岛的竖井向东西两个方向推出4台盾构,在隧道的东端也筑造了木更津人工岛,从木更津岛的竖井中向西推出2台盾构,这2台盾构与川崎人工岛竖井中向东推出的2台盾构在东侧海底地层中对接,川崎岛竖井向西推出的2台盾构与浮岛竖井中向东推出的2台盾构在西侧海底地层中对接。海底地形呈极平缓的船底形,中央最大海水深约28m。隧道段的土质,川崎侧以冲积黏性土、洪积黏性土为主体,木更津侧在冲积黏性土和洪积黏性土层中夹有洪积砂质土层;浮岛、木更津倾斜段为人造地基。
图2.8 间接控制型泥水盾构
图2.9 易北河第四隧道泥水盾构
德国汉堡易北河第四条隧道距原有隧道约35~70m,全长3100.75m,其中2561m采用直径14.2m泥水盾构施工。易北河第四条隧道1995年开工,1997年11月27日开始使用盾构,2003年完工。隧道掘进从南岸始发井开始,开始的500m段为填筑土(由砂、砾石和无级配回填物质结合各种垃圾组成)。中间的1000m为河下冰川物质层,由非常硬的黏土和砾石或砾岩混合而成。最后的1000m为易北河北部填筑层,土的状况与河中段相类似。易北河第四隧道泥水盾构见图2.9。
荷兰绿心隧道长7176m,采用NFM公司制造的14.87m泥水盾构施工。穿越的地层为泥炭土、黏土和饱和砂层土。绿心隧道于2001年11月2日始发推进,于2004年1月7日贯通,最高月进尺为616m。荷兰绿心隧道泥水盾构见图2.10。
图2.10 荷兰绿心隧道泥水盾构