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1、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,2021/5/1,2,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
2、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。,2021/5/1,3,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
3、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：,2021/5/1,5,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
4、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。,2021/5/1,6,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
5、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
6、，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,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
7、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
8、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
9、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,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
10、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
11、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（d1d
12、8）、土仓内(q1q4)、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
13、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。
14、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PLC，使泡沫的注入压力低于设定的土压力。注入量的控制是通过电动球阀的开度实现的，实际的流量是通过流量计检测反馈到PLC，这样可以调节到需要的流量；如果不需要注入泡沫，而仅需要注入水，可以有两种方式：一是控制室直接操作，但需要将泡沫的添加量设定为“0”；二是在盾构内打开阀门24，通过气动球阀4向
15、泥仓、螺旋输送机和刀盘供水。 泡沫泵站的控制:为了达到一定的泡沫原液与水的混合比例，需要水泵与泡沫泵建立关系，如图：3-4。,图3-4 水泵与泡沫泵关系图,控制单元,不同地层中泡沫剂的用量,工程应用案例,工程应用试验案例,我公司曾在北京地铁10号线12标项目施工时，分别对泡沫添加前后作了试验性对比，该项目地层主要以粉细砂层、卵石为主，且地下水丰富。 盾构机在富水粉细砂层中掘进，如果不进行有效的渣土改良，很容易造成喷涌。如下图所示为本项目在没有使用泡沫系统进行渣土改良的情况下，在盾构机下部发生喷涌的情况。,工程应用试验,没有使用泡沫系统进行渣土改良的情况,工程应用试验,使用泡沫系统进行渣土改良后
16、 为使用泡沫系统进行渣土改良后，在拖车尾部皮带机卸渣口处渣子的状态。图5-23所示为未加入泡沫和加入泡沫后渣土在自由状态下的对比照片。从泡沫系统使用前后盾构机的出渣状态以及渣子在自由状态下对比，可以充分说明泡沫对渣土的改良效果是十分明显的，加入泡沫改善了渣土的塑性状态和粘稠度，使得切削后的渣土具有良好的塑性流动性，同时，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，减少地表沉降,使用泡沫系统进行渣土改良后,工程应用试验,地质情况及泡沫消耗量,工程应用试验,泡沫使用前后掘进参数的对比,工程应用试验,从表可以看出，盾构机在泡沫系统使用前后掘进参数发生了明显变化：刀盘扭矩和渣土温度明显降低
17、，采用较低的刀盘转速便可以获得较高的掘进速度，而且所需的总推力更小，说明在使用泡沫系统后，有效降低了切削渣土的内摩擦力，改善了渣土状态；土仓压力降低说明同等地质条件下，降低了堵仓风险；总推力减小、掘进速度提高说明渣土改良后，盾构机可掘性提高，效率提高。 工程最终应用试验结果 从工程应用结果看，泡沫系统使用后首先是渣土改良方面效果明显，有效降低了喷涌的发生；其次在于盾构机掘进参数的改善，在同样的地质条件下，加入泡沫后只需要较小的推力和较低的刀盘转速，就获得了更高的掘进速度，刀盘扭矩的降低使得盾构机投入的功率更小，有效降低了堵仓和卡刀盘情况的发生，碴土温度降低说明减小了渣土和刀盘刀具、螺旋输送机的
18、摩擦，延长了刀具和螺旋输送机的使用寿命。对工程总体控制而言，有效的保持了土仓的压力，提高了盾构机的掘进功效，在防止工程地表沉降方面达到了很好的效果，实现了泡沫系统的作用。所以从以上使用情况看，研制的泡沫系统在盾构机上的使用是成功的，达到了泡沫系统应有的改良渣土的效果，提高了盾构机掘进功效。,碴土改良之二膨润土,膨润土(Bentonite)按译音,是以蒙脱石为主的含水粘土矿,蒙脱石的化学成分为:（Al2,Mg3）Si4O10OH2nH2O,由于它具有特殊的性质。如:膨润性、粘结性、吸附性、催化性、触变性、悬浮性以及阳离子交换性等等,所以广泛用于各个工业领域。国外已在工农业生产24领域100多个部
19、门中应用,有300多个产品,因而人们称之为“万能土”。,膨润土的用途,蒙脱石有吸附性和阳离子交换性能，可用于除去食油的毒素、汽油和煤油的净化、废水处理；由于有很好的吸水膨胀性能以及分散和悬浮及造浆性，因此用于钻井泥浆、阻燃（悬浮灭火）；还可在造纸工业中做填料，可优化涂料的性能如附着力、遮盖力、耐水性、耐洗刷性等；由于有很好的粘结力，可代替淀粉用于纺织工业中的纱线上浆既节粮，又不起毛，桨后还不发出异味等等。,膨润土的分类,膨润土的分类：膨润土的层间阳离子种类决定膨润土的类型，层间阳离子为Na+时称钠基膨润土;层间阳离子为Ca+时称钙基膨润土;层间阳离子为H+时称氢基膨润土(活性白土);层间阳离子
20、为有机阳离子时称有机膨润土,膨润土的特性,膨润土的性质：膨润土具有很强的吸湿性，能吸附相当于自身体积8一20倍的水而膨胀至30倍;在水介质中能分散呈胶体悬浮液，并具有一定的粘滞性、触变性和润滑性，它和泥沙等的掺和物具有可塑性和粘结性，有较强的阳离子交换能力和吸附能力。,添加膨润土的原因,（1）可改变渣土流动性增强，粘稠度降低，渗透性降低； （2）降低刀盘和土仓粘住和堵塞的风险； （3）增加盾构机在EPB模式下的压力稳定性； （4）降低刀盘和螺旋输送机的驱动力矩，更经济； （5）降低刀盘和螺旋输送机的功率损耗。,添加的膨润土,添加膨润土的目的,在盾构施工中，由于地质原因在掘进时随着含砂量的增加，
21、加水就显得不够，因为它不能减小内摩擦。增大的渗透性必须解决好螺旋输送机的密封问题。细土粒含量的缺乏可以通过加入粘土和膨润土悬浮液来补偿。这样孔隙里的水就可以通过膨胀的悬浮液限制，挖出的土料便可变成流动性很好、渗透性降低的可塑性土浆。,膨润土注入系统原理图,在添加膨润土时要观察泵出口压力，压力过高有可能管路堵塞，压力过低，有可能需能更换耐磨管。,添加膨润土时经验,1.软管泵在软管上定期涂抹白油； 2.检查膨润土管路，清理管路的弯道和阀门部位，防止堵塞。 3.检查流量计和压力传感器。 4.定期清理膨润土箱和液位传感器。,保养方法,盾构机常见被困的案例分析,刀盘被困,盾体被困,盾尾被困,类型,表现形
22、式： 扭矩大、转速低,表现形式： 推力大、速度低,表现形式： 铰接力大、铰接油缸被拉出,盾构被困的分类,盾构机盾尾被困,故障经过及现象,我项目部在武汉越江隧道施工时盾构机在2010年5月10日（第416环）施工时，铰接油缸在瞬间就能被拉伸到最大行程，已经无法掘进。2010年5月12日，在停机检查中发现5铰接油缸销已经严重弯曲变形，3、4、6和7轻微变形。铰接油缸设计总拉力为740吨左右。在进行脱困的第417环开始时总力可达1150吨，在姿态和盾尾间隙都非常好的第418、419环，铰接油缸总力可达950吨。,故障原因及分析,（1）铰接油缸选型偏小。,（4）铰接油缸安装错误。 导致油缸行程差控制失
23、效。,（a）目前的位置,（b）正确的位置,（2）K块管片点位错误。,（3）盾构长时间停机。,盾构盾体被困,故障原因及分析,滚刀磨损、边刮刀、重型撕裂刀和切刀掉落，详细数据如下：,双刃滚刀：磨损5把,边刮刀：掉落1把,重型撕裂刀：损坏1把,切刀： 掉落9把,盾构盾体被困,故障原因及分析,非常密实的铁板砂：导致开挖轮廓不足，同时遇水松散，抱住盾体,S508/S509盾构刀盘被困,刀盘被困经过及现象,带压进仓检查情况,展望,在我国所应用的盾构类型主要为土压平衡式盾构，通过配置、使用泡沫系统和添加剂系统可以拓宽其适用的地质范围。 在施工时由于受不同地质的影响，盾构机在掘进时将会出现诸多影响掘进问题，在实际解决问题时就从多方面入手进行分析，针对不同问题采用不同手段。 盾构机在施工时不但要考虑掘进的正常，还要考虑地表的沉降值，盾构穿越建筑物的风险控制，设备安全，人员安全等因素，在实际的施工中，如何正确的使用泡沫剂？添加量多少？对地质带来多大影响？如何控制沉降等一系列问题有待于大家在实际施工中进一步总结经验及不断控索，该讲座希望能抛砖引玉。,展望前景，随着盾构机的泡沫系统及膨润土系统的添加剂功能不断增强，盾构施工技术碴土改良将更上一个新台阶。,2021/5/1,54,请各位导师指正 谢谢！,