土压平衡式盾构机

应用范围广阔的快速隧道掘进技术

地质状况 软土
低渗透性软土地层(粘土、淤泥、粘砂土)
直径
1.7–16米

土压平衡式盾构机的应用

对于软土和粘性土,采用土压支撑开挖面的隧道掘进机是最佳选择。所谓的土压平衡式盾构机(EPB)将开挖出的渣土调制成膏状,作为柔软的塑性支护介质。这样可以在隧道掌子面平衡土压,防止土壤不受控制地进入设备,为在沉降最小的前提下进行快速掘进创造条件。

 

通过支撑压力达到掌子面的稳定

土压平衡式盾构机的特点是将开挖出的渣土直接用作支护介质。这种方法对于粘土和粉土含量高、透水性低的粘性土层是第一选择。装有刀具的旋转刀盘抵住掌子面削挖土壤。渣土通过刀盘上的开口进入开挖仓,与开挖仓内的已有膏状渣土混合。安装于刀盘和土仓压力仓板的搅拌臂对渣土进行搅拌,使其达到所需要的质地。压力仓板将推进油缸的推力传给开挖仓内的膏状土体。当开挖仓内的土体压力与周围土壤和地下水的压力相等时,就实现了必要的土压平衡。

功能原理

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刀盘

刮刀和滚刀负责从掌子面切削土壤。

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开挖仓

开挖仓内的柔软塑性土壤传递掌子面所需要的支护压力。

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压力仓板

将推力传递给开挖仓内的膏状土体,开挖仓内设有压力传感器,用于控制开挖仓内的压力。

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搅拌臂

安装于刀盘和压力仓板上的搅拌臂对开挖仓内的土壤进行搅拌,达到所需要的质地。

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螺旋输送机

由旋转速度决定从开挖仓内运走多少渣土,以此调节支护压力。

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尾盾

用盾尾密封刷密封尾盾内壁和隧道衬砌管片外缘之间的空隙。

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管片拼装机

远程控制的移动式真空机械手,在管片拼装时,用于将管片放置到位。

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回填

用砂浆连续充填隧道壁开挖面与隧道衬砌管片外缘之间的环形空隙。

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隧道衬砌

用高精度预制混凝土管片对隧道进行衬砌。

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刮刀和滚刀负责从掌子面切削土壤。

开挖仓内的柔软塑性土壤传递掌子面所需要的支护压力。

将推力传递给开挖仓内的膏状土体,开挖仓内设有压力传感器,用于控制开挖仓内的压力。

安装于刀盘和压力仓板上的搅拌臂对开挖仓内的土壤进行搅拌,达到所需要的质地。

由旋转速度决定从开挖仓内运走多少渣土,以此调节支护压力。

用盾尾密封刷密封尾盾内壁和隧道衬砌管片外缘之间的空隙。

远程控制的移动式真空机械手,在管片拼装时,用于将管片放置到位。

用砂浆连续充填隧道壁开挖面与隧道衬砌管片外缘之间的环形空隙。

用高精度预制混凝土管片对隧道进行衬砌。

通过螺旋输送机的速度与盾构机推进速率控制压力状况

螺旋输送机将开挖仓底部的渣土转送到皮带输送机上。通过螺旋输送机速度与土压平衡式盾构机前进速度的相互作用,确保精确控制膏状渣土的支护压力。开挖仓内的平衡由土压传感器持续监控。因此,土压平衡式盾构机操作员即使在地质条件不断变化的情况下,也能够微调所有的掘进参数,从而取得较高的掘进速度,并使地表隆起或沉降的风险降到最低。

功能设计

用刮刀和滚刀切削土壤。

柔软塑性泥膏在开挖仓内形成主动支护压力。

螺旋输送机将渣土输送到后面的物流系统。

盾体内、始发井反力架上(或顶管工程顶进架中)的液压推进油缸推动设备前进。

管片衬砌或顶管

通过完善的土体改良,扩大盾构机应用范围

并不是所有土壤条件在其自然状态下都适用于土压平衡式盾构机。但是,通过土体改良,可大幅度增加这种方法的应用范围。这意味着,通过注入水、膨润土或泡沫等各种改良土壤材料,改变土壤的粘性、质地和透水性。这样可使土压平衡式盾构机即使在由砂砾、砂层和水组成的非均质土壤,或在不稳定的地质条件下,也能取得良好的掘进速度。

针对大直径设备,开发新作业方案

海瑞克开发出一种新的刀盘装置,用于在高研磨性地质条件下进行直径10米以上的开挖作业。这种方案是在土压平衡式盾构机的同一个作业平面上同心安装两个刀盘:中心刀盘和外圈刀盘,每个刀盘可双向独立旋转。这样,即可先启动中心刀盘在“前方开路”,再逐渐地向土体施加较高的扭矩。结合土体改良,可以减少开挖刀具的磨损。在盾体下部的2台大型螺旋输送机负责向后清运外圈刀盘的大量渣土。由一台小型螺旋输送机负责清运中心刀盘挖出的渣土。

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通过技术创新,满足特殊要求

土压平衡式盾构机的特有优势是其极端灵活性。海瑞克通过进行一系列开发,极大地扩展了这种工艺的应用范围。通过常规的螺旋输送机,在压力增大的情况下,很难在含水的粘性土壤中建立充足的土壤堵塞体维持支护压力。利用柱塞泵则可以安全地控制这种土壤。柱塞泵连接在螺旋输送机后面可将排渣系统完全密封。这样掌子面的压力水平得以维持。

对于含水量高的非粘性土层,可在后面安装海瑞克开发的泥浆箱。

全能型土压平衡式盾构机

这种土压支撑方法使土压平衡式盾构机技术成为软土、粘土等所有土质条件下的多面手。另外,利用土体改良和海瑞克的技术创新,可提高设备适用的地质范围。这种创新技术适用于顶管工艺的的小直径掘进作业,也适用于管片衬砌工艺的大直径、甚至超大直径掘进作业。

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Gerhard Goisser COO Herrenknecht Tunnelling Systems USA, Inc.
Jack Brockway Geschäftsführer Herrenknecht Tunnelling Systems USA Inc.

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