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泥水盾构的发展
上期，小编带大家讲述了现代泥水盾构的发展历程，本期，带来自YL Associates Limited的工程师Richard Lewis将继续为大家介绍欧洲和日本的泥水盾构的在各个方面的设计与生产差异！
本文部分整理自国外资料，仅代表原作者本人观点，若有谬误或不准确之处，欢迎各位在评论中不吝指正哦！ Jacob 走进海瑞克 气垫控制开挖面压力的概念是1972-1973年由Wayss & Freytag在访问英国参观New Cross工程试验机型后开发的，并在1973年的Hamburg-Wilhelmsburg工程中首次应用。由于该类型盾构没有先例，盾构中没有可靠的盾尾密封，因此整条隧道都受到了加压。后续施工中，对设备进行了改进，改装了较为可靠的盾尾密封，才达到了隧道内部常压的目的。 Wayss&Freytag 泥水盾构原理图 之后数年内，比利时、德国与法国等地都使用了类似的水力盾构建设隧道。最初，这种设备由Bade & Theelen公司在Wayss & Freytag的许可下生产，但到了上世纪80年代中期，Wayss & Freytag开始与海瑞克进行合作。海瑞克自1975年起就开始生产顶管系统，到了80年代开始涉足开发大直径隧道掘进机。 虽然早期的水力盾构可穿越淤泥与砂层，但要穿越带有鹅卵石或漂石的混合地层，仍然需要一套能够处理岩石的设备。1985年，Wayss & Freytag联合Herrenknecht共同申请了名为混合式盾构（Mixshield）的设计专利，其意为可在混合地层中掘进。海瑞克在开挖舱底部安装了颚式破碎机，以确保较大石块在进入排泥管之前破碎。 工程应用 这项技术于1988年在德国杜伊斯堡的隧道工程中使用，当时使用的盾构直径为6.52m，之后又在瑞士的Grauholz隧道工程中得以应用。该工程在1988年发标，并在1990年至1993年期间掘进了一条长5.5km的隧道。 Grauholz 工程使用的泥水盾构 当时，该盾构以敞开模式在硬岩与磨拉石地层中掘进，到软土中便转换为泥水模式。如今，其专利名“混合式盾构”被海瑞克套用于几乎所有的泥水盾构（即使盾构并非用于混合地层掘进），其名称也已作为海瑞克的设计为人所接受。Grauholz工程案例也说明，在施工中改变掘进模式并非全新概念，其应用已有超过25年。 现今的海瑞克混合式盾构 在欧洲，另外两家公司也生产过泥水盾构——Voest Alpine（奥钢联）和NFM。 ■ 奥钢联在上世纪90年代生产了复合式盾构（Polyshield），但在为巴黎与罗马的两个隧道工程供应了两台盾构后，由于经济原因退出了盾构机市场； ■ NFM最早根据日本三菱的许可生产盾构机，所以他们早期生产的设备都基于日式原则。在2001年许可到期后，他们转而生产自己的“德系盾构”，将气垫纳入了他们称为“Benton’air”的控制系统中。虽然存在机械设计差异，其原理也同样是基于Wayss & Freytag的水力盾构。如今，NFM是中国公司NHI的全资子公司。 与此同时，日本的泥水盾构也在蓬勃发展—— 日本泥水盾构发展 日本泥水盾构的早期发展在上世纪60-70年代，当时日本沿海城市需要建设大量基础设施，其地层为沙粉质，带有少量的卵石和漂石。事实上，在多台早期的泥水盾构应用中，泥浆中甚至未添加膨润土，而是使用开挖土来制造泥浆。依赖于精细泥水泵控制的早期日系泥水盾构为了应对较少量的卵石和漂石，在连接盾构和主排泥泵的管道中内置了破碎机，同时使用了颚式破碎机和旋转破碎机。 一般来说，管道直径为预期最大石块尺寸三倍。为了在大直径管道（一般大约为350mm）中维持可供碎石正常运送的泥水流速，就需要增大盾构与破碎机之间的管道中的泥水流量。 ■ 日式盾构机中，泥水在排出破碎机后进行分流，只通过部分泥水将破碎后的渣土运送至地面，并使用循环泵将过量的泥水流泵回。分流还需要特殊的筛分设备以确保返盾构的泥浆中仅包含细粒而非大石块。 分流原理图 在欧洲经常会遭遇带有鹅卵石与漂石的混合地层，因此在这种情况下应用的技术为： ■ 欧式盾构机中，在舱壁内气垫舱的前方安装一个倒置的颚式破碎机，将所有石块破碎至泥水管泵可处理尺寸。欧洲设计人员通常采用较大尺寸的管道和砂石泵，可运输较大的石块，破碎机只需将其破碎至100 -125mm尺寸。 ■ 此系统的缺点：当破碎机需要维护时，工人较难以进入加压刀盘内部维护，且维护须在加压空气中进行。 混合式盾构中使用的颚式破碎机 当TBM掘进时，两种保持恒定的泥膜压力以支护隧道开挖面的方法有何不同？ 开挖面压力控制 日系与德系泥水盾构中，都包含了自动PID控制器： ■ 日式：PID控制器用于控制排泥泵速度，以保持所需要的开挖面压力； ■ 欧式：PID控制器用于保持两个舱壁间的气垫中的压力恒定于预设水平，并将开挖面的泥浆与泥膜压力保持在相同压力。 然而，泥水泵改变速度并影响开挖面压力的反应时间，较控制气垫压力的调节阀的反应时间更慢。因此，当使用气垫原理时，可使控制开挖面压力的正负公差更小，气垫可将压力控制在±0.1bar以内，而排泥泵控制装置在实际应用中要实现这一点则相对困难。此外，气垫原理的另一个好处是：向开挖面施加压力与泥水泵运作或浆液循环无关。 ■ 日式：当泵切换到旁路时（如拼装管片时）或由于堵塞等原因而全部关闭时，刀盘舱处于隔离状态，开挖面压力将恢复到原本的地层静压。如果开挖面出现浆液流失，对开挖面的支护力将会下降。如今，该系统通过在送泥管中加入蓄能器以维持压力而得到改善，但是在浆液损失的情况下其压力维持能力容易受到限制。 ■ 欧式：通过长期运行的压缩机保持空气压力，维持主动压力。即使泥浆泵关闭，也可以保持高于静压的压力。如果泥浆流失至开挖面，支护压力也不会立即丢失，但气垫中的膨润土液面水平会逐步下降。因此，当液面下降得太低时，就有必要在气垫舱中增加“补充”浆液的系统。然而其中也有风险：如果膨润土液位降得太低，压缩空气会进入开挖面，这可能会导致开挖面不稳定——这取决于挖掘的地质类型。尽管这种风险有时被作为反对气垫原理的论据，但其总体风险较低。 泥水循环 两种泥水盾构的体系的另一个区别是用于将开挖料排出TBM而使用的泥水循环系统的流量大小，由于每种设计都取决于许多不同的因素，因此很难提供准确的数字，但根据总体情况： ■ 日本倾向于使用较小的泥水循环流量，大型TBM的典型排放流量可能为400 - 450 cum / hr。 ■ 欧洲倾向于使用较大的泥水循环流量，大型TBM的典型排放流量可能为900 - 1000 cum / hr。 流量取决于管道直径和浆液流速。所有浆液循环系统都需在管道中保持足够的速度，以保证固体处于悬浮状态，但这必须与较高速度导致的摩擦增加相平衡，摩擦损失随速度的平方增加（hf = 4flv2/ 2gD）。 在大多数情况下，在固体较大的排料管线中，浆液系统需要3.5-4m / sec的速度，而在固体较小的进料管线中，流速为2.5-3m / sec便已足够。为了达到这两种系统所需的速度： ■ 日本的低流量需要使用较小的管道直径，地铁隧道所用盾构采用的典型管道尺寸为200毫米（8英寸）的排泥管和250毫米（10英寸）的输泥管； ■ 欧洲的较高流量则倾向于使用较大的管道尺寸，地铁隧道所用盾构选择300毫米（12英寸）的输泥管与排泥管。 ■ 较小的流量和较小的管道尺寸具有较低成本和较低的功耗的优点。但在较长的隧道中使用时，较小的管道和泵会便需要要配合较多的小功率增压泵，通常是每台增压泵上采用132kW电机。 ■ 欧洲则倾向使用较少但功率较大的增压泵（400kW砂石泵）。 使用的不同流量另一个影响因素是排出泥浆的密度。想要排出相同量的泥浆，较小的流量就要使用较高的泥浆密度，而较大的流量则可以使用较低的密度。排出浆液的密度取决于很多因素，包括进料浆液的密度与TBM的掘进速率等。取相同参数，420m³/hr的流量下密度为1.36，而较高的900m³/hr的流量下密度则为1.24。较高的密度会导致更大的堵塞风险（特别是对于较小的管道直径），而较低的密度则会使管道上的磨损较少，并且在地面的泥水处理设备中实现更高的处理效率。 如果泵控系统在开挖面压力管理中使用了较高的流量，通过自动控制泵的速度来维持恒定的压力将会更加困难。压力变化中的正/负公差会相当大，这在某些地面条件下会降低开挖面的稳定性。 这也是日系泥水盾构宁愿将排放量保持在低位的原因之一。 就日本和欧洲机械设计方面的方法而言，日系与欧系存在不少区别，但这些因素往往因单台设备和工程项目而异，无法像浆料循环系统一样进行概括。 其他区别 驱动单元 ■ 日本习惯于在施工现场将驱动单元装入盾构机头，这意味着在装配和拆卸过程中密封系统的一些暴露是不可避免的，除非盾构直径足够小，可以作为整机运输至现场。 ■ 欧洲习惯于将驱动单元在工厂安装后作为整体部件运输，该驱动单元在施工现场不需要拆卸 - 即使是大直径盾构也是如此。 日式与欧式对比 供应模式 ■ 在日本，TBM一般用于单条且通常较短隧道的掘进，因此设计与生产中基本不考虑拆卸和重复使用。盾构的设计通常反映了这一点，如果需要将机器重新用于第二个个项目，TBM的翻新就显得比较困难。出于这个原因，过去一些日本制造商很难接受TBM回购，尽管随着市场竞争的加剧，这种情况正在发生变化。 ■ 而在欧洲，TBM的关键零部件的回购和再利用，甚至整个机器的翻新再造，都早已广为业内接受，甚至备受推崇。 施工管理 ■ 日本供应商倾向于根据他的经验为承包商设计的装备提供设计和制造服务。出于这个原因，操作的细节和现场问题的解决通常由承包商来解决。这意味着，如果承包商要求解决困难或意外情况，装备供应商在现场解决问题的能力较差。这也包括对装备运行所需的必要辅助设备的问题处理能力。对于泥水盾构来说，辅助设备的主要是地表的泥浆处理厂。这可以由承包商直接找到专业供应商，或者通过装备供应商可以将其分包。虽然装备供应商有一定的经验，但他们往往会避免承担这种辅助设备的责任。 ■ 欧洲（和北美）的隧道装备供应商更愿意承担隧道施工完整系统的总体责任。 单论基本的泥水盾构发展，上世纪60至70年代的开创性工作大多是日本进行的，并基于软弱地层情况；欧洲供应商在二十世纪八十年代和九十年代才逐渐加入。由于隧道掘进中需要处理更多的混合地层与较为苛刻的地质条件，因此根据这些不同类型的地层，才采用了不同的原则设计盾构，这也导致了泥水盾构机结构的区别。
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