盾构机泡沫系统原理与应用总结归纳
盾构学习总结
盾构学习总结陈永廷按照工程处统一安排，自2015年1月8日至2015年1月16日，先后到三一重工、中铁五局石家庄地铁1号线工程开始了从理论知识到盾构施工现场的学习。
经过九天的学习，本人对土压平衡盾构机构造，施工原理，操作规范等方面有了基本的了解，现简要汇报如下。
一、理论知识培训1月9日、10日两天，在三一重工各专业人士的讲解下，对盾构有了一定的理解。
现将土压平衡盾构简单介绍一下：（一）盾构机的工作原理土压平衡盾构机简称EPB盾构机，是在盾构主机的前部设置隔板形成土仓，在刀盘的旋转作用下刀具切削开挖面的泥土，破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓，使土仓和排土用的螺旋输送机内充满切削下来的泥土，依靠盾构机推进油缸的推力通过隔板给土仓内的泥土加压，使土仓内的土压作用于开挖面以平衡开挖面的水压和土压，达到较为稳定的动态压力平衡状态，在此压力平衡状态下，进行土体开挖、土碴排运、整机推进和管片安装等作业，使隧道一次成形的机械设备。
（二）盾构的结构及作用盾构机集机、电、液、气、自动控制于一身。
土压平衡盾构机主要分为主机和后配套两大结构。
主机：刀盘、主驱动（主轴承、主轴承密封、减速机、电机/液压马达等）、盾体（前盾、中盾、中折盾、后盾）、螺旋输送机、管片拼装机、整圆器、推进油缸、铰接油缸、人仓、工作平台等。
1 刀盘是盾构机最关键的核心部件之一，决定盾构机施工的成功与否，其具有三大主要功能：开挖土体、稳定开挖面、搅拌土仓土体。
2 盾体主要由前、中、后三盾组成。
其主要作用有：（1）作为各种机内设备(主驱动、工作平台、管片拼装机、人仓、铰接油缸、推进油缸、螺旋输送机等)的安装支承；（2）对挖掘出的但还未衬砌的隧道起临时支护作用，承受周围地层的土压和地下水的水压，将地下水挡在盾壳外面；（3）掩护掘进、排土、衬砌等作业过程。
3 螺旋输送机主要作用是排除土仓渣土和稳定土仓压力。
4 拼装机主要由支撑架，大梁，旋转架，拼装头组成。
拼装机可以采用手动或无线遥控装置操作。
盾构机土体改良中泡沫控制系统的设计研究
盾构机土体改良中泡沫控制系统的设计研究盾构机土体改良中泡沫控制系统的设计研究随着城市化的不断推进，地下建筑的需求不断增加。
盾构机的广泛应用使得地下建筑施工变得更加便捷和高效。
然而，在盾构施工过程中，土体松散、含水率较高，这对泥浆循环系统的完整性和施工进度提出了极大的挑战。
为了解决这一问题，泡沫控制系统被引入到盾构机施工中，以控制泥浆循环系统中的泡沫浓度，从而实现土体改良。
本文旨在进行一项泡沫控制系统的设计研究，来使盾构机土体改良更加稳定，提高施工效率。
一、泡沫控制系统的功能在盾构机的土体改良中，泡沫控制系统的作用是控制泡沫浓度，以便实现泥浆循环系统的稳定运行。
泡沫浓度过高会影响泥浆循环系统的导流能力，造成系统堵塞，损坏设备，降低施工效率。
另外，过高的泡沫浓度还会影响土体的稳定性，增加施工难度和风险。
在另一方面，泡沫浓度过低也会影响土体改良效果，降低施工质量。
因此，泡沫控制系统需要保证泡沫浓度在合适的范围内，以满足土体改良的要求。
二、泡沫控制系统的组成泡沫控制系统主要由泡沫发生器、泡沫控制器和浓度检测器组成。
其中，泡沫发生器是传递压缩空气和高压水的混合物的泡沫发生器，将浓度恒定的泡沫液体直接喷入泥浆系统中。
泡沫控制器则负责监测泡沫浓度，并根据设定值自动进行调节。
浓度检测器可以及时检测泡沫浓度，以保证施工质量。
同时，各个组件都需要与监测仪表进行连接，以实现数据的收集和分析。
三、泡沫控制系统的设计方案泡沫控制系统的设计方案需要考虑以下几个方面：泡沫浓度计算、泡沫发生器的结构设计、泡沫控制器的设计和浓度检测器的选型。
1、泡沫浓度计算盾构施工中的泡沫控制系统的设计应该遵循一定的原则。
基于泥浆密度值和土壤情况，可以通过泡沫浓度计算公式来计算泡沫浓度，从而确保盾构施工的正常进行。
2、泡沫发生器的结构设计泡沫发生器的设计应考虑泡沫液体的均匀喷射和应力分布，保证泥浆管道可以正常运转。
此外，泡沫发生器应具有防水、防腐等特性，以增强其耐用性。
土压平衡盾构施工泡沫剂效用分析
⼟压平衡盾构施⼯泡沫剂效⽤分析⼟压平衡盾构施⼯泡沫剂效⽤分析盾构⽤泡沫剂的使⽤⾄今已有近30年的历史，特别是近⼗年来使⽤泡沫剂来改良渣⼟的做法⽇益得到⼯程界的重视，应⽤范围和规模越来越⼤，但是受诸多因素的影响，对泡沫添加剂的使⽤多数停留在施⼯经验的基础上，理论上的研究不够。
国内在发泡剂产品的选择、泡沫应⽤等⽅⾯存在较⼤的盲⽬性，对泡沫注⼊效果的分析⽬前也没有确定的⽅法及标准。
因此，提出⼀套分析泡沫在盾构掘进施⼯中应⽤技术及效⽤分析⽅法对泡沫剂技术在盾构⼯程中的应⽤有着积极的指导意义。
1 泡沫剂技术在⼟压平衡式盾构掘进中的应⽤泡沫剂在盾构施⼯中的应⽤是通过⽆数⼩⽓泡组成的泡沫混⼊到渣⼟中来实现的。
通常我们所称的注⼊泡沫实际上是注⼊⽓泡。
泡沫是典型的⽓⼀液⼆相系，其90％，以上为空⽓，10％为泡沫剂溶液；⽽泡沫剂溶液90％～99％为⽔，其余为泡沫剂原液。
泡沫在⼟压平衡式盾构施⼯中的主要作⽤：(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。
(2)调整⼟仓内⼟体塑性流动性，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，不但可以能够使开挖⾯维持较好的⽀护压⼒，⽽且保证排⼟顺利进⾏，在盾构掘进中，由于地层的变化，未经处理进⼊⼟仓的⼟体通常难以获得希望的翅性流动性，此耐⼟仓内容易发⽣“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，⼟压平衡式盾构机在砂砾层等强透⽔层地基施⼯时，开挖⾯过⾼的⽔压⼒会导致盾构机螺旋输送机出⼝发⽣地下⽔⼤量流失，严重时会发⽣喷涌。
影响掘进顺利进⾏，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的发⽣。
(4)降低切削渣⼟的内摩擦⼒，减少⼑盘、螺旋输送机的磨损，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 (概述)
土压平衡盾构机(泡沫系统)的概述（1）引言泡沫系统是土压平衡盾构机中最重要的渣土改良系统。
长期以来不论是进口盾构机，还是引进国外技术在国内生产的盾构机，都配置进口的泡沫系统。
目前我国使用的盾构机中主要存在以下问题：a、小松盾构的泡沫溶液需要在箱罐内配制，虽然配合比准确，但不能适时配制从而影响进度；输送泵采用变频挤压泵，流量控制准确，但存在压力不稳定、挤压管损耗大等不足。
b、海瑞克盾构(输送水泵)采用定速泵，流量不可调节，压力过大时采用溢流卸压，流量控制偏差较大；泡沫系统采用电脑做为人机控制界面，变换控制参数时需频繁切换界面，用时较长；管路流量调节采用电动流量调节阀，调节延时较长，精度偏差大。
为了解决进口泡沫系统的不足，结合我公司使用、改进泡沫系统的经验，研制出可适时进行调节配合比、快速调节参数、输出稳定流量、快速控制流量的盾构机泡沫系统。
（2）泡沫系统的作用在盾构掘进过程中，为有效地控制地层对盾构机的损伤，除盾构机选型、设备改进外，复杂地层土体改良是控制地层损伤最重要的技术措施，其中泡沫土体改良尤为重要。
另外，泡沫系统还有使渣土具有较好的止水性(泡沫能置换土间隙中的水，提高开挖土的止水性，防止地下水高的砂层中“喷涌”现象的发生)，以控制地下水流失；使切削下来的渣土快速进入土舱，并利于螺旋输送机顺利排土；可有效地防止土渣粘结刀盘而产生泥饼；可防止或减轻螺旋输送机排土时的喷涌现象；可有效降低刀盘扭矩，降低对刀盘、刀具和螺旋输送机的磨损等作用。
泡沫系统的原理是将发泡剂( 液体) 与水的混合液和压缩空气相混合，经泡沫发生站作用生成30-400ｕm 的微细乳状泡沫，注入到掘削面（刀盘）、土舱和螺旋输送机，确保渣土顺利排出，保持掘削面稳定。
（3）现有进口盾构机泡沫系统的特点总结海瑞克盾构机、小松盾构机泡沫系统在人机界面、输送泵与控制、水与原液混合方式、管路流量调节、注人管路配置等方面的特点。
小松盾构机原液与水混合在箱内进行，按箱配制，溶液比例准确，但泡沫系统在工作状态时，不能实时进行配置，海瑞克盾构机采用一台变频泵供(泡沫原液)，一台恒速泵(供水)，混合时水流量恒定，只调节原液流量。
盾构机工作原理具体是什么
盾构机工作原理具体是什么盾构机的工作原理 1.盾构机的掘进液压马达驱动刀盘旋转，同时开启盾构机推动油缸，将盾构机向前推动，随着推动油缸的向前推动，刀盘持续旋转，被切削下来的碴土充满泥土仓，现在开动螺旋输送机将切削下来的渣土排送到皮带输送机上，后由皮带输送机运输至渣土车的土箱中，再通过竖井运至地面。
2.掘进中控制排土量与排土速度当泥土仓和螺旋输送机中的碴土积累到必然数量时，开挖面被切下的渣土经刀槽进入泥土仓的阻力增大，当泥土仓的土压与开挖面的土压力和地下水的水压力相平衡时，开挖面就可以维持稳固，开挖面对应的地脸部份也不致坍坍或者隆起，这时只要维持从螺旋输送机和泥土仓中输送出去的渣土量与切削下来的流人泥土仓中的渣土量相平衡时，开挖工作就可以顺利进行。
3.管片拼装盾构机掘进一环的距离后，拼装机操作手操作拼装机拼装单层衬砌管片，使隧道-次成型。
盾构机的组成及各组成部份在施工中的作用盾构机的最大直径为6.28m，总长 65m ，其中盾体长 8.5m，后配套设备长 56.5m，总分量约 406t，总配置功率 1577kW ，最大掘进扭矩 5300kN?m ，最大推动力为 36400kN，最陕掘进速度可达 8cm/min。
盾构机主要由9 大部份组成，他们别离是盾体、刀盘驱动、双室气闸、管片拼装机、排土机构、后配套装置、电气系统和辅助设备。
1.盾体盾体主要包括前盾、中盾和尾盾三部份，这三部份都是管状简体，其外径是 6.25m。
前盾和与之焊在一路的承压隔板用来支撑刀盘驱动，同时使泥土仓与后面的工作空间相隔离，推力油缸的压力可通过承压隔板作用到开挖面上，以起到支撑和稳固开挖面的作用。
承压隔板上在不同高度处安装有五个土压传感器，能够用来探测泥土仓中不同高度的土压力。
前盾的后边是中盾，中盾和前盾通过法兰以螺栓连接，中盾内侧的周边位置装有 30 个推动油缸，推动油缸杆上安有塑料撑靴，撑靴顶推在后面已安装好的管片上，通过控制油缸杆向后伸出能够提供给盾构机向前的掘进力，这 30 个千斤顶按上下摆布被分成 A 、B 、c 、D 四组，掘进进程中，在操作室中可单独控制每一组油缸的压力，如此盾构机就可以够实现左转、右转、抬头、垂头或者直行，从而能够使掘进中盾构机的轴线尽可能拟合隧道设计轴线。
张总：海瑞克土压平衡盾构机泡沫系统浅析
海瑞克土压平衡盾构机泡沫系统浅析中铁一局城轨公司张新义1．工作原理概述：在盾构掘进过程中，为了对渣土进行改良设置了渣土改良系统，包括泡沫系统和膨润土系统。
作为土体改良的媒介，泡沫特别适用于坚硬地质的复合地层的盾构掘进。
经泡沫改良后的土体具有如下的性能：➢提供压力稳定的切削面➢足够的柔软性➢低透水性➢减小土体对盾构机的粘着力➢减小摩擦力➢减小驱动力EPB模式下，用泡沫改良的原理是空气和液体的机械混合，在泡沫储存罐里将水和泡沫混合，泡沫通过计量容器泵入泡沫，水来自工业用水，并在管线上加装了流量计。
泡沫本身是一组泡沫桶内空气和液体的机械组合，这两种成分必须经过SPC操作元件的计量后注入泡沫发生器，并且要根据推进速度、所保持的压力以及按有关公式来调整。
在控制室里操作人员可通过操作有关的可控球阀将泡沫通过相关入口注入到刀盘前方、土仓和螺旋输送机，刀盘前有八个泡沫喷嘴，土舱里有四个泡沫喷嘴，螺旋输送机前后两端各有四个泡沫喷嘴。
此外，该泡沫系统还可兼作注水或膨润土用。
2．泡沫系统元件和管路布置2．1系统元件➢1×泡沫储存罐（1m3）➢4×液体控制装置（带有流量计）➢4×空气控制装置（带有流量计）➢4×压力检查表➢4×泡沫发生器➢1×水泵（功率6.3kw,最小额定流量133L/min,额定压力8bar）➢1×泡沫泵(功率0.4kw,额定流量5～300L/h，额定压力9bar)➢4×泡沫压力传感器➢1×操作装置的控制元件➢4×连接回转中心泡沫管➢清洗水切换装置➢膨润土切换装置2．2管路布置泡沫注入管路的布置应该使泡沫达到快速混合搅拌渣土的效果，以免渣土粘结在刀盘和刀具上因此就应在刀盘和掘进工作面设置多个泡沫注入口，一方面可以避免渣土粘结在刀盘或者刀具上，另一方面在渣土输送到螺旋输送机之前渣土能得到最大限度的搅拌。
另外由于接触刀盘和刀具渣土的流动性，更使得泡沫和渣土能够尽快得到混合，同时掘进工作面被泡沫所密封。
盾构机各系统原理浅析
盾构机各系统原理浅析本文针对分析海瑞克EPB土压平衡盾构机的各个系统及其工作原理，及整个盾构施工介绍。
海瑞克盾构机由西门子公司的S7-PLC自动控制系统控制，配备了机电一体化的液压驱动系统、同步注浆设备、泡沫设备、膨润土设备及SLS-T隧道激光导向设备，并可在地面监控室对盾构机的掘进进行实时监控。
本文将就盾构机的工作原理、盾构机的组成、及各组成部分的功能结合实际施工情况做一简要阐述。
1盾构机的工作原理1．1盾构机的掘进液压马达驱动刀盘旋转，同时开启盾构机推进油缸，将盾构机向前推进，随着推进油缸的向前推进，刀盘持续旋转，被切削下来的碴土充满泥土仓，此时开动螺旋输送机将切削下来的渣土排送到皮带输送机上，后由皮带输送机运输至渣土车的土箱中，再通过竖井运至地面。
1．2掘进中控制排土量与排土速度当泥土仓和螺旋输送机中的碴土积累到一定数量时，开挖面被切下的渣土经刀槽进入泥土仓的阻力增大，当泥土仓的土压与开挖面的土压力和地下水的水压力相平衡时，开挖面就能保持稳定，开挖面对应的地面部分也不致坍坍或隆起，这时只要保持从螺旋输送机和泥土仓中输送出去的渣土量与切削下来的流人泥土仓中的渣土量相平衡时，开挖工作就能顺利进行。
1．3管片拼装盾构机掘进一环的距离后，拼装机操作手操作拼装机拼装单层衬砌管片，使隧道—次成型。
盾构机的组成及各组成部分在施工中的作用盾构机的最大直径为6．28m，总长65m，其中盾体长8．5m，后配套设备长56．5m，总重量约406t，总配置功率1 577kW，最大掘进扭矩5 300kN·m，最大推进力为36400 kN，最陕掘进速度可达8cm／min。
盾构机主要由9大部分组成，他们分别是盾休、刀盘驱动、双室气闸、管片拼装机、排土机构、后配套装置、电气系统和辅助设备。
2.1盾体盾体主要包括前盾、中盾和尾盾三部分，这三部分都是管状简体，其外径是6．25m。
前盾和与之焊在一起的承压隔板用来支撑刀盘驱动，同时使泥土仓与后面的工作空间相隔离，推力油缸的压力可通过承压隔板作用到开挖面上，以起到支撑和稳定开挖面的作用。
盾构机械的结构与原理分析
盾构机械的结构与原理分析盾构机械一直是地下工程施工领域中不可或缺的重要设备之一。
其独特的结构和工作原理使得它成为隧道施工的重要工具。
本文将对盾构机械的结构和原理进行详细分析，以帮助读者更好地理解盾构机械的工作机制。
盾构机械一般由主体结构、推进系统、控制系统和刀具系统等部分组成。
其中，主体结构是盾构机械的骨架，支撑着整个设备的运作。
主体结构通常包括盾构机、推进机和仓壳等部分。
盾构机是盾构机械的核心部分，主要由前盾、尾盾和主盾组成。
前盾前端有一组刀具，用于钻削地层并推动盾构机向前推进。
尾盾则用于支撑后端洞口，防止土层坍塌。
主盾安装在前、尾盾之间，起到连接和固定的作用。
推进系统是盾构机械的重要组成部分，用于推动盾构机向前推进。
推进系统一般包括液压缸、推进盘和阻力盘等部件。
液压缸由一对油缸组成，通过推力将盾构机向前推进。
推进盘通过液压缸的运动实现轮胎与隧道壁面的接触和推进。
阻力盘紧贴隧道壁面，用于保持盾构机的稳定和平衡。
控制系统是盾构机械的智能化部分，用于控制整个设备的运行。
控制系统一般由PLC（可编程逻辑控制器）和人机界面组成。
PLC负责盾构机械的运行逻辑和参数控制，可以根据施工要求调整推进速度、刀盘转速等参数。
人机界面则提供操作员与控制系统的交互界面，用于监控盾构机的运行状态和进行操作控制。
刀具系统是盾构机械的作业部分，用于钻削地层和开挖隧道。
刀具系统一般由刀盘、驱动器和剥离器等组成。
刀盘安装在前盾前部，通过刀齿进行地层的钻削和破碎。
驱动器则通过传动系统将动力传递给刀盘。
剥离器则负责将破碎的地层从刀盘上剥离并运出隧道。
盾构机械的工作原理主要是利用刀盘的转动和推进系统的推力来实现隧道的开挖和推进。
首先，盾构机械进入施工区域，前盾与隧道壁面紧密贴合，阻力盘则作用于后盾。
然后，刀盘开始旋转，并通过刀齿对地层进行钻削和破碎。
推进系统则通过液压缸的推力，将盾构机推向前方。
同时，废渣通过刀盘上的剥离器剥离并运出隧道。
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精心整理
盾构机泡沫系统原理与应用
0 引言
泡沫是一种调节介质，由发泡剂与水的混合液和压缩空气相混合，经泡沫发生
器发泡成30～400um微细乳状泡沫，注入到掘削面和土仓，确保渣土顺利排出，保
不可少的添加剂。
1 泡沫系统的组成与原理
1.1
成，如图
?
?
?
点
?1个水泵，流量为133l/min
?1个泡沫泵流量为5l/min
?混合液控制装置
?压缩空气控制装置图1 ?4个泡沫发生器
?测量装置及其控制
?用水冲洗时的切换装置
1.2泡沫系统的原理
水和发泡剂的混合是在混合液的控制装置完成。
发泡剂装在可更换的罐中，发
泡剂通过定量泡沫泵供给，水通过定量水泵供给，二者混合后再通过流量控制装置
供给到相关管路。
量是通过SPC
2
2
图3
图
2是
泡沫
系统参数的输入面板，其中管路1-4为泡沫系统四条管路的流量（l/min）；FER为发
泡率=单条管路泡沫流量/单条管路液体流量；FIR为注入率=注入泡沫总量/开挖渣土
的容积；流量为自动模式下每条管路泡沫量占总泡沫量的百分比；泡沫浓度为发泡
剂在水溶液中的浓度；工作仓最大土压为泡沫系统自动停止工作时的最大土仓压力。
图3是泡沫系统参数的显示面板，泡沫系统工作状态有四种：停止、自动、半
自动和手动。
泥土压力为1号土仓压力与3号土仓压力的平均值，该值如果超过工作仓最大土压，泡沫系统就停止。
混合液流量显示了混合液的流速与总流量，每环更新；压力显示泡沫管路当前压力值；空气实际值显示管路空气流量实际值；空气目标值显示管路空气流量目标值；混合液体实际值显示管路混合液体流量实际值；混合液体目标值显示管路混合液体流量目标值=每条管路流量/FER。
泡沫系统的操作方式有三种，分别是手动模式、半自动模式和自动模式。
在启
用泡沫系统前，
过SPC
设置范
围为
和FIR，对注入的泡沫进行控制。
3
半自动模式和自动模式为主，现在就以两个工程实例来说明泡沫系统的使用。
3.1采用半自动模式适应基岩隆起地层的推进
深圳滕创瑞科技有限公司经营的泡沫所在深圳地铁三号线3102标工程刚刚通过38米长的，基岩高度最大为 3.8米的基岩隆起区。
隧道下层为花岗岩，强度高达160MPA，上层为砂层，是典型的上软下硬型地层，在这种地层中掘进需要防止坍塌和刀具磨损。
盾构机在这种地层推进，必须控制好掘进参数和注入合适的添加剂。
我们选用的掘进参数为：刀盘转速1.1-1.3r/min,推进速度为5mm/min，土仓压力为土仓水头压力加0.4bar,并注入干燥泡沫。
泡沫系统采用半自动模式，泡沫原液采用滕创瑞科技有限公司的泡沫，泡沫浓度设定为3%，每管流量设定为200l/min，FER 设定为25，开四条管路。
在掘进过程时，检查渣样，并对比泡沫效果。
泡沫发出的效果很好，致密细腻，有张力，有粘力，存在时间长，能充分融入渣土，起到了改善渣土，保护刀具的作用。
实践证明，我们通过控制掘进参数和注入干燥泡沫，在
3.2
，刀
，土仓
在掘进速度正常的情况下，我们一
25%，那么FIR设定多少呢?FIR
Y的估算公式如下：Y80-3.3×E0.8）＋（90-2.7×F0.8）}；
式中Y－泡沫注入率（％）；
D－0.075mm粒径的通过百分率，4×D0.8＞60时，取4×D0.8＝60；
E－0.42mm粒径的通过百分率，3.3×E0.8＞80时，取3.3×E0.8＝80；
F－2mm粒径的通过百分率，2.7×F0.8＞90时，取2.7×F0.8＝90；
a－均粒系数V C决定的系数，V C＜4时，a＝1.6；4≤V C≤15时，a＝1.2；15≤V C时，a＝1.0。
当Y＜20％时，取Y＝20％。
盾构机穿越砾质粘土地层D=3.9，E=20.1，F=28, V C=14,计算得Y（％）=1.2/2×{（60-60）＋（80-50.14）＋（90-19.71）}=71.45,因此在泡沫注入率为60.09%。