1-手掘式；2-闭胸式；3-半机械式；4-敞开型机械式；5-泥水式；6-土压式；7-板刀式
图5 切口代表性土质盾构的形式
但以开工年度顺序来看，1980年泥水式占73%、土压式27%，1985年逆转为泥水式22%、土压式78%，见图6。可以说明这是由当时土压盾构的技术开发进展迅速所致。
图6 砂质土中密闭型盾构选择的历年变化
对于泥水加压盾构和土压平衡盾构之间的发展关系，日本专家认为“由密闭型盾构发展起来的土压系盾构工法，在日本原有的基础上仍在不断进行改良，其适应范围正在日益扩大。土压盾构工法有加水型、加泥水型；高浓度泥水加压盾构工法；泥浆盾构工法等和泥水加压盾构工法的范畴错综复杂，作为思考方式，对于在开挖面进行泥水加压的方法，将其归类于泥水加压盾构也许是不会错的”。 3?德国体系
德国Wayss和Fretag公司意识到膨润土技术所具有的潜在发展前途，开发了同类的膨润土掘进机，称为“液压盾构”，是泥水加压平衡盾构的一种类型。这种泥水加压平衡盾构的支护液体的压力用插入一个气压缓冲层加以控制。用部分隔板将盾构前面压力舱分成两个部分，隔板前面充满着支护液，隔板后面在盾构轴线上部的分格室有一个自由液面。气压缓冲层作用在支护液体上，即可用通常控制气压的机构来保持所要求的液面压力。因此，支护液体面的顶端气压和支护液有相同压力，控制压缩空气就可保证正确的液压。
1974年德国汉堡首次使用这种盾构开挖4.6km长污水总管，并在欧洲城市隧道施工中得到了良好的应用。在大开罗污水工程中也曾使用过这种泥水加压平衡盾构。
第二章 一、开挖面稳定机理
1?泥膜形成机理
泥水加压盾构是通过在支承环前面装臵隔板的密封舱中，注入适当压力的泥浆，使其在开挖面形成泥膜，支承正面土体，并由安装在正面的大刀盘切削土体表层泥膜，与泥水混合后，形成高密度泥浆，然后由排泥泵及管道把泥浆输送到地面处理。整个过程是通过建立在地面中央控制室内的泥水平衡自动控制系统统一管理。
在泥水平衡的理论中，泥膜的形成是至关重要的，当泥水压力大于地下水压力时，泥水按达西定律渗入土壤，形成与土壤间隙成一定比例的悬浮颗粒，被捕获并积聚于土壤与泥水的接触表面，泥膜就此形成。随着时间的推移，泥膜的厚度不断增加，渗透抵抗力逐渐增强。当泥膜抵抗力远大于正面土压时，产生泥水平衡效果。? 2?泥膜形成基本要素
从泥水平衡理论中可以看出，在泥水加压式盾构法施工中，尽快形成不渗透泥膜是一个相当关键的环节。然而，要形成泥膜必须满足下列四项基本条件。
(1)泥水最大粒径——泥水最大颗粒粒径对泥膜形成的效果有很大影响。根据土层渗透系数K的不同要求，泥水最大颗粒粒径亦不同，它们之间必需相互匹配，其关系见表5。?
泥水最大粒径与K值关系参考表 表5?
土层名称 粗砂 中砂 细砂 粉砂
(2)颗粒级配——颗粒级配对泥膜形成具有很大的影响，最佳的泥水颗粒粒径分布形式必须通过大量实验来确定。
(3)泥水浓度——泥水浓度提高能使泥水屈服值升高，同时能使泥膜的稳定性增强。实验证明高密度的泥水可以产生高质量的泥膜。
(4)泥水压力——虽然渗透体积随泥水压力上升而上升，但它的增加量远小于压力的增加量，而增加泥水压力将提高作用于开挖面的有效支承压力。因此，开挖面处在高质量泥水条件下，增加泥水压力会提高开挖面的稳定性。?
3?掘进速度与泥膜的关系
泥水加压式盾构处于正常掘进状态时，刀头并不直接切削土体，而是对刀盘正面已形成的泥膜进行切削。在切削后的一瞬间，又形成了下一层泥膜。由于盾构刀盘转速是一定值，而且盾构推进速度最大能力又受到一定限制，因此掘进速度只和切入土体的深度有关，而和泥膜无关。
但是当泥水加压式盾构在不正常掘进状态时，特别当泥水质量和切口水压达不到设计要求时，泥膜需经过较长时间才能形成，这样就约束了掘进速度。高质量泥水形成泥膜的时间为1～2秒。?
第二章 二、开挖面稳定的判断方法
泥水加压式盾构在掘进过程中，泥水不断循环，开挖面的泥膜因受大刀盘的切削而处在形成—破坏—形成进施工中开挖面稳定就成为最重要的管理项目之一，它直接影响着隧道施工质量。合理地进行泥水管理、切口水压管理和同步注浆管理，控制每环掘削量是开挖面稳定的必要保证。由于泥水加压式盾构在掘进过程中，开挖面充满泥水，泥水室前侧是切削刀盘，后侧是密封隔墙，四周是盾构壳体，施工操作人员是不可能用肉眼直接观察到开挖面稳定状况。为此，通常采用下述方法对开挖面的稳定状况进行判断。 1?土砂量掘削控制
(1)根据地质情况进行理论性的每环掘削量土砂计算
所求得的理论掘削量将作为控制每环实际掘削土砂量的大致目标。 (2)实际掘削土砂量
实际掘削土砂量是通过中央控制室的掘进管理系统，直接显示在计算机屏幕上，它能较真实的反映实际掘削过程中的掘削土砂量。但由于设臵在泥水输送管路系统中用以测定泥水密度和泥水流量的密度计、流量仪等仪器的误差，使实际掘削土砂量因测量精度而产生误差。
为了将系统误差缩小到最低度(控制在测量仪表正常精度范围内)，需在旁路运转时，定期检查校正设备。
地层渗透系数K(cm/s) 1～9×10 1～9×10 1～9×10-1～-201泥水最大粒径(mm) 0.84～2 0.42～0.84 0.074～0.42 ＜0.074 1～9×10 -3 (3)实际掘削土砂量W′(干砂量)与偏差流量Δq的关系 偏差流量Δq瞬时计算式： Δq=Q1-(A〃VS+Q0) 式中：
Δq—偏差流量(m/min) A—盾构刀盘面积(m) VS—推进速度(m/min) Q0—进泥流量 m/min Q1—排泥流量 m/min
上式变换可得到排泥流量计算式： Q1=(A〃VS+Q0)+Δq
由此可见，实际掘削量W′(干砂量)与偏差流量Δq的关系，偏差流量为正值时，盾构处于“超挖”状态，干砂量比标准值大；偏差流量为负值时，盾构处于“溢水”状态，干砂量比标准值小。 (4)掘削量的判断方法
每掘进50～100环后，统计10～50环泥水质量较好、每环掘进后盾构切口上方地面沉降量较小的掘削量，并将统计值输入计算机。在掘进过程中，动态观测本环掘削量曲线与统计曲线的变化情况。
当发现掘削量过大时，应立即检查泥水密度、粘度和切口水压。此外，也可以利用探测装臵，调查土体坍塌情况，在查明原因后应及时调整有关参数，确保开挖面稳定。? 2?溢水量检查
泥水质量的好坏将直接影响泥膜形成的时间和开挖面的稳定。溢水量是测定泥水浆液质量的一个较好的方法。在延安东路南线隧道泥水盾构施工中认为较好质量的泥水溢水量为6.2×A(l/m〃h)，A为掘削断面积(m)。
当掘削停止时，中央控制室观测单位时间内的累计值，如果泥水溢水量大于6.2A(l/m〃h)，则应检查泥水质量和管路系统泥浆情况。? 3?利用探测装臵进行土体崩塌检查
为保证开挖面稳定，有必要利用安装在盾构顶部的探测装臵定期进行检查，判断盾构前上方的土体有无松动。一般要求每天进行2～3次的检查，并做好探测记录。
如发现土体有可能崩塌时，应首先对探测结果进行综合分析，并适当增加泥水密度和进行泥水循环。? 4?地表沉降与信息反馈
地表沉降也是反映盾构正面稳定的一个方面。因此需在盾构掘进沿途布臵沉降测点，跟踪测量因盾构掘进而引起的地表沉降情况。一般每天需对盾构前10～20m、盾构后30～50m轴线区域内的各沉降点进行监测。同时，也应对30～50m以后的各点进行定期测量，直至沉降稳定为止。
开挖面不稳定而产生的地表沉降往往发生在盾构切口前方，这时应检查泥水质量及切口水压。当盾构后方发生较大沉降时，多数是由于同步注浆不足所致，这时应提高同步注浆率，改善注浆效果。? 5?开挖面水压信号检查
在检查开挖面水压时，应注意检查开挖面水压信号传感器，有时会因为管路堵塞而影响正常采集数据。 ?第二章 三、开挖面稳定计算?
泥水加压式盾构由于是依靠泥水来达到开挖面稳定，以流体输送土砂为特色，并且开挖面经常充满受到水压和比重等控制的泥水，所以必须考虑在密闭加压状态下，由泥水产生的开挖面稳定。泥水加压盾构施工时，开挖面是垂直直立着的土壁，刀盘不断对其切削，不断出现新的开挖面。此外，泥水是循环的流体，具有流动的动态性质。在这些方面，它和地下连续墙的保护面处于静态的泥水状况是不一样的。一般泥水盾构工法是将泥壁(泥浆护壁薄膜)作为媒体，由泥水压力来平衡土体压力，对泥水不作任何调整是很难适用的(优良的泥壁是在一分钟内生成厚度达1mm左右)。然而在刀盘切削时，当泥壁尚未形成以前，泥水仍然会不断地渗透到土体中，这种渗透壁较原有土体良好。
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这种渗透壁不一定非良好的泥壁不可，因此不使用具有良好的泥壁形成性的膨润土事例也很多。根据孔隙的大小、土体的形状等，有时粒子大的粘土更为适当。从经济角度来看，使用现有土体的粘土成份几乎完全是有利的。
泥水也取决于粘土的种类，在溶胶状态下充填开挖面后被循环。可以想象增加压力，一部分在静止的状态下按原样成为半固体，另一部分变成凝胶状。若一旦施加搅拌、振动等，就会再次发生可塑变化，回到溶胶状，具有触变性。这种现象不仅是膨润土，在高岭土粘土等中也已被确认，同时也认识到半固化的凝胶将增加强度。根据震凝现象，轻轻给予剌激，即也可以认为由轻轻加压容易产生凝胶化。但是即便在没有凝胶化前，也可以认为受到加压的密闭溶胶和它自身半固化的凝胶是相同的性状，可以想象在这样的环境中开挖面是很难坍塌的。
泥水是流动体，也许还必须从流变学上来进行探讨，并加以修正。关于液体正在用流动和粘性法则等进行研究，但是对于开挖面的维护要把粘性作为主体，将粘土悬浮液作为泥水的重要性状，简单地说就是糊状的软琼胶物。当加压后，一定要考虑在流动状态下对开挖面产生的影响。
上述开挖面的稳定，按理说是动态的现象，被认为一定要作为流变的现象来解决，在现阶段还没有作为泥水加压盾构工法范畴来加以解决。因此即使是作为作用在开挖面上的土压和水压的想法也还是有差异，由于没有一个统一的衡量标准，所以将村山氏公式、太沙基公式和在藤井氏公式上添加加压部分的公式来分别列出。
泥水加压盾构对开挖面的稳定是由于：
(1)良好的泥水在受到加压后所产生的流体力学和土力学上的力； (2)大刀盘产生的机械推压等力。
由于这些受力情况是随土质、地下水情况以及特性的不同而有很大差异，所以就经常采用泥水加压盾构施工的几种地层的稳定作一论述。?
1?粘性土层
粘性土层的渗透系数极小。粉砂土、粘土和胶体的微小土粒都是经过电化学结合后形成硬凝胶状，不用说是泥水的渗透，即使是清水的渗透也是不可想象。水土压力合算时，加在其壁面上的力可以根据三角形状的土块塌方的推定来考察，也可以作为溶胶状泥水(也有凝胶状时期)和凝胶状土体的压力问题来考虑。 设Pa(土压)和Pf(泥水压)达到平衡，见图11
图11
则Pa=Pf Pa-Pf=0
其临界高度为：
由此，可得到稳定的安全系数为：
在粘性土层场合，当使用清水时，尽管γf=1(=γW)时，开挖面保持稳定的事例亦不少。 式中：?
γ—土体的单位体积重量 H—高度(深度)
Su—土体的不排水抗剪强度 γf—泥水的单位体积重量 q—上载荷重
2?砂质土层 (1)干砂
这种场合，没有粘聚力，而与内摩擦角有关。对于渗透壁，从地层土压和泥水压力的平衡来考虑，则
式中：
取稳定安全系数为1，则Pa=Pf 稳定安全系数