至土层表面崩塌。此外，任何刀头之间的高度的崩塌形状为相似形。 ③泥水加压的场合
泥水加压也和(1)、(2)有相同的初期状态，用泥水加压开挖面，此后，逐渐降低土舱压力。开挖面的崩塌形状见图19。
图19 刀头之间开挖面崩塌形状(泥水加压)?
崩塌状况和泥水膜加压有不同的阶段性崩塌，压差(有效压力)比(2)更小，下降到0.0003MPa时发生了土层表面的最终滑崩。此外，滑动砂土成大象鼻子形状的土块并落进土舱。
崩塌形状，因在开挖面底部的直立角约55～65°，与水加压或泥膜水加压形成了不同的形状。并且无论是怎样的刀头间距，崩塌形状均为相似形。 (2)刀头之间的高度与开挖面的稳定压力
图20，上方加荷载压力是0.0374MPa，显示了将刀头之间的高度变化为5、10、20cm时的水加压、泥膜水加压及泥水加压时达到开挖面稳定的最小稳定压力。
从图20中知道刀头之间的高度和稳定压力成一定比例。此外，刀头之间的高度在20cm情况下，对于同水加压时的0.0038MPa相比，泥膜水加压时的0.0015MPa就显得很小，开挖面表面的砂土粒子仅由泥膜来约束，其稳定压力很小。而泥水加压时仅为0.0003MPa，比泥膜水加压更小，显然稳定效果更高。 (3)刀头之间开挖面稳定机理和泥水加压的有效性
从水加压、泥膜水加压及泥水加压的三种实验结果，考察有关刀头之间开挖面稳定机理。
首先，在水加压的条件下，刀头之间开挖面的稳定不是由土舱压力与地下水压力的压差作用，而是由土舱和土槽排水端的水力坡度产生的渗透力在开挖面砂土粒子上增加水平方向压力，来防止开挖面砂土粒子落下。由于一旦降低土舱压力，渗透力就下降，开挖面表面对砂土粒子的约束力不够，砂土粒子相继落下，开挖面受到挖损。这种破坏将不断进展到开挖面内部(初期崩塌)。由于这种初期崩塌是根据渗透力决定开挖面表面的砂土颗粒是否被留在其表面，所以对于稳定压力和刀头之间的高度没有关系。
此外，第一次初期崩塌时的水力坡度是i=2.18。但是，由于现场排水距离长，要承受这样大的水力坡度是困难的。因此，用水加压使刀头之间开挖面的稳定是不可能的。
其次，在泥膜水加压条件下，由于不透水性的泥膜约束开挖表面砂土粒子的落下，因压差十分有效地起加压作用，在开挖面产生抗剪刀。因此，在这种状态下的刀头之间部位的稳定压力，比水加压时小得多。但是一降低相当的土舱压力，压差(等于有效压)就减小，开挖面土层被推出土舱侧，伴有裂缝泥膜的砂土崩落，随后砂粒子不断崩落，崩塌状况和水加压相同。这时，由于压差比水加压的最小稳定压力小，所以不断崩落直至最终崩塌。
图20 刀头之间的高度和最小稳定压力关系
在泥水加压的条件下，也是由被形成的泥膜约束开挖面表面砂粒子移位，压差作为有效的压力作用于开挖面。并且，由于土舱压力降低，即使开挖面表面泥膜崩塌，由于泥水重新组成泥膜的作用和泥水自身粘性抵抗力也能防止砂土粒子崩落，因压差几乎都成了有效泥水压，所以在开挖面内产生剪切抗力，如图19所示刀头之间的开挖面土体发生土块式滑塌。因此，稳定压力变得比泥膜水加压更小。
通过上述实验知道水加压和泥膜水加压时，由于发生开挖面砂土粒子的崩落，稳定压力变大，而泥水加压时，从上述静态实验状况来看，即使开挖面被刀头切削，开挖面的砂土粒子的崩落也能防止。所以有效泥水压力值即使很小，也能达到刀头之间开挖面部位的稳定。因此作为泥水性状期望它尽可能有防止开挖面砂土粒子崩落的约束效果。
4?刀头之间开挖面在实际盾构掘进机上的稳定
如前所述，如果使用的泥水能防止开挖表面砂土粒子的崩落，有效泥水压力即使是很小的值，也能达到刀头之间开挖面稳定。为此，调查了实际盾构掘进机中的刀头之间开挖面稳定需要多少程度的有效泥水压力。
以日本福冈地铁为例，泥水压和地下水压的压差在盾构中心是相当大，其值为0.057MPa，而现场有效泥水压力的实测值为压差的7.5%，只有0.0043MPa。这时开挖面地面的变形几乎和图16不同，可以判断用0.0043MPa有效泥水压能保持刀头间的开挖面稳定。因此，要研讨刀头之间开挖面的稳定需要的压力(有效泥水压力)确保在什么值为好。这台盾构掘进机刀头之间的部位的形状，如图21所示是V字形，最大高度是半径5.1m。
表9是运用村山理论求出的变化刀头之间部位的高度后，稳定时需要的加压值。
?刀头之间部位的高度和必要加压值关系 表9?
高 度 510 400 300 200 必要加压值（Mpa） 0.0101 0.0080 0.0060 0.0040 表9中，求出高度为5.1m时，加压值是0.0101MPa，比相当于加压效果的有效泥水压力的实测值0.0043MPa大。并且0.0101MPa是位于开挖面前60cm的值，若考虑在开挖面表面附近将变得更小，则可认
为刀头之间开挖面稳定所需要的高度要小于2m。
图21 泥水盾构刀头配臵图(福冈地下铁)
作为理由，刀头压力在刀头之间开挖面内部传播，并且由于刀头之间面积是被刀头阻拦形成的V字形，所以易崩塌部分被限定在从开挖面表面起的极浅层处。因此，象这样的开挖面浅层部分的土块稳定所需要的有效泥水压力还不明确，但根据盾构半径大小，可以推定在0.0040～0.0010MPa范围。但是开挖面掘削时使用的泥水，若不能确保必要的有效泥水压力，将可能在刀头间开挖面产生浅层崩塌，因此使用的泥水性状十分重要。
此外，刀头间开挖面稳定和盾构掘进机刀头的配臵状况有关。对于比图21排列更密的场合，必要加压值可以更小，所以在实际盾构中刀头的数量、配臵及切削扭矩等在允许范围内，刀头之间面积越小越有利于开挖面浅层部的稳定。
在砂质土层中，对于泥水盾构的开挖面全体稳定，弄清了并不是象以前想象的那样把泥水压力和地下水压的压差作为有效泥水压，由这一压差来完成稳定，而是根据刀头的合计压力由加压来达成的。此外，刀头压力不直接作用的刀头之间开挖面浅层部分的稳定主要是依靠泥水压力，有关这一稳定的机理和必要的有效泥水压力进行了调查。并且，对刀头之间部位的稳定所必要的泥水压力的作用也进行了探讨。在此，经过实际观察得到以下几点：
(1)从福冈地铁的孔隙水压和土体变形的量测结果来看，根据在开挖面地层发生的剩余孔隙水压，有效泥水压力非常小，在0.0043MPa状态下能保持开挖面的全体稳定。这是因为作用在开挖面的刀头压力比开挖面地层的有效静止土压大，刀头压力有助于开挖面全体的稳定。
(2)泥水盾构的开挖面的稳定，有必要分为由刀头压力产生的开挖面全体的稳定和由有效泥水压力产生的刀头之间开挖面的稳定的两个方面来考虑。
(3)刀头之间开挖面的崩塌形态，在水加压及泥膜水加压时为砂土粒子的落下崩塌，泥水加压时为滑动崩塌。
(4)若对落下崩塌和滑动崩塌的稳定压力进行比较，则滑动崩塌时，为了发挥土体自身具有的抗剪应力而变得很小。为此约束开挖面表面砂土粒子的落下就更为重要，泥水加压的意义更加深远。
(5)若考虑由实际盾构掘进机的刀头配臵所产生的传播到开挖面内部的刀头压力的控制效果，则在刀头之间的面积部位仅表面附近的浅层部分是不稳的，因此对于稳定所必要的有效泥水压力很小。
(6)在开挖面，泥水主要有两个作用，其一是防止受到切削开挖面的砂土粒子的继续落下，使刀头接触土体点的砂土地层得到稳定，并使刀头压力确实扩散传播给开挖面土体内。其二是产生必要的对开挖面的
压力(有效泥水压力)，以防止刀头之间部位的浅层崩塌。?? 第二章 五、适用土层范围
泥水加压盾构最初是在冲积粘土和洪积砂土交错出现的特殊地层中使用，由于泥水对开挖面的作用明显，因此在软弱的淤泥质土层、松动的砂土层、砂砾层、卵石砂砾层、砂砾和坚硬土的互层等地层中均适用。图22所表示的是适应于泥水加压盾构的地质和N值的关系。
目前泥水加压盾构工法对地层的适用范围正不断扩大，即使处于恶化的施工环境和存在地下水等的不良条件下，由于有相应的处理方法，因而被认为几乎能适应所有的地层。现就下列不同土质，从经济而又安全地掘削施工方面作一比较。?
图22 泥水加压盾构的适应地层
1?粘性土层
粘土矿物经相互间电化学结合而形成的粘性土层，近似变质了的琼胶块状体，所以由泥水比重和加压带来的力就容易形成对开挖面的稳定，不论粘性土层的软弱状态如何，都适合于用泥水加压盾构工法施工的地层。日本的冲积层和洪积层的两层粘性土层，在敞开型盾构工法中，因开挖面敞开时间过长而引起的开挖面坍塌和弹塑性变形，是很难防止地面下沉的。密闭型盾构工法，因周围土体受到扰动而造成的地面沉降较大，泥水加压盾构在加压时，又用刀盘作圆周切削可解决上述地表沉降的问题，因而泥水加压盾构是最适当的。同时，泥水加压盾构也适用于超出密闭型盾构使用范围的(由于粘性、液性界限和砂的比例等)粉砂土及粘土层。
2?砂层
不含水的砂层由于漏浆，就不能保持住对开挖面的加压和稳定。通常，在含有某一数量的粉砂土、粘土的冲积层中，几乎都有一定的含水量，全部都是细砂的地层是少见的，干燥的松弛砂也很少有，由于砂层内摩擦角有许多是在φ=28°左右，所以大部分可用泥水加压来保持开挖面的稳定。松弛的含水量多的砂层，在其它盾构工法中是很难保持土层稳定，采用泥水加压盾构并提高其泥水比重、粘度和压力是适用的。
3?砾石层
颗粒级配组成好的密实砾石层开挖面是稳定的，没有必要采用泥水加压盾构。但是对于水分多、不含有作为粘合剂的粉砂土及粘土等，相撞时会发出嗄拉嘎拉响声的砾石层和有大直径的砾石层，若不实行任何措施，就会发生开挖面塌方的事故。因此安装砾石破碎装臵和排砾装臵，增加了泥水加压盾构的适用场合。当使用泥水时，开挖面的稳定就容易保持。在有地下水可能涌出的场合下，管片不再是不能进行拼装了。但若不详细地调查砾石层颗粒级配组成、地层变动情况、地下水涌出量、流量以及砾石的啮合等状况，则是否需要采用泥水就值得考虑了。?
4?贝壳层
贝壳层很难称为一种土层，但含有水存在于土体中的贝壳很多，同上述砾石层一样更加坚硬，开挖面很难稳定，但使用泥水并用大刀盘挖土就可以成为能适应的地层。
除岩层以外，泥水加压盾构能适用于各类地质的土层，对开挖面难以稳定的土质特别有效，除地层(含水)因素以外，还能克服地面条件和其它地下条件的因素所造成的种种困难而取得成效，譬如上部是河或海等有水体的地方；有道路、建筑物的地方；有土中埋设物和地下结构物的地方，适合于要减少沉降的地方等。在这些场所采用泥水加压盾构，无论在工法上还是经济上都是有效的，见表10。?
盾构选型参考表 表10?
○原则上通用△应用时需要探讨? ?盾构型式 条件 土 软弱粘性土 硬盾粘性土 松弛砂质土 密实砂盾土 含漂砾土 泥岩层 手掘式盾构 开型敞 ○ ○ ○ ○ ○ 密闭型 半机械挖掘盾构 ○ ○ ○ ○ △ 一般 ○ ○ ○ ○ 机械挖掘盾构 泥水加压 ○ ○ ○ ○ ○ △ ○ △ ○ △ 土压系 盾 砾石土 对地质和地下水的容易应付地质最适合于软弱粘几乎同手掘几乎同手掘敞对地质容易应很难处理砾适应性 的变化，对于性土。 塌方可预先采在70%以上。 取地基处理工〃液性指数为法、降低地下90～200。 水位、气压工〃粘聚力以法等措施 0.5kg/cm为大致目标 2敞开型盾构开型盾构类付，特别适于石、漂石，似，并有利于滞水砂层和其在非滞水处开挖面的稳定它工法无法对需要加水加和施工效率的付的场合 提高。同样为稳定开挖面需兼用各种处理工法措施 泥 地下水涌出和〃粘土、粉砂土相同 需要排放土砂排出土方需要吊和手掘敞开和手掘敞开型需要有设臵泥和密闭型相设备、竖井、装运输设备，废型相同 基地 器材设备堆放土作为工业垃场地 圾，需要进行处理 作业面多，容极难应付，但可和手掘敞开敞开型时场地因为是密闭型同泥水加压易处理卵石、改为敞开型构型相同 开挖面障碍物 桩等 造，对于开挖面稳定的处理工法可另行安排 大容易对付。对开挖面稳定相同 但密闭型时对的处理需要安开挖面稳定要排其它工法 另行处理 相同 水处理设备用同 地 可以对前面开横向反力系数和手掘敞开采用中间折叠宛如在泥水中和密闭型相挖面施工，也小，有时难转弯 型相同 曲线施工 易转弯 式、超挖刀、浮游的状态，同，曲线段阻力板等措施 方向易保持，施工较难 不需要特别措施 施工速度 由于是人力掘不需要掘削，但掘削、堆放因为是机械掘掘削效率高，需要一般的