进工地畅人生，为您展示土木人的日常：大国制造的泥水平衡盾构机
泥水平衡盾构机的基本原理就是在刀盘后方设置一道封闭隔板，使得隔板与刀盘之间形成一个密闭的空间，即泥水舱，将水、粘土及添加剂混合制成的泥水，经输送管道压入泥水舱，当盾构机向前推进时，推进力通过以泥水作为介质而传递到掘削面的土体上，及泥水对掘削面上的土体作用有一定的压力，该压力称为泥水压力。为了维持掘削面的稳定，通常该压力按下式设定：泥水压=地下水压+土压+预压。
刀盘掘削下来的土砂进入泥水舱，经搅拌后含掘削土砂的高浓度泥水，由泥浆泵送到地表的泥水分离系统，进行水、土分离后，再把泥水重新压回泥水舱，如此不断循环地掘削、排土、推进。由于是泥水压力使得掘削面稳定平衡，故称其为泥水加压平衡式盾构，简称泥水盾构。
其特长是，掘进面通过泥水及泥水压保持稳定，能够将对地面的影响控制在最小程度。对于掘进面水压可用泥水压抗衡，在高水压地层(横贯海底/河川工程及大深度施工等)工程中发挥威力。该系统是以流体输送方式进行排土， 可保持坑内作业环境良好，便于利用长距离施工的系统实现长距离施工。
泥水盾构由于需要配套的泥水处理系统，相对于土压盾构而言，需要额外的占用地面资源，这对于建筑物密集的城市地铁而言无疑是十分苛刻的，这也是为什么城市地铁没有大量采用泥水盾构的主要原因之一。
1. 泥水的作用和性能要求。其主要作用是形成泥膜及稳定掘削面和运送掘削土砂。由于泥水压大于掘削地层的间隙水压(即地下水压)，泥水中的细粒成分及水通过地层间隙流入掘削地层。其中，细粒成分填充地层间隙，使地层的渗透系数变小。随着时间的增加，地层间隙被细粒成分填充得越来越充分，地层的渗水系数越来越小,最后完全被填充。
另外，由于泥水中的粘土颗粒带负电荷，而地层土颗粒带正电荷，故泥水中的粘土颗粒吸附聚集在掘削面的表面，形成一层均匀的泥膜。
综上所述，形成泥膜的因素有：渗透填充因素和表面吸附聚集因素。显然，泥膜生成后，泥水舱内的泥水再不能进入掘削地层(即杜绝了泥水损失，保证了泥水压力有效地作用在掘削面上)，与此同时掘削地层中的地下水也不能涌入泥水舱，这就是泥水的双向隔离作用，保证了掘削面的稳定，防止掘削面的变形、坍塌及地层沉降。
对于泥水必须具备如下一些特性：物理稳定性好；化学稳定性好；泥水的粒度级配、相对密度、粘度要适当；流动性好；成膜性好。
2. 配制泥水的材料和要求。泥水的配制材料，包括水、颗粒材料、添加剂。颗粒材料为粘土、膨润土、砂等为主，添加剂为CMC(羧甲基纤维素)等化学剂。泥水的具体配料的确认须根据掘削地层的土质条件确定。1）粘土:粘土是配制泥水的主要用料，应最大限度地使用掘削排放泥水中的回收粘土。2）膨润土:膨润土是泥水主材粘土的补充材料。
膨润土通常是以蒙脱石为主要成分的粘土矿物，遇水体积膨润10～15倍。另外，表面带负电易与带正电的地层结合形成优质泥膜。3）CMC(羧甲基纤维素)于水时呈现极高的粘性，多用作增粘剂。主要用于砂砾层中，有降低滤水量和防止逸泥的作用，也可抵抗阳离子污染。4）在使用地下水和江河水的场合下，事先应进行水质检查和泥水调合试验，必须去除不纯物质和调整pH值。5)在盾构在砾石层中掘进时，因地层的有效空隙直径较大，故需在泥水中添加一定的砂，以便填充掘削地层的孔隙，此时应据n=14～16的条件确认砂的粒径。
3. 压力设定如下图
4.泥水处理。排放的含有掘削土砂的泥水中混有砾石、砂、粘土及淤泥的结块等粒径较大的粗粒成分，所以必须对排放泥水作一系列的处理、调整，使之符合循环再利用标准及废弃物排放标准的处理、调整过程，称为泥水处理。具体又细分为一次处理、二次处理、三次处理。1)一次处理即携带掘削土砂的排泥中的砾、砂、淤泥及粘土结块等粒径大于74μm的粗颗粒，从泥水中分离出去，并用运土车运走。 2)二次处理即使一次处理后的多余的泥水进一步作土(细粒成分)、水分离(凝集脱水)，处理成可以搬运的状态，然后运出。3)三次处理即把二次处理后产生的水和坑内排水等pH值高的水处理成达到排放标准的水，然后排放。
5.掘削面稳定管理。从设备方面看，直接与稳定掘削面有关的机构是掘进机构、排泥机构和泥水处理机构三部分。1）掘进机构：掘削刀盘是稳定掘削面的重要因素。泥水盾构中利用泥水稳定掘削面及面板挡土，与用掘削土稳定掘削面的土压盾构相比，泥水盾构万一发生掘削面坍塌，则很难期望利用泥水挡土。2）送排泥机构：为使掘削面稳定在送排泥机构中，必须设置管理泥水和管理掘削土量的测量装置。利用控制送泥泵转数的方法控制泥水压，利用流量计和密度计测量掘土量。3）泥水处理机构：的功能是确保输给掘削面的泥水的质量。由调整槽调节泥水的质量，由制泥设备制作新的添加添加剂的泥水。4)掘削面的稳定管理以泥水压管理、泥水质量管理和判断掘削面稳定状态的掘削土量管理三项为重点。另外，参考表征掘削面稳定状态的地层变形测量数据、掘削面坍塌探查等施工管理数据，综合判断稳定状况。5)泥水压力的管理：通过各种泥水压力指示调节装置来实现。其难点在于如何获得准确的掘削前方水土压力。6)掘土量的管理：包括掘削量的管理和干砂量的管理。其中掘削量的管理通过测量理论掘削体积和实际掘削体积（送排泥流量差）来判断溢泥状态。干砂量管理通过测量理论掘削干砂量和实测干砂量的差异来判断超欠挖状态。7)泥水质量管理：就是施工过程中，根据不同的地层物性参数，实时调节泥水的各项物理、化学等性能指标，使之尽可能地与地层匹配，满足稳定掘削面的要求。
6. 泥水盾构机的使用优点。1)对地层的扰动小、沉降小。由于泥水盾构利用泥水压对抗掘削地层的地下水压、土压，同时泥水渗入地层形成不透水的泥膜，所以掘削土体对地层的扰动小，故地表沉降小。2)适于高地下水压，江底、河底、海底隧道施工。上述场合下，泥水盾构可选用面板型刀盘，所以增加了掘削的稳定性，加上泥水压的对抗地下水压的作用，故掘削的稳定性最可靠。3)适于大直径化。由于泥水渗入地层的浸泡作用，致使盾构的刀盘掘削扭矩变小，同样扭矩驱动设备的情形下，泥水盾构的直径可以做得大。目前最大直径的盾构(直径为14～15m)均为泥水盾构。4)适于高速化施工。除组装管片期间停止掘进外，其它工序均可连续施工。5)适用土质范围宽。适用的土质范围为软粘性土层、滞水细砂层、砂砾层、漂砾层、固结淤泥层及含甲烷气体的特殊地层等等。最适于在洪积层砂性土中掘进。6)掘进中盾构机体的摆动小。由于泥水的浸泡作用，地层对刀盘的掘削阻力减小，故盾构机的水平、竖直摆动小。
7. 泥水盾构机使用缺点。1)成本高。由于没有设置泥水管理系统、泥水处理系统，致使工序、设备复杂，成本高。2)排土效率低。由于通过泥水运出掘削土砂，故出土效率不高。3)地表施工占地面积大并影响交通、市容。由于泥水配制系统、泥水处理(3次处理)系统的存在，致使地表占地面积大增。有时受施工现场条件限制，无法满足占地需求。征地费用大，影响交通、市容。4)不适于在硬粘土层中掘进。在粘度大的硬粘土层中掘进时，易出现粘土粘附面板、槽口及出土管道，致使刀盘空转、槽口及出土管道堵塞，导致地层隆起、沉降。5)不适于在松散卵石层中掘进。对松散的卵石层(孔隙率大、孔隙有效直径大)而言，因无法形成泥膜，泥水损失量大，致使泥水压低且不稳定，即掘削面不稳定。
