土压平衡式盾构机的施工技术与设备故障处理

赵　康

中铁二十局集团第四工程有限公司　山东省　266061

摘　要：盾构机是隧道作业的主要施工机械，本文总结了盾构机的基本工作原理，分类，详细介绍了土压平衡式盾构机的构造、基本工作工艺。并分析了目前施工过程中常见的施工问题以及解决这些问题的施工技术，对于现代的隧道施工具有指导意义。

关键词：土压平衡式盾构机；施工工艺

Abstract: the shield machine is the main construction machinery tunnel operation, this paper summarizes thebasic working principle, classification of shieldmachine,introduces in detail the structure, earth pressure balance shield machine working process. And the analysis of the current problems in the construction ofcommonconstruction process and the problem of construction technology, which is of great guiding significance for the construction of modern tunnel.

Key Words: earth pressure balance shield machine,construction technology

中图分类号：TU74 文献标识码：A

1、概述

1.1 盾构机的工作原理

盾构机一种进行隧道掘进、施工的专用工程机械。近些年，交通压力越来越大，地铁在我国的各大中城市慢慢推广，盾构机的应用也得到极大推广。此外，盾构机还越来越多的应用到公路、铁路、市政、水利等隧道作业领域。盾构机的设计构造涵盖了力学、地质、土木工程、机械工程、测量技术等等多领域的学科。随着现代科技的进步，盾构机还逐渐融入了光、液、电、传感、电子信息等等先进技术，不断的完善，以适应各种地质条件的隧道施工。

现代盾构机的基本工作原理是在金属护盾的保护下，整机沿着隧洞的轴线前进，利用旋转刀盘对挖掘面进行切削分解，破碎的土渣通过刀盘开口进入整机土仓，在螺旋输送带的作用下出土输送到地面，同时由注浆装置完成注浆。

1.2 盾构机的分类

按照地质条件的不同以及盾构机工作方式的不同，可以把盾构机分为三种类型、四种模式。三种类型分别为软土盾构机、硬岩盾构机、混合盾构机。按照工作方式的不同可以分为以下四种：开胸式、半开胸式（欠土压平衡式）、闭胸式（土压平衡式）、气压式四种。软土盾构机适应于未固结成岩的较软土质，半固结成岩及全风化和强风化围岩。对于这种土质的岩层一般刀盘只安装刮刀，无需滚刀。硬岩盾构机适应于硬且较致密完整的岩层，只安装滚刀，不安装刮刀。混合盾构机适应于以上两种情况，适应更为复杂多变的复合地层。可同时安装滚刀和刮刀。

1.3 土压平衡式盾构机

土压平衡式盾构机是通过调节排土速度和排土量来平衡泥土仓的土压、开挖面的土压以及地下水压，来达到保持开挖面平衡稳定的状态，实现顺利施工。土压平衡式盾构机的主要组成部分为碎土机构（主要刀盘）、盾体、主驱动系统、推进系统、螺旋输送系统、管片输送系统、过滤冷却系统、注浆系统等等。碎土机构的主要部件是刀盘，在液压或电驱动下，高速旋转实现土壤的分解。刀盘按照刀片的切削性质有滚刀和刮刀两种，刮刀切削较软土层，刮刀可以破碎较硬土层；盾体是整机的金属保护装置，要承受来自周围土层的压力，并临时支撑周围土层，挖掘、排土、注浆过程都在护盾的保护下进行；主驱动系统是整个集体的动力装置，主驱动装置由主轴承、八个液压驱动马达、八个减速器及主轴承密封组成。按照驱动方式分为液压驱动和电驱动；推进系统在中盾内侧，安装有推进油缸，以实现连续切削；螺旋输送系统把切削下来的土壤输送出土壤仓，通过调节螺旋输送的转速调节输送速度以及出土量调节压力平衡；管片输送系统由装机大梁、旋转架、支撑架组成，通过液压油缸的作用可以操作管片垂直升降及左右摆动，准确定位，顺利完成注浆；注浆系统由注浆泵、浆液箱和管线组成。盾构机运行过程中注入管片和土壤间隙中，浆液凝固后可以稳定管片和土层。

2、土压平衡式盾构机的施工技术

土压平衡式盾构机的基本工艺流程是掘土、盾构前进、土方的挖掘与排出、管片拼装以及同步注浆。

1）掘土

掘土即破岩。破岩的基本原理分为软土破岩和硬土破岩，软土破岩主要通过刀具对于岩层施加一定的挤压所产生的剪切力实现岩层的破碎。硬岩的破土方法是通过滚刀的剪切力以及滚刀对岩层的冲击力，实现碾碎岩层的效果。为了实现连续的切削土层，就要靠刀盘转动所产生的切向力以及掘进装置产生的挤压力共同作用。滚刀破岩要同时满足两大条件：第一岩层具有一定的强度，滚刀的启动扭矩要小。刀具的选择、滚刀和刮刀数量的搭配、刀具参数的选择对于掘进速度、使用寿命、运转效率有较大影响。

2）盾构前进

盾构前进主要驱动装置是液压泵和液压油缸。液压油缸的作用是调节球形铰接杆的方向，调整支撑力及纠偏。液压泵提供液压油缸所需要的力。油缸上安装有位置传感器，可以随时掌握盾体的移动及挖掘速度，实现精细化控制。液压马达驱动刀盘旋转，同时调节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，被切削下来的碴土通过刀盘开口进入泥土仓，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。刀盘转速、螺旋输送机转速、千斤顶推力、推进速度、盾构姿态、纠偏方向与纠偏量、浆液配比、注浆量、注浆压力等是推进系统运行的主要参数。通过这些参数的优化和匹配使盾构达到最佳推进状态，即对周围土层扰动小、地层损失

小、超孔隙水压力小，以控制地面的沉降和隆起，保证盾构推进速度快、隧道管片拼装质量好。海瑞克生产的土压平衡式盾构机可以实现80mm/min 的进给速度。

3）土方的挖掘与排出

第一步掘土完成后，土壤通过刀盘开口进入土仓，收集土壤，然后经螺旋输送装置把土方排出隧洞。要实现稳定的掘土工作，就要控制开挖面土层压力和土仓压力平衡。要实现压力平衡就要对排土速度和排土量准确控制。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。

4）管片拼接

管片是整机的关键部件，直接影响到注浆的效果以及掘土轨迹的准确控制，管片可以旋转、垂直升降、水平移动，有六个方向的自由度，便于我们对管片的位置进行精确控制。同时掘进的球形铰接杆也连接在管片上，所以管片要有足够的强度。拼装工作的关键是保证环面的平整度，往往由于环面不平整造成管片破裂，甚至影响隧道轴线。同时要保证管片与管片之间以及管片与盾尾之间的密封性，防止管片漏水和盾尾漏水。

5）同步注浆

注浆系统，开挖土体和管片之间的间隙在盾构机掘进过程中需要持续不断地注入砂浆。注浆要做到及时、量足，且浆液体积收缩小。注浆时压入口的压力要大于该点的静止水压力与土压力之和，这样可以使浆液填充充分。土压平衡盾构压浆量一般为理论压浆量的140% ～ 180%。

3、施工过程中常见问题及解决方法

由于土层的多样性以及土壤结构的未可知性，在盾构机施工过程中常出现这样那样的问题影响施工的进度，工作效率，在这里重点分析了工作中常见的一些故障和原因分析、解决方案。

1）驱动系统异常

盾构机结构复杂、液压油路错综发杂，因此驱动系统异常是盾构机最常见的故障之一，油液污染是引起盾构液压元件、系统故障的最主要原因，常出现的异常现象有液压元件摩损加剧、液压油箱温度过高、液压元件损坏，容易造成堵塞，冷却器内部水道、水过滤器滤网；液压油泵供应不足、回油不畅等。解决这一难题，这就要求我们尽量保持油路的干净整洁。主要解决方法有：平时经常对液压元件清洗，清洗完成后要进行吹干。保证油箱清洁度和油液的质量。

2）盾构机无法推进

施工中，盾构机会出现刀盘正常运转但不能往前推进，主要分为以下几种：

a、土仓压力过高：土压平衡式盾构机一般设计土仓最大允许土压力为0.3Mpa，当出现土仓压力超过盾构机设计的压力值时，盾构机将无法推进。解决的主要方法为增加螺旋转速提高出土量，来降低土仓压力。b、刀盘压力过高：当在花岗岩孤石等岩石硬度较大的岩层挖掘隧道时，会造成刀盘的工作压力增大。解决方法为：保持刀盘继续旋转的情况下，待控制面板上刀盘压力值。同时选择正确的刀具参数，合理搭配刮刀和滚刀的数量，降低推进速度。

3） 皮带机打滑及偏转

造成这一现象的主要原因是拐弯偏大、皮带机内侧沾又泥土、出土块过大、皮带两边松紧相差过大等。解决方法为在皮带机发现跑偏情况下，手动葫芦调整台车皮带架位置来解决拐弯偏大，有时出土块过大会导致皮带手里偏向某一侧，可减小螺旋机出土速度来解决。

4、结束语

现在盾构机的应用越来越多，加工难题也越来越多。本文综合盾构机的发展详细介绍了土压平衡式盾构机的构造、施工工艺、施工难点及应对措施，平时的施工要注意设备的维护保养，希望能推进我国盾构机的快速发展。作者简介：赵康，1984 年生，男，河北保定人，河北农业大学机电工程学院机械设计制造及其自动化专业，担任中铁二十局集团有限公司青岛市地铁一期工程（3 号线）土建04 标项目物资设备部副部长，分管机械设备。__