土壓平衡式盾構(gòu)機的施工技術(shù)與設(shè)備故障處理

彭 敏

1 概述

盾構(gòu)是一種用于軟土隧道暗挖施工、具有金屬外殼且殼內(nèi)裝有整機及輔助設(shè)備，并在其掩護(hù)下進(jìn)行土體開挖、土碴排運、整機推進(jìn)和管片安裝等作業(yè)的隧道施工機械。盾構(gòu)法施工主要由穩(wěn)定開挖面、掘進(jìn)及排土、管片襯砌及壁后注漿三大要素組成，因其施工安全、穩(wěn)定、工廠化、防水性好及對地面影響較小等優(yōu)點得到越來越多的應(yīng)用，尤其是土壓平衡盾構(gòu)的使用已經(jīng)非常廣泛。

土壓平衡盾構(gòu)是在機械式盾構(gòu)的前部設(shè)置隔板，在刀盤的旋轉(zhuǎn)作用下，刀具切削開挖面的泥土，破碎的泥土通過刀盤開口進(jìn)入土倉，使土倉和排土用的螺旋輸送機內(nèi)充滿切削下來的泥土，依靠盾構(gòu)推進(jìn)油缸的推力通過隔板給土倉內(nèi)的土碴加壓，使土壓作用于開挖面以平衡開挖面的水土壓力。

2 土壓平衡盾構(gòu)的施工工藝流程

土壓平衡盾構(gòu)施工主要包括盾構(gòu)掘進(jìn)、盾構(gòu)姿態(tài)和糾偏量的控制、土方的挖掘與排土、管片拼裝、同步注漿等幾大主要工序。

1)盾構(gòu)掘進(jìn)。盾構(gòu)掘進(jìn)依靠推進(jìn)油缸的推力向前推進(jìn)。在盾構(gòu)推進(jìn)過程中要克服正面土體的阻力和盾殼與土體之間的摩擦力，盾構(gòu)總推力要大于正面推力和盾殼四周的摩擦力之和，但推力過大會使正面土體因擠壓而前移和隆起，而推力太小又影響盾構(gòu)前進(jìn)的速度。盾構(gòu)推進(jìn)時應(yīng)控制好推進(jìn)速度，并防止盾構(gòu)后退。推進(jìn)速度過快或過慢都不利于盾構(gòu)的姿態(tài)控制，速度過快易使盾構(gòu)上浮，速度過慢易使盾構(gòu)下沉。在拼裝管片時，縮回推進(jìn)油缸易使盾構(gòu)后退，后退引起土體損失勢必造成地表沉降。在土壓平衡盾構(gòu)施工中，要對土倉內(nèi)的壓力進(jìn)行設(shè)定，土倉內(nèi)的土體壓力要求與開挖面的水土壓力大致相平衡，這是維持開挖面穩(wěn)定的關(guān)鍵所在，也是土壓平衡盾構(gòu)施工最主要的技術(shù)環(huán)節(jié)。在土壓平衡盾構(gòu)施工中，盾構(gòu)推進(jìn)主要由10個參數(shù)控制，即土倉壓力、刀盤轉(zhuǎn)速、螺旋輸送機轉(zhuǎn)速、千斤頂推力、推進(jìn)速度、盾構(gòu)姿態(tài)、糾偏方向與糾偏量、漿液配比、注漿量、注漿壓力等。通過這些參數(shù)的優(yōu)化和匹配使盾構(gòu)達(dá)到最佳推進(jìn)狀態(tài)，即對周圍土層擾動小、地層損失小、超孔隙水壓力小，以控制地面的沉降和隆起，保證盾構(gòu)推進(jìn)速度快、隧道管片拼裝質(zhì)量好。一般在盾構(gòu)始發(fā)后都進(jìn)行一段試掘進(jìn)，結(jié)合地表沉降等環(huán)境變化參數(shù)的量測，進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化。

2)盾構(gòu)姿態(tài)和糾偏量的控制。盾構(gòu)姿態(tài)包括推進(jìn)坡度、平面方向和自身的轉(zhuǎn)角三個參數(shù)。影響盾構(gòu)姿態(tài)的因素有:出土量的多少、覆土厚度、推進(jìn)時盾殼周圍的注漿情況、開挖面土層的分布情況、推進(jìn)油缸作用力的分布情況等。例如盾構(gòu)在砂性土層或覆土層比較薄的地層推進(jìn)容易上浮。解決辦法主要是依靠調(diào)整推進(jìn)油缸的合力位置。盾構(gòu)前進(jìn)的軌跡一般為蛇形，要保持盾構(gòu)按設(shè)計軸線掘進(jìn)，必須在推進(jìn)過程中及時通過測量，并進(jìn)行糾偏。糾偏量不能太大，過大的糾偏量會造成過多的超挖。

3)土方的挖掘與排土。在土壓平衡盾構(gòu)施工過程中，挖土量的多少是由切削刀盤的轉(zhuǎn)速、切削扭矩以及千斤頂?shù)耐屏Q定的;排土量的多少則是通過螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)的。因為土壓平衡盾構(gòu)機是借助土倉壓力來平衡開挖面水土壓力的，為了使土倉壓力波動較小，必須使挖土量和排土量保持平衡。在施工中要以土倉壓力為目標(biāo)，經(jīng)常調(diào)節(jié)螺旋機的轉(zhuǎn)速和千斤頂?shù)耐七M(jìn)速度。

4)管片拼裝。管片拼裝過程中要減小盾構(gòu)后退，拼裝工作的關(guān)鍵是保證環(huán)面的平整度，往往由于環(huán)面不平整造成管片破裂，甚至影響隧道軸線。同時要保證管片與管片之間以及管片與盾尾之間的密封性，防止管片漏水和盾尾漏水。

5)同步注漿。盾構(gòu)外徑與管片的外徑大小不等，管片脫離盾尾后在管片的外圍形成一圈間隙，必須進(jìn)行注漿，否則將造成地層沉降。注漿要做到及時、量足，且漿液體積收縮小，才能收到預(yù)期效果。注漿時壓入口的壓力要大于該點的靜止水壓力與土壓力之和，盡量使其填充而不是劈裂。注漿壓力過大，管片外的土層被漿液擾動而造成較大的后期沉降，并容易跑漿。反之，注漿壓力過小，漿液填充速度過慢，填充不足，也會使地表變形增大。土壓平衡盾構(gòu)壓漿量一般為理論壓漿量的140%～180%。

3 土壓平衡盾構(gòu)在特殊地段的施工技術(shù)與措施

3.1 穿越復(fù)雜地質(zhì)地段的施工措施

1)使用泡沫添加劑改良土體。對于高含水量、高壓縮性、低強度、低滲透性的飽和軟粘性土以及流塑狀、軟塑狀的粉質(zhì)粘土，因蠕變量大，土層的蠕動、流動易造成開挖面失穩(wěn)，同時土層粘性大，易粘著盾構(gòu)設(shè)備或造成管路堵塞，給掘進(jìn)帶來困難。在隧道掘進(jìn)時使用泡沫添加劑，改良土體，降低土體對盾構(gòu)的粘著作用，以利于盾構(gòu)推進(jìn)，抑制盾構(gòu)機對周圍土層的擾動，從而達(dá)到防止地表下沉的目的。

2)使用膨潤土漿液改良土體。對于粉土、粉砂含水土，施工中會出現(xiàn)因涌水引起開挖面失穩(wěn)和地面沉降，并會出現(xiàn)突涌現(xiàn)象。為確保施工順利，在粉土層、粉砂含水層推進(jìn)過程中采用壓注膨潤漿液土改良土體，降低土體的透水性，加強工作面的密封性，有效抵抗承壓水頭，提供均勻可控的支撐工作面的穩(wěn)定性，保護(hù)刀盤以及保證盾構(gòu)螺旋出土機的正常出土。

壓注膨潤土漿液的同時觀察螺旋機的排土狀態(tài)及下面土體的沉降狀況，確保下面土體穩(wěn)定。砂性土的滲透系數(shù)較大，即孔隙水壓增加較快，同時消散也較快，而兩者的時間差為疏干的時效。因此，千斤頂?shù)乃俣瓤刂婆c之相配合，從而使盾構(gòu)推進(jìn)速度達(dá)到較好的狀態(tài)。

3.2 小半徑平曲線地段掘進(jìn)的施工措施

1)糾偏量的控制。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，加強對推進(jìn)軸線的控制，盾構(gòu)的曲線推進(jìn)實際上是處于曲線的切線上，因此推進(jìn)的關(guān)鍵是確保對盾構(gòu)機的控制。由于曲線推進(jìn)盾構(gòu)環(huán)環(huán)都在“糾偏”，因此做到勤測勤糾，而每次的糾偏量盡量小，確保楔形塊的環(huán)面始終處于曲率半徑的徑向豎直面內(nèi)。同時為控制管片的位移量，管片拼裝在適當(dāng)時候采用軟木楔子，以減少位移，從而達(dá)到有效地控制軸線和地層變形的目的。糾偏幅度每環(huán)不超過20mm。

2)出土量的控制。在曲線推進(jìn)過程中，為確保盾構(gòu)沿設(shè)計軸線推進(jìn)，控制盾構(gòu)出土量。一般來說，曲線外側(cè)的出土量大于內(nèi)側(cè)的出土量。當(dāng)盾構(gòu)偏離設(shè)計線路較大時，停止盾構(gòu)推進(jìn)，根據(jù)掌子面地層情況及時調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，避免引起更大的偏差。

3)注漿量的控制。盾構(gòu)推進(jìn)過程中，曲線外側(cè)出土量大，造成曲線外側(cè)土體的損失，并存在施工空隙。因此在曲線段推進(jìn)過程中，在進(jìn)行同步注漿時增加對曲線段外側(cè)的壓漿量，以填補施工空隙，加固外側(cè)土體，使盾構(gòu)順利沿設(shè)計軸線推進(jìn)。

此外，由于曲線段推進(jìn)增加了曲線推進(jìn)引起的地層損失及糾偏次數(shù)的增加導(dǎo)致了對土體的擾動的增加，在曲線段推進(jìn)時要嚴(yán)格控制同步注漿量，隨時調(diào)整注漿量及注漿壓力，并根據(jù)施工中的實際情況及變形監(jiān)測情況，隨時調(diào)整注漿參數(shù)，從而有效控制軸線。

4)管片拼裝。為控制盾構(gòu)推進(jìn)曲線，管片拼裝采取“居中拼裝”法。若管片無法居中拼裝，且曲線管片無法滿足糾偏時，采用軟木楔子進(jìn)行調(diào)整，使管片處于較理想狀態(tài)，確保管片拼裝質(zhì)量，使推進(jìn)軸線控制在要求范圍內(nèi)。

3.3 穿越立交橋的施工措施

1)加密測點。盾構(gòu)推進(jìn)至立交橋前，推進(jìn)軸線左右10 m內(nèi)加密布設(shè)沉降監(jiān)控點。橫向布點為推進(jìn)軸線中心處1點，左右各3點，點距2 m～3 m，縱向間距為3 m。2)增加檢測頻率。施工前所得初始數(shù)據(jù)為三次觀測平均值，以保證原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在盾構(gòu)穿越期間每隔4 h進(jìn)行跟蹤測量。待盾構(gòu)穿越后，沉降趨于穩(wěn)定時，逐漸減少檢測次數(shù)，并恢復(fù)正常檢測，待地面穩(wěn)定后停止檢測。3)動態(tài)信息傳遞。每一次測量成果及時匯總給施工技術(shù)部門，以便于施工技術(shù)人員及時了解施工現(xiàn)狀和施工區(qū)域變形情況，確定新的施工參數(shù)和注漿量等信息和指令，并傳遞給盾構(gòu)推進(jìn)面，對推進(jìn)面及時作出相應(yīng)調(diào)整，最后通過檢測確定效果，從而反復(fù)循環(huán)、驗證、完善，確保隧道施工質(zhì)量。4)對橋梁的保護(hù)措施。在盾構(gòu)穿越順馳立交橋時根據(jù)地質(zhì)情況及周圍施工環(huán)境，采取如下保護(hù)措施:a.在橋墩承臺處加密測點和增加檢測頻率。b.盾構(gòu)推進(jìn)時控制推進(jìn)速度、出土量、壓漿量及壓漿壓力等參數(shù)，并通過檢測數(shù)據(jù)及時、有效地加以調(diào)整，確保橋梁的安全。c.保持施工的連續(xù)性。d.通過隧道內(nèi)的預(yù)留孔向管片外壁壓注一定數(shù)量的雙液漿，加強對橋梁樁基的保護(hù)。

3.4 穿越房屋建筑密集區(qū)的施工措施

1)對穿越房屋地段進(jìn)行詳細(xì)補充調(diào)查。對盾構(gòu)穿越房屋的地段進(jìn)行詳細(xì)補充調(diào)查，以力求確切了解土質(zhì)特性、地下水情況和房屋結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)特點，明確地面沉降及房屋的沉降和傾斜控制要求。

2)積極保護(hù)方法中的施工監(jiān)測。在穿越房屋基礎(chǔ)時采用地面沉降觀測、分層沉降觀測、連通管觀測三種方法對土體、基礎(chǔ)及房屋進(jìn)行監(jiān)測。

這三種監(jiān)測方式從不同角度反映了盾構(gòu)引起的地表、地層及基礎(chǔ)和高程的變形情況，為盾構(gòu)施工參數(shù)的優(yōu)化提供了可靠的依據(jù)。連通管監(jiān)測有連續(xù)性、即時性、精度高等優(yōu)點，便于及時調(diào)整施工參數(shù)及采取補救措施。

3)優(yōu)化施工參數(shù)。施工參數(shù)的合理選擇和控制是盾構(gòu)掘進(jìn)施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對特殊地段的盾構(gòu)掘進(jìn)尤為重要。通過優(yōu)化施工參數(shù)，提出減少沉降的施工技術(shù)措施，可以把盾構(gòu)施工對建筑物的影響范圍減少到最低程度。具體措施有:a.合理設(shè)置土壓力值，防止超挖和欠挖;b.少糾偏，特別是大量值的糾偏;c.降低推進(jìn)速度，減小盾構(gòu)對土體的擠壓;d.同步注漿采用可硬性漿液;e.合理布置監(jiān)測控制點，保證同步注漿量;f.盾構(gòu)穿越后的補壓漿及必要的跟蹤注漿。

3.5 穿越地下管線密集處的施工措施

如何穿越此區(qū)間地下管線密集區(qū)，是工程施工難點之一。對地面沉降原因進(jìn)行分析，對沉降量進(jìn)行預(yù)測，采取信息化施工，對管線進(jìn)行主動保護(hù)，必要時進(jìn)行工程保護(hù)，保證管線的安全及正常使用。

對于重要管線采取從地面開挖樣洞，直接在管線上布沉降點。一般性管線，在管線上方的地表采用鋼釘或短鋼筋作標(biāo)記，在盾構(gòu)穿越時及穿越后進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測工作由專業(yè)人員實施，監(jiān)測人員分析每次的監(jiān)測數(shù)據(jù)及累計數(shù)據(jù)變化規(guī)律，根據(jù)實際盾構(gòu)推進(jìn)情況以及管線沉降量確定每日監(jiān)測頻率。

4 土壓平衡盾構(gòu)的常見故障分析與處理

土壓平衡盾構(gòu)經(jīng)過長時間的使用后，會出現(xiàn)各種各樣的設(shè)備故障，有些故障可以進(jìn)行事后處理，而有些故障必須進(jìn)行事前控制和干預(yù)處理，否則會造成很大的設(shè)備損壞。以下就土壓平衡盾構(gòu)在使用中的常見主要故障現(xiàn)象和處理方法進(jìn)行分析。

4.1 刀盤卡死

卡刀盤的原因:1)刀具磨損過大特別是邊刀;2)掘進(jìn)過程中貫入度太大，導(dǎo)致盾構(gòu)機超扭矩突然停機;3)在軟弱地層由于注漿加固等地層處理時也會將盾構(gòu)機刀盤卡住。刀盤卡死的處理方法有以下幾種:

1)刀盤無法伸縮(HK型式):采用反轉(zhuǎn)方式，但注意反轉(zhuǎn)速度不能太快，以防止減速箱，保險軸及齒面的損壞。如果仍無法啟動，可以采用加氣壓的方式將盾構(gòu)機后退使刀盤脫困。2)刀盤可以伸縮:采用伸縮方式脫困。3)變頻電機驅(qū)動，主動式鉸接:采用收鉸接，將刀盤收回來。4)如果變頻驅(qū)動，無鉸接或被動鉸接:采用正反轉(zhuǎn)的方法，頻率需要控制好，也可以采用盾構(gòu)機后退的方式。為防止尾刷過度損壞，可以后退前向尾刷內(nèi)多注油脂。變頻驅(qū)動在掘進(jìn)過程中一般不會被卡住，但如果操作不當(dāng)，比如貫入度太大，或扭矩未下降時突然停機，則會導(dǎo)致刀盤被卡，因此在掘進(jìn)當(dāng)中要十分注意。

4.2 卡盾殼

卡盾殼多發(fā)生在硬巖掘進(jìn)中，主要因為調(diào)向過快，刀具過度磨損，在軟地層中由于停機時間過長或停機加固地層中經(jīng)常會卡住盾殼。卡盾殼的處理方法有以下幾種:

1)如果為被動鉸:提高推力來進(jìn)行脫困。由于盾構(gòu)機鉸接油缸力較小，導(dǎo)致鉸接油缸在推進(jìn)油缸作用下被拉長，而盾尾不動，此時就必須制作拉桿，代替鉸接油缸承受推進(jìn)油缸的拉力。

2)如果為主動鉸接:采用鉸接掘進(jìn)的方法，在此情況下使用鉸接油缸進(jìn)行推進(jìn)，然后推進(jìn)油缸和鉸接油缸合力拖拉盾殼可以脫困。

4.3 螺旋機卡死

螺旋機在硬巖掘進(jìn)過程中由于細(xì)顆粒太少，且大部分為碎石塊，使碴土流動性較差，停機后再次啟動時會出現(xiàn)無法啟動，主要是因為出碴過程中螺旋機內(nèi)部殘留太多的碎石塊，停機后碎石塊在重力作用下聚集，使螺旋機啟動時的被動扭矩增加導(dǎo)致。螺旋機卡死的一般處理方法是:采用螺旋機的伸縮功能，使螺旋機螺旋帶伸縮，以減少螺旋機葉片與碎石之間的接觸長度，減小摩擦力。禁止在不伸縮的情況下正反轉(zhuǎn)脫困，這樣將會使碎石越來越緊，以致無法脫困。

4.4 刀具磨損過快

刀具磨損主要體現(xiàn)在:1)刀盤扭矩上升，掘進(jìn)速度減慢。2)增加推力速度提升不明顯。3)出碴溫度較高。4)聽盤內(nèi)出現(xiàn)嚓嚓的撕裂聲音。

預(yù)防刀具磨損過快的有效方法是及時進(jìn)行刀具檢查與合理更換。刀具的檢查在硬巖及復(fù)合地層是非常重要的工序，有計劃的檢查刀具有利于提前發(fā)現(xiàn)異常損壞的刀具，防止磨損擴大化。因為一把刀損壞以后，周圍兩把刀的破巖工作量加大，刀過快損壞，最后導(dǎo)致刀具大面積損壞。檢查刀具一般檢測刀具的磨損量，滾刀的轉(zhuǎn)動效果，刀圈有無裂紋，有無漏油。滾刀在沒有刮刀保護(hù)的情況下，刀很快會損壞，刮刀可以將滾刀破碎后的巖石刮下，使?jié)L刀有更好的破碎環(huán)境。

換刀時一定要注意過渡刀的安裝，注意新刀與舊刀間的高差不能大于5mm。換刀過程中要注意清潔，將刀座，螺栓孔清潔徹底，防止刀被卡住或螺栓無法緊固。在刀具磨損較大的情況下，換刀前一定要將刀盤后退，否則刀具剛裝上由于貫入度過大導(dǎo)致?lián)p壞的可能性非常大。換刀完成后在啟動刀盤時，一定要等刀盤轉(zhuǎn)動平穩(wěn)后再掘進(jìn)，而且掘進(jìn)中采用小推力，低速掘進(jìn)，待刀具磨合到一定程度后再加快速度。

5 結(jié)語

盾構(gòu)施工因施工安全、自動化程度高、不受風(fēng)雨氣候條件以及地面交通等因素的影響，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但盾構(gòu)在特殊地段如小半徑曲線隧道施工、在飽和含水松軟土層施工中的防水性與地表沉陷控制等方面，施工難度大，技術(shù)要求高，本文關(guān)于土壓平衡盾構(gòu)在特殊地段采用的施工方法和施工工藝，對保證工程的施工質(zhì)量和施工工期，具有非?，F(xiàn)實的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價值。同時，本文提出的有關(guān)盾構(gòu)機常見故障處理方法，對保證設(shè)備的正常運行和合理維護(hù)，對盾構(gòu)機的設(shè)備維護(hù)管理，同樣具有重要的實際應(yīng)用價值。

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