淺析盾構機在不同地質(zhì)條件下的掘進控制及維修管理

崔建

【摘 要】隨著隧道施工技術的提高，盾構掘進技術由于其獨特的優(yōu)越性已經(jīng)作為主流技術被廣泛采用。世界上許多國家和地區(qū)的城市隧道、過江和過海隧道大多采用此技術修建。面對21世紀我國城市地下空間開發(fā)利用的廣闊市場，盾構掘進技術將是必然的選擇。本文結合不同地質(zhì)條件，對盾構掘進控制技術進行探討。

【關鍵詞】盾構機；原理；不同地質(zhì)；控制

1 盾構法施工工作機理研究

機理研究的主要目的是為了更好地解決如下問題：如何選定與特定地層條件相適應的盾構機類型；在盾構機類型已經(jīng)確定的情況下，如何針對土層的特性，選擇合理的切削方式，從而滿足掘進速度最快，并能最大限度地提高施工的效率；在特定地層條件下，如何選定與地層特性相適宜的盾構機工作參數(shù)，從而能確保開挖面的穩(wěn)定性，使得地表不至于產(chǎn)生過大的變形，盾構施工對地層產(chǎn)生的擾動最小。

傳統(tǒng)施工方法對于地質(zhì)條件的變化較為敏感。在不同地質(zhì)條件下，地層處理、開挖方法、支護手段甚至支護原理都有很大的區(qū)別。故技術上的矛盾主要集中在線路、地質(zhì)、支護三者上。盾構法施工把不同的線路、地質(zhì)條件相對簡化，不同的線路、地質(zhì)條件只對施工中掘進模式的選擇產(chǎn)生影響。由于現(xiàn)代化機械盾構對地質(zhì)條件有很強的自適應性，使得地質(zhì)條件對施工的影響相對傳統(tǒng)施工有所減弱。因此，盾構施工的主要技術矛盾己經(jīng)不再集中在地質(zhì)和支護上，掘進參數(shù)的設定與控制、管片選型、注漿工藝成為同樣重要的技術控制點，其中掘進參數(shù)的設定與控制和管片選型對隧道質(zhì)量所起的影響較大，也是盾構施工的一個難點。盾構的施工過程實際上是一個不同的系統(tǒng)工程。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時也為了提高機器掘進效率，盾構機的掘進參數(shù)（推力、推進速度、刀盤轉速、螺旋機轉速、土艙壓力）之間需滿足一定的匹配性。參數(shù)的優(yōu)化和匹配，使盾構機達到穩(wěn)定的最佳掘進狀態(tài)。

2 不同地質(zhì)條件下的盾構掘進控制

2.1 盾構機穿越全軟地層

在此類地層中掘進，盾構機采用齒刀和刮刀組合刀具。掘進前必須做好刀具的檢查和更換，預測刀具壽命和換刀里程。掘進采用低轉速（約1.8 r/min）、大扭矩，以保持盾構機主機仰角推進（防止栽頭）。掘進中盾構機土艙壓力要略大于開挖面靜水壓力和地層土壓力之和。操作人員要通過及時觀察螺旋口所排碴土的變化來調(diào)節(jié)刀盤和螺旋的泡沫注入量，改善土體的和易性和流動性；注意推力和刀盤扭矩的變化，防止出現(xiàn)“泥餅”；經(jīng)常檢查皮帶的轉軸，清理螺旋輸送機等出土設備，避免泥土堆積造成皮帶不正常磨損和出土口堵塞。在保證同步注漿飽滿的前提下，盾構機盡量做到快速掘進，減少對地層的擾動。在此地段要加強地面監(jiān)測，及時分析數(shù)據(jù)，調(diào)整盾構掘進參數(shù)和注漿壓力。

2.2 盾構機穿越斷裂帶

盾構機通過硬巖斷裂帶時，易卡刀盤，從而損壞刀具。有時由于推進參數(shù)選擇不合理，刀盤旋轉頻繁會出現(xiàn)跳閘或?qū)⒌侗P卡死現(xiàn)象，嚴重影響正常推進，反轉刀盤仍無法脫困。

對于硬土層中斷裂帶施工，調(diào)整各推進油缸推力便可實現(xiàn)；對于硬巖中斷裂帶的施工，首先要減少推力，使推力在5880～6860kn以下，使推進速度降低為份18mm/min及以下，調(diào)整各組推進液壓缸推力使之盡量均衡。減少糾偏幅度，緩慢糾偏，使上下左右的盾尾間隙均勻，若在曲線段出現(xiàn)斷層，要盡量使用標準環(huán)過渡。

出現(xiàn)刀盤卡死時，應正反轉動刀盤，若還不能脫困，則應根據(jù)推進中判斷的斷裂帶方向使對應液壓缸組分別泄荷，然后降低推進速度實現(xiàn)脫困。若上述方法不能奏效，就要給盾尾管片上下左右用大木楔夾緊，松開各組推進液壓缸10～20mm，向土倉內(nèi)充高壓空氣，使盾體稍向后微動達到脫困之目的。

2.3 盾構機穿越溶洞

在溶洞地層掘進時，操作人員應使盾構機保持相對慢速地平穩(wěn)推進，要時刻注意盾構機推進速度、刀盤轉速及壓力等參數(shù)的變化，更要注意導向檢測顯示器上盾構機姿態(tài)的變化，加強掘進姿態(tài)控制。如出現(xiàn)速度瞬時增加很快，姿態(tài)發(fā)生比較大的變化，這時可能進入溶洞（若注漿充填處理沒有完全填充密實，可能局部為空洞），此時應及時停機調(diào)查分析原因，等處理后才能繼續(xù)推進，以防盾構機栽頭。同時在掘進過程中調(diào)整同步注漿漿液的配合比，縮短凝結時間，同時增大注漿量和注漿壓力。由于石灰?guī)r強度遠遠大于回填材料，故在穿越溶洞壁時或不完全在溶洞中時，刀盤要平穩(wěn)起停，推進壓力不宜過大和變化過快，防止損壞刀盤和刀具。

2.4 盾構機穿越巖石微風化帶

此類地層全斷面多為花崗巖微風化帶。由于一般在盾構施工區(qū)間范圍內(nèi)硬巖距離短，考慮到經(jīng)濟和實際情況，大多仍采用盾構法。此類圍巖自穩(wěn)性好，又含水較少，宜采用敞開模式掘進。掘進采用高轉速小扭矩，掘進所需推力比較大，操作人員必須了解管片承受壓力的范圍，調(diào)節(jié)四組油缸推力，使其壓力盡可能均布，且上下兩組油缸的推力稍大于左右兩組油缸的推力。采用破巖能力強的單刃滾刀，盡量減小刀盤的負載，盡管如此刀具的磨損也是相當驚人的，平均推進1.5環(huán)就得檢查刀具一次，若發(fā)現(xiàn)刀具磨損嚴重或滾刀不轉或偏磨，則要馬上更換，否則可造成刀座嚴重變形而換刀困難，嚴重時可能磨損刀盤或刀盤開裂。還應及時更換邊緣滾刀，否則會因開挖輪廓變小而使盾構機主機出現(xiàn)被卡的嚴重后果。

掘進中刀盤轉速應提高到2.5r/min左右或更高，根據(jù)螺旋口排土情況，及時調(diào)整泡沫和膨潤土的用量或比例，以減少刀具和刀盤的磨損，冷卻刀盤以保持刀具的耐磨性。操作人員必須注意推力和速度，若推力持續(xù)增加而掘進速度逐漸降低，則應考慮檢查刀具磨損情況。在此地層中，盾構機主機所受反扭矩較大，必須時刻注意滾動角的變化隨時更換刀盤的轉動方向。在此地層中要提高注漿量，密實填充管片與隧道開挖輪廓間的縫隙，調(diào)節(jié)水泥沙漿的配合比，縮短凝固時間， 防止已拼裝管片整體發(fā)生扭轉。

3 盾構設備維護管理

為了充分發(fā)揮盾構的性能，防患故障、延長盾構機壽命，必須定期和隨時對盾構設備進行日常維護、檢查和維修。

3.1 日常檢查、維護

1）各部位的螺栓、螺母松動檢查、擰緊；

2）異常聲音、發(fā)熱檢查；

3）工作油、潤滑油、潤滑脂、水、空氣的異常泄漏檢查；

4）各部位供油、脂情況確認、檢查、補充；

5）工作油箱油位檢查；

6）電源電壓正常確認；

7）操作盤開關類、指示燈、儀表類正常動作確認；

8）盾構本體—臺車之間的軟管、電線異常有無檢查；

9）安全閥設定壓力檢查；

10）液壓設備維護、過濾器清掃后的回路內(nèi)排氣確認；

11）皮帶運輸機的清理，滾輪加注潤滑油。

3.2 定期維修、維護

1）一個月維修、維護

①油箱排水

②電動機類的精密檢查（軸承供油、絕緣電阻測量、滴水檢查等）

③控制盤和配電器具檢查（接點磨損狀況，絕緣電阻測量、配線管、管道損傷等）

2）6個月檢查、維護

啟動油、潤滑油定期檢查（2次/年、工作油生產(chǎn)廠家檢查）

3.3 長期停止運行時的維護管理

長期停止運行時，必須實施下列作業(yè)遇有地下不明障礙物

1）每個設備的空載運行（每隔10—15天）。

2）氣缸頭、閥槽等滑動面露出部分涂油。

3）防止空間加熱器引起的動力盤內(nèi)結露的作業(yè)。

4 結語

盾構機在不同的地質(zhì)條件下掘進時，操作人員要及時預防和處理可能出現(xiàn)的各種情況，采取不同的操作控制技術和對策，掌握合理有效的盾構掘進控制技術和處理方法。只有這樣，才能確保盾構機正常運行、提高掘進速度和效率、保證工程質(zhì)量和降低工程成本。

【參考文獻】

[1]王付利.盾構機在復雜地層中的掘進[J].隧道建設，2006.

[2]汪茂祥.盾構機幾種故障的處理[J].工程機械與維修，2003.

[3]楊曉強，薛瑞麟.復合式盾構機故障排除[J].工程機械與維修，2006.

[責任編輯：楊玉潔]