盾構機推力過大原因分析與應對措施

【摘 要】本文首先分析了盾構機結構及工作原理，然后介紹了盾構機推力過大原因分析，最后提出了解決措施。

【關鍵詞】盾構機；推力過大；原因分析；應對措施

一、前言

盾構機結構復雜、功能多樣、技術先進，在地鐵隧道工程中被廣泛應用。但在多種因素的影響下會導致盾構機推力過大而降低盾構機的使用壽命，影響施工項目的質量和效率。

二、盾構機結構及工作原理

1、盾構機主要構成

盾構機的主要部分前盾、中盾、尾盾及后配套等組成，其主要結構如下：

前體又叫切口環(huán)，是開挖土倉和擋土部分，位于盾構的最前端，結構為圓筒形，前端設有刃口，以減少對底層的擾動。在圓筒垂直于軸線、約在其中段處焊有壓力隔板，隔板上安裝主驅動、螺旋輸送機及人員艙門和四個攪拌棒，此外，隔板上還開有安裝5個土壓傳感器、通氣通水等的孔口。不同開挖形式的盾構機前體結構也不相同。

中盾又叫支承環(huán)，是盾構的主體結構，承受作用于盾構上的全部載荷。是一個強度和剛性都很好的圓形結構，地層力、所有千斤頂?shù)姆醋饔昧?、刀盤正面阻力、盾尾鉸接拉力及管片拼裝時的施工載荷均由中體來承受。中體內(nèi)圈周邊布置有盾構千斤頂和鉸接油缸，中間有管片拼裝機和部分液壓設備、動力設備、螺旋輸送機支承及操作控制臺。有的還有行人加、減壓艙。中盾盾殼上焊有帶球閥的超前鉆預留孔，也可用于注膨潤土等材料。

盾尾盾尾主要用于掩護隧道管片拼裝工作及盾體尾部的密封，通過鉸接油缸與中體相連，并裝有預緊式鉸接密封。鉸接密封和盾尾密封裝置都是為防止水、土及壓注材料從盾尾進入盾構內(nèi)。為減小土層與管片之間的空隙，從而減少注漿量及對地層的擾動，盾尾做成一圓筒形薄殼體，但又要能同時承受土壓和糾偏、轉彎時所產(chǎn)生的外力。盾位的長度必須根據(jù)管片的寬度和形狀及盾尾密封的結構和道數(shù)來決定。另外在盾尾殼體上合理的布置了12根盾尾油脂注入管和4根同步注漿管。

2、盾構機工作原理

盾構機的基本工作原理就是一個圓柱體的鋼組件沿隧洞軸線邊向前推進邊對土壤進行挖掘。該圓柱體組件的殼體即護盾，它對挖掘出的還未襯砌的隧洞段起著臨時文撐的作用，承受周圍土層的壓力，有時還承受地下水壓以及將地下水擋在外面。挖掘、排土、襯砌等作業(yè)在護盾的掩護下進行。雖然盾構機成本高昂，但可將地鐵暗挖功效提高8到10倍，而且在施工過程中，地面上不用大面積拆遷，不阻斷交通，施工無噪音，地面不沉降，不影響居民的正常生活。盾構機根據(jù)工作原理一般分為手掘式盾構，擠壓式盾構，半機械式盾構（局部氣壓、全局氣壓），機械式盾構（開胸式切削盾構，氣壓式盾構，泥水加壓盾構，土壓平衡盾構，混合型盾構，異型盾構）。一般城市地鐵大多使用土壓平衡盾構，在穿越河流時多使用泥水加壓平衡盾構。

三、盾構機推力過大原因分析

根據(jù)實際情況，我們對盾構機的推力進行分析，主要分析情況如下：通常情況下，由于拖車質量不變，拖車的阻力亦恒定不變；盾尾阻力受地層摩擦因素影響，因摩擦系數(shù)不同而變化，摩擦力與阻力之和為盾尾油缸的壓力。如果采用加壓模式，恒定不變的氣壓對盾構機產(chǎn)生的反作用力也是不變的；水土壓力主要受地層裂隙大小及地層穩(wěn)定程度影響。刀盤與土層之間的摩擦力受土量及硬度影響，土層的粘土量越大、硬度越大，盾構機的摩擦阻力越大。

綜合推力計算公式和實際經(jīng)驗，在盾構設備正常無故障的情況下，出現(xiàn)推力過大時可以從以下幾方面分析查找原因。

1、盾尾鉸接油缸壓力檢查

（1）拖車是否被掉物卡住。案例：拖車上放置的管片連接螺栓掉落至拖車與管片結合處，使拖車被卡住，導致盾構機前進拉動拖車需要付出更大的推力，嚴重時盾構機前進，拖車不動。

（2）檢查拖車、管片背注漿管路是否存在不合理設計。案例：拖車兩側底部橫梁與成型隧道間隙過小，致使管片拼裝錯臺稍大或在合格范圍內(nèi)，均會導致拖車與管片刮蹭，加重推進油缸的負載，由于長時間承受較大拉力，未被及時發(fā)現(xiàn)，致使拖車管片吊車安裝橫梁焊縫被拉開斷裂。

2、確認推進模式

氣壓平衡模式是泥水加壓平衡盾構機的特色設計，但若選擇應用時機錯誤，也會帶來較大問題。案例：在由沙層進入強風化泥質砂巖時，開始出現(xiàn)推進壓力大、掘進速度慢、艙內(nèi)堵塞等問題。經(jīng)加壓進艙檢查，發(fā)現(xiàn)地層比較穩(wěn)定，因此嘗試用純泥水平衡模式推進，效果非常理想；推進速度由2～4環(huán)/d達到5～8環(huán)/d，堵塞現(xiàn)象較少發(fā)生。總結原因：在不穩(wěn)定地層，通過自動控制向泥水艙內(nèi)加入與地層水土壓力相適應的壓縮空氣，以平衡地層水土壓力，起到支護地層的作用，確保推進過程中開挖面穩(wěn)定。但壓縮空氣的副作用是雙向作用力，向前支護地層的同時，向后對盾構機施加一個前進的阻力，此危害是在穩(wěn)定地層，為盾構推進增加較大阻力，導致推進壓力過大，同時阻止刀艙內(nèi)的泥土進入泥水艙內(nèi)，造成堵塞。

四、解決措施

1、加強管理

制定更加精細的管理規(guī)定，規(guī)范班組的施工操作，設置物料擺放區(qū)域，增添物料工具存放設施，杜絕掉物現(xiàn)象發(fā)生。推進時不斷關注鉸接油缸的壓力和行程。在正常情況下，地質條件不會發(fā)生較大突變，鉸接油缸承受的拉力變化不大，油缸行程不會出現(xiàn)由于壓力過大而不斷伸長的現(xiàn)象。若壓力增大不斷伸長，說明出現(xiàn)異常，應查看地質報告是否存在引起突變的地質條件、傾聽拖車發(fā)出的聲音有無異常、逐節(jié)拖車檢查有無前行、經(jīng)過的管片有無刮蹭劃痕，查明原因后方可繼續(xù)施工。

2、根據(jù)地層選擇相應的推進模式

在穩(wěn)定地層可選擇泥水平衡模式推進，盾構機只承受地層水壓和有限的土壓，可以有效降低推進壓力，再通過合理的壁后注漿，保證地層穩(wěn)定，減小地面沉降量；在不穩(wěn)定的上軟下硬地層推進和在沙層、淤泥層等不穩(wěn)定地層貫通時，須采用氣壓平衡模式，同時配合高濃度的泥漿推進，可以有效解決掌子面塌方問題。案例：盾構機在泥質砂巖推進時，初始采用氣壓模式，推進壓力達到6000kN，推進速度3～5mm/min，刀盤油壓經(jīng)常達到250×10Pa停機，設備發(fā)熱量過大，隧道溫度達到40℃，環(huán)境非常惡劣；進艙檢查發(fā)現(xiàn)地層穩(wěn)定，隨著逐步將氣壓模式改為純泥水模式，盾構機推力降至約3100kN，推進速度增至8～12mm/min，隧道溫度亦降至約30℃，各項參數(shù)指標均明顯改善。

3、加強粘土地層推進監(jiān)控

在含粘土層推進時，注意觀察記錄盾構機推進的正常壓力、速度，對推進參數(shù)進行實時監(jiān)控，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)推進壓力變大、速度慢，刀盤油壓、扭矩將達到極限時，須停機進艙檢查刀具有無脫落、是否磨損超限而導致無法形成有效切削，檢查刀具、出渣口是否被泥餅堵塞而無法排渣，檢查刀具表面是否被泥膜覆蓋而使刀具無法深入地層進行切削。在這些問題處理完成后方可繼續(xù)推進，切忌盲目推進，導致刀具、刀盤磨損，帶來更大損失。在此地層中推進時，建立了監(jiān)控制度，通過及時進艙清理、檢查，確保了刀具能夠正常發(fā)揮作用，減少了刀具更換頻率，節(jié)約了項目成本。

4、卵石與孤石的處理

對于卡在刀盤與切削面之間的卵石，操作工在發(fā)現(xiàn)推進困難時，可將刀盤適當回收，增大刀盤與切削面的距離，讓卵石從刀盤表面掉落至底部，通過出渣口進入盾構機內(nèi)部或被盾構機擠出刀盤面。針對盾構孤石施工問題，盡管采取了各種措施，在某些問題上有所突破，但總體效果不理想，迄今尚未找到一種切實有效的施工方法，目前只能在采取措施，穩(wěn)定掌子面進艙后，用爆破法將其分裂，采用人工搬運或盾構推進排出。

5、沙層停機

在沙層停機，必須先考慮采取措施避免盾尾被固結，其次是設備脫困問題。采取措施：停機初始，在盾尾注入1.5～2倍體積的濃泥漿，濃泥漿不會凝固且潤滑效果良好，有助于盾構恢復時盾尾的脫困。若確認盾尾被固結，解決措施為：盾構機前部主機在刀盤的轉動、導向油缸的來回伸縮、推進油缸的大壓力共同作用下，能夠較快脫困，但盾尾無主動推力，脫困較難，需要人工主動拉伸鉸接油缸多次，使盾尾逐漸脫困，若盾構機本身的鉸接油缸無法拉動盾尾，尚需采取增加臨時油缸或利用推進油缸拉動盾尾的方法。推進時，務必注意鉸接油缸的伸長量，避免鉸接油缸被拉斷。

五、結束語

通過對盾構機推力過大原因進行分析，從而采取有效措施，對推力過大進行有效控制，促進施工的順利進行。

參考文獻：

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