土壓平衡盾構機機電安全保護應用分析

孫亮

摘 要：隨著城市快速發(fā)展，城市隧道和地下空間增多，土壓平衡盾構憑借其安全、高效、環(huán)保的優(yōu)點，被廣泛應用于城市地鐵施工。目前土壓平衡盾構機電技術已經(jīng)成熟，但面對復雜的施工環(huán)境，機電系統(tǒng)安全仍是影響盾構機施工的重要因素，施工過程必須要維護好盾構機的電氣連接和控制系統(tǒng)。因此，施工中土壓平衡盾構機的機電安全保護工作非常重要，直接影響盾構機的使用和工程進度。

關鍵詞：盾構機；機電安全；保護措施

中圖分類號：U455.3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）14-0161-02

Abstract： With the rapid development of cities， urban tunnels and underground space increase， the earth pressure balance shield machine is widely used in urban subway construction by virtue of its advantages of safety， efficiency and environmental protection. At present， the earth pressure balance shield machine electromechanical technology has been mature， but in the face of complex construction environment， electromechanical system safety is still an important factor affecting the shield machine construction， so the shield machine electrical connection and control system must maintained in the construction process. Therefore， the work of mechanical and electrical safety protection of earth pressure balance shield machine is very important， which directly affects the use of shield machine and the progress of the project.

Keywords： shield machine； electromechanical safety； protective measures

1 盾構施工的概述

土壓平衡盾構機是一種使用盾構法的隧道挖進機。盾構法是暗挖法施工中的一種全機械化施工方法，盾構機在地下推進，通過盾構外殼和管片支承四周巖石，一邊控制開挖面，保障周圍土體不發(fā)生坍塌，一邊進行隧道挖掘出渣，并在機內(nèi)拼裝管片形成襯砌、實施壁后注漿，從而不擾動周圍土體的隧道修筑方法。（1）盾構施工的優(yōu)點。土壓平衡盾構機作為現(xiàn)代隧道掘進機，具有很多優(yōu)點。第一，盾構施工多為地下作業(yè)，其隱蔽性好，對周邊環(huán)境影響小，且不對地面交通影響，極大地減少了施工對附近居民造成的噪音和環(huán)境影響。第二，土壓平衡盾構機可以穿越城市建筑群和地下管道密集區(qū)時，施工不受周圍環(huán)境影響。而且它還能夠穿越河底，隧道施工能夠不受天氣影響，不對航道造成影響。第三，土壓平衡盾構機自動化程度高，盾構推進、出土、拼裝、襯砌等幾道主要工序循環(huán)進行，易于管理，減少工程施工人員投入，且盾構掘進速度快，質量有保證，避免了地下隧道事故的發(fā)生。最好，土壓平衡盾構機在技術難度上不受土質難易、覆土深度影響，可以確保施工的安全性。總之盾構法施工在城市地鐵建設中起到了良好的推動作用，極大促進了社會經(jīng)濟的發(fā)展。（2）盾構施工流程。盾構法是現(xiàn)代一種較為先進的地下施工方法，它在保留傳統(tǒng)施工法的基礎上，對結構頂進支護方法進行了重大改進，降低了地下施工對道路行車的影響[1]。它的盾構由鋼柱、鋼梁、盾殼、子盾構、液壓推進系統(tǒng)、輔助機構六個部分組合而成。其主要工序是：首先在盾構機放置點用混凝土加固打一個垂直井；其次將盾構機安裝到井底；驅動盾構機水平方向推進形成隧道；再用事先制作好的混凝土襯砌加固開挖好的隧道邊墻。這種盾構施工有效推進了城市交通發(fā)展，推動了城市化進程的發(fā)展。

2 盾構機機電系統(tǒng)安全措施

盾構機是一個大型的系統(tǒng)，其中機電系統(tǒng)在盾構機的使用上發(fā)揮重要作用。盾構機機電系統(tǒng)主要包括：供配電系統(tǒng)、可編程控制系統(tǒng)、計算機控制及數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。供電系統(tǒng)主要包括高壓電纜、高壓電纜卷筒、高壓開關柜、變壓器、低壓斷路器、變頻器等。供配電系統(tǒng)的主要功能是為盾構機提供動力和電氣保護，控制電機運轉。比如高壓電纜的選擇，要具有一定的抗拉強度、可纏繞、耐磨損、絕緣性能好。計算機控制系統(tǒng)主要用于參數(shù)設置和數(shù)據(jù)采集分析。（1）機電安全保護設計。盾構機機電設備安全規(guī)定為了保證盾構機在使用時不發(fā)生任何危險，設備必須具有一定抵抗危險的能力。在盾構機機電安全保護設計上，要從電能、開關控制和調(diào)節(jié)裝置、靜電聚集、工作介質等方面進行，確保盾構機在使用過程中對電能引起的危險具有足夠的保護能力[2]。其中電能開關、控制和調(diào)節(jié)裝置是盾構機機電安全設計的重中之重，必須對其安全保護設計引起重視，避免出現(xiàn)漏電和過載等現(xiàn)象。電能的接通、分段和控制方面要保證最大程度的安全性，設置緊急開關、防止誤啟動等可行的設計，從源頭減少造成盾構機電力危險的因素。（2）盾構機供電保護系統(tǒng)。盾構機的供電系統(tǒng)可分為高壓供電系統(tǒng)和低壓供電系統(tǒng)。盾構機因為其用電量大、供電時間長，多采用的是10kV高壓供電，最大程度保證了盾構機使用時的供電安全，確保在盾構機出現(xiàn)故障時，機器能正常運作，不影響施工現(xiàn)場的供電系統(tǒng)[3]。盾構機的低壓配電系統(tǒng)中，為了防止在潮濕且狹窄的盾構施工環(huán)境中出現(xiàn)漏電現(xiàn)象，采用的是多線保護接零方式。低壓控制主要就是對機電起作用，讓盾構機借助機電能夠高速運轉。（3）盾構機電能保護系統(tǒng)。a.漏電保護。漏電保護是一種保護盾構機機電安全的必備手段，當盾構機電網(wǎng)漏電超過設定值時，自動切斷盾構機電氣系統(tǒng)電路或發(fā)出信號[4]。土壓平衡盾構機一般都在比較潮濕環(huán)境中進行作業(yè)，想要防止盾構機在使用過程中漏電，就需要加強盾構機漏電保護工作，對其開關箱及配電系統(tǒng)末端選擇防濺型漏電斷路器，額定漏電電流和漏電時間，電流不超過30mA，額定漏電時間不超過0.1s。在總配電箱設置總漏電保護器和剩余電流互感器，額定剩余電流可設30mA-100mA和100mA-300mA兩檔進行調(diào)節(jié)。總配電箱額定漏電動作電流大于配電系統(tǒng)和用電設備總漏電電流的2倍，可以對盾構機施工現(xiàn)場形成二級漏電保護?？偱潆娤浜湍┘夒娤湎嗷ヅ浜闲纬蓪Χ軜嫏C形成分段分級保護，嚴格杜絕盾構機漏電引發(fā)的問題。b.接地保護。由于土壓平衡盾構機多在惡劣潮濕環(huán)境中作業(yè)，所以在其電氣設備必須采用保護接零，主要可以分為兩種：保護接地和工作接地。保護接地指用電設備側的接地，這種安全保護方式通過把電氣系統(tǒng)故障下可能出現(xiàn)危險的對地電壓金屬部件同大地緊密連接起來，把盾構機故障設備的意外帶電體對地電壓限制在相應的安全范圍內(nèi)。工作接地法也叫系統(tǒng)接地，是指盾構機電力變壓器低壓側中性點直接接地，穩(wěn)定系統(tǒng)電位，減輕故障接地的危險。c.連接線路保護。電路接觸不良或者短路及電氣元件跟模塊之間連接或斷網(wǎng)，都會影響通信，導致數(shù)據(jù)處理模塊接收不到信號。例如，盾構機推進過程中突然停止，顯示省配線裝置異常。這時操作人員需要先對線路進行初步的盤查，檢查線路的各接頭處是否有問題，排除這方面的問題后，再對各個模塊進行一一排查，直到找出導致顯示省配線裝置異常的原因[5]。事后分析，可能是通信電纜故障導致，因為電纜屏蔽層遭到破壞，影響正常使用，通信電纜和強電電纜交錯在一起，影響了信號。所以對盾構級線路連接的保護也很重要。d.電路過載保護。盾構機的電纜線路可以使用短路保護的過載保護兩種方法。電纜線路采用熔斷器做短路保護時，溶體的額地龍功率不能大于絕緣帶線長期縫合的標準載流量的1.5倍。采用斷路器預防電路短路時，脫扣器的脫扣電流定值不能超過線路末端的單相短路電流。如果應用熔斷器或是斷路器做過載保護，絕緣導線的長期標準符合量不能超過熔斷器或斷路器額定電流的1.25倍。基于土壓平衡盾構機復雜的工作環(huán)境，在盾構機的機電系統(tǒng)上一定要進行高等級防護。像是電氣系統(tǒng)的動力線、控制線、信號線等電路護套都應采用阻燃類的彈性材料。同時，還要求，電路護套能夠耐低溫、耐腐蝕、抗老化、防水、耐磨等優(yōu)勢，這樣才能盡可能避免土壓平衡盾構機的機電系統(tǒng)出現(xiàn)故障。（4）機電系統(tǒng)開關、調(diào)節(jié)裝置。a.急停裝置。為防止盾構機機電系統(tǒng)出現(xiàn)故障，盾構機內(nèi)應當設置急停裝置。當盾構機發(fā)生故障時，利用急停裝置可以迅速使控制系統(tǒng)恢復到正常狀態(tài)，從而減少人員和設備事故，有效阻止盾構機的事故范圍。而且盾構機急停裝置可以切斷驅動電機，使盾構機進入警報程序，阻止盾構機的下一步動執(zhí)行作[6]。盾構機的總急停裝置一般分布在操作室、推進油缸遠程操作箱和高壓土倉。此外盾構機還設置了輔助系統(tǒng)急停裝置和系統(tǒng)急停按鈕。b.輔助急停裝置。輔助急停裝置是軟件與硬件結合，信號通過電纜傳播，確保在通訊出現(xiàn)故障不影響急停裝置使用。當發(fā)生故障時，按下急停按鈕，便可以及時切斷電路和模塊輸入，保護盾構機。c.高壓系統(tǒng)急停裝置。盾構機的高壓急停裝置一般都設有防護罩，這是為了防止正常工作中的失誤操作。高壓系統(tǒng)的急停按鈕使用時，可以切斷斷路器的TQ動作，讓QF跳閘，從而讓機電系統(tǒng)得到保護。d.配電箱及開關箱。盾構機的配電系統(tǒng)實行三級配電，分別是總配電箱、分配電箱和開關箱[7]。而且配電箱和開關箱均由鋼板或絕緣材料構成，且對其箱體鋼板厚度有一定的要求。如：開關箱箱體鋼板厚度不小于1.21mm，配電箱的厚度不低于1.5mm。除此之外，配電箱和開關箱的箱體制作對環(huán)境、海拔、濕度、防護等級都做了一定的要求，能夠有效保證盾構機配電安全。（5）專業(yè)人才培養(yǎng)。盾構法施工不僅需要施工經(jīng)驗豐富的土建工程師，還需要機械、液壓、電氣等方面的專業(yè)人才，但更多的是需要機電與土建相結合的高素質復合型人才。盾構監(jiān)造階段的主要人員配置為機電技術人員，盾構機零部件的加工質量的保證、外購件的質量控制與檢驗、整機組裝的質量及進度等工作都要由機電技術人員來完成。足夠的機電安全人才儲備才可以提高盾構機電安全的工作質量。在盾構機機電安全出現(xiàn)故障時，及時進行有效的處理，分析故障原因做好相關記錄，為以后設備的改進提供論證。同時，充沛的人員儲備可以針對盾構設備機電安全制定相應的檢修計劃，保證盾構機的順利使用。

3 結束語

土地平衡盾構作為目前最安全有效城市軌道施工工藝。其糅合了傳統(tǒng)和現(xiàn)代先進施工技術，能夠有效的保護環(huán)境，穿梭于城市密集區(qū)，已經(jīng)逐漸在全國各大中型城市普及。但是由于土壓平衡盾構機特殊的作業(yè)環(huán)境，機電安全問題難以保障，就此需要對盾構機機電安全嚴加重視，設置相應的機電保護措施，加強人員監(jiān)督，減少盾構機因機電問題引發(fā)的危險，推動城市隧道有序發(fā)展。

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