土压平衡式盾构机的施工技术与设备故障处理

彭 敏

1 概述

盾构是一种用于软土隧道暗挖施工、具有金属外壳且壳内装有整机及辅助设备，并在其掩护下进行土体开挖、土碴排运、整机推进和管片安装等作业的隧道施工机械。盾构法施工主要由稳定开挖面、掘进及排土、管片衬砌及壁后注浆三大要素组成，因其施工安全、稳定、工厂化、防水性好及对地面影响较小等优点得到越来越多的应用，尤其是土压平衡盾构的使用已经非常广泛。

土压平衡盾构是在机械式盾构的前部设置隔板，在刀盘的旋转作用下，刀具切削开挖面的泥土，破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓，使土仓和排土用的螺旋输送机内充满切削下来的泥土，依靠盾构推进油缸的推力通过隔板给土仓内的土碴加压，使土压作用于开挖面以平衡开挖面的水土压力。

2 土压平衡盾构的施工工艺流程

土压平衡盾构施工主要包括盾构掘进、盾构姿态和纠偏量的控制、土方的挖掘与排土、管片拼装、同步注浆等几大主要工序。

1)盾构掘进。盾构掘进依靠推进油缸的推力向前推进。在盾构推进过程中要克服正面土体的阻力和盾壳与土体之间的摩擦力，盾构总推力要大于正面推力和盾壳四周的摩擦力之和，但推力过大会使正面土体因挤压而前移和隆起，而推力太小又影响盾构前进的速度。盾构推进时应控制好推进速度，并防止盾构后退。推进速度过快或过慢都不利于盾构的姿态控制，速度过快易使盾构上浮，速度过慢易使盾构下沉。在拼装管片时，缩回推进油缸易使盾构后退，后退引起土体损失势必造成地表沉降。在土压平衡盾构施工中，要对土仓内的压力进行设定，土仓内的土体压力要求与开挖面的水土压力大致相平衡，这是维持开挖面稳定的关键所在，也是土压平衡盾构施工最主要的技术环节。在土压平衡盾构施工中，盾构推进主要由10个参数控制，即土仓压力、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。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。一般在盾构始发后都进行一段试掘进，结合地表沉降等环境变化参数的量测，进行盾构掘进参数的优化。

2)盾构姿态和纠偏量的控制。盾构姿态包括推进坡度、平面方向和自身的转角三个参数。影响盾构姿态的因素有:出土量的多少、覆土厚度、推进时盾壳周围的注浆情况、开挖面土层的分布情况、推进油缸作用力的分布情况等。例如盾构在砂性土层或覆土层比较薄的地层推进容易上浮。解决办法主要是依靠调整推进油缸的合力位置。盾构前进的轨迹一般为蛇形，要保持盾构按设计轴线掘进，必须在推进过程中及时通过测量，并进行纠偏。纠偏量不能太大，过大的纠偏量会造成过多的超挖。

3)土方的挖掘与排土。在土压平衡盾构施工过程中，挖土量的多少是由切削刀盘的转速、切削扭矩以及千斤顶的推力决定的;排土量的多少则是通过螺旋输送机的转速来调节的。因为土压平衡盾构机是借助土仓压力来平衡开挖面水土压力的，为了使土仓压力波动较小，必须使挖土量和排土量保持平衡。在施工中要以土仓压力为目标，经常调节螺旋机的转速和千斤顶的推进速度。

4)管片拼装。管片拼装过程中要减小盾构后退，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。盾构外径与管片的外径大小不等，管片脱离盾尾后在管片的外围形成一圈间隙，必须进行注浆，否则将造成地层沉降。注浆要做到及时、量足，且浆液体积收缩小，才能收到预期效果。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，尽量使其填充而不是劈裂。注浆压力过大，管片外的土层被浆液扰动而造成较大的后期沉降，并容易跑浆。反之，注浆压力过小，浆液填充速度过慢，填充不足，也会使地表变形增大。土压平衡盾构压浆量一般为理论压浆量的140%～180%。

3 土压平衡盾构在特殊地段的施工技术与措施

3.1 穿越复杂地质地段的施工措施

1)使用泡沫添加剂改良土体。对于高含水量、高压缩性、低强度、低渗透性的饱和软粘性土以及流塑状、软塑状的粉质粘土，因蠕变量大，土层的蠕动、流动易造成开挖面失稳，同时土层粘性大，易粘着盾构设备或造成管路堵塞，给掘进带来困难。在隧道掘进时使用泡沫添加剂，改良土体，降低土体对盾构的粘着作用，以利于盾构推进，抑制盾构机对周围土层的扰动，从而达到防止地表下沉的目的。

2)使用膨润土浆液改良土体。对于粉土、粉砂含水土，施工中会出现因涌水引起开挖面失稳和地面沉降，并会出现突涌现象。为确保施工顺利，在粉土层、粉砂含水层推进过程中采用压注膨润浆液土改良土体，降低土体的透水性，加强工作面的密封性，有效抵抗承压水头，提供均匀可控的支撑工作面的稳定性，保护刀盘以及保证盾构螺旋出土机的正常出土。

压注膨润土浆液的同时观察螺旋机的排土状态及下面土体的沉降状况，确保下面土体稳定。砂性土的渗透系数较大，即孔隙水压增加较快，同时消散也较快，而两者的时间差为疏干的时效。因此，千斤顶的速度控制与之相配合，从而使盾构推进速度达到较好的状态。

3.2 小半径平曲线地段掘进的施工措施

1)纠偏量的控制。在盾构掘进过程中，加强对推进轴线的控制，盾构的曲线推进实际上是处于曲线的切线上，因此推进的关键是确保对盾构机的控制。由于曲线推进盾构环环都在“纠偏”，因此做到勤测勤纠，而每次的纠偏量尽量小，确保楔形块的环面始终处于曲率半径的径向竖直面内。同时为控制管片的位移量，管片拼装在适当时候采用软木楔子，以减少位移，从而达到有效地控制轴线和地层变形的目的。纠偏幅度每环不超过20mm。

2)出土量的控制。在曲线推进过程中，为确保盾构沿设计轴线推进，控制盾构出土量。一般来说，曲线外侧的出土量大于内侧的出土量。当盾构偏离设计线路较大时，停止盾构推进，根据掌子面地层情况及时调整掘进参数，避免引起更大的偏差。

3)注浆量的控制。盾构推进过程中，曲线外侧出土量大，造成曲线外侧土体的损失，并存在施工空隙。因此在曲线段推进过程中，在进行同步注浆时增加对曲线段外侧的压浆量，以填补施工空隙，加固外侧土体，使盾构顺利沿设计轴线推进。

此外，由于曲线段推进增加了曲线推进引起的地层损失及纠偏次数的增加导致了对土体的扰动的增加，在曲线段推进时要严格控制同步注浆量，随时调整注浆量及注浆压力，并根据施工中的实际情况及变形监测情况，随时调整注浆参数，从而有效控制轴线。

4)管片拼装。为控制盾构推进曲线，管片拼装采取“居中拼装”法。若管片无法居中拼装，且曲线管片无法满足纠偏时，采用软木楔子进行调整，使管片处于较理想状态，确保管片拼装质量，使推进轴线控制在要求范围内。

3.3 穿越立交桥的施工措施

1)加密测点。盾构推进至立交桥前，推进轴线左右10 m内加密布设沉降监控点。横向布点为推进轴线中心处1点，左右各3点，点距2 m～3 m，纵向间距为3 m。2)增加检测频率。施工前所得初始数据为三次观测平均值，以保证原始数据的准确性。在盾构穿越期间每隔4 h进行跟踪测量。待盾构穿越后，沉降趋于稳定时，逐渐减少检测次数，并恢复正常检测，待地面稳定后停止检测。3)动态信息传递。每一次测量成果及时汇总给施工技术部门，以便于施工技术人员及时了解施工现状和施工区域变形情况，确定新的施工参数和注浆量等信息和指令，并传递给盾构推进面，对推进面及时作出相应调整，最后通过检测确定效果，从而反复循环、验证、完善，确保隧道施工质量。4)对桥梁的保护措施。在盾构穿越顺驰立交桥时根据地质情况及周围施工环境，采取如下保护措施:a.在桥墩承台处加密测点和增加检测频率。b.盾构推进时控制推进速度、出土量、压浆量及压浆压力等参数，并通过检测数据及时、有效地加以调整，确保桥梁的安全。c.保持施工的连续性。d.通过隧道内的预留孔向管片外壁压注一定数量的双液浆，加强对桥梁桩基的保护。

3.4 穿越房屋建筑密集区的施工措施

1)对穿越房屋地段进行详细补充调查。对盾构穿越房屋的地段进行详细补充调查，以力求确切了解土质特性、地下水情况和房屋结构及基础特点，明确地面沉降及房屋的沉降和倾斜控制要求。

2)积极保护方法中的施工监测。在穿越房屋基础时采用地面沉降观测、分层沉降观测、连通管观测三种方法对土体、基础及房屋进行监测。

这三种监测方式从不同角度反映了盾构引起的地表、地层及基础和高程的变形情况，为盾构施工参数的优化提供了可靠的依据。连通管监测有连续性、即时性、精度高等优点，便于及时调整施工参数及采取补救措施。

3)优化施工参数。施工参数的合理选择和控制是盾构掘进施工的关键环节，对特殊地段的盾构掘进尤为重要。通过优化施工参数，提出减少沉降的施工技术措施，可以把盾构施工对建筑物的影响范围减少到最低程度。具体措施有:a.合理设置土压力值，防止超挖和欠挖;b.少纠偏，特别是大量值的纠偏;c.降低推进速度，减小盾构对土体的挤压;d.同步注浆采用可硬性浆液;e.合理布置监测控制点，保证同步注浆量;f.盾构穿越后的补压浆及必要的跟踪注浆。

3.5 穿越地下管线密集处的施工措施

如何穿越此区间地下管线密集区，是工程施工难点之一。对地面沉降原因进行分析，对沉降量进行预测，采取信息化施工，对管线进行主动保护，必要时进行工程保护，保证管线的安全及正常使用。

对于重要管线采取从地面开挖样洞，直接在管线上布沉降点。一般性管线，在管线上方的地表采用钢钉或短钢筋作标记，在盾构穿越时及穿越后进行监测。监测工作由专业人员实施，监测人员分析每次的监测数据及累计数据变化规律，根据实际盾构推进情况以及管线沉降量确定每日监测频率。

4 土压平衡盾构的常见故障分析与处理

土压平衡盾构经过长时间的使用后，会出现各种各样的设备故障，有些故障可以进行事后处理，而有些故障必须进行事前控制和干预处理，否则会造成很大的设备损坏。以下就土压平衡盾构在使用中的常见主要故障现象和处理方法进行分析。

4.1 刀盘卡死

卡刀盘的原因:1)刀具磨损过大特别是边刀;2)掘进过程中贯入度太大，导致盾构机超扭矩突然停机;3)在软弱地层由于注浆加固等地层处理时也会将盾构机刀盘卡住。刀盘卡死的处理方法有以下几种:

1)刀盘无法伸缩(HK型式):采用反转方式，但注意反转速度不能太快，以防止减速箱，保险轴及齿面的损坏。如果仍无法启动，可以采用加气压的方式将盾构机后退使刀盘脱困。2)刀盘可以伸缩:采用伸缩方式脱困。3)变频电机驱动，主动式铰接:采用收铰接，将刀盘收回来。4)如果变频驱动，无铰接或被动铰接:采用正反转的方法，频率需要控制好，也可以采用盾构机后退的方式。为防止尾刷过度损坏，可以后退前向尾刷内多注油脂。变频驱动在掘进过程中一般不会被卡住，但如果操作不当，比如贯入度太大，或扭矩未下降时突然停机，则会导致刀盘被卡，因此在掘进当中要十分注意。

4.2 卡盾壳

卡盾壳多发生在硬岩掘进中，主要因为调向过快，刀具过度磨损，在软地层中由于停机时间过长或停机加固地层中经常会卡住盾壳。卡盾壳的处理方法有以下几种:

1)如果为被动铰:提高推力来进行脱困。由于盾构机铰接油缸力较小，导致铰接油缸在推进油缸作用下被拉长，而盾尾不动，此时就必须制作拉杆，代替铰接油缸承受推进油缸的拉力。

2)如果为主动铰接:采用铰接掘进的方法，在此情况下使用铰接油缸进行推进，然后推进油缸和铰接油缸合力拖拉盾壳可以脱困。

4.3 螺旋机卡死

螺旋机在硬岩掘进过程中由于细颗粒太少，且大部分为碎石块，使碴土流动性较差，停机后再次启动时会出现无法启动，主要是因为出碴过程中螺旋机内部残留太多的碎石块，停机后碎石块在重力作用下聚集，使螺旋机启动时的被动扭矩增加导致。螺旋机卡死的一般处理方法是:采用螺旋机的伸缩功能，使螺旋机螺旋带伸缩，以减少螺旋机叶片与碎石之间的接触长度，减小摩擦力。禁止在不伸缩的情况下正反转脱困，这样将会使碎石越来越紧，以致无法脱困。

4.4 刀具磨损过快

刀具磨损主要体现在:1)刀盘扭矩上升，掘进速度减慢。2)增加推力速度提升不明显。3)出碴温度较高。4)听盘内出现嚓嚓的撕裂声音。

预防刀具磨损过快的有效方法是及时进行刀具检查与合理更换。刀具的检查在硬岩及复合地层是非常重要的工序，有计划的检查刀具有利于提前发现异常损坏的刀具，防止磨损扩大化。因为一把刀损坏以后，周围两把刀的破岩工作量加大，刀过快损坏，最后导致刀具大面积损坏。检查刀具一般检测刀具的磨损量，滚刀的转动效果，刀圈有无裂纹，有无漏油。滚刀在没有刮刀保护的情况下，刀很快会损坏，刮刀可以将滚刀破碎后的岩石刮下，使滚刀有更好的破碎环境。

换刀时一定要注意过渡刀的安装，注意新刀与旧刀间的高差不能大于5mm。换刀过程中要注意清洁，将刀座，螺栓孔清洁彻底，防止刀被卡住或螺栓无法紧固。在刀具磨损较大的情况下，换刀前一定要将刀盘后退，否则刀具刚装上由于贯入度过大导致损坏的可能性非常大。换刀完成后在启动刀盘时，一定要等刀盘转动平稳后再掘进，而且掘进中采用小推力，低速掘进，待刀具磨合到一定程度后再加快速度。

5 结语

盾构施工因施工安全、自动化程度高、不受风雨气候条件以及地面交通等因素的影响，得到了越来越广泛的应用。但盾构在特殊地段如小半径曲线隧道施工、在饱和含水松软土层施工中的防水性与地表沉陷控制等方面，施工难度大，技术要求高，本文关于土压平衡盾构在特殊地段采用的施工方法和施工工艺，对保证工程的施工质量和施工工期，具有非常现实的指导意义和应用价值。同时，本文提出的有关盾构机常见故障处理方法，对保证设备的正常运行和合理维护，对盾构机的设备维护管理，同样具有重要的实际应用价值。

［1］ 乐贵平.浅谈北京地区地铁隧道施工用盾构机选型［J］.现代隧道技术，2003，40(3):14-30.

［2］ 施仲衡.盾构机在中国地铁建设中的应用［J］.建筑机械，2002(50):20.

［3］ 唐益群，宋永辉，周念清，等.土压平衡盾构在砂性土中施工问题的试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(1):52-56.

［4］ 马文亮.盾构机在地下铁道施工中的应用研究［D］.长沙:中南大学硕士学位论文，2004.