盾构机推力过大原因分析与应对措施

黄李文，杨 垒，徐东博，李业民，韩佳霖

北方重工集团有限公司盾构机分公司，辽宁沈阳 110141

0 引言

盾构机是一个综合性隧洞开挖设备，它具备多种功能，主要是开挖、出土、支护、注浆、导向等盾构施工过程中的全部功能，因此被广泛应用于隧道建设施工项目中，尤其是地下交通工程项目中。然而在具体的施工过程中，由于受内外界多重因素影响，会导致盾构机的推力过大，造成盾构机机体下沉、地面下降、机器的关键部件老化、提高能耗等。这种情况的出现势必会引发盾构机迫停，因而影响施工的进度和质量，增长施工工期。所以，我们有必要对引发盾构机推力过大的原因进行详细的分析，并在此基础上制定切实可行的实施方案，保证工程的顺利进行。

1 盾构机结构及工作原理

1.1 盾构机主要构成

盾构机主要由盾体、刀盘、气闸、排渣机构、电气系统、管片拼装机及辅助设备组成。其主要优点如下∶受地面交通环境、河道环境、航运状态、季节环境、气候等条件的影响较小；隧道施工过程比较安全、合理；盾构机可以实现自动化的掘进、出土、拼装等功能；该设备掘进速度较快，效率较高，施工的劳动强度较低；而且采用盾构机施工对地面的干扰比较小。其缺点为：盾构机械造价成本较高；容易在饱和含水的松软地层中沉陷；隧道曲线半径过小或埋深较浅时难度较大；盾构机的转移、运输、安装及场地布置等比较复杂。

盾构的主要功能是作为人体和设备的护体，其外形（断面形状）随所建的工程要求不同进行设计，主要有圆形、双圆形、三圆形、半圆形等。例如人行道方形的设计能提高利用的空间、过水洞马蹄形的设计非常符合流体力学、公路隧道半圆形的设计主要是利用下玄跑车）。目前，绝大部分盾构还是采用传统的圆形设计，因为圆形断面的受力较柔和而且设备制造过程相对简单、成本相对低廉。

1.2 盾构机工作原理

盾构机的工作原理就是通过护盾沿隧道边缘在向前推进的同时对隧道内的土壤进行挖掘。软岩切削机理就是通过应用刀具对土层进行挤压，利用挤压产生的剪切力来破坏土层进而达到切削效果；硬岩破岩机理即通过利用硬质材料的易脆性质，采用滚刀的滚动对岩石进行挤压，利用挤压产生的剪切力来碾碎岩石。在具体工程项目中若要实现连续破岩就要在滚刀上施加一个正压力和一个水平推力，正压力是由盾构产生的推进力，而水平推力是由刀盘转动产生的。所以若想在滚刀破岩方面达到满意效果，就必须要满足两个条件：一是盾构机的工作面土层要有一定强度；二是滚刀的启动扭矩一定要小。

2 盾构机推力过大原因分析

2.1 受力分析

根据实际情况，我们对盾构机的推力进行分析，主要分析情况如下：通常情况下，由于拖车质量不变，拖车的阻力亦恒定不变；盾尾阻力受地层摩擦因素影响，因摩擦系数不同而变化，摩擦力与阻力之和为盾尾油缸的压力。如果采用加压模式，恒定不变的气压对盾构机产生的反作用力也是不变的；水土压力主要受地层裂隙大小及地层稳定程度影响。刀盘与土层之间的摩擦力受土量及硬度影响，土层的粘土量越大、硬度越大，盾构机的摩擦阻力越大。

2.2 现场工况分析

在含泥量较高的粘土地层，容易使刀盘被泥饼覆盖，在刀具表面形成泥膜，这样会导致刀具不能进行有效的切削，这样就会导致盾构机的向前推进主要是依靠油缸的压力进行，所以造成盾构机推力大幅提升。这样在多种力量的共同作用下，土层的温度就会大幅提升，刀具上的泥膜会凝固不动，如果刀具在这种情况下继续工作，很快就会造成刀具偏磨，降低刀具的使用寿命。

3 解决措施

首先，要杜绝掉物现象的发生，加强精细化管理。在地质条件不会发生突变的情况下，关注油缸的压力和行程，确保油缸承受的压力不会有太大的变化，这样才能保证油缸不会在压力的作用下导致变形。

其次，我们要根据土层结构选择相应的推进模式，例如在稳定地层选择水平模式推进，这样可以有效降低盾构机的推进压力。在不稳定的粘土层和沙土层，我们要采用气压平衡模式，同时采用泥浆注入的方式进行推进，这样可以有效规避塌方的问题。

再次，在具体施工过程中，我们一定要对盾构机推进的速度、压力等参数进行实时监控，一旦发现达到警戒值时就必须停机检查，不能盲目施工，以免给盾构造成更大的损伤。在沙层停机过程中，我们必须要在盾尾注入2倍体积的泥浆，这样才能使盾尾脱困，如果脱困较困难，就需要人工的配合，增加临时油缸，利用推动油缸的方式来拉动盾尾。

最后，在卵石的处理上我们一定要采取有效的措施，如适当回收刀盘，加大刀盘与土层的距离等等，尽量让卵石自动掉落到土层，然后通过排渣口排出机体。在盾构孤石施工过程中，虽然我们还没有探索出切实可行的办法，但是我们可以应用爆破法将孤石分裂，然后采用人工的方式排出。

4 结论

盾构机的整个施工过程基本上都属于地下隐蔽施工工程，因此存在诸多不明因素。无论地质结构如何，地层表面如何，造成盾构机推力过大的原因都是非常复杂的，需要技术人员实时进行关注，尤其是盾构机在工作过程中突然发生推力过大的情况，技术人员一定要引起重视，高度警觉，及时排查，找出问题存在的症结，尽早排除隐患，以免给整个工程带来难以弥补的损失。这就需要我们不断加强对技术人员的培训，丰富技术人员的知识结构，提高操作技术水平，进而降低整个工程项目的风险，提高施工的质量和效益。因此，具有一定的现实意义。

[1]叶康慨，王延民.土压平衡盾构施工土压力的确定[J].隧道建设，2003.

[2]黄恒儒.土压平衡盾构在上软下硬复合地层中的施工技术[J].广州建筑，2010.