浅析盾构机在不同地质条件下的掘进控制及维修管理

崔建

【摘 要】随着隧道施工技术的提高，盾构掘进技术由于其独特的优越性已经作为主流技术被广泛采用。世界上许多国家和地区的城市隧道、过江和过海隧道大多采用此技术修建。面对21世纪我国城市地下空间开发利用的广阔市场，盾构掘进技术将是必然的选择。本文结合不同地质条件，对盾构掘进控制技术进行探讨。

【关键词】盾构机；原理；不同地质；控制

1 盾构法施工工作机理研究

机理研究的主要目的是为了更好地解决如下问题：如何选定与特定地层条件相适应的盾构机类型；在盾构机类型已经确定的情况下，如何针对土层的特性，选择合理的切削方式，从而满足掘进速度最快，并能最大限度地提高施工的效率；在特定地层条件下，如何选定与地层特性相适宜的盾构机工作参数，从而能确保开挖面的稳定性，使得地表不至于产生过大的变形，盾构施工对地层产生的扰动最小。

传统施工方法对于地质条件的变化较为敏感。在不同地质条件下，地层处理、开挖方法、支护手段甚至支护原理都有很大的区别。故技术上的矛盾主要集中在线路、地质、支护三者上。盾构法施工把不同的线路、地质条件相对简化，不同的线路、地质条件只对施工中掘进模式的选择产生影响。由于现代化机械盾构对地质条件有很强的自适应性，使得地质条件对施工的影响相对传统施工有所减弱。因此，盾构施工的主要技术矛盾己经不再集中在地質和支护上，掘进参数的设定与控制、管片选型、注浆工艺成为同样重要的技术控制点，其中掘进参数的设定与控制和管片选型对隧道质量所起的影响较大，也是盾构施工的一个难点。盾构的施工过程实际上是一个不同的系统工程。为了保证系统的稳定性，同时也为了提高机器掘进效率，盾构机的掘进参数（推力、推进速度、刀盘转速、螺旋机转速、土舱压力）之间需满足一定的匹配性。参数的优化和匹配，使盾构机达到稳定的最佳掘进状态。

2 不同地质条件下的盾构掘进控制

2.1 盾构机穿越全软地层

在此类地层中掘进，盾构机采用齿刀和刮刀组合刀具。掘进前必须做好刀具的检查和更换，预测刀具寿命和换刀里程。掘进采用低转速（约1.8 r/min）、大扭矩，以保持盾构机主机仰角推进（防止栽头）。掘进中盾构机土舱压力要略大于开挖面静水压力和地层土压力之和。操作人员要通过及时观察螺旋口所排碴土的变化来调节刀盘和螺旋的泡沫注入量，改善土体的和易性和流动性；注意推力和刀盘扭矩的变化，防止出现“泥饼”；经常检查皮带的转轴，清理螺旋输送机等出土设备，避免泥土堆积造成皮带不正常磨损和出土口堵塞。在保证同步注浆饱满的前提下，盾构机尽量做到快速掘进，减少对地层的扰动。在此地段要加强地面监测，及时分析数据，调整盾构掘进参数和注浆压力。

2.2 盾构机穿越断裂带

盾构机通过硬岩断裂带时，易卡刀盘，从而损坏刀具。有时由于推进参数选择不合理，刀盘旋转频繁会出现跳闸或将刀盘卡死现象，严重影响正常推进，反转刀盘仍无法脱困。

对于硬土层中断裂带施工，调整各推进油缸推力便可实现；对于硬岩中断裂带的施工，首先要减少推力，使推力在5880～6860kn以下，使推进速度降低为份18mm/min及以下，调整各组推进液压缸推力使之尽量均衡。减少纠偏幅度，缓慢纠偏，使上下左右的盾尾间隙均匀，若在曲线段出现断层，要尽量使用标准环过渡。

出现刀盘卡死时，应正反转动刀盘，若还不能脱困，则应根据推进中判断的断裂带方向使对应液压缸组分别泄荷，然后降低推进速度实现脱困。若上述方法不能奏效，就要给盾尾管片上下左右用大木楔夹紧，松开各组推进液压缸10～20mm，向土仓内充高压空气，使盾体稍向后微动达到脱困之目的。

2.3 盾构机穿越溶洞

在溶洞地层掘进时，操作人员应使盾构机保持相对慢速地平稳推进，要时刻注意盾构机推进速度、刀盘转速及压力等参数的变化，更要注意导向检测显示器上盾构机姿态的变化，加强掘进姿态控制。如出现速度瞬时增加很快，姿态发生比较大的变化，这时可能进入溶洞（若注浆充填处理没有完全填充密实，可能局部为空洞），此时应及时停机调查分析原因，等处理后才能继续推进，以防盾构机栽头。同时在掘进过程中调整同步注浆浆液的配合比，缩短凝结时间，同时增大注浆量和注浆压力。由于石灰岩强度远远大于回填材料，故在穿越溶洞壁时或不完全在溶洞中时，刀盘要平稳起停，推进压力不宜过大和变化过快，防止损坏刀盘和刀具。

2.4 盾构机穿越岩石微风化带

此类地层全断面多为花岗岩微风化带。由于一般在盾构施工区间范围内硬岩距离短，考虑到经济和实际情况，大多仍采用盾构法。此类围岩自稳性好，又含水较少，宜采用敞开模式掘进。掘进采用高转速小扭矩，掘进所需推力比较大，操作人员必须了解管片承受压力的范围，调节四组油缸推力，使其压力尽可能均布，且上下两组油缸的推力稍大于左右两组油缸的推力。采用破岩能力强的单刃滚刀，尽量减小刀盘的负载，尽管如此刀具的磨损也是相当惊人的，平均推进1.5环就得检查刀具一次，若发现刀具磨损严重或滚刀不转或偏磨，则要马上更换，否则可造成刀座严重变形而换刀困难，严重时可能磨损刀盘或刀盘开裂。还应及时更换边缘滚刀，否则会因开挖轮廓变小而使盾构机主机出现被卡的严重后果。

掘进中刀盘转速应提高到2.5r/min左右或更高，根据螺旋口排土情况，及时调整泡沫和膨润土的用量或比例，以减少刀具和刀盘的磨损，冷却刀盘以保持刀具的耐磨性。操作人员必须注意推力和速度，若推力持续增加而掘进速度逐渐降低，则应考虑检查刀具磨损情况。在此地层中，盾构机主机所受反扭矩较大，必须时刻注意滚动角的变化随时更换刀盘的转动方向。在此地层中要提高注浆量，密实填充管片与隧道开挖轮廓间的缝隙，调节水泥沙浆的配合比，缩短凝固时间， 防止已拼装管片整体发生扭转。

3 盾构设备维护管理

为了充分发挥盾构的性能，防患故障、延长盾构机寿命，必须定期和随时对盾构设备进行日常维护、检查和维修。

3.1 日常检查、维护

1）各部位的螺栓、螺母松动检查、拧紧；

2）异常声音、发热检查；

3）工作油、润滑油、润滑脂、水、空气的异常泄漏检查；

4）各部位供油、脂情况确认、检查、补充；

5）工作油箱油位检查；

6）电源电压正常确认；

7）操作盘开关类、指示灯、仪表类正常动作确认；

8）盾构本体—台车之间的软管、电线异常有无检查；

9）安全阀设定压力检查；

10）液压设备维护、过滤器清扫后的回路内排气确认；

11）皮带运输机的清理，滚轮加注润滑油。

3.2 定期维修、维护

1）一个月维修、维护

①油箱排水

②电动机类的精密检查（轴承供油、绝缘电阻测量、滴水检查等）

③控制盘和配电器具检查（接点磨损状况，绝缘电阻测量、配线管、管道损伤等）

2）6个月检查、维护

启动油、润滑油定期检查（2次/年、工作油生产厂家检查）

3.3 长期停止运行时的维护管理

长期停止运行时，必须实施下列作业遇有地下不明障碍物

1）每个设备的空载运行（每隔10—15天）。

2）气缸头、阀槽等滑动面露出部分涂油。

3）防止空间加热器引起的动力盘内结露的作业。

4 结语

盾构机在不同的地质条件下掘进时，操作人员要及时预防和处理可能出现的各种情况，采取不同的操作控制技术和对策，掌握合理有效的盾构掘进控制技术和处理方法。只有这样，才能确保盾构机正常运行、提高掘进速度和效率、保证工程质量和降低工程成本。

【参考文献】

[1]王付利.盾构机在复杂地层中的掘进[J].隧道建设，2006.

[2]汪茂祥.盾构机几种故障的处理[J].工程机械与维修，2003.

[3]杨晓强，薛瑞麟.复合式盾构机故障排除[J].工程机械与维修，2006.

[责任编辑：杨玉洁]