浅谈地铁隧道盾构机常见故障及处理方法

马伟东

摘 要：盾构法是地铁隧道施工中较为先进的技术，即在地表以下利用盾构开挖隧道。其中盾构机是基于盾构方法挖掘隧道的高科技施工设备，可实现隧道衬砌支护、掘进、碴土装运等一次性开挖成形功能。目前地铁隧道施工常用的是泥水式盾构机和土压式盾构机，文章则主要以盾构机结构和工作原理为切入点，探讨分析该设备常见故障，并给予处理方法，以供参考。

关键词：地铁隧道；盾构机；故障；处理

近年来，随着我国经济水平的不断提升和高层建筑的增加，地面可用空间相对于以往越来越少，该如何有效利用和创造地下空间是当下城市现代化建设的重要课题。地铁作为一种地下空间开发方法已被我国许多城市采纳，其中盾构机应用于该建设工程中，它具有一次成洞、公害少、施工速度快、自动化程度高等特点，对此，研究该设备常见故障对提高其应用能力有着重要的意义。

1 地铁隧道盾构机相关概述

1.1 盾构机主要结构

盾构机是采用盾构方法挖掘隧道的高科技施工设备，能在施工过程中实现碴土装运、隧道掘进及衬砌支护等一次性开挖成型功能。盾构技术是第二次工业革命之后相继传入法国、美国、日本、德国和苏联等国并得到改进和快速发展，从最初的人工开挖发展为机、电、液、压为一体的开挖方式。我国对此设备的研究较晚，然而随着南北水调工程和许多大中型城市对地铁隧道施工的需要，盾构法和盾构机在我国均得到了快速发展，结束了在复杂地质环境下隧道施工的现状，实现了从部分关键技术到整机改造的发展历程。当前在地铁隧道施工工程上比较常用的盾构机为泥水式和土压式，其中土压式盾构机为稳定开挖面则把土料作为介质，必要时也会将泡沫添加到土壤中进行改良，利用刀盘后隔板与开挖面之间形成泥土室保证设备内外土压的平衡，此时刀盘旋转对土料进行开挖，再由螺旋输料器旋转将土料运出，泥土室内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输料器出土量进行调节。文章所研究的土压平衡盾构机包括刀盘、盾体、推进系统、刀盘及刀盘驱动、双室气闸、排土机构、管片拼装机、后配套装置等。

1.2 盾构机工作原理

盾构机工作原理为利用盾体在挖掘隧道时作临时支护，并在其保护下通过拼装管片形成稳固的衬砌，反复重复上述动作直到贯通隧道为止。具体施工过程为在隧道某段的一端修建竖井，之后把盾构机相应的施工主体、配件放入井中并在预定始发位置上组成整机并调试设备。在地层中根据所设计的运动轴线从竖井的墙壁开孔处向另一竖井的设计孔洞推进，盾构机的刀盘在推进过程中不断对位于盾构机前端的开挖面进行切削并把产生的碴土送到竖井中并运送出竖井。在推进过程中通过盾构千斤顶将所受到的低层阻力传送到已拼装完成的管片上，平衡压力。盾构机每推进一定的距离，管片拼装机在盾尾支护下拼装一环衬砌管片并通过注浆装置向开挖隧道外围压注足够的浆体，该步骤的目的在于形成稳固的支护防止隧道及地面下沉，最后在盾构机挖掘到预定接收竖井时则表现挖掘完成。

2 地铁隧道盾构机常见故障

2.1 刀盘故障

2.1.1 泡沫孔堵塞

泡沫孔堵塞多集中在以下两方面：一在盾构机刀盘4条牛腿设置泡沫管，有较大的拆卸难度。泡沫管的走线基本上都呈现出多直角弯分布状态，抑制部分如管道疏通机等机械式疏通机无法发挥作用。二在泡沫管安装于刀盘面板出处，其单向阀阀片的耐磨性不高，由于无法起到挡碴作用，导致在掘进过程中泡沫孔常常因过高的土仓压力而堵塞。一般安装旋转接头需花费较多时间，若不能在疏通前拆下，则无法使用，同时也会在短时间内堵塞已疏通的道路。

2.1.2 立柱焊缝开裂

文章所研究盾構机在使用过程中连接主轴承和刀盘的立柱经常出现焊缝开裂现象，例如某地铁隧道工程在施工过程中所出现的开裂部位位于立柱和仿行刀面板连接处，其裂纹特点为连续性较强，具体分布为沿立柱焊缝呈环状，裂纹长度较长，最长一条长420mm且分叉较多，裂缝宽度较大，最宽处约为4mm。

2.2 盾构机推进系统故障

土压平衡盾构机推进系统是建立在盾构挖掘阶段，能实现盾构机在土压平衡状态下的掘进控制，同时可以克服来自土层的各种阻力，确保设备正常工作。该系统由长短千斤顶、横压变量、推进油缸及相关控制监测部件组成。该系统故障产生原因比较复杂，有时会因为外部恶劣的工作环境以致部分子系统过载，使系统部件的损坏受到影响。有时也是因部分部件失效造成或系统部件使用寿命到限，尤其各个系统之间的相互联系和影响在正常推进模式下使故障变得更加复杂，此时很难确定故障在哪个系统或由哪一部分引起。但总结下来盾构机推进系统主要有以下方面异常：（1）压力异常：盾构机推进系统在设计液压管路时预留了许多压力测量点，导致这些压力测量表可测量出关键测量点的压力值，一旦推进系统发生故障，其压力值就会存有偏差。（2）流量异常：盾构机推进系统中的液压子系统运行主要依靠液压油的流动来带动执行驱动，液压油流速会在推进系统各个动作紧密配合中呈现规律性变化，因此当推进系统出现故障时必然会导致流量发生改变。

3 地铁隧道盾构机常见故障处理方法

3.1 刀盘故障处理方法

首先立柱焊缝开裂；可运用气刨刨去含有裂纹的焊缝，视裂纹在焊缝深处的发展情况和连接件的尺寸来决定所需开坡口的大小和所需采用的焊接工艺。主要因为作用于立柱相接的两块厚度达40mm的肋板接受刀盘的推力和扭矩所承受的压力。若裂纹出现在该区域，则需立即保证焊接质量，必须用焊条一点一点填满缝隙，如果裂纹的宽度较宽，可将刀盘转到合适的位置，便于操作人员采用平焊的方法焊接，由此一来，降低焊接难度的同时保证焊接质量，一定程度上还能简易化焊接步骤，提高工作效率。其次泡沫孔堵塞；由于设计因素，有时泡沫孔疏通工作难度较高，但遇到优质的地质条件可将旋转接头拆除，用管道疏通机和高压水机疏通从旋转接头的泡沫管和刀盘面板的泡沫管。虽然这种处理方法有较大的成功几率，然而泡沫孔在掘进的过程中极易被二次堵塞，所以要从设计上加以改进，从根本上解决问题。与此同时，如果中控手能提高操作技巧或掌握所要添加泡沫数量，可有效降低堵塞几率。

3.2 控制盾构机推进偏移量

控制盾构机推进的偏移量在于减少盾构机在工作中对土层造成的扰动和摆动现象，同时也是控制超挖现象，保证盾构开挖面的稳定性。同时检测在盾构掘进时地面发生变形而产生的曲线并及时反馈，要不断调整和优化掘进参数保证施工参数的合理性，进一步从根本上对地面土体位移和地面沉降的程度进行控制。盾构机掘进偏移带来的一个较明显的后果即姿态控制难，即对油缸的有效控制。所以在推进油缸行程时要控制推进速度，不宜过快。要在推进时定期派人检查和监测盾构机的推进情况。检查范围为盾构机回的填料是否饱满，机体下部与导台的结合情况，同时还要检查盾构机的掘进参数。

4 结束语

综上所述，文章主要从盾构机结构和基本原理分析其常见故障，要求在出现故障时采用有效正确的处理方法。由于盾构机重量和体积都很大，如果不经常维护保养则会造成盾构机下沉、盾构中心偏离隧道设计轴和地面沉降等问题。为保证盾构机处于良好的技术状态下，必须强化设备的维修保养工作，提高机械利用率，减少故障停机日，提高使用寿命。

参考文献

[1]张云飞.盾构隧道施工中的典型事故分析及控制研究[D].中国地质大学（武汉），2010.

[2]霍元盛.土压平衡盾构机通过地铁隧道矿山法段的回填掘进施工技术[J].铁道标准设计，2011（10）：107-110.