盾構機推力過大原因分析與應對措施

黃李文，楊 壘，徐東博，李業民，韓佳霖

北方重工集團有限公司盾構機分公司，遼寧沈陽 110141

0 引言

盾構機是一個綜合性隧洞開挖設備，它具備多種功能，主要是開挖、出土、支護、注漿、導向等盾構施工過程中的全部功能，因此被廣泛應用于隧道建設施工項目中，尤其是地下交通工程項目中。然而在具體的施工過程中，由于受內外界多重因素影響，會導致盾構機的推力過大，造成盾構機機體下沉、地面下降、機器的關鍵部件老化、提高能耗等。這種情況的出現勢必會引發盾構機迫停，因而影響施工的進度和質量，增長施工工期。所以，我們有必要對引發盾構機推力過大的原因進行詳細的分析，并在此基礎上制定切實可行的實施方案，保證工程的順利進行。

1 盾構機結構及工作原理

1.1 盾構機主要構成

盾構機主要由盾體、刀盤、氣閘、排渣機構、電氣系統、管片拼裝機及輔助設備組成。其主要優點如下∶受地面交通環境、河道環境、航運狀態、季節環境、氣候等條件的影響較小；隧道施工過程比較安全、合理；盾構機可以實現自動化的掘進、出土、拼裝等功能；該設備掘進速度較快，效率較高，施工的勞動強度較低；而且采用盾構機施工對地面的干擾比較小。其缺點為：盾構機械造價成本較高；容易在飽和含水的松軟地層中沉陷；隧道曲線半徑過小或埋深較淺時難度較大；盾構機的轉移、運輸、安裝及場地布置等比較復雜。

盾構的主要功能是作為人體和設備的護體，其外形（斷面形狀）隨所建的工程要求不同進行設計，主要有圓形、雙圓形、三圓形、半圓形等。例如人行道方形的設計能提高利用的空間、過水洞馬蹄形的設計非常符合流體力學、公路隧道半圓形的設計主要是利用下玄跑車）。目前，絕大部分盾構還是采用傳統的圓形設計，因為圓形斷面的受力較柔和而且設備制造過程相對簡單、成本相對低廉。

1.2 盾構機工作原理

盾構機的工作原理就是通過護盾沿隧道邊緣在向前推進的同時對隧道內的土壤進行挖掘。軟巖切削機理就是通過應用刀具對土層進行擠壓，利用擠壓產生的剪切力來破壞土層進而達到切削效果；硬巖破巖機理即通過利用硬質材料的易脆性質，采用滾刀的滾動對巖石進行擠壓，利用擠壓產生的剪切力來碾碎巖石。在具體工程項目中若要實現連續破巖就要在滾刀上施加一個正壓力和一個水平推力，正壓力是由盾構產生的推進力，而水平推力是由刀盤轉動產生的。所以若想在滾刀破巖方面達到滿意效果，就必須要滿足兩個條件：一是盾構機的工作面土層要有一定強度；二是滾刀的啟動扭矩一定要小。

2 盾構機推力過大原因分析

2.1 受力分析

根據實際情況，我們對盾構機的推力進行分析，主要分析情況如下：通常情況下，由于拖車質量不變，拖車的阻力亦恒定不變；盾尾阻力受地層摩擦因素影響，因摩擦系數不同而變化，摩擦力與阻力之和為盾尾油缸的壓力。如果采用加壓模式，恒定不變的氣壓對盾構機產生的反作用力也是不變的；水土壓力主要受地層裂隙大小及地層穩定程度影響。刀盤與土層之間的摩擦力受土量及硬度影響，土層的粘土量越大、硬度越大，盾構機的摩擦阻力越大。

2.2 現場工況分析

在含泥量較高的粘土地層，容易使刀盤被泥餅覆蓋，在刀具表面形成泥膜，這樣會導致刀具不能進行有效的切削，這樣就會導致盾構機的向前推進主要是依靠油缸的壓力進行，所以造成盾構機推力大幅提升。這樣在多種力量的共同作用下，土層的溫度就會大幅提升，刀具上的泥膜會凝固不動，如果刀具在這種情況下繼續工作，很快就會造成刀具偏磨，降低刀具的使用壽命。

3 解決措施

首先，要杜絕掉物現象的發生，加強精細化管理。在地質條件不會發生突變的情況下，關注油缸的壓力和行程，確保油缸承受的壓力不會有太大的變化，這樣才能保證油缸不會在壓力的作用下導致變形。

其次，我們要根據土層結構選擇相應的推進模式，例如在穩定地層選擇水平模式推進，這樣可以有效降低盾構機的推進壓力。在不穩定的粘土層和沙土層，我們要采用氣壓平衡模式，同時采用泥漿注入的方式進行推進，這樣可以有效規避塌方的問題。

再次，在具體施工過程中，我們一定要對盾構機推進的速度、壓力等參數進行實時監控，一旦發現達到警戒值時就必須停機檢查，不能盲目施工，以免給盾構造成更大的損傷。在沙層停機過程中，我們必須要在盾尾注入2倍體積的泥漿，這樣才能使盾尾脫困，如果脫困較困難，就需要人工的配合，增加臨時油缸，利用推動油缸的方式來拉動盾尾。

最后，在卵石的處理上我們一定要采取有效的措施，如適當回收刀盤，加大刀盤與土層的距離等等，盡量讓卵石自動掉落到土層，然后通過排渣口排出機體。在盾構孤石施工過程中，雖然我們還沒有探索出切實可行的辦法，但是我們可以應用爆破法將孤石分裂，然后采用人工的方式排出。

4 結論

盾構機的整個施工過程基本上都屬于地下隱蔽施工工程，因此存在諸多不明因素。無論地質結構如何，地層表面如何，造成盾構機推力過大的原因都是非常復雜的，需要技術人員實時進行關注，尤其是盾構機在工作過程中突然發生推力過大的情況，技術人員一定要引起重視，高度警覺，及時排查，找出問題存在的癥結，盡早排除隱患，以免給整個工程帶來難以彌補的損失。這就需要我們不斷加強對技術人員的培訓，豐富技術人員的知識結構，提高操作技術水平，進而降低整個工程項目的風險，提高施工的質量和效益。因此，具有一定的現實意義。

[1]葉康慨，王延民.土壓平衡盾構施工土壓力的確定[J].隧道建設，2003.

[2]黃恒儒.土壓平衡盾構在上軟下硬復合地層中的施工技術[J].廣州建筑，2010.