淺談地鐵隧道盾構機常見故障及處理方法

馬偉東

摘 要：盾構法是地鐵隧道施工中較為先進的技術，即在地表以下利用盾構開挖隧道。其中盾構機是基于盾構方法挖掘隧道的高科技施工設備，可實現隧道襯砌支護、掘進、碴土裝運等一次性開挖成形功能。目前地鐵隧道施工常用的是泥水式盾構機和土壓式盾構機，文章則主要以盾構機結構和工作原理為切入點，探討分析該設備常見故障，并給予處理方法，以供參考。

關鍵詞：地鐵隧道；盾構機；故障；處理

近年來，隨著我國經濟水平的不斷提升和高層建筑的增加，地面可用空間相對于以往越來越少，該如何有效利用和創造地下空間是當下城市現代化建設的重要課題。地鐵作為一種地下空間開發方法已被我國許多城市采納，其中盾構機應用于該建設工程中，它具有一次成洞、公害少、施工速度快、自動化程度高等特點，對此，研究該設備常見故障對提高其應用能力有著重要的意義。

1 地鐵隧道盾構機相關概述

1.1 盾構機主要結構

盾構機是采用盾構方法挖掘隧道的高科技施工設備，能在施工過程中實現碴土裝運、隧道掘進及襯砌支護等一次性開挖成型功能。盾構技術是第二次工業革命之后相繼傳入法國、美國、日本、德國和蘇聯等國并得到改進和快速發展，從最初的人工開挖發展為機、電、液、壓為一體的開挖方式。我國對此設備的研究較晚，然而隨著南北水調工程和許多大中型城市對地鐵隧道施工的需要，盾構法和盾構機在我國均得到了快速發展，結束了在復雜地質環境下隧道施工的現狀，實現了從部分關鍵技術到整機改造的發展歷程。當前在地鐵隧道施工工程上比較常用的盾構機為泥水式和土壓式，其中土壓式盾構機為穩定開挖面則把土料作為介質，必要時也會將泡沫添加到土壤中進行改良，利用刀盤后隔板與開挖面之間形成泥土室保證設備內外土壓的平衡，此時刀盤旋轉對土料進行開挖，再由螺旋輸料器旋轉將土料運出，泥土室內土壓可由刀盤旋轉開挖速度和螺旋輸料器出土量進行調節。文章所研究的土壓平衡盾構機包括刀盤、盾體、推進系統、刀盤及刀盤驅動、雙室氣閘、排土機構、管片拼裝機、后配套裝置等。

1.2 盾構機工作原理

盾構機工作原理為利用盾體在挖掘隧道時作臨時支護，并在其保護下通過拼裝管片形成穩固的襯砌，反復重復上述動作直到貫通隧道為止。具體施工過程為在隧道某段的一端修建豎井，之后把盾構機相應的施工主體、配件放入井中并在預定始發位置上組成整機并調試設備。在地層中根據所設計的運動軸線從豎井的墻壁開孔處向另一豎井的設計孔洞推進，盾構機的刀盤在推進過程中不斷對位于盾構機前端的開挖面進行切削并把產生的碴土送到豎井中并運送出豎井。在推進過程中通過盾構千斤頂將所受到的低層阻力傳送到已拼裝完成的管片上，平衡壓力。盾構機每推進一定的距離，管片拼裝機在盾尾支護下拼裝一環襯砌管片并通過注漿裝置向開挖隧道外圍壓注足夠的漿體，該步驟的目的在于形成穩固的支護防止隧道及地面下沉，最后在盾構機挖掘到預定接收豎井時則表現挖掘完成。

2 地鐵隧道盾構機常見故障

2.1 刀盤故障

2.1.1 泡沫孔堵塞

泡沫孔堵塞多集中在以下兩方面：一在盾構機刀盤4條牛腿設置泡沫管，有較大的拆卸難度。泡沫管的走線基本上都呈現出多直角彎分布狀態，抑制部分如管道疏通機等機械式疏通機無法發揮作用。二在泡沫管安裝于刀盤面板出處，其單向閥閥片的耐磨性不高，由于無法起到擋碴作用，導致在掘進過程中泡沫孔常常因過高的土倉壓力而堵塞。一般安裝旋轉接頭需花費較多時間，若不能在疏通前拆下，則無法使用，同時也會在短時間內堵塞已疏通的道路。

2.1.2 立柱焊縫開裂

文章所研究盾構機在使用過程中連接主軸承和刀盤的立柱經常出現焊縫開裂現象，例如某地鐵隧道工程在施工過程中所出現的開裂部位位于立柱和仿行刀面板連接處，其裂紋特點為連續性較強，具體分布為沿立柱焊縫呈環狀，裂紋長度較長，最長一條長420mm且分叉較多，裂縫寬度較大，最寬處約為4mm。

2.2 盾構機推進系統故障

土壓平衡盾構機推進系統是建立在盾構挖掘階段，能實現盾構機在土壓平衡狀態下的掘進控制，同時可以克服來自土層的各種阻力，確保設備正常工作。該系統由長短千斤頂、橫壓變量、推進油缸及相關控制監測部件組成。該系統故障產生原因比較復雜，有時會因為外部惡劣的工作環境以致部分子系統過載，使系統部件的損壞受到影響。有時也是因部分部件失效造成或系統部件使用壽命到限，尤其各個系統之間的相互聯系和影響在正常推進模式下使故障變得更加復雜，此時很難確定故障在哪個系統或由哪一部分引起。但總結下來盾構機推進系統主要有以下方面異常：（1）壓力異常：盾構機推進系統在設計液壓管路時預留了許多壓力測量點，導致這些壓力測量表可測量出關鍵測量點的壓力值，一旦推進系統發生故障，其壓力值就會存有偏差。（2）流量異常：盾構機推進系統中的液壓子系統運行主要依靠液壓油的流動來帶動執行驅動，液壓油流速會在推進系統各個動作緊密配合中呈現規律性變化，因此當推進系統出現故障時必然會導致流量發生改變。

3 地鐵隧道盾構機常見故障處理方法

3.1 刀盤故障處理方法

首先立柱焊縫開裂；可運用氣刨刨去含有裂紋的焊縫，視裂紋在焊縫深處的發展情況和連接件的尺寸來決定所需開坡口的大小和所需采用的焊接工藝。主要因為作用于立柱相接的兩塊厚度達40mm的肋板接受刀盤的推力和扭矩所承受的壓力。若裂紋出現在該區域，則需立即保證焊接質量，必須用焊條一點一點填滿縫隙，如果裂紋的寬度較寬，可將刀盤轉到合適的位置，便于操作人員采用平焊的方法焊接，由此一來，降低焊接難度的同時保證焊接質量，一定程度上還能簡易化焊接步驟，提高工作效率。其次泡沫孔堵塞；由于設計因素，有時泡沫孔疏通工作難度較高，但遇到優質的地質條件可將旋轉接頭拆除，用管道疏通機和高壓水機疏通從旋轉接頭的泡沫管和刀盤面板的泡沫管。雖然這種處理方法有較大的成功幾率，然而泡沫孔在掘進的過程中極易被二次堵塞，所以要從設計上加以改進，從根本上解決問題。與此同時，如果中控手能提高操作技巧或掌握所要添加泡沫數量，可有效降低堵塞幾率。

3.2 控制盾構機推進偏移量

控制盾構機推進的偏移量在于減少盾構機在工作中對土層造成的擾動和擺動現象，同時也是控制超挖現象，保證盾構開挖面的穩定性。同時檢測在盾構掘進時地面發生變形而產生的曲線并及時反饋，要不斷調整和優化掘進參數保證施工參數的合理性，進一步從根本上對地面土體位移和地面沉降的程度進行控制。盾構機掘進偏移帶來的一個較明顯的后果即姿態控制難，即對油缸的有效控制。所以在推進油缸行程時要控制推進速度，不宜過快。要在推進時定期派人檢查和監測盾構機的推進情況。檢查范圍為盾構機回的填料是否飽滿，機體下部與導臺的結合情況，同時還要檢查盾構機的掘進參數。

4 結束語

綜上所述，文章主要從盾構機結構和基本原理分析其常見故障，要求在出現故障時采用有效正確的處理方法。由于盾構機重量和體積都很大，如果不經常維護保養則會造成盾構機下沉、盾構中心偏離隧道設計軸和地面沉降等問題。為保證盾構機處于良好的技術狀態下，必須強化設備的維修保養工作，提高機械利用率，減少故障停機日，提高使用壽命。

參考文獻

[1]張云飛.盾構隧道施工中的典型事故分析及控制研究[D].中國地質大學（武漢），2010.

[2]霍元盛.土壓平衡盾構機通過地鐵隧道礦山法段的回填掘進施工技術[J].鐵道標準設計，2011（10）：107-110.