張 新

（中國鐵建十八局集團(tuán)有限公司 天津 300000）

盾構(gòu)渣土改良系統(tǒng)原理及常見故障分析

張 新

（中國鐵建十八局集團(tuán)有限公司 天津 300000）

以用于西安地鐵一號線盾構(gòu)施工的長安一號盾構(gòu)機(jī)為例，對土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的渣土改良系統(tǒng)基本原理和構(gòu)成進(jìn)行分析，對常見故障進(jìn)行歸納分析，并闡述常見故障的產(chǎn)生原因和解決辦法。

渣土改良 泡沫膨潤土系統(tǒng) 故障原因 解決方法

隨著地鐵建設(shè)的快速發(fā)展，盾構(gòu)機(jī)已在地鐵施工中得到廣泛應(yīng)用，盾構(gòu)施工中渣土改良的優(yōu)劣，不僅嚴(yán)重制約著盾構(gòu)的掘進(jìn)速度，嚴(yán)重影響刀盤的磨損，還可能造成主驅(qū)動密封失效，進(jìn)而影響到主軸承安全。西安地鐵一號線長安一號盾構(gòu)機(jī)的渣土改良系統(tǒng)主要由泡沫系統(tǒng)和膨潤土系統(tǒng)組成。

1 泡沫系統(tǒng)

圖1 泡沫與水混合工作原理圖

（1）泡沫系統(tǒng)的構(gòu)成主要由泡沫原液泵、外循環(huán)水泵、泡沫發(fā)生器、流量計、控制閥、控制傳感器與儀表、連接管路等構(gòu)成，該系統(tǒng)分別受控于泡沫原液、外循環(huán)水兩個獨立但是相互關(guān)聯(lián)的電路系統(tǒng)，當(dāng)傳感器探測到泡沫原液、外循環(huán)水任一部位數(shù)據(jù)異常, 泡沫系統(tǒng)均不能啟動。

（2）泡沫與水混合的系統(tǒng)（圖1）。根據(jù)盾構(gòu)施工的地質(zhì)條件確定泡沫原液和水的配合比，由兩個變頻器通過控制泡沫原液泵和水泵的轉(zhuǎn)速調(diào)整泡沫原液和水的流量。泡沫原液和水流量監(jiān)測傳感器把數(shù)據(jù)實時反饋給計算機(jī)，計算機(jī)再根據(jù)泡沫原液和水的流量通過變頻器控制泡沫原液泵及清水泵的轉(zhuǎn)速，精準(zhǔn)控制配合比。泡沫原液泵管路上裝有溢流閥和單向閥，溢流閥是為了保護(hù)原液泵不因壓力過高損壞泵的定子及其傳感器，單向閥防止外部水壓過大而回流。由于泡沫原液泵為螺桿泵，轉(zhuǎn)子為金屬螺桿，定子內(nèi)襯為順丁橡膠，如果泡沫原液泵空轉(zhuǎn)發(fā)熱會損壞泵的定子。泡沫原液儲存器內(nèi)設(shè)泡沫液位傳感器，低于設(shè)定液位控制泡沫原液泵不啟動。

泡沫水泵管路上裝有調(diào)壓閥，當(dāng)泡沫增壓水壓力不足或者壓力過大時，通過調(diào)節(jié)調(diào)壓閥來調(diào)節(jié)水壓，保證系統(tǒng)正常的運作。泡沫增壓水的壓力要與泡沫原液的壓力匹配，同時要滿足泡沫混合液配合比的最小流量要求，否則泡沫系統(tǒng)無法啟動。調(diào)節(jié)調(diào)壓閥時，4路泡沫混合液的管路都要泄壓，否則壓力表所顯示的數(shù)值跟實際壓力不符，調(diào)壓閥壓力一般調(diào)到3.5～4.5 bar即可。

圖2 泡沫生成原理圖

（3）泡沫生成。泡沫原液為無色透明溶液，其主要成分為水、表面活性劑、添加劑（不同的地質(zhì)條件添加劑的成分及配比不同），泡沫原液和水按設(shè)定的比例混合后，形成泡沫混合液。泡沫液向前輸送到四條管路中，經(jīng)過流量調(diào)節(jié)閥和流量計后，進(jìn)入四個泡沫發(fā)生器中（泡沫發(fā)生器是一個直徑約80毫米，長700毫米的筒形容器，容器內(nèi)填滿了直徑4毫米玻璃球）。在泡沫發(fā)生器中與同時經(jīng)過氣體流量計和空氣流量調(diào)節(jié)閥輸入的壓縮空氣混合攪拌產(chǎn)生泡沫。泡沫經(jīng)四路管路分別輸送到與刀盤相連的回轉(zhuǎn)體處，通過回轉(zhuǎn)體輸送到刀盤不同的部位已到達(dá)渣土改良和減小刀盤、刀具的磨損，降低刀盤扭矩，提高掘進(jìn)速度的目的。根據(jù)掘進(jìn)水文地質(zhì)條件和渣土排出后的狀態(tài)，四路泡沫可全開啟或部分開啟（見圖2：泡沫生成原理圖）。

壓縮空氣和泡沫混合液配比根據(jù)掘進(jìn)的速度、地質(zhì)條件及開挖掌子面的水土壓力綜合確定。盾構(gòu)機(jī)主司機(jī)輸入泡沫混合液和壓縮空氣配比按操作指令，這一指令通過盾構(gòu)機(jī)控制系統(tǒng)接收流體流量計和氣體流量計的信息并控制空氣流量調(diào)節(jié)閥和泡沫流量調(diào)節(jié)閥來完成。

2 膨潤土系統(tǒng)

2.1 膨潤土系統(tǒng)構(gòu)成

膨潤土系統(tǒng)主要動力是兩臺7.5 KW螺桿泵，分別受控于兩臺同一型號的變頻器，兩臺變頻器所設(shè)置的參數(shù)相同，根據(jù)施工情況，可有盾構(gòu)操作手調(diào)節(jié)膨潤土流量大小。

2.2 膨潤土系統(tǒng)管路流向

圖3 膨潤土系統(tǒng)管路原理圖

膨潤土系統(tǒng)管路圖如圖3所示。兩路膨潤土管分別連接到泡沫管路上，每一路都有獨立的球閥控制。第一路膨潤土支管之一直接連接到土艙，根據(jù)掘進(jìn)需要可通過此路向土艙里加膨潤土，提高渣土的流塑性，利于螺旋機(jī)出土。第二路膨潤土支管之一直接連到中心回轉(zhuǎn)體上，中心回轉(zhuǎn)體上共5路管道，即4路泡沫管道，1路膨潤土管道，其中4路泡沫管道在與中心回轉(zhuǎn)體連接處又衍生出4路連接到土艙的旁通管道，分別由球閥控制。整個渣土改良系統(tǒng)管路是相通的，通過開啟球閥可控制泡沫和膨潤土的流向，即刀盤的每一處泡沫注入點均可注入膨潤土，泡沫、膨潤土的注入量及注入點位根據(jù)掘進(jìn)地層的水文地質(zhì)情況確定。值得一提的是盾構(gòu)施工用膨潤土必須保證膨潤土的質(zhì)量，嚴(yán)禁膨潤土泥漿中含有硬質(zhì)顆粒，以防損壞中心回轉(zhuǎn)體或卡死刀盤泡沫管路中的止回閥。

3 常見故障的分析處理

3.1 泡沫原液泵壓力不足

泡沫原液泵壓力不足的異常表現(xiàn)：在掘進(jìn)過程中根據(jù)掘進(jìn)參數(shù)顯示，刀盤扭矩過大，通過泡沫觀察口發(fā)現(xiàn)泡沫發(fā)泡效率不好，在主控室可看到泡沫流量偏小或為零，即便把此系統(tǒng)的水壓調(diào)小，發(fā)泡效果亦不理想。

檢查與判定：卸開原液泵出口連接管道，直接用變頻器控制，調(diào)到最大轉(zhuǎn)速，出口壓力很小，由此可判定是原液泵定子磨損，更換新定子后即可正常。若更換新的定子后短時間內(nèi)連續(xù)損壞，可以確定泡沫原液泵定子的損壞有多種因素。

泡沫原液泵定子磨損原因分析及處理方法：

（1）泡沫原液罐底部有細(xì)小砂粒，一般是泡沫原液補充時所用泡沫吸入泵管道外壁上的砂子進(jìn)入罐中。處理方法：清洗泡沫罐，加強泡沫原液補充時的細(xì)節(jié)管理，解決泥砂混入罐中的問題。

（2）泡沫原液泵泵體穩(wěn)定性差。解決方法：如果泵體晃動需重新制作泵底座，解決泡沫原液泵的穩(wěn)定性問題。

（3）泡沫原液泵管路上的軟管有漏氣現(xiàn)象。解決方法：更換破損軟管，接口可靠連接，解決泡沫原液泵吸入管的漏氣問題。

（4）泡沫發(fā)生器堵塞，膨潤土中混有泥砂等雜支導(dǎo)致管路中的止回閥卡死，膨潤土倒灌泡沫管路，堵塞泡沫發(fā)生器。解決方法： 將泡沫發(fā)生器拆卸清洗；加強膨潤土儲運管理，避免膨潤土污染。

3.2 泡沫系統(tǒng)無法啟動

泡沫系統(tǒng)無法啟動異常表現(xiàn)：泡沫系統(tǒng)無法啟動，甚至工控機(jī)上無故障顯示，通過變頻器可遠(yuǎn)程控制，檢查控制線路是正常的，在PLC子站相關(guān)點位上也有信號輸出，但是泡沫系統(tǒng)無法啟動。

檢查判定：檢查水壓和泡沫原液壓力和液位是否正常，可是當(dāng)是調(diào)高水壓看泡沫系統(tǒng)能否啟動。檢查泡沫系統(tǒng)線路連接和開啟按鈕是否正常。

處理方法：根據(jù)控制系統(tǒng)提示信息檢查水壓和泡沫原液壓力和液位異常，和泡沫系統(tǒng)線路連接是否正常，及時修理。無提示信息時著重檢查操作按鈕能否正常復(fù)位，操作按鈕接觸不好或被卡住，修理后系統(tǒng)即可正常。操作按鈕不正常原因多為，按鈕啟動頻繁，司機(jī)操作時用力過大等，應(yīng)注意設(shè)備檢修保養(yǎng)，加強操作人員責(zé)任心，愛惜設(shè)備避免野蠻操作。

3.3 泡沫管道堵塞

泡沫管道堵塞異常表現(xiàn)：管道壓力傳感器報警、螺旋機(jī)扭矩增大、渣土粘稠。

解決方法：每條泡沫管道上都裝有一個壓力傳感器，管道壓力超過設(shè)定壓力，感器顯示異常報警，說明這一路就可能堵了，可打開增壓水泵用增壓水清洗管道，如果增壓水在管道最大允許壓力下無法疏通管道，只能拆開管道檢查更換了。如果螺旋機(jī)扭矩增大、渣土粘稠檢查通往螺旋機(jī)上泡沫管道閥門是否打開，適當(dāng)增大泡沫供給量。

3.4 膨潤土泵無流量顯示

膨潤土泵無流量顯示異常表現(xiàn)：電路正常，流量計參數(shù)重置之后，流量無變化

檢查判定：把管道卸開之后，檢查管道是否堵塞；檢查系統(tǒng)所有閥門是否開啟狀態(tài)，檢查流量計接線端子接線是否松動。

解決方法：排除管道堵塞、開啟管道閥門，開啟膨潤土系統(tǒng)仍不正正常，著重檢查膨潤土流量計接線線路是否連接正常，及時更換和緊固接線端子。在西安地鐵施工中就出現(xiàn)過現(xiàn)場工人多次拉拽流量計線路導(dǎo)致接線松動的情況，應(yīng)加強規(guī)范操作培訓(xùn)和日常盾構(gòu)機(jī)電器線路檢查維護(hù)。

4 結(jié)語

盾構(gòu)機(jī)的泡沫和膨潤土系統(tǒng)，是盾構(gòu)施工中對渣土進(jìn)行改良，保證盾構(gòu)正常掘進(jìn)的重要系統(tǒng)。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中保證開挖掌子面的穩(wěn)定、減小刀盤刀具的磨損、降低刀盤扭矩等方面起著重要作用。在施工中要根據(jù)不同的水文地質(zhì)條件，確定渣土改良的方法。盾構(gòu)司機(jī)及機(jī)電維保人員要熟知其工作原理，正確使用、操作、維護(hù)，及時發(fā)現(xiàn)并排除故障，加強對系統(tǒng)的保養(yǎng)。加強對施工人員的安全教育及技術(shù)培訓(xùn)，增強施工人員對設(shè)備的保護(hù)意識。機(jī)電技術(shù)人員應(yīng)多學(xué)習(xí)，多總結(jié)，在工作中不斷積累經(jīng)驗，處理故障時膽大心細(xì)，找準(zhǔn)故障原因，提高故障處理效率。同時要在源頭上要保證泡沫原液及膨潤土潔凈。

正確合理的使用維護(hù)泡沫和膨潤土系統(tǒng)，對提高盾構(gòu)施工效率起著非常重要的作用，降低盾構(gòu)施工成本，延長盾構(gòu)機(jī)的有效使用壽命起著非常重要的作用。

Analysis of the Principles and Common Faults of the Shield Construction Waste Improvement System

ZHANG Xin
(China railway construction ShiBaJu group co., LTD., Tianjin 300000 China)

In this paper, based on the Changan No.1 shield machine in the shield construction of the No.1 subway in Xi’an, the principles and composition of the construction waste improvement system of the earth pressure balance shield machine (EPBM) and its common faults are analyzed. At last, the reasons of these faults are illustrated and some solutions are offered.

construction waste improvement foam and bentonite system reason of the fault solution

U416

A

1673-1816(2014)01-0063-05

2013-11-24

張新（1973－），男，漢，河北承德人，本科，工程師，研究方向地下工程。