馬偉東

摘 要：盾構(gòu)法是地鐵隧道施工中較為先進(jìn)的技術(shù)，即在地表以下利用盾構(gòu)開(kāi)挖隧道。其中盾構(gòu)機(jī)是基于盾構(gòu)方法挖掘隧道的高科技施工設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)隧道襯砌支護(hù)、掘進(jìn)、碴土裝運(yùn)等一次性開(kāi)挖成形功能。目前地鐵隧道施工常用的是泥水式盾構(gòu)機(jī)和土壓式盾構(gòu)機(jī)，文章則主要以盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理為切入點(diǎn)，探討分析該設(shè)備常見(jiàn)故障，并給予處理方法，以供參考。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道；盾構(gòu)機(jī)；故障；處理

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升和高層建筑的增加，地面可用空間相對(duì)于以往越來(lái)越少，該如何有效利用和創(chuàng)造地下空間是當(dāng)下城市現(xiàn)代化建設(shè)的重要課題。地鐵作為一種地下空間開(kāi)發(fā)方法已被我國(guó)許多城市采納，其中盾構(gòu)機(jī)應(yīng)用于該建設(shè)工程中，它具有一次成洞、公害少、施工速度快、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，對(duì)此，研究該設(shè)備常見(jiàn)故障對(duì)提高其應(yīng)用能力有著重要的意義。

1 地鐵隧道盾構(gòu)機(jī)相關(guān)概述

1.1 盾構(gòu)機(jī)主要結(jié)構(gòu)

盾構(gòu)機(jī)是采用盾構(gòu)方法挖掘隧道的高科技施工設(shè)備，能在施工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)碴土裝運(yùn)、隧道掘進(jìn)及襯砌支護(hù)等一次性開(kāi)挖成型功能。盾構(gòu)技術(shù)是第二次工業(yè)革命之后相繼傳入法國(guó)、美國(guó)、日本、德國(guó)和蘇聯(lián)等國(guó)并得到改進(jìn)和快速發(fā)展，從最初的人工開(kāi)挖發(fā)展為機(jī)、電、液、壓為一體的開(kāi)挖方式。我國(guó)對(duì)此設(shè)備的研究較晚，然而隨著南北水調(diào)工程和許多大中型城市對(duì)地鐵隧道施工的需要，盾構(gòu)法和盾構(gòu)機(jī)在我國(guó)均得到了快速發(fā)展，結(jié)束了在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下隧道施工的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)了從部分關(guān)鍵技術(shù)到整機(jī)改造的發(fā)展歷程。當(dāng)前在地鐵隧道施工工程上比較常用的盾構(gòu)機(jī)為泥水式和土壓式，其中土壓式盾構(gòu)機(jī)為穩(wěn)定開(kāi)挖面則把土料作為介質(zhì)，必要時(shí)也會(huì)將泡沫添加到土壤中進(jìn)行改良，利用刀盤(pán)后隔板與開(kāi)挖面之間形成泥土室保證設(shè)備內(nèi)外土壓的平衡，此時(shí)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)對(duì)土料進(jìn)行開(kāi)挖，再由螺旋輸料器旋轉(zhuǎn)將土料運(yùn)出，泥土室內(nèi)土壓可由刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)開(kāi)挖速度和螺旋輸料器出土量進(jìn)行調(diào)節(jié)。文章所研究的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)包括刀盤(pán)、盾體、推進(jìn)系統(tǒng)、刀盤(pán)及刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)、雙室氣閘、排土機(jī)構(gòu)、管片拼裝機(jī)、后配套裝置等。

1.2 盾構(gòu)機(jī)工作原理

盾構(gòu)機(jī)工作原理為利用盾體在挖掘隧道時(shí)作臨時(shí)支護(hù)，并在其保護(hù)下通過(guò)拼裝管片形成穩(wěn)固的襯砌，反復(fù)重復(fù)上述動(dòng)作直到貫通隧道為止。具體施工過(guò)程為在隧道某段的一端修建豎井，之后把盾構(gòu)機(jī)相應(yīng)的施工主體、配件放入井中并在預(yù)定始發(fā)位置上組成整機(jī)并調(diào)試設(shè)備。在地層中根據(jù)所設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)軸線從豎井的墻壁開(kāi)孔處向另一豎井的設(shè)計(jì)孔洞推進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)的刀盤(pán)在推進(jìn)過(guò)程中不斷對(duì)位于盾構(gòu)機(jī)前端的開(kāi)挖面進(jìn)行切削并把產(chǎn)生的碴土送到豎井中并運(yùn)送出豎井。在推進(jìn)過(guò)程中通過(guò)盾構(gòu)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(gòu)機(jī)每推進(jìn)一定的距離，管片拼裝機(jī)在盾尾支護(hù)下拼裝一環(huán)襯砌管片并通過(guò)注漿裝置向開(kāi)挖隧道外圍壓注足夠的漿體，該步驟的目的在于形成穩(wěn)固的支護(hù)防止隧道及地面下沉，最后在盾構(gòu)機(jī)挖掘到預(yù)定接收豎井時(shí)則表現(xiàn)挖掘完成。

2 地鐵隧道盾構(gòu)機(jī)常見(jiàn)故障

2.1 刀盤(pán)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(gòu)機(jī)刀盤(pán)4條牛腿設(shè)置泡沫管，有較大的拆卸難度。泡沫管的走線基本上都呈現(xiàn)出多直角彎分布狀態(tài)，抑制部分如管道疏通機(jī)等機(jī)械式疏通機(jī)無(wú)法發(fā)揮作用。二在泡沫管安裝于刀盤(pán)面板出處，其單向閥閥片的耐磨性不高，由于無(wú)法起到擋碴作用，導(dǎo)致在掘進(jìn)過(guò)程中泡沫孔常常因過(guò)高的土倉(cāng)壓力而堵塞。一般安裝旋轉(zhuǎn)接頭需花費(fèi)較多時(shí)間，若不能在疏通前拆下，則無(wú)法使用，同時(shí)也會(huì)在短時(shí)間內(nèi)堵塞已疏通的道路。

2.1.2 立柱焊縫開(kāi)裂

文章所研究盾構(gòu)機(jī)在使用過(guò)程中連接主軸承和刀盤(pán)的立柱經(jīng)常出現(xiàn)焊縫開(kāi)裂現(xiàn)象，例如某地鐵隧道工程在施工過(guò)程中所出現(xiàn)的開(kāi)裂部位位于立柱和仿行刀面板連接處，其裂紋特點(diǎn)為連續(xù)性較強(qiáng)，具體分布為沿立柱焊縫呈環(huán)狀，裂紋長(zhǎng)度較長(zhǎng)，最長(zhǎng)一條長(zhǎng)420mm且分叉較多，裂縫寬度較大，最寬處約為4mm。

2.2 盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)故障

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)是建立在盾構(gòu)挖掘階段，能實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)在土壓平衡狀態(tài)下的掘進(jìn)控制，同時(shí)可以克服來(lái)自土層的各種阻力，確保設(shè)備正常工作。該系統(tǒng)由長(zhǎng)短千斤頂、橫壓變量、推進(jìn)油缸及相關(guān)控制監(jiān)測(cè)部件組成。該系統(tǒng)故障產(chǎn)生原因比較復(fù)雜，有時(shí)會(huì)因?yàn)橥獠繍毫拥墓ぷ鳝h(huán)境以致部分子系統(tǒng)過(guò)載，使系統(tǒng)部件的損壞受到影響。有時(shí)也是因部分部件失效造成或系統(tǒng)部件使用壽命到限，尤其各個(gè)系統(tǒng)之間的相互聯(lián)系和影響在正常推進(jìn)模式下使故障變得更加復(fù)雜，此時(shí)很難確定故障在哪個(gè)系統(tǒng)或由哪一部分引起。但總結(jié)下來(lái)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)主要有以下方面異常：（1）壓力異常：盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)液壓管路時(shí)預(yù)留了許多壓力測(cè)量點(diǎn)，導(dǎo)致這些壓力測(cè)量表可測(cè)量出關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)的壓力值，一旦推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)生故障，其壓力值就會(huì)存有偏差。（2）流量異常：盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)中的液壓子系統(tǒng)運(yùn)行主要依靠液壓油的流動(dòng)來(lái)帶動(dòng)執(zhí)行驅(qū)動(dòng)，液壓油流速會(huì)在推進(jìn)系統(tǒng)各個(gè)動(dòng)作緊密配合中呈現(xiàn)規(guī)律性變化，因此當(dāng)推進(jìn)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)必然會(huì)導(dǎo)致流量發(fā)生改變。

3 地鐵隧道盾構(gòu)機(jī)常見(jiàn)故障處理方法

3.1 刀盤(pán)故障處理方法

首先立柱焊縫開(kāi)裂；可運(yùn)用氣刨刨去含有裂紋的焊縫，視裂紋在焊縫深處的發(fā)展情況和連接件的尺寸來(lái)決定所需開(kāi)坡口的大小和所需采用的焊接工藝。主要因?yàn)樽饔糜诹⒅嘟拥膬蓧K厚度達(dá)40mm的肋板接受刀盤(pán)的推力和扭矩所承受的壓力。若裂紋出現(xiàn)在該區(qū)域，則需立即保證焊接質(zhì)量，必須用焊條一點(diǎn)一點(diǎn)填滿(mǎn)縫隙，如果裂紋的寬度較寬，可將刀盤(pán)轉(zhuǎn)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(lái)，降低焊接難度的同時(shí)保證焊接質(zhì)量，一定程度上還能簡(jiǎn)易化焊接步驟，提高工作效率。其次泡沫孔堵塞；由于設(shè)計(jì)因素，有時(shí)泡沫孔疏通工作難度較高，但遇到優(yōu)質(zhì)的地質(zhì)條件可將旋轉(zhuǎn)接頭拆除，用管道疏通機(jī)和高壓水機(jī)疏通從旋轉(zhuǎn)接頭的泡沫管和刀盤(pán)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(jìn)的過(guò)程中極易被二次堵塞，所以要從設(shè)計(jì)上加以改進(jìn)，從根本上解決問(wèn)題。與此同時(shí)，如果中控手能提高操作技巧或掌握所要添加泡沫數(shù)量，可有效降低堵塞幾率。

3.2 控制盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)偏移量

控制盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)的偏移量在于減少盾構(gòu)機(jī)在工作中對(duì)土層造成的擾動(dòng)和擺動(dòng)現(xiàn)象，同時(shí)也是控制超挖現(xiàn)象，保證盾構(gòu)開(kāi)挖面的穩(wěn)定性。同時(shí)檢測(cè)在盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)地面發(fā)生變形而產(chǎn)生的曲線并及時(shí)反饋，要不斷調(diào)整和優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)保證施工參數(shù)的合理性，進(jìn)一步從根本上對(duì)地面土體位移和地面沉降的程度進(jìn)行控制。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)偏移帶來(lái)的一個(gè)較明顯的后果即姿態(tài)控制難，即對(duì)油缸的有效控制。所以在推進(jìn)油缸行程時(shí)要控制推進(jìn)速度，不宜過(guò)快。要在推進(jìn)時(shí)定期派人檢查和監(jiān)測(cè)盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)情況。檢查范圍為盾構(gòu)機(jī)回的填料是否飽滿(mǎn)，機(jī)體下部與導(dǎo)臺(tái)的結(jié)合情況，同時(shí)還要檢查盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，文章主要從盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)和基本原理分析其常見(jiàn)故障，要求在出現(xiàn)故障時(shí)采用有效正確的處理方法。由于盾構(gòu)機(jī)重量和體積都很大，如果不經(jīng)常維護(hù)保養(yǎng)則會(huì)造成盾構(gòu)機(jī)下沉、盾構(gòu)中心偏離隧道設(shè)計(jì)軸和地面沉降等問(wèn)題。為保證盾構(gòu)機(jī)處于良好的技術(shù)狀態(tài)下，必須強(qiáng)化設(shè)備的維修保養(yǎng)工作，提高機(jī)械利用率，減少故障停機(jī)日，提高使用壽命。

參考文獻(xiàn)

[1]張?jiān)骑w.盾構(gòu)隧道施工中的典型事故分析及控制研究[D].中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢），2010.

[2]霍元盛.土壓平衡盾構(gòu)機(jī)通過(guò)地鐵隧道礦山法段的回填掘進(jìn)施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011（10）：107-110.