盾構(gòu)機(jī)推力過(guò)大原因分析與應(yīng)對(duì)措施

黃李文，楊 壘，徐東博，李業(yè)民，韓佳霖

北方重工集團(tuán)有限公司盾構(gòu)機(jī)分公司，遼寧沈陽(yáng) 110141

0 引言

盾構(gòu)機(jī)是一個(gè)綜合性隧洞開(kāi)挖設(shè)備，它具備多種功能，主要是開(kāi)挖、出土、支護(hù)、注漿、導(dǎo)向等盾構(gòu)施工過(guò)程中的全部功能，因此被廣泛應(yīng)用于隧道建設(shè)施工項(xiàng)目中，尤其是地下交通工程項(xiàng)目中。然而在具體的施工過(guò)程中，由于受內(nèi)外界多重因素影響，會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)的推力過(guò)大，造成盾構(gòu)機(jī)機(jī)體下沉、地面下降、機(jī)器的關(guān)鍵部件老化、提高能耗等。這種情況的出現(xiàn)勢(shì)必會(huì)引發(fā)盾構(gòu)機(jī)迫停，因而影響施工的進(jìn)度和質(zhì)量，增長(zhǎng)施工工期。所以，我們有必要對(duì)引發(fā)盾構(gòu)機(jī)推力過(guò)大的原因進(jìn)行詳細(xì)的分析，并在此基礎(chǔ)上制定切實(shí)可行的實(shí)施方案，保證工程的順利進(jìn)行。

1 盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 盾構(gòu)機(jī)主要構(gòu)成

盾構(gòu)機(jī)主要由盾體、刀盤(pán)、氣閘、排渣機(jī)構(gòu)、電氣系統(tǒng)、管片拼裝機(jī)及輔助設(shè)備組成。其主要優(yōu)點(diǎn)如下∶受地面交通環(huán)境、河道環(huán)境、航運(yùn)狀態(tài)、季節(jié)環(huán)境、氣候等條件的影響較小；隧道施工過(guò)程比較安全、合理；盾構(gòu)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的掘進(jìn)、出土、拼裝等功能；該設(shè)備掘進(jìn)速度較快，效率較高，施工的勞動(dòng)強(qiáng)度較低；而且采用盾構(gòu)機(jī)施工對(duì)地面的干擾比較小。其缺點(diǎn)為：盾構(gòu)機(jī)械造價(jià)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(guò)小或埋深較淺時(shí)難度較大；盾構(gòu)機(jī)的轉(zhuǎn)移、運(yùn)輸、安裝及場(chǎng)地布置等比較復(fù)雜。

盾構(gòu)的主要功能是作為人體和設(shè)備的護(hù)體，其外形（斷面形狀）隨所建的工程要求不同進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要有圓形、雙圓形、三圓形、半圓形等。例如人行道方形的設(shè)計(jì)能提高利用的空間、過(guò)水洞馬蹄形的設(shè)計(jì)非常符合流體力學(xué)、公路隧道半圓形的設(shè)計(jì)主要是利用下玄跑車）。目前，絕大部分盾構(gòu)還是采用傳統(tǒng)的圓形設(shè)計(jì)，因?yàn)閳A形斷面的受力較柔和而且設(shè)備制造過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單、成本相對(duì)低廉。

1.2 盾構(gòu)機(jī)工作原理

盾構(gòu)機(jī)的工作原理就是通過(guò)護(hù)盾沿隧道邊緣在向前推進(jìn)的同時(shí)對(duì)隧道內(nèi)的土壤進(jìn)行挖掘。軟巖切削機(jī)理就是通過(guò)應(yīng)用刀具對(duì)土層進(jìn)行擠壓，利用擠壓產(chǎn)生的剪切力來(lái)破壞土層進(jìn)而達(dá)到切削效果；硬巖破巖機(jī)理即通過(guò)利用硬質(zhì)材料的易脆性質(zhì)，采用滾刀的滾動(dòng)對(duì)巖石進(jìn)行擠壓，利用擠壓產(chǎn)生的剪切力來(lái)碾碎巖石。在具體工程項(xiàng)目中若要實(shí)現(xiàn)連續(xù)破巖就要在滾刀上施加一個(gè)正壓力和一個(gè)水平推力，正壓力是由盾構(gòu)產(chǎn)生的推進(jìn)力，而水平推力是由刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的。所以若想在滾刀破巖方面達(dá)到滿意效果，就必須要滿足兩個(gè)條件：一是盾構(gòu)機(jī)的工作面土層要有一定強(qiáng)度；二是滾刀的啟動(dòng)扭矩一定要小。

2 盾構(gòu)機(jī)推力過(guò)大原因分析

2.1 受力分析

根據(jù)實(shí)際情況，我們對(duì)盾構(gòu)機(jī)的推力進(jìn)行分析，主要分析情況如下：通常情況下，由于拖車質(zhì)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(shù)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(duì)盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)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(wěn)定程度影響。刀盤(pán)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(gòu)機(jī)的摩擦阻力越大。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)工況分析

在含泥量較高的粘土地層，容易使刀盤(pán)被泥餅覆蓋，在刀具表面形成泥膜，這樣會(huì)導(dǎo)致刀具不能進(jìn)行有效的切削，這樣就會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)的向前推進(jìn)主要是依靠油缸的壓力進(jìn)行，所以造成盾構(gòu)機(jī)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(huì)大幅提升，刀具上的泥膜會(huì)凝固不動(dòng)，如果刀具在這種情況下繼續(xù)工作，很快就會(huì)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(xiàn)象的發(fā)生，加強(qiáng)精細(xì)化管理。在地質(zhì)條件不會(huì)發(fā)生突變的情況下，關(guān)注油缸的壓力和行程，確保油缸承受的壓力不會(huì)有太大的變化，這樣才能保證油缸不會(huì)在壓力的作用下導(dǎo)致變形。

其次，我們要根據(jù)土層結(jié)構(gòu)選擇相應(yīng)的推進(jìn)模式，例如在穩(wěn)定地層選擇水平模式推進(jìn)，這樣可以有效降低盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)壓力。在不穩(wěn)定的粘土層和沙土層，我們要采用氣壓平衡模式，同時(shí)采用泥漿注入的方式進(jìn)行推進(jìn)，這樣可以有效規(guī)避塌方的問(wèn)題。

再次，在具體施工過(guò)程中，我們一定要對(duì)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)的速度、壓力等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)達(dá)到警戒值時(shí)就必須停機(jī)檢查，不能盲目施工，以免給盾構(gòu)造成更大的損傷。在沙層停機(jī)過(guò)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(shí)油缸，利用推動(dòng)油缸的方式來(lái)拉動(dòng)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(dāng)回收刀盤(pán)，加大刀盤(pán)與土層的距離等等，盡量讓卵石自動(dòng)掉落到土層，然后通過(guò)排渣口排出機(jī)體。在盾構(gòu)孤石施工過(guò)程中，雖然我們還沒(méi)有探索出切實(shí)可行的辦法，但是我們可以應(yīng)用爆破法將孤石分裂，然后采用人工的方式排出。

4 結(jié)論

盾構(gòu)機(jī)的整個(gè)施工過(guò)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(wú)論地質(zhì)結(jié)構(gòu)如何，地層表面如何，造成盾構(gòu)機(jī)推力過(guò)大的原因都是非常復(fù)雜的，需要技術(shù)人員實(shí)時(shí)進(jìn)行關(guān)注，尤其是盾構(gòu)機(jī)在工作過(guò)程中突然發(fā)生推力過(guò)大的情況，技術(shù)人員一定要引起重視，高度警覺(jué)，及時(shí)排查，找出問(wèn)題存在的癥結(jié)，盡早排除隱患，以免給整個(gè)工程帶來(lái)難以彌補(bǔ)的損失。這就需要我們不斷加強(qiáng)對(duì)技術(shù)人員的培訓(xùn)，豐富技術(shù)人員的知識(shí)結(jié)構(gòu)，提高操作技術(shù)水平，進(jìn)而降低整個(gè)工程項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)，提高施工的質(zhì)量和效益。因此，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

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

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