淺析盾構(gòu)機(jī)在不同地質(zhì)條件下的掘進(jìn)控制及維修管理

崔建

【摘 要】隨著隧道施工技術(shù)的提高，盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)由于其獨(dú)特的優(yōu)越性已經(jīng)作為主流技術(shù)被廣泛采用。世界上許多國家和地區(qū)的城市隧道、過江和過海隧道大多采用此技術(shù)修建。面對21世紀(jì)我國城市地下空間開發(fā)利用的廣闊市場，盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)將是必然的選擇。本文結(jié)合不同地質(zhì)條件，對盾構(gòu)掘進(jìn)控制技術(shù)進(jìn)行探討。

【關(guān)鍵詞】盾構(gòu)機(jī)；原理；不同地質(zhì)；控制

1 盾構(gòu)法施工工作機(jī)理研究

機(jī)理研究的主要目的是為了更好地解決如下問題：如何選定與特定地層條件相適應(yīng)的盾構(gòu)機(jī)類型；在盾構(gòu)機(jī)類型已經(jīng)確定的情況下，如何針對土層的特性，選擇合理的切削方式，從而滿足掘進(jìn)速度最快，并能最大限度地提高施工的效率；在特定地層條件下，如何選定與地層特性相適宜的盾構(gòu)機(jī)工作參數(shù)，從而能確保開挖面的穩(wěn)定性，使得地表不至于產(chǎn)生過大的變形，盾構(gòu)施工對地層產(chǎn)生的擾動最小。

傳統(tǒng)施工方法對于地質(zhì)條件的變化較為敏感。在不同地質(zhì)條件下，地層處理、開挖方法、支護(hù)手段甚至支護(hù)原理都有很大的區(qū)別。故技術(shù)上的矛盾主要集中在線路、地質(zhì)、支護(hù)三者上。盾構(gòu)法施工把不同的線路、地質(zhì)條件相對簡化，不同的線路、地質(zhì)條件只對施工中掘進(jìn)模式的選擇產(chǎn)生影響。由于現(xiàn)代化機(jī)械盾構(gòu)對地質(zhì)條件有很強(qiáng)的自適應(yīng)性，使得地質(zhì)條件對施工的影響相對傳統(tǒng)施工有所減弱。因此，盾構(gòu)施工的主要技術(shù)矛盾己經(jīng)不再集中在地質(zhì)和支護(hù)上，掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)定與控制、管片選型、注漿工藝成為同樣重要的技術(shù)控制點(diǎn)，其中掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)定與控制和管片選型對隧道質(zhì)量所起的影響較大，也是盾構(gòu)施工的一個難點(diǎn)。盾構(gòu)的施工過程實(shí)際上是一個不同的系統(tǒng)工程。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時也為了提高機(jī)器掘進(jìn)效率，盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)（推力、推進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、土艙壓力）之間需滿足一定的匹配性。參數(shù)的優(yōu)化和匹配，使盾構(gòu)機(jī)達(dá)到穩(wěn)定的最佳掘進(jìn)狀態(tài)。

2 不同地質(zhì)條件下的盾構(gòu)掘進(jìn)控制

2.1 盾構(gòu)機(jī)穿越全軟地層

在此類地層中掘進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)采用齒刀和刮刀組合刀具。掘進(jìn)前必須做好刀具的檢查和更換，預(yù)測刀具壽命和換刀里程。掘進(jìn)采用低轉(zhuǎn)速（約1.8 r/min）、大扭矩，以保持盾構(gòu)機(jī)主機(jī)仰角推進(jìn)（防止栽頭）。掘進(jìn)中盾構(gòu)機(jī)土艙壓力要略大于開挖面靜水壓力和地層土壓力之和。操作人員要通過及時觀察螺旋口所排碴土的變化來調(diào)節(jié)刀盤和螺旋的泡沫注入量，改善土體的和易性和流動性；注意推力和刀盤扭矩的變化，防止出現(xiàn)“泥餅”；經(jīng)常檢查皮帶的轉(zhuǎn)軸，清理螺旋輸送機(jī)等出土設(shè)備，避免泥土堆積造成皮帶不正常磨損和出土口堵塞。在保證同步注漿飽滿的前提下，盾構(gòu)機(jī)盡量做到快速掘進(jìn)，減少對地層的擾動。在此地段要加強(qiáng)地面監(jiān)測，及時分析數(shù)據(jù)，調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)和注漿壓力。

2.2 盾構(gòu)機(jī)穿越斷裂帶

盾構(gòu)機(jī)通過硬巖斷裂帶時，易卡刀盤，從而損壞刀具。有時由于推進(jìn)參數(shù)選擇不合理，刀盤旋轉(zhuǎn)頻繁會出現(xiàn)跳閘或?qū)⒌侗P卡死現(xiàn)象，嚴(yán)重影響正常推進(jìn)，反轉(zhuǎn)刀盤仍無法脫困。

對于硬土層中斷裂帶施工，調(diào)整各推進(jìn)油缸推力便可實(shí)現(xiàn)；對于硬巖中斷裂帶的施工，首先要減少推力，使推力在5880～6860kn以下，使推進(jìn)速度降低為份18mm/min及以下，調(diào)整各組推進(jìn)液壓缸推力使之盡量均衡。減少糾偏幅度，緩慢糾偏，使上下左右的盾尾間隙均勻，若在曲線段出現(xiàn)斷層，要盡量使用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)過渡。

出現(xiàn)刀盤卡死時，應(yīng)正反轉(zhuǎn)動刀盤，若還不能脫困，則應(yīng)根據(jù)推進(jìn)中判斷的斷裂帶方向使對應(yīng)液壓缸組分別泄荷，然后降低推進(jìn)速度實(shí)現(xiàn)脫困。若上述方法不能奏效，就要給盾尾管片上下左右用大木楔夾緊，松開各組推進(jìn)液壓缸10～20mm，向土倉內(nèi)充高壓空氣，使盾體稍向后微動達(dá)到脫困之目的。

2.3 盾構(gòu)機(jī)穿越溶洞

在溶洞地層掘進(jìn)時，操作人員應(yīng)使盾構(gòu)機(jī)保持相對慢速地平穩(wěn)推進(jìn)，要時刻注意盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速及壓力等參數(shù)的變化，更要注意導(dǎo)向檢測顯示器上盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的變化，加強(qiáng)掘進(jìn)姿態(tài)控制。如出現(xiàn)速度瞬時增加很快，姿態(tài)發(fā)生比較大的變化，這時可能進(jìn)入溶洞（若注漿充填處理沒有完全填充密實(shí)，可能局部為空洞），此時應(yīng)及時停機(jī)調(diào)查分析原因，等處理后才能繼續(xù)推進(jìn)，以防盾構(gòu)機(jī)栽頭。同時在掘進(jìn)過程中調(diào)整同步注漿漿液的配合比，縮短凝結(jié)時間，同時增大注漿量和注漿壓力。由于石灰?guī)r強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于回填材料，故在穿越溶洞壁時或不完全在溶洞中時，刀盤要平穩(wěn)起停，推進(jìn)壓力不宜過大和變化過快，防止損壞刀盤和刀具。

2.4 盾構(gòu)機(jī)穿越巖石微風(fēng)化帶

此類地層全斷面多為花崗巖微風(fēng)化帶。由于一般在盾構(gòu)施工區(qū)間范圍內(nèi)硬巖距離短，考慮到經(jīng)濟(jì)和實(shí)際情況，大多仍采用盾構(gòu)法。此類圍巖自穩(wěn)性好，又含水較少，宜采用敞開模式掘進(jìn)。掘進(jìn)采用高轉(zhuǎn)速小扭矩，掘進(jìn)所需推力比較大，操作人員必須了解管片承受壓力的范圍，調(diào)節(jié)四組油缸推力，使其壓力盡可能均布，且上下兩組油缸的推力稍大于左右兩組油缸的推力。采用破巖能力強(qiáng)的單刃滾刀，盡量減小刀盤的負(fù)載，盡管如此刀具的磨損也是相當(dāng)驚人的，平均推進(jìn)1.5環(huán)就得檢查刀具一次，若發(fā)現(xiàn)刀具磨損嚴(yán)重或滾刀不轉(zhuǎn)或偏磨，則要馬上更換，否則可造成刀座嚴(yán)重變形而換刀困難，嚴(yán)重時可能磨損刀盤或刀盤開裂。還應(yīng)及時更換邊緣滾刀，否則會因開挖輪廓變小而使盾構(gòu)機(jī)主機(jī)出現(xiàn)被卡的嚴(yán)重后果。

掘進(jìn)中刀盤轉(zhuǎn)速應(yīng)提高到2.5r/min左右或更高，根據(jù)螺旋口排土情況，及時調(diào)整泡沫和膨潤土的用量或比例，以減少刀具和刀盤的磨損，冷卻刀盤以保持刀具的耐磨性。操作人員必須注意推力和速度，若推力持續(xù)增加而掘進(jìn)速度逐漸降低，則應(yīng)考慮檢查刀具磨損情況。在此地層中，盾構(gòu)機(jī)主機(jī)所受反扭矩較大，必須時刻注意滾動角的變化隨時更換刀盤的轉(zhuǎn)動方向。在此地層中要提高注漿量，密實(shí)填充管片與隧道開挖輪廓間的縫隙，調(diào)節(jié)水泥沙漿的配合比，縮短凝固時間， 防止已拼裝管片整體發(fā)生扭轉(zhuǎn)。

3 盾構(gòu)設(shè)備維護(hù)管理

為了充分發(fā)揮盾構(gòu)的性能，防患故障、延長盾構(gòu)機(jī)壽命，必須定期和隨時對盾構(gòu)設(shè)備進(jìn)行日常維護(hù)、檢查和維修。

3.1 日常檢查、維護(hù)

1）各部位的螺栓、螺母松動檢查、擰緊；

2）異常聲音、發(fā)熱檢查；

3）工作油、潤滑油、潤滑脂、水、空氣的異常泄漏檢查；

4）各部位供油、脂情況確認(rèn)、檢查、補(bǔ)充；

5）工作油箱油位檢查；

6）電源電壓正常確認(rèn)；

7）操作盤開關(guān)類、指示燈、儀表類正常動作確認(rèn)；

8）盾構(gòu)本體—臺車之間的軟管、電線異常有無檢查；

9）安全閥設(shè)定壓力檢查；

10）液壓設(shè)備維護(hù)、過濾器清掃后的回路內(nèi)排氣確認(rèn)；

11）皮帶運(yùn)輸機(jī)的清理，滾輪加注潤滑油。

3.2 定期維修、維護(hù)

1）一個月維修、維護(hù)

①油箱排水

②電動機(jī)類的精密檢查（軸承供油、絕緣電阻測量、滴水檢查等）

③控制盤和配電器具檢查（接點(diǎn)磨損狀況，絕緣電阻測量、配線管、管道損傷等）

2）6個月檢查、維護(hù)

啟動油、潤滑油定期檢查（2次/年、工作油生產(chǎn)廠家檢查）

3.3 長期停止運(yùn)行時的維護(hù)管理

長期停止運(yùn)行時，必須實(shí)施下列作業(yè)遇有地下不明障礙物

1）每個設(shè)備的空載運(yùn)行（每隔10—15天）。

2）氣缸頭、閥槽等滑動面露出部分涂油。

3）防止空間加熱器引起的動力盤內(nèi)結(jié)露的作業(yè)。

4 結(jié)語

盾構(gòu)機(jī)在不同的地質(zhì)條件下掘進(jìn)時，操作人員要及時預(yù)防和處理可能出現(xiàn)的各種情況，采取不同的操作控制技術(shù)和對策，掌握合理有效的盾構(gòu)掘進(jìn)控制技術(shù)和處理方法。只有這樣，才能確保盾構(gòu)機(jī)正常運(yùn)行、提高掘進(jìn)速度和效率、保證工程質(zhì)量和降低工程成本。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]