盾構機工作運行與維護

葛之東

【摘 要】 隨著我國社會經濟的發展以及科學技術的進步，人們對交通現狀、環境條件等等都不滿意，為改善交通壓力以及環境自然美觀，所以最近幾十年開始研究一些能夠開挖地鐵、引排水、電纜等地下隧道工程的工具，終于，盾構機機械設備就在社會的需求、科技的研究下誕生了。盾構機的應用比較廣泛而且其機械設備極其昂貴，因此對盾構機正確使用的 同時需要注意對其保養以延長使用壽命。本文通過對盾構機原理結構的深刻認識，及施工管理制度的研究，總結了盾構機一些維護保養要點和制度要求。

【關鍵詞】 盾構機 應用范圍 運行方式 保養與維修

1 盾構機的簡介

盾構隧道掘進機，被稱為盾構機。是一種隧道掘進的特殊工程設備，現代盾構掘進機聚集多種技術于一體，擁有挖掘切削土體、運送土碴、安裝隧道襯砌、檢測導向糾偏等功能。盾構機是由護盾、開采機構、前進機構、挖土機構、襯砌機構及其他機構構成。護盾通常是切口環、支撐環和盾尾三部分構成；挖掘機構核心是刀頭或刀盤還有支承裝置構成；推進機構核心是液壓裝置比如油泵、油馬達、油壓千斤頂等共同構成；排土機械中的泥水式核心是由泥漿管及管道共同組成，土壓平衡式核心是由螺旋輸料器和皮帶轉運機構成；襯砌機構核心是管片拼裝機械手；輔助機構包含壁后灌漿設施、傳導測量及檢控設施等。盾構機的主要工作原理是一個圓柱體的鋼組件安裝隧洞軸線邊向前移動對土壤進行開采。該圓柱體組件的外殼即護盾，它對開采出的還沒有襯砌的隧洞段起到臨時保護的作用，承受旁邊土層的壓力，有的時候還會承受地下水壓以及把地下水阻擋在外面。掘進、襯砌等作業、在護盾的保護下進行。盾構機施工主要由穩定開挖面、挖掘、襯砌三大要素組成。

2 盾構機類型以及工作運行

盾構機類型有很多，常見的有：手掘式盾構機、半機械式盾構機、機械式盾構機、擠壓式盾構機、泥水式盾構機、土壓平衡盾構機等。

2.1 手掘式盾構機以及運行

手掘式盾構機主要是針對開挖面有障礙物、巨大礫石等情況進行使用的，而且這種盾構機機械一般是由人工進行的，因此，掘進的速度較慢。這種盾構機機械對開挖的環境有著較高的要求，例如：開挖面要有穩定性，如若不是穩定性開挖面則需要采取一些措施來改善圍巖、底層等開挖面。

2.2 半機械式盾構機以及運行

由于這種半機械式盾構機包括有專用挖掘機械設備和出碴機械設備，因此具有掘進與出碴的功能，同時這種機械還裝備了活動前檐以達到防止開挖面坍塌。這種機械一般應用于砂礫土質以及軟弱沖積層，在軟弱沖積層作業的時候需要采取壓氣施工法來改良土質層。

2.3 機械式盾構機運行

機械式盾構機裝備中有一旋轉式刀盤，這大大增加了盾構機的掘進能力。另外還有旋轉鏟斗和斜槽裝入皮帶輸送機這使得開挖與排土兩項工作可以同時進行，其挖掘土質、環境要求如手掘式、半機械式盾構機一樣。

2.4 擠壓式盾構機運行

擠壓式盾構機的運行方法是在挖掘之前在開挖面的稍后方設置隔板，然后在隔板上設置一排土口，擠壓式盾構機運作向前移動，則絞出來的土就從排土口排出。由于這種擠壓式要求的開挖土質特殊（適合用于軟粘土和粉砂質圍巖但是又不能在低穩定性開挖進行），因此，很少被采用。

2.5 泥水式盾構機

泥水盾構機運作方式是在機械前部設置隔板，在地面上還設有泥漿處理設備，這種機械是利用懸浮液的體積對泥漿壓力進行調節與控制，采用泥漿作為支護材料。開挖面的穩定性是通過泥膜保持水壓力，使得開挖面的土、水壓力得以平衡，泥水式盾構機通過開挖的土砂以泥漿的形式輸送到地面，而地面有著專門將泥漿分離開來的設備，然后將分離開的泥水又返回開挖面。由于泥水式盾構機在什么樣的土層中都可以適用，因此，它被廣泛的采用。

2.6 土壓式平衡盾構機

土壓式平衡盾構機的支護材料是土壤本身，因此，在該盾構機運行的時候可以依靠土壤的壓力使其保持穩定。

3 盾構機常見故障產生原因以及處理方式

3.1 盾構機刀盤被泥土粘黏以及處理方式

盾構機機械在作業的時候經常會被泥土粘黏上去，這是因為盾構機機械的操作作業大都在土壤中進行。一旦土壤粘黏在刀盤上則會給機械的重要部分帶來一系列的危害，例如：刀盤支撐臂中心、渣槽、泥土倉等設備都會堵死損壞，造成盾構機中的螺旋輸送機堵塞進而影響作業繼續。而針對這種情況的處理方法是：第一，將刀盤一直空旋轉著，使得泥餅借離心作用而掉落下來；第二，保持盾構機機械開挖面穩定，然后用人工進行清除泥土；第三，在盾構機機械作業的時候向注入泡沫劑來改善土體粘性，從而使得土體結塊自動掉落；第四，在進行盾構機設計的時候要考慮到土體粘黏的問題，在泥土倉添加空心攪動棒并注水來實現對刀盤與泥土倉的清潔。

3.2 螺旋輸送機出現噴涌泥水的情況以及處理措施

螺旋輸送機出現噴涌泥水的情況是因為盾構機機械進入水砂層施工，而水砂層中含有很多的水量。盾構機機械在作業的時候，這些水通過流水通道進入到泥土倉內，然后在螺旋輸送機運作的時候將這些水吸干再運行，但是運行的過程中又產生大量的水，如此惡性循環使得盾構機無法正常運行工作。針對這種情況應采取相關措施來解決：第一，將螺旋輸送機關閉，讓盾構機刀盤削下的土體將泥土倉將水擠出，這種措施方法要注意泥土倉的壓力且盾構機后部密封被擊穿的狀況；第二，為使得螺旋輸送機能夠順利出土，可以通過對泥土倉中注入高濃度泥漿來改善土體；第三，在盾構機機械進入水砂層前將氣壓調節到平衡模式，以保證泥水不被流入泥土倉內過多。

3.3 頭部周期下降情況以及處理方法

盾構機機械頭部周期下降也是我們常說的“磕頭”的現象，這是由于泥土倉內實際承載的土壓力比理論上的土壓力要低，才使得這種情況的出現。針對這種情況的解決措施是將泥土倉內的土壓力超過理論上的土壓力，可以在其加入添加劑使得土體被改善，讓其能夠容納更多的土，從而改善盾構機機械的“磕頭”的情況。

3.4 盾構機機械呈蛇形前進以及解決措施

盾構機機械呈蛇形前進是由于操作者對其中心軸線以及隧道中心線偏差糾正時操作方法不對，從而使得糾正量數值太大，導致盾構機呈蛇形向前運行。對于這種情況來說，可以通過對偏差數值調節的時候保證在5mm以內，使得糾正量不大從而不易出現呈蛇形前進的情況。

3.5 泥土倉的土壓突然大幅下降以及解決措施

泥土倉的土壓突然大幅下降是因為泥土倉中含有的空氣以及水含量較高，在二者蒸發或空氣竄流釋放就會使得土壓突然下降。針對這種情況可以采取以下方式進行解決：將螺旋輸送機和出土閘門關閉，同時在盾構機繼續前行的時候依據土質情況進行調節刀盤大小，調節泡沫系統中的空氣含量以及水含量從而解決泥土倉土壓突然下降的問題。

3.6 螺旋輸送機的出料口形成大土堆以及解決辦法

螺旋輸送機出料口出現大土堆的情況，是由于螺旋輸送機的出土閘門排出來的泥土有一部分粘黏性較強的泥土掉到膠帶上面，時間一長便會在膠帶上面形成大土堆，因此，這個大土堆會在螺旋輸送機出料口堆積著。對于這種情況來說，可以通過以下辦法來解決：大土堆這種情況一出現便開始讓操作員進行清除，在清除的過程中讓膠帶運輸機機繼續運轉著，則可全面清除干凈，同時對盾構機操作過程進行觀察，以便采取相關措施解決。

4 盾構機維護與保養

4.1 盾構機的保養

對于盾構機維護與保養來說，首先要遵循“養修并重，預防為主”的維護原則，然后在作業的過程中嚴格遵循盾構機的操作方法，仔細對盾構機進行保養與維護。進行對盾構機保養主要有兩種形式，即例行保養與定期保養，而定期保養分為一級、二級、三級等子保養。一級保養的主要工作是通過維護機械的完好來確保盾構機能夠正常運行，而二級保養主要工作是對盾構機設備的工作狀況進行調整且排除故障，三級保養是對盾構機主要部位進行檢查，可以通過解體檢查或使用儀器來消除故障。

4.2 盾構機的修理

盾構機的修理是指對設備的各種損壞以及精度不準確等問題情況進行修理。盾構機的修理是確保盾構機能夠正常運行且設備技術問題得到恢復，修理的過程中將設備中磨損、腐蝕以及老化部件進行修理、更換，從而延長盾構機機械設備的壽命周期。

4.3 液壓系統的維護

液壓油的選擇及清潔度一般液壓油分為以下3類：a.普通液壓油：適用于工作溫度較高、運行時間較長、壓力范圍較寬的系統；b.抗磨液壓油：適用于工作壓力較高的系統；c.低凝液壓油：適用于工作溫度較低、運行時間較長、壓力范圍較寬的系統。保證液壓油清潔，液壓系統的故障主要由于液壓油的污染變質導致的。所以，現場施工中要注意以下幾點：油源清潔、工作區域清潔、系統清潔。

泵站日常維護，油泵作為液壓系統的動力來源，對于系統的正常使用起著至關重要的作用。在維護中要從以下方面著手：透氣裝置：對于盾構機來說由于周圍環境比較惡劣，要注意不要有水等通過此處進入油箱。有些濾芯是多次重復利用的要注意定時拆卸下清洗；泵站油位：對于油箱的油位一定要有明顯的標記以便查看，提前加油；油溫，盾構機的油箱一般都有溫度傳感器，當油溫高到一定程度，油泵自動停止工作，切忌不要因為一時的利益，將其短接。油溫過高會導致很多的問題，比如，油封提前老化、油泵摩擦加劇等。液壓元件的維護：液壓泵在出現下列情況之一時，應外送修復保養或更換：排油量不足，執行機構動作遲緩、壓力或壓力脈動較大、異常噪聲、內滲或外漏、泵體發熱、變量機構失靈；液壓缸或氣缸出現下列情況之一時，應外送修復保養或更換：爬行、推力不足，工作不穩定、內滲外漏、活塞桿表面鍍層脫落、缸筒凹陷；控制閥出現下列情況之一時，應更換或保養：異常振動或噪聲、內滲或外漏、動作不靈或無動作、電磁鐵過熱或燒毀、調整元件操控實效。

5 盾構機管理制度

5.1 盾構機管理原則

保持盾構機完好，充分發揮盾構機的效能，取得良好的投資效益；依靠技術進步，促進生產發展和預防為主；堅持設計、制造和使用相結合，維護與計劃檢修相結合，修理、改造與更新相結合；專業管理與現場管理相結合，技術管理與經濟管理相結合的原則。

5.2 盾構機維護、保養制度

盾構機保養種類可以分為：每日維護保養：由盾構機操作人員和盾構機日常維護人員按照規定的檢查路線，對照相關標準，認真對盾構機進行“清潔、緊固、調整、潤滑、防腐”十字作業，清楚故障隱患；定期維護保養：包括周保養、月保養、季度保養、半年保養和年保養。定期保養應由盾構機日保人員配合維修班專業人員進行，以專業人員為主；工地轉移前和調頭期間保養：為使盾構機到新工點后能迅速投入生產，應進行一次全面的檢查、維修、保養。要保證盾構機正常運行，工程建設過程中做好對盾構機的定期維護及工程結束后對盾構機的維護與保養是必不可少的。

5.3 保養計劃的制定與實施

機電部應根據工程任務、盾構機日常使用情況和盾構機保養規定內容，每月編制保養計劃，與施工計劃同時下達，嚴格組織實施；當盾構機運轉到保養周期時，由機電部按保養計劃把保養任務下達給參與盾構機保養的各單位負責人，有各單位負責人對保養內容進行具體分工；日保養與周保養利用盾構機作業間隙進行，不再安排時間。

6 結語

盾構機應用范圍較廣泛而且在隧道開挖的時候發揮著重要的作用，為人們的生活帶來很大的便捷，同時為整體環境規劃也帶來積極的作用。另一方面，由于盾構機機械設備價格昂貴而且在隧道工程方面發揮著極其重要的作用，因此，在進行運行操作的時候要注意方法方式，加強對其保養與維護以延長盾構機使用壽命。隨著我國高鐵建設和城市地鐵建設高峰期到來，盾構法施工以其安全、優質、高校、環保、勞動強度低等優點在地下施工工程中得到廣泛應用。我國早期引入的盾構機已到達一定適用年限和在施工過程中盾構機會出現某些故障，要保證盾構機正常運行，工程建設過程中做好對盾構機的定期維護及工程結束后對盾構機的維護與保養是必不可少的。

參考文獻：

[1]王強，趙喜榮，趙鵬，劉星安，姚三剛.基于Pro/E與ANSYS的盾構刀盤虛擬樣機優化設計系統開發[J].礦山機械，2007（06）.

[2]楊俊龍，孫連元，沈成明.盾構機近距離穿越運營中地鐵隧道施工技術研究[A].中國土木工程學會第十一屆、隧道及地下工程分會第十三屆年會論文集[C]，2004.

[3]張友偉.寧波地鐵土壓平衡盾構施工關鍵技術[A].第二屆隧道掘進機（盾構、TBM）專業委員會第一次學術研討會暨中鐵隧道集團城市盾構項目管理、施工技術、設備維保交流會論文集[C]，2011.

[4]孟海峰，劉江濤，李世君.土壓平衡盾構富水粉砂地層進、出洞常見問題分析[A].第二屆隧道掘進機（盾構、TBM）專業委員會第一次學術研討會暨中鐵隧道集團城市盾構項目管理、施工技術、設備維保交流會論文集[C]，2011.

[5]趙運臣，肖龍鴿，劉招偉.武漢長江隧道工程盾構機耐久性設計[A].中國土木工程學會第十二屆年會暨隧道及地下工程分會第十四屆年會論文集[C]，2006.

[6]梁興林.淺議小松盾構機與海瑞克盾構機在小～新區間掘進性能差異[J].廣東科技，2007（03）.

[7]蔣建敏，趙學彬，賀定勇，韓文政，鄒積波.北京地區盾構機刀具失效分析及再制造研究[J].中國表面工程，2006（03）.