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摘 要:盾构机结构复杂、功能多样、技术先进，在地铁隧道工程中被广泛应用。但是由于施工环境恶劣、地层条件复杂、维修条件差及人员操作水平等因素的综合性作用，在施工中可能出现推力过大的状况，若得不到及时改善，盾构机的使用寿命会大打折扣，对建设工程的施工质量以及施工进度都会造成影响。本文分析了盾构机结构及工作原理，并对相关的盾构技术做了简要的介绍，提出了在不同工况下解决盾构机推力过大的对策，旨在为读者提供一定的参考。
关键词: 盾构机构成及原理 不同工况推力过大
中图分类号：TU74文献标识码： A
引言
经济的快速发展以及实际工程的需要，盾构机在隧道施工中不断被推广，其技术的独到之处也逐渐显现。但是在实际工程施工中，可能由于阻力过大，就会给机器产生一个很大的反作用力，导致盾构机的推力产生变化；也有可能因为施工的不标准，盾构姿态不正确，致使其产生过大推力。总之，施工过程中多种因素的结合会改变盾构机推力，也会造成机械关键部件发生能源消耗较大或者机器出现质量问题等，这些问题如果没有得到及时关注和解决，造成的影响是非常巨大的。由此可见，找出盾构机产生过大推力的原因并加以处理是相当有必要的。
一、盾构机结构及工作原理
1、盾构机主要构成
盾构机的主要部分前盾、中盾、尾盾及后配套等组成，其主要结构如下:
前体又叫切口环，是开挖土仓和挡土部分，位于盾构的最前端，结构为圆筒形，前端设有刃口，以减少对底层的扰动。在圆筒垂直于轴线、约在其中段处焊有压力隔板，隔板上安装主驱动、螺旋输送机及人员舱门和四个搅拌棒，此外，隔板上还开有安装5个土压传感器、通气通水等的孔口。不同开挖形式的盾构机前体结构也不相同。
中盾又叫支承环，是盾构的主体结构，承受作用于盾构上的全部载荷。是一个强度和刚性都很好的圆形结构，地层力、所有千斤顶的反作用力、刀盘正面阻力、盾尾铰接拉力及管片拼装时的施工载荷均由中体来承受。中体内圈周边布置有盾构千斤顶和铰接油缸，中间有管片拼装机和部分液压设备、动力设备、螺旋输送机支承及操作控制台。有的还有行人加、减压舱。中盾盾壳上焊有带球阀的超前钻预留孔，也可用于注膨润土等材料。
盾尾盾尾主要用于掩护隧道管片拼装工作及盾体尾部的密封，通过铰接油缸与中体相连，并装有预紧式铰接密封。铰接密封和盾尾密封装置都是为防止水、土及压注材料从盾尾进入盾构内。为减小土层与管片之间的空隙，从而减少注浆量及对地层的扰动，盾尾做成一圆筒形薄壳体，但又要能同时承受土压和纠偏、转弯时所产生的外力。盾位的长度必须根据管片的宽度和形状及盾尾密封的结构和道数来决定。另外在盾尾壳体上合理的布置了12根盾尾油脂注入管和4根同步注浆管。
2、盾构机工作原理
盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时文撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。其工作原理示意图如下所示：
虽然盾构机成本高昂，但可将地铁暗挖功效提高8到10倍，而且在施工过程中，地面上不用大面积拆迁，不阻断交通，施工无噪音，地面不沉降，不影响居民的正常生活。
盾构机根据工作原理一般分为手掘式盾构，挤压式盾构，半机械式盾构（局部气压、全局气压），机械式盾构（开胸式切削盾构，气压式盾构，泥水加压盾构，土压平衡盾构，混合型盾构，异型盾构）。一般城市地铁大多使用土压平衡盾构，在穿越河流时多使用泥水加压平衡盾构。
不同工况盾构机推力过大分析及措施
2.1 盾构受力分析
根据实际情况，我们对盾构机的推力进行分析：通常情况下，后配套拖车的阻力亦恒定不变；盾尾阻力受管片和地层摩擦因素影响，因摩擦系数不同而变化，摩擦力与阻力之和为盾尾油缸的压力。如果采用土压平衡模式，恒定不变的土仓压力对盾构机产生的反作用力也是不变的。刀盘与土层之间的摩擦力受土量及硬度影响，土层的粘土量越大、硬度越大，盾构机的摩擦阻力越大。
综上，影响盾构推力的因素主要有：刀盘阻力、盾体主要是盾尾摩擦力。
2.2实际工况分析
2.2.1、刀盘阻力问题
在不同地层中掘进，刀盘受到的阻力不同，土层的粘土量越大、硬度越大，刀盘受到的阻力越大，此时一定要对盾构机推进的速度、压力等参数进行实时监控，根据不同的地层调整不同的掘进参数，科学合理的变动参数方可保证盾构机正常的掘进，一旦发现参数达到警戒值时就必须停机检查，不能盲目施工，以免给盾构造成更大的损伤。
在粘土地层中，盾构机掘进易造成泥饼，造成刀盘切削能力下降，致使盾构掘进荷载增加，为防止此类问题导致的出土和掘进困难，应采用以下对策:增加刀盘前部中心部位泡沫注入量并选择较大的泡沫注入比例，改善土体的和易性,减小渣土的黏附性，降低泥饼产生的几率，必要时螺旋输送机内也加入泡沫，以增加碴土的流动性，利于碴土的排出；为提高搅拌的范围和强度，应在刀盘背面和土仓隔板上设置搅动棒，还可通过在土仓隔板的预留注水孔内注水，以对刀盘和土仓进行及时的清洗；提高空转刀盘的旋转速度，以确保泥饼在离心力作用下尽数脱落；在到达黏性土地层之前把刀盘上的部分滚刀换成刮刀，增大刀盘的开口率；加强盾构掘进时的地质预测和泥土管理，特别是在黏性土中掘进时，应密切注意开挖面的地质情况和刀盘的工作状态；在开挖面稳定的基础上，可进行人工刀盘泥饼清除工作。
在沙层停机过程中，必须要在盾尾注入2倍体积的泥浆，这样才能使盾尾脱困，如果脱困较困难，就需要人工的配合，增加临时油缸，利用推动油缸的方式来拉动盾尾。最后，在卵石的处理上一定要采取有效的措施，如适当回收刀盘，加大刀盘与土层的距离等等，尽量让卵石自动掉落到土层，然后通过排渣口排出机体。在盾构孤石施工过程中，虽然还没有探索出切实可行的办法，但是可以应用爆破法将孤石分裂，然后采用人工的方式排出。
2.2.2盾尾摩擦问题
隧道施工要求盾构按照既定设计轴线进行掘进，同时要求管片也按照设计安装，但在实际施工中并不能做到准确无误的配合，因此就会有偏差，导致盾体与土层、与管片之间的摩擦增大，进而导致盾构的掘进阻力增大。
当盾构姿态出现偏差时，由于盾构盾体中的中盾和尾盾时挠性连接，此时盾体的掘进轴线和尾盾的掘进轴线产生夹角，将增加盾构掘进阻力。而且为了纠正偏差，需调整各部推力，大多时候需增加推力。因此在盾构掘进中要严格按照施工要求进行，及时合理地控制调整掘进参数，尤其是各部推进压力，通过利用盾构机的导向测量系统，使盾构掘进轴线与隧道设计轴线尽可能的靠近；为确保该自动导向系统的准确性，在盾构机零位测量时安装人工测量标志，对其进行定期检查和不定期检查，避免因系统自身原因而引起施工误差，从而保证整个隧洞的贯通。
当管片姿态出现偏差时，由于管片和尾盾产生摩擦，因此当隧道成型管片的轴线与尾盾的轴线产生夹角时，也将增加尾盾阻力，进而导致盾构推力增大。因此要求掘进操作人员时刻注意盾尾阻力即铰接压力的变化，及时复核测量各项数据，并由此调整掘进参数及管片型号，尽可能保证管片成型隧道轴线与掘进轴线一致；技术人员在拼装管片前一定要准确测量已拼装管片各方位与尾盾的间隙，根據掘进曲线及掘进姿态，正确选择管片；操作人员在拼装管片时要严格按照工艺要求进行，保证管片拼装姿态与质量，同时保证管片连接螺栓的紧固。
盾构姿态和管片姿态往往相互影响，当一方出现偏差时，另一方也往往紧跟着出现偏差，同时二者在调整时也是互相配合，密不可分。如当盾构姿态出现偏差时，管片间隙也紧跟着出现偏差，导致盾尾阻力增大；同时当纠正管片姿态时，也必须由盾构姿态来配合。
除上述因素外，还有其他因素可能导致盾体摩擦增大。如当尾盾止浆板损坏时，同步注入的砂浆前返有可能将盾体“抱住”，因此要求施工中加强同步注浆管理，指定合理，防止隧洞下沉或上浮，当注浆量和注浆压力出现异常变化及盾构推力增大时，应采取相应措施。
因此为避免上述现象，要加强精细化管理。要根据不同土层结构选择相应的推进模式。在具体施工过程中，一定要对盾构机推进的速度、压力，刀盘扭矩等参数进行实时监控，及时制定科学合理的掘进参数，操作人员根据具体情况作出应变。
三、案例分析
应用于深圳地铁9号线某标段土压平衡盾构在<6-1>、<6-2>地层正常掘进，推进压力保持在14000KN，推进速度50mm/min，保持较高的掘进效率。在进入掘进断面有<3-1>地层时，未引起重视，操作人员只是发现推进速度较以前有所下降，为提高推进速度，盲目地增加推进压力，将各组油缸压力均提高直至近300bar，总的推进压力提高1倍左右。而且此时盾构姿态较差，盾尾管片间隙不合理，需进行上升操作，进而导致盾尾铰接压力也较大。综上述因素，造成盾构以较大推力进行掘进，在掘进数环后就出现推进系统故障，管路渗漏，阀组压力混乱，管片破损等一系列问题。
在发现上述问题后，项目立即停工，组织各方面人员进行了分析处理，在处理完故障后重新制定了科学合理的掘进参数，按照该参数平稳通过该地层后盾构运行数据又回到以前。
四、结束语
盾构机作为在地面下暗挖隧洞的一种施工机械，在进行地下掘进时，可有效防止软基开挖面崩塌或保持开挖面的稳定，只有充分认识并了解机械的构成及工作原理，掌握可能存在的故障并给与及时的解决，才能保证隧洞或者地铁施工开挖的安全。所以要求相关工程施工人员从思想认识上高度重视，及时排查隐患，从而促进工程施工进展的顺畅。
参考文献
[1]黄李文 杨磊等.盾构机推力过大原因分析与应对措施[J].科技传播，2014．
[2]叶康慨 王延民.土压平衡盾构施工土压力的确定[J]. 隧道建设，2003．
[3]黄恒儒.土压平衡盾构在上软下硬复合地层中的施工技術[J].广州建筑，2010．
关键词: 盾构机构成及原理 不同工况推力过大
中图分类号：TU74文献标识码： A
引言
经济的快速发展以及实际工程的需要，盾构机在隧道施工中不断被推广，其技术的独到之处也逐渐显现。但是在实际工程施工中，可能由于阻力过大，就会给机器产生一个很大的反作用力，导致盾构机的推力产生变化；也有可能因为施工的不标准，盾构姿态不正确，致使其产生过大推力。总之，施工过程中多种因素的结合会改变盾构机推力，也会造成机械关键部件发生能源消耗较大或者机器出现质量问题等，这些问题如果没有得到及时关注和解决，造成的影响是非常巨大的。由此可见，找出盾构机产生过大推力的原因并加以处理是相当有必要的。
一、盾构机结构及工作原理
1、盾构机主要构成
盾构机的主要部分前盾、中盾、尾盾及后配套等组成，其主要结构如下:
前体又叫切口环，是开挖土仓和挡土部分，位于盾构的最前端，结构为圆筒形，前端设有刃口，以减少对底层的扰动。在圆筒垂直于轴线、约在其中段处焊有压力隔板，隔板上安装主驱动、螺旋输送机及人员舱门和四个搅拌棒，此外，隔板上还开有安装5个土压传感器、通气通水等的孔口。不同开挖形式的盾构机前体结构也不相同。
中盾又叫支承环，是盾构的主体结构，承受作用于盾构上的全部载荷。是一个强度和刚性都很好的圆形结构，地层力、所有千斤顶的反作用力、刀盘正面阻力、盾尾铰接拉力及管片拼装时的施工载荷均由中体来承受。中体内圈周边布置有盾构千斤顶和铰接油缸，中间有管片拼装机和部分液压设备、动力设备、螺旋输送机支承及操作控制台。有的还有行人加、减压舱。中盾盾壳上焊有带球阀的超前钻预留孔，也可用于注膨润土等材料。
盾尾盾尾主要用于掩护隧道管片拼装工作及盾体尾部的密封，通过铰接油缸与中体相连，并装有预紧式铰接密封。铰接密封和盾尾密封装置都是为防止水、土及压注材料从盾尾进入盾构内。为减小土层与管片之间的空隙，从而减少注浆量及对地层的扰动，盾尾做成一圆筒形薄壳体，但又要能同时承受土压和纠偏、转弯时所产生的外力。盾位的长度必须根据管片的宽度和形状及盾尾密封的结构和道数来决定。另外在盾尾壳体上合理的布置了12根盾尾油脂注入管和4根同步注浆管。
2、盾构机工作原理
盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时文撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。其工作原理示意图如下所示：
虽然盾构机成本高昂，但可将地铁暗挖功效提高8到10倍，而且在施工过程中，地面上不用大面积拆迁，不阻断交通，施工无噪音，地面不沉降，不影响居民的正常生活。
盾构机根据工作原理一般分为手掘式盾构，挤压式盾构，半机械式盾构（局部气压、全局气压），机械式盾构（开胸式切削盾构，气压式盾构，泥水加压盾构，土压平衡盾构，混合型盾构，异型盾构）。一般城市地铁大多使用土压平衡盾构，在穿越河流时多使用泥水加压平衡盾构。
不同工况盾构机推力过大分析及措施
2.1 盾构受力分析
根据实际情况，我们对盾构机的推力进行分析：通常情况下，后配套拖车的阻力亦恒定不变；盾尾阻力受管片和地层摩擦因素影响，因摩擦系数不同而变化，摩擦力与阻力之和为盾尾油缸的压力。如果采用土压平衡模式，恒定不变的土仓压力对盾构机产生的反作用力也是不变的。刀盘与土层之间的摩擦力受土量及硬度影响，土层的粘土量越大、硬度越大，盾构机的摩擦阻力越大。
综上，影响盾构推力的因素主要有：刀盘阻力、盾体主要是盾尾摩擦力。
2.2实际工况分析
2.2.1、刀盘阻力问题
在不同地层中掘进，刀盘受到的阻力不同，土层的粘土量越大、硬度越大，刀盘受到的阻力越大，此时一定要对盾构机推进的速度、压力等参数进行实时监控，根据不同的地层调整不同的掘进参数，科学合理的变动参数方可保证盾构机正常的掘进，一旦发现参数达到警戒值时就必须停机检查，不能盲目施工，以免给盾构造成更大的损伤。
在粘土地层中，盾构机掘进易造成泥饼，造成刀盘切削能力下降，致使盾构掘进荷载增加，为防止此类问题导致的出土和掘进困难，应采用以下对策:增加刀盘前部中心部位泡沫注入量并选择较大的泡沫注入比例，改善土体的和易性,减小渣土的黏附性，降低泥饼产生的几率，必要时螺旋输送机内也加入泡沫，以增加碴土的流动性，利于碴土的排出；为提高搅拌的范围和强度，应在刀盘背面和土仓隔板上设置搅动棒，还可通过在土仓隔板的预留注水孔内注水，以对刀盘和土仓进行及时的清洗；提高空转刀盘的旋转速度，以确保泥饼在离心力作用下尽数脱落；在到达黏性土地层之前把刀盘上的部分滚刀换成刮刀，增大刀盘的开口率；加强盾构掘进时的地质预测和泥土管理，特别是在黏性土中掘进时，应密切注意开挖面的地质情况和刀盘的工作状态；在开挖面稳定的基础上，可进行人工刀盘泥饼清除工作。
在沙层停机过程中，必须要在盾尾注入2倍体积的泥浆，这样才能使盾尾脱困，如果脱困较困难，就需要人工的配合，增加临时油缸，利用推动油缸的方式来拉动盾尾。最后，在卵石的处理上一定要采取有效的措施，如适当回收刀盘，加大刀盘与土层的距离等等，尽量让卵石自动掉落到土层，然后通过排渣口排出机体。在盾构孤石施工过程中，虽然还没有探索出切实可行的办法，但是可以应用爆破法将孤石分裂，然后采用人工的方式排出。
2.2.2盾尾摩擦问题
隧道施工要求盾构按照既定设计轴线进行掘进，同时要求管片也按照设计安装，但在实际施工中并不能做到准确无误的配合，因此就会有偏差，导致盾体与土层、与管片之间的摩擦增大，进而导致盾构的掘进阻力增大。
当盾构姿态出现偏差时，由于盾构盾体中的中盾和尾盾时挠性连接，此时盾体的掘进轴线和尾盾的掘进轴线产生夹角，将增加盾构掘进阻力。而且为了纠正偏差，需调整各部推力，大多时候需增加推力。因此在盾构掘进中要严格按照施工要求进行，及时合理地控制调整掘进参数，尤其是各部推进压力，通过利用盾构机的导向测量系统，使盾构掘进轴线与隧道设计轴线尽可能的靠近；为确保该自动导向系统的准确性，在盾构机零位测量时安装人工测量标志，对其进行定期检查和不定期检查，避免因系统自身原因而引起施工误差，从而保证整个隧洞的贯通。
当管片姿态出现偏差时，由于管片和尾盾产生摩擦，因此当隧道成型管片的轴线与尾盾的轴线产生夹角时，也将增加尾盾阻力，进而导致盾构推力增大。因此要求掘进操作人员时刻注意盾尾阻力即铰接压力的变化，及时复核测量各项数据，并由此调整掘进参数及管片型号，尽可能保证管片成型隧道轴线与掘进轴线一致；技术人员在拼装管片前一定要准确测量已拼装管片各方位与尾盾的间隙，根據掘进曲线及掘进姿态，正确选择管片；操作人员在拼装管片时要严格按照工艺要求进行，保证管片拼装姿态与质量，同时保证管片连接螺栓的紧固。
盾构姿态和管片姿态往往相互影响，当一方出现偏差时，另一方也往往紧跟着出现偏差，同时二者在调整时也是互相配合，密不可分。如当盾构姿态出现偏差时，管片间隙也紧跟着出现偏差，导致盾尾阻力增大；同时当纠正管片姿态时，也必须由盾构姿态来配合。
除上述因素外，还有其他因素可能导致盾体摩擦增大。如当尾盾止浆板损坏时，同步注入的砂浆前返有可能将盾体“抱住”，因此要求施工中加强同步注浆管理，指定合理，防止隧洞下沉或上浮，当注浆量和注浆压力出现异常变化及盾构推力增大时，应采取相应措施。
因此为避免上述现象，要加强精细化管理。要根据不同土层结构选择相应的推进模式。在具体施工过程中，一定要对盾构机推进的速度、压力，刀盘扭矩等参数进行实时监控，及时制定科学合理的掘进参数，操作人员根据具体情况作出应变。
三、案例分析
应用于深圳地铁9号线某标段土压平衡盾构在<6-1>、<6-2>地层正常掘进，推进压力保持在14000KN，推进速度50mm/min，保持较高的掘进效率。在进入掘进断面有<3-1>地层时，未引起重视，操作人员只是发现推进速度较以前有所下降，为提高推进速度，盲目地增加推进压力，将各组油缸压力均提高直至近300bar，总的推进压力提高1倍左右。而且此时盾构姿态较差，盾尾管片间隙不合理，需进行上升操作，进而导致盾尾铰接压力也较大。综上述因素，造成盾构以较大推力进行掘进，在掘进数环后就出现推进系统故障，管路渗漏，阀组压力混乱，管片破损等一系列问题。
在发现上述问题后，项目立即停工，组织各方面人员进行了分析处理，在处理完故障后重新制定了科学合理的掘进参数，按照该参数平稳通过该地层后盾构运行数据又回到以前。
四、结束语
盾构机作为在地面下暗挖隧洞的一种施工机械，在进行地下掘进时，可有效防止软基开挖面崩塌或保持开挖面的稳定，只有充分认识并了解机械的构成及工作原理，掌握可能存在的故障并给与及时的解决，才能保证隧洞或者地铁施工开挖的安全。所以要求相关工程施工人员从思想认识上高度重视，及时排查隐患，从而促进工程施工进展的顺畅。
参考文献
[1]黄李文 杨磊等.盾构机推力过大原因分析与应对措施[J].科技传播，2014．
[2]叶康慨 王延民.土压平衡盾构施工土压力的确定[J]. 隧道建设，2003．
[3]黄恒儒.土压平衡盾构在上软下硬复合地层中的施工技術[J].广州建筑，2010．