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摘要：土压平衡盾构是集机、电、液、气一体的复杂设备，在使用过程中所发生的故障也是多样的，土压平衡盾构机故障发生后如不及时处理就会影响工程的质量和安全。本文重点对三种土压平衡盾构机典型故障的处理进行了研究。
关键词：土压平衡盾构机；典型故障；刀盘；泡沫系统；驱动系统
一、土压平衡盾构机
土压平衡式盾构机是一種隧道掘进的专用工程机械，用盾构机进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理。
（一）结构组成
土压平衡式盾构机主要由刀盘及驱动系统、螺旋输送机、管片拼装机、皮带输送机、推进千斤顶、液压系统、电气控制系统、集中润滑系统、盾尾注浆系统、盾尾密封系统、加泥系统、泡沫系统、水系统、气路系统、盾构壳体、车架系统、双梁吊运系统等组成。
（二）工作原理
土体由土压平衡式盾构机上的旋转刀盘上的刀具切割下来，然后通过刀盘开口挤入土舱，与土舱内已有的粘性土浆混合。推进油缸的压力通过舱壁传给土舱内土体，从而保证开挖面的稳定。
（三）机械用途
土压平衡式盾构机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，适用于含水量和粒度组成比较适中的粉土、粘土、砂质粉土、砂质粘土、夹砂粉粘土等土砂可以直接从掘削面流入土舱及螺旋排土器的土质。但对含砂粒量过多的不具备流动性的土质，不宜选用。
二、土压平衡盾构机典型故障
（一）刀具磨损与损坏
刀具主要分齿刀与滚刀两大类，其磨损与损坏形式不同。与滚刀相比，齿刀的磨损与损坏形式较单一，其磨损形式主要表现为含有硬质合金的齿刀刀头被磨平，其损坏形式主要表现为硬岩掘进中受大推力与大扭矩的双重作用，刀具解体。刀具磨损与损坏主要有：刀圈极限磨损、刀圈弦磨、刀圈断裂、刀圈脫落、刀体损坏、轴承损坏等等。
刀具是盾构机掘进的最终执行元件，刀具的好坏、磨损的严重程度直接影响掘进的效率，同时，较好的刀具状况，对掘进过程中刀盘的保护十分有利，因此，凡是磨损达到极限值或已损坏的刀具需立即更换。在更换刀具时，应遵循以下两项原则：
（1）相邻刀位的刀具磨损量相差不能超过10mm；
（2）高刀位的刀具尽量使用新刀，磨损不大的刀可以调换至低刀位继续使用。同时，提高主司机的操作技巧，合理选择掘进模式与掘进参数，并不断积累与总结经验，减少对刀具的人为破坏，提高刀具更换、速度与质量也是解决问题的最根本、最有力的保证。
对于不需要更换的刀具应当采取相应的维修措施，维修技术保证措施刀盘维修的工作内容主要有：下料、割除、打磨、焊接、刀具安装五大项。为保证维修工作质量，避免因某个环节工作失误造成返工，或者质量隐患存在，在维修过程中对各个环节的监控相当重要，必须遵守以下技术要求：
（1）下料前需测量所需钢板尺寸，根据需要下料；下料时合理规划，严禁浪费。
（2）对刀盘进行割除操作前，需详细查看刀盘结构图，在刀盘上标出割除轮廓线，操作时尽量一次成型。
（3）焊接前需对割除的部位做打磨处理，要求打磨后的表面光滑，以免焊接时出现夹碴现象。
（4）焊接时搭铁线必须接在离焊接部位最近的地方，以免电流经过主轴承导致主轴承损坏。
（5）焊接时无特殊要求的部位，一般采用506焊条，有特殊要求的部位根据要求选用对应的焊条，焊条在焊接前需预热到150°。
（6）焊接件需自然冷却，防止水或其它液体接触焊件，刮刀刀座需用保温棉保温3小时。
（7）刀具安装时，刀具螺栓螺纹及刀座螺栓孔需清理干净，不得有水、泥、砂或其它杂物。
（8）为增强紧固效果，刀具螺栓安装时需涂抹乐泰胶，同时紧固刀具螺栓的紧固力矩不得低于或超过其允许值。
（二）泡沫系统故障
某土压平衡盾构机在掘进了1200m时，出现了如下的故障：：盾构机控制室PDV电脑显示液体有流量，但在连接桥泡沫发生装置检查的球阀处打开也没有泡沫。
1、原因分析
将连接桥部位的球阀打开，发现喷出的液体不成泡，进一步用手检查发现，抓到手里的液体中没有泡沫剂，因为手上粘得液体不滑，与用手抓水的感觉一样。检查4个液体流量计、4个液体流量电控阀、4个气体流量计、4个气体流量电控阀，发现这些部件的功能均完好。进一步检查盾构机控制室PDV电脑设置，泡沫系统的各项参数正常，于是排除系统参数设置的问题。说明泡沫管路发生了堵塞。
检查压力传感器测出的压力为2.3bar左右，与土仓的平均压力1.8bar很接近，说明传感器以后的泡沫管路是通的，再加上压力传感器以后的管路为2寸管，发生堵塞的可能性不大。
于是从源头上进行排查，泡沫箱有泡沫，检查泡沫原液流量计无显示，认为有2种可能：一种可能是泡沫泵有故障，泵不出泡沫剂；另一种可能就是泡沫剂管路堵塞，泡沫流不出来。手动控制泡沫泵，拆除泡沫剂原液流量计前的管路接头，发现有泡沫剂原液流出，故排除泡沫泵故障，压力不足的可能。装回原来的管路，拆开流量计后的活结头，启动泡沫泵，流量计显示有流量，说明流量计功能完好。再拆除流量计后面到与水混合前的一段管路，拆下后用水冲洗，发现管路中有部分细砂。经过分析认为，盾构机的外部循环水，也是泡沫系统的供水源受到了污染，回想起几天前下暴雨，循环水池没有遮盖，雨水带的泥沙流入了盾构机循环水池中，致使整个外循环水受到了污染。为了进一步确认发生此次故障的原因，拆开外循环水的过滤器，发现水滤袋中有许多砂粒，并且部分已经破损，到此时故障原因已十分明了。 2、故障排除
拆開泡沫泵处及连接桥处泡沫管路，包括泡沫发生器，用水进行了彻底的清洗后，故障消除，整个泡沫系统工作正常。
（三）土压平衡盾构机主驱动系统故障
某盾构机在调试刀盘驱动系统时发现，刀盘转速怎么也达不到厂家规定的调试转速即4.5rpm。刀盘转速最大调到1.5rpm再也调不上去。对刀盘驱动系统故障分析来说主要从以下几个方面入手：
1、检查刀盘驱动系统机械部分
检查刀盘驱动机械部分的减速箱、轴承、齿轮箱等部分没有发现故障现象，而且此盾构机是刚出厂组装的，可以排除机械故障的可能性。
2、检查刀盘驱动部分滤清器及管路
对刀盘驱动液压系统的滤清器及管路进行检查，没有发现堵塞或接错管路现象。
3、检查刀盘驱动部分液压泵、液压马达补油泵和先导油泵
检测3个315KW的刀盘驱动液压泵输出压力正常；检测8个刀盘驱动液压马达工作压力比额定值小只有16bar，达不到出厂调试压力23bar值；检查55KW刀盘驱动系统液压补油泵压力正常；检查5.5KW刀盘驱动系统先导油泵工作压力正常。
4、对刀盘电路系统的检查
检查继电器以及S7-PLC的输出输入卡的通断性，都属正常。
刀盘驱动控制电路的检查：检查PLC输出卡9-13D2到13-68Y3、13-68Y5、13-58Y3、13-60Y3、13-13-58Y3、13-51Y3的通断性发现，刀盘主驱动液压泵1的顺势针旋转和逆时针旋转的电磁阀13-68Y3和13-68Y5接反即在液压图中控制主驱动电机1的液压泵逆时针旋转和顺时针旋转的电磁阀B007和B008的控制线接反。使其他两个刀盘主驱动液压泵顺势针旋转时，该刀盘主驱动液压泵逆时针旋转，导致了所有主驱动液压马达的液压油压力不足，使刀盘的转速无法达到额定值。对调13-68Y3和13-68Y5后刀盘转速正常，故障排除。（9-13D2为S7-PLC的数字式信号输出卡；13-68K1为主驱动刀盘逆时针旋转信号输出控制继电器；13-68K4为主驱动1驱动刀盘顺时针旋转信号输出控制继电器；13-68Y3为主驱动油泵1驱动油泵逆时针旋转控制继电器；13-68Y5为主驱动油泵1驱动刀盘顺时针旋转控制电磁阀；13-51K2为先导油泵供油信号输出控制继电器；13-51Y3为先导油泵供油控制电磁阀；13-58K2为刀盘第二阶段转速信号输出控制继电器；13-58Y3为刀盘第二阶段转速控制电磁阀；13-60K2为刀盘制动解除信号输出控制继电器；13-60Y3为刀盘制动解除控制电磁阀）
参考文献
[1]滕飞.STEC-D5型土压平衡盾构机典型故障分析[J].建筑机械（上半月）， 2010年9期.
[2]张云飞.盾构隧道施工中的典型事故分析及控制研究[D]. 安全技术及工程：中国地质大学（武汉），2010.
关键词：土压平衡盾构机；典型故障；刀盘；泡沫系统；驱动系统
一、土压平衡盾构机
土压平衡式盾构机是一種隧道掘进的专用工程机械，用盾构机进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理。
（一）结构组成
土压平衡式盾构机主要由刀盘及驱动系统、螺旋输送机、管片拼装机、皮带输送机、推进千斤顶、液压系统、电气控制系统、集中润滑系统、盾尾注浆系统、盾尾密封系统、加泥系统、泡沫系统、水系统、气路系统、盾构壳体、车架系统、双梁吊运系统等组成。
（二）工作原理
土体由土压平衡式盾构机上的旋转刀盘上的刀具切割下来，然后通过刀盘开口挤入土舱，与土舱内已有的粘性土浆混合。推进油缸的压力通过舱壁传给土舱内土体，从而保证开挖面的稳定。
（三）机械用途
土压平衡式盾构机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，适用于含水量和粒度组成比较适中的粉土、粘土、砂质粉土、砂质粘土、夹砂粉粘土等土砂可以直接从掘削面流入土舱及螺旋排土器的土质。但对含砂粒量过多的不具备流动性的土质，不宜选用。
二、土压平衡盾构机典型故障
（一）刀具磨损与损坏
刀具主要分齿刀与滚刀两大类，其磨损与损坏形式不同。与滚刀相比，齿刀的磨损与损坏形式较单一，其磨损形式主要表现为含有硬质合金的齿刀刀头被磨平，其损坏形式主要表现为硬岩掘进中受大推力与大扭矩的双重作用，刀具解体。刀具磨损与损坏主要有：刀圈极限磨损、刀圈弦磨、刀圈断裂、刀圈脫落、刀体损坏、轴承损坏等等。
刀具是盾构机掘进的最终执行元件，刀具的好坏、磨损的严重程度直接影响掘进的效率，同时，较好的刀具状况，对掘进过程中刀盘的保护十分有利，因此，凡是磨损达到极限值或已损坏的刀具需立即更换。在更换刀具时，应遵循以下两项原则：
（1）相邻刀位的刀具磨损量相差不能超过10mm；
（2）高刀位的刀具尽量使用新刀，磨损不大的刀可以调换至低刀位继续使用。同时，提高主司机的操作技巧，合理选择掘进模式与掘进参数，并不断积累与总结经验，减少对刀具的人为破坏，提高刀具更换、速度与质量也是解决问题的最根本、最有力的保证。
对于不需要更换的刀具应当采取相应的维修措施，维修技术保证措施刀盘维修的工作内容主要有：下料、割除、打磨、焊接、刀具安装五大项。为保证维修工作质量，避免因某个环节工作失误造成返工，或者质量隐患存在，在维修过程中对各个环节的监控相当重要，必须遵守以下技术要求：
（1）下料前需测量所需钢板尺寸，根据需要下料；下料时合理规划，严禁浪费。
（2）对刀盘进行割除操作前，需详细查看刀盘结构图，在刀盘上标出割除轮廓线，操作时尽量一次成型。
（3）焊接前需对割除的部位做打磨处理，要求打磨后的表面光滑，以免焊接时出现夹碴现象。
（4）焊接时搭铁线必须接在离焊接部位最近的地方，以免电流经过主轴承导致主轴承损坏。
（5）焊接时无特殊要求的部位，一般采用506焊条，有特殊要求的部位根据要求选用对应的焊条，焊条在焊接前需预热到150°。
（6）焊接件需自然冷却，防止水或其它液体接触焊件，刮刀刀座需用保温棉保温3小时。
（7）刀具安装时，刀具螺栓螺纹及刀座螺栓孔需清理干净，不得有水、泥、砂或其它杂物。
（8）为增强紧固效果，刀具螺栓安装时需涂抹乐泰胶，同时紧固刀具螺栓的紧固力矩不得低于或超过其允许值。
（二）泡沫系统故障
某土压平衡盾构机在掘进了1200m时，出现了如下的故障：：盾构机控制室PDV电脑显示液体有流量，但在连接桥泡沫发生装置检查的球阀处打开也没有泡沫。
1、原因分析
将连接桥部位的球阀打开，发现喷出的液体不成泡，进一步用手检查发现，抓到手里的液体中没有泡沫剂，因为手上粘得液体不滑，与用手抓水的感觉一样。检查4个液体流量计、4个液体流量电控阀、4个气体流量计、4个气体流量电控阀，发现这些部件的功能均完好。进一步检查盾构机控制室PDV电脑设置，泡沫系统的各项参数正常，于是排除系统参数设置的问题。说明泡沫管路发生了堵塞。
检查压力传感器测出的压力为2.3bar左右，与土仓的平均压力1.8bar很接近，说明传感器以后的泡沫管路是通的，再加上压力传感器以后的管路为2寸管，发生堵塞的可能性不大。
于是从源头上进行排查，泡沫箱有泡沫，检查泡沫原液流量计无显示，认为有2种可能：一种可能是泡沫泵有故障，泵不出泡沫剂；另一种可能就是泡沫剂管路堵塞，泡沫流不出来。手动控制泡沫泵，拆除泡沫剂原液流量计前的管路接头，发现有泡沫剂原液流出，故排除泡沫泵故障，压力不足的可能。装回原来的管路，拆开流量计后的活结头，启动泡沫泵，流量计显示有流量，说明流量计功能完好。再拆除流量计后面到与水混合前的一段管路，拆下后用水冲洗，发现管路中有部分细砂。经过分析认为，盾构机的外部循环水，也是泡沫系统的供水源受到了污染，回想起几天前下暴雨，循环水池没有遮盖，雨水带的泥沙流入了盾构机循环水池中，致使整个外循环水受到了污染。为了进一步确认发生此次故障的原因，拆开外循环水的过滤器，发现水滤袋中有许多砂粒，并且部分已经破损，到此时故障原因已十分明了。 2、故障排除
拆開泡沫泵处及连接桥处泡沫管路，包括泡沫发生器，用水进行了彻底的清洗后，故障消除，整个泡沫系统工作正常。
（三）土压平衡盾构机主驱动系统故障
某盾构机在调试刀盘驱动系统时发现，刀盘转速怎么也达不到厂家规定的调试转速即4.5rpm。刀盘转速最大调到1.5rpm再也调不上去。对刀盘驱动系统故障分析来说主要从以下几个方面入手：
1、检查刀盘驱动系统机械部分
检查刀盘驱动机械部分的减速箱、轴承、齿轮箱等部分没有发现故障现象，而且此盾构机是刚出厂组装的，可以排除机械故障的可能性。
2、检查刀盘驱动部分滤清器及管路
对刀盘驱动液压系统的滤清器及管路进行检查，没有发现堵塞或接错管路现象。
3、检查刀盘驱动部分液压泵、液压马达补油泵和先导油泵
检测3个315KW的刀盘驱动液压泵输出压力正常；检测8个刀盘驱动液压马达工作压力比额定值小只有16bar，达不到出厂调试压力23bar值；检查55KW刀盘驱动系统液压补油泵压力正常；检查5.5KW刀盘驱动系统先导油泵工作压力正常。
4、对刀盘电路系统的检查
检查继电器以及S7-PLC的输出输入卡的通断性，都属正常。
刀盘驱动控制电路的检查：检查PLC输出卡9-13D2到13-68Y3、13-68Y5、13-58Y3、13-60Y3、13-13-58Y3、13-51Y3的通断性发现，刀盘主驱动液压泵1的顺势针旋转和逆时针旋转的电磁阀13-68Y3和13-68Y5接反即在液压图中控制主驱动电机1的液压泵逆时针旋转和顺时针旋转的电磁阀B007和B008的控制线接反。使其他两个刀盘主驱动液压泵顺势针旋转时，该刀盘主驱动液压泵逆时针旋转，导致了所有主驱动液压马达的液压油压力不足，使刀盘的转速无法达到额定值。对调13-68Y3和13-68Y5后刀盘转速正常，故障排除。（9-13D2为S7-PLC的数字式信号输出卡；13-68K1为主驱动刀盘逆时针旋转信号输出控制继电器；13-68K4为主驱动1驱动刀盘顺时针旋转信号输出控制继电器；13-68Y3为主驱动油泵1驱动油泵逆时针旋转控制继电器；13-68Y5为主驱动油泵1驱动刀盘顺时针旋转控制电磁阀；13-51K2为先导油泵供油信号输出控制继电器；13-51Y3为先导油泵供油控制电磁阀；13-58K2为刀盘第二阶段转速信号输出控制继电器；13-58Y3为刀盘第二阶段转速控制电磁阀；13-60K2为刀盘制动解除信号输出控制继电器；13-60Y3为刀盘制动解除控制电磁阀）
参考文献
[1]滕飞.STEC-D5型土压平衡盾构机典型故障分析[J].建筑机械（上半月）， 2010年9期.
[2]张云飞.盾构隧道施工中的典型事故分析及控制研究[D]. 安全技术及工程：中国地质大学（武汉），2010.