复合式土压平衡盾构机常见故障分析及处理办法

复合式土压平衡盾构机常见故障分析及处理办法

作者：张海涛

来源：《城市建设理论研究》2012年第33期

【摘要】盾构机在隧道施工中运用广泛，其安全、高效、经济、环保的优点非常显著，因此，盾构机在隧道施工中的扮演着非常重要的角色。本文主要研究了复合式土压平衡盾构机常见的故障，并提出了相应的解决办法。

【关键词】复合式土压平衡盾构机；常见故障；分析

中图分类号：U226.8+1 文献标识码：A 文章编号：

引言

随着我国城市地铁建设的快速发展，盾构工法凭借其对地面、地下环境影响小、掘进速度快、地表沉降小等优势，成为目前城市地铁区间建设和隧道施工的主要施工工法。复合式盾构机得到了非常广泛的运用，然而，在复合式盾构机得施工使用过程中，常常会出现各种故障，严重影响了盾构机的使用效率，拖慢工程的施工进度，甚至在一定程度上影响了施工质量。因此，对复合式盾构机常见故障进行分析及处理的现实意义重大。

复合式盾构机的工作原理如下：通过旋转的刀盘切削前方的土层，油缸推进刀盘实现掘进，同时使土体从刀盘开口处进入并充满土仓，在油缸的推力下仓内土体保持一定的压力用来平衡前方的土压力和水压力，通过添加外加剂并搅拌土体使其具有适宜的流动性和不透水性，然后在基本保持土压平衡的条件下，从螺旋输送机排除土体。成洞后由管片拼装机拼管片来支撑洞体，同时对盾尾与洞体的缝隙注浆填充，最后实现设计的线路和其结构尺寸要求。

一、复合式土压平衡盾构机常见故障分析

盾构施工中往往遇到各种复杂的地层，变化性比较大。由于地质条件的复杂性．决定了盾构机刀盘的配置及刀具的选用将非常关键．刀具的配置和选用直接影响到刀具使用的寿命，盾构机刀具配置、维修和管理是盾构施工设备管理的重要内容。在复合式土压平衡盾构机的施工使用过程中，作为盾构机主要部件的刀盘最容易出现各种故障，以下详细分析：

1.1刀盘常见故障及原因分析

盾构机的刀盘根据地层的差异，分为三类：软岩刀盘、硬岩刀盘和复合刀盘。软岩刀盘适用于未固结成岩的软土地层和某些全风化或强风化的软岩地层，硬岩刀盘适用于硬岩地层，复

合型刀盘适应的大部分地层往往有软岩也有硬岩、一段软一段硬，或上软下硬、密实胶结卵石土等软硬不匀的地层。

目前使用的刀具一般分为两大类：刮削刀具和滚动刀具。刮削刀具是指只随刀盘转动而没有自转的破岩刀具。刮削刀具的种类繁多，目前盾构掘进机上常用的刮削刀具类有边缘刮刀、刮刀、齿刀、先行刀、贝壳刀、鱼尾刀等。滚动刀具是指不仅随刀盘转动，还同时作自转运动的破岩刀具。根据刀刃的形状，滚刀可分为：齿形滚刀(钢齿和球齿)、盘形滚刀(钢刀圈滚刀和球齿刀圈滚刀)。

虽然刀盘和刀具的类型有多中，但其常见的故障却是大体相同的，以下详细介绍：

1.1.1立柱焊缝开裂

在复合式土压平衡盾构机的施工使用过程中，连接刀盘与主轴承的立柱(仿形刀所在的立柱)常出现焊缝开裂情况。一般来说，裂纹呈现长度较长，连续性较强，交叉分布，分枝较多，裂缝宽度较大等特点。

造成开裂的主要原因有：仿形刀盖板与立柱封板处的焊缝尺寸小，造成焊缝强度较低，同时焊缝的交叉点较多，焊接产生的残余内应力较大，当盾构机在推进过程中推力过大、刀盘扭矩过大时，此处焊缝极易开裂。

1.1.2泡沫孔堵塞

泡沫口布置在盾构机刀盘面板上，泡沫剂通过旋转接头，再经过安装在刀盘立柱内的泡洙管，进入掌子面，若泡沫剂难以加到掌子面，必然导致碴土改良效果不好。特别在粉质粘土、全强风化混合岩地层，刀具切削围岩会使掌子面产生高温，从而使碴土粘结在刀盘上形成泥饼，堵塞刀孔与进碴口，不但加大了刀盘的扭矩，而且增大了刀具的磨损速度和弦磨几率，并严重影响掘进效率。在实际施工过程中，由泡沫口堵塞引起的问题已经成为制约盾构机顺利掘进的一大难题。究其原因，主要原因包括：泡沫管在刀盘面板开口处安装的单向阀阀片耐磨性能低，经过一段时问的使用后，阀片被严重磨损，无法起到挡碴作用，致使泡沫孔在掘进过程中常常因为土仓压力过高面被堵塞；泡沫管的走线从旋转接头到刀盘面板的泡沫孔呈多直角弯分布，管道输通机等机械式疏通机具难有用武之地；由于安装旋转接头需要时间较长，若拆下旋转接头进行疏通，疏通后不能及时安装使用，本已疏通的管路会在短时间内再次堵塞。

1.1.3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。滚刀在使用过程中常发生刀圈断裂、刀圈脱落、刀体损坏、承损坏坏等现象。发生刀具磨损和损坏的主要原因有：地质较软且粘性较大，滚刀刀孔容易被堵塞，刀盘面板处易形成泥饼，从而导致刀具转动困难，造成弦磨；刀具

启动扭矩过大，启动困难；刀具轴承损坏，刀具无法转动；润滑油泄漏造成的刀具密封失效和盘的推力过大引起的刀具过载等原因。

1.1.4刀座与面板磨损

正常掘进时，刀座有两重保护：滚刀为第一重，刮刀和切刀为第二重；面板有三重保护：滚刀、刮刀、切刀及其刀座分列第一、二、三位。对刀座与刀盘面板而言，滚刀的完好是最直接、最有力的保证。滚刀能避免刮刀、切刀及其刀座与刀盘面板直接与掌子面接触而产生磨损，当滚刀因损坏或严重磨损而无法起到屏障作用时，刮刀、切刀及其刀座、滚刀刀座和刀盘面板会不可避免地与硬岩直接接触，由于其材质远不如滚刀刀圈的材质，耐磨性能较低，会造成严重磨损。

1.1.5刀盘扭矩

在土压平衡盾构施工过程中，刀盘扭矩过大终是制约整个施工进度的重要因素。影响刀盘扭矩的因素主要有：盾构机刀盘驱动系统自身扭矩损耗、土仓内已切削土体对刀盘扭矩的影响、泡沫对刀盘扭矩的影响、刀盘开口率对刀盘扭矩的影响、刀具对盾构机刀盘扭矩的影响等。

1.2（螺旋输送机）喷涌

在复合式土压平衡盾构机使用时，当土舱内的土体具有足够的不透水性,并能够行成良好的塑性流动状态时,才能保证开挖面上的土水压力平衡。一旦开挖面与土仓内土体的土压平衡破坏，从螺旋排土器（输送机）的出口处极易发生喷水、喷砂、喷泥的现象，工程界称其为喷涌。喷涌的发生不但影响正常施工排土，更重要的是土仓压力失控，喷涌过多的将开挖面和管片四周的土、砂带出，极易发生地表沉降、塌陷，管片漏水等施工事故。

1.2.1造成喷涌的成因

地层条件、水压、掘进参数是喷涌发生的决定因素。

在砂层、砂卵石等敏感地层，地下水的通路没有阻断，泡沫剂或膨润土不合适，土体改良效果差，未能有效改变土体的渗透性，在水流量大或水力梯度大的情况下，极易发生喷涌。在中风化或者微风化岩层中，若裂隙水发育，后方水路又未封闭，土仓内土体由于水流的影响难以改良时，也经常会产生喷涌现象。

二、复合式土压平衡盾构机常见故障分析的处理办法

2.1立柱焊接开裂的处理办法