盾構(gòu)法施工技術(shù)與安全問題

1、盾構(gòu)法施工技術(shù)與安全問題【論文摘要】近年來軌道交通發(fā)展愈加蓬勃，地鐵更是成為其中的熱點(diǎn)，而完成地鐵建設(shè)效的一步便是盾構(gòu)法施工，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，全國采用盾構(gòu)法施工的地鐵工程最高占全國地鐵丄程總量的 65%,盾構(gòu)技術(shù)在未來會更好更多的應(yīng)用于地鐵建設(shè)。為 此，本文嘗試對盾構(gòu)法做初步的闡述，著重分析盾構(gòu)類型，盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)以及其中液壓技術(shù)，以期摸索到國內(nèi)外在此的差距，并從盾構(gòu)施工中在地鐵建設(shè)中的應(yīng)用。一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)一一盾構(gòu)發(fā)現(xiàn)安全問題，更有利于它關(guān)鍵詞 : 盾構(gòu)法；盾構(gòu)液壓技術(shù)；地鐵建設(shè)；施工安全；盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)1盾構(gòu)簡介1818 年，法國工程師布魯諾（ Brunel ）從一種食船蟲在船身上打洞一事受 到啟

2、發(fā)，研究出了盾構(gòu)施工技術(shù)，并獲得專利。要進(jìn)行盾構(gòu)施工，前提是盾構(gòu)機(jī) （TunnelingShield Machine） ,它是用于隧道暗挖掘施工 , 具有金屬外殼，殼內(nèi) 裝有整機(jī)及部分輔助設(shè)備，在其掩護(hù)下進(jìn)行土體開挖、土渣排運(yùn)、整機(jī)推進(jìn)、管片 拼裝等作業(yè)，通過割刀切割土體，而使隧道一次成型的機(jī)器 1。該機(jī)器可歸納為 十八部分：刀盤部件、刀盤軸承（大軸承）及刀盤密封、刀盤支撐殼體、機(jī)架、支 撐及推進(jìn)系統(tǒng)、刀盤回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、管片拼裝裝置、盾尾密封裝置、出渣設(shè)備、激光導(dǎo) 向裝置、除塵裝置、液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)和同步注漿系統(tǒng)。其中液壓系統(tǒng)在下文會繼續(xù)分析。 II

3、 前來說，盾構(gòu)有如 下表的分法 2：手掘式盾構(gòu)敞 正面開 支撐棚式1擠壓式盾構(gòu)全擠 局部壓式 擠壓半機(jī)械式網(wǎng) 正 螺旋格 反 側(cè)削機(jī)械式盾構(gòu)軟巖 開胸大 閉胸式掘進(jìn) 刀盤切 局部 泥水 土壓杲 制 響 持 米 小 小 是 使 價(jià)式 式 式 式 鏟 機(jī) 削氣壓式加壓式平衡式盾構(gòu)施工方法有以下兒步：第一，在置放盾構(gòu)機(jī)處打一個(gè)垂直井，再用混泥土墻加固；第二，將盾構(gòu)機(jī)安裝到井底，并裝配相應(yīng)的千斤頂；第三，用千斤頂驅(qū)動(dòng)井底部的盾構(gòu)機(jī)往水平方向前進(jìn)，形成隧道；第四，將開挖好的隧道邊墻用事先制作好的混泥土襯砌加固， (地壓較高時(shí) 可以采用澆鑄的鋼制襯砌加固來代替混泥土襯砌 ) 。山此可見，運(yùn)用盾構(gòu)法施工是

4、十分直接快捷的，在地鐵建設(shè)這種要求不斷深入地面內(nèi)部的丄程，盾構(gòu)具有其他技勢，比如它使隧道一次成型，或者持續(xù)高效的排土，都足以為施工面是它與另一種常見的隧道施工技術(shù)一一淺埋暗挖法的對比 3：術(shù)無法比擬的優(yōu)帶來極大的效率。下淺埋暗挖施工與匡構(gòu)法施工造價(jià)對比東123項(xiàng)目序號陡淹工捉SifiS 井附展及措梅項(xiàng)注：汽堆皓挖區(qū)何牧迢工任點(diǎn)淺埋堵挖區(qū)阿32712764487E 20用中包含怕駁注和308曆構(gòu)區(qū)河 (2)3207261454945單位：萬元 /km相 Z(W)64150-61-25萬兄 .從上表中分析，盾構(gòu)會山于機(jī)械構(gòu)造的成本使其造價(jià)略高，還有因?yàn)榧夹g(shù)不夠完善而在豎井與水平推進(jìn)之間花費(fèi)較多資金

5、調(diào)整機(jī)械，但在工程整體方面，盾構(gòu)所花費(fèi)的資金明顯少于淺埋暗挖法，而在人力與時(shí)間方面的節(jié)省就更具優(yōu)越性了。2 盾構(gòu)在國內(nèi)外的發(fā)展能、山于發(fā)展相對較遲，我國與發(fā)達(dá)國家的盾構(gòu)技術(shù)有一定差距，國內(nèi)盾構(gòu)關(guān)鍵 部件一一大軸承、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、液壓閥件都是引進(jìn)的可靠成熟的國外名牌產(chǎn)品，用 于盾構(gòu)姿態(tài)控制、地表沉降控制的土壓探測與傳感裝置基本依賴進(jìn)口 4。 LI 詢 國際上技術(shù)比較先進(jìn)的盾構(gòu)生產(chǎn)商主要在德國和日本。其中鄰國日本技術(shù)的發(fā)展與 創(chuàng)新更值得我們學(xué)習(xí)。由于日本處于比較尷尬的地理環(huán)境，并且人口眾多，使得它 在利用地下空間的技術(shù)不斷突破。比如對傳統(tǒng)的泥水加壓式盾構(gòu)的改進(jìn)，山于用泥壁，使得泥漿的密度比所支護(hù)的土的

6、密度小，所以泥土加壓式盾構(gòu)，切面 III 泥漿護(hù)漿壓力與土壓力總是不平衡 5 ,于是他們將泥漿水與所挖的土攪渾擠積壓在洞 壁， 借以滿足壓力平衡， 還有在細(xì)節(jié)方面，他們在排土系統(tǒng)中加入泥漿水，使得排 渣更為順暢，使得施工效率最大化。還有盾體在 隧道中運(yùn)動(dòng)軌跡單一而不能急曲線 施工，日本利用狡接式盾構(gòu) 6解決一一這種盾構(gòu) 機(jī)山前后兩部分狡接組成，能 夠按照施匸隧曲線需要折向，盾體后部保持不變，避免了 盾尾與管片形成夾角，能 保持管片與盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)，曲線施工依靠較接千斤頂分組調(diào)整 壓力，加以高質(zhì)量的 管片，就可以在地底進(jìn)行急曲線的成排掘進(jìn)。我國在盾構(gòu)方面也有不錯(cuò)的進(jìn)展。 比如 SNS盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)

7、( Shield Navigation System) 7 ,款由同濟(jì)大學(xué)和南京業(yè)大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的專門用于在 地鐵隧道建設(shè)中指導(dǎo)盾構(gòu)機(jī)挖掘方向的軟硬件系統(tǒng)，它很好的解決了盾構(gòu)機(jī)在地底 方位以及姿態(tài)的數(shù)據(jù)收集的問 題，還有如上海隧道股份有限公司、中鐵隧道集團(tuán)、 廣重集團(tuán)、沈陽重型機(jī)械集團(tuán)公司 等單位相繼開展了盾構(gòu)設(shè)備的研制和相關(guān)技術(shù)的 開發(fā)，盾構(gòu)的研究在我國逐漸受到應(yīng)有 的關(guān)注。3 盾構(gòu)中的液壓系統(tǒng)現(xiàn)代化的液壓技術(shù) 8是通過流體實(shí)現(xiàn)控制操作的技術(shù)，其特點(diǎn)是高效、節(jié) 環(huán)保、低成本、多樣性和復(fù)雜性，這項(xiàng)技術(shù)被盾構(gòu)的液壓系統(tǒng)有效運(yùn)用。盾構(gòu)中的液壓系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)運(yùn)動(dòng)和控制的核心，它分為四大模塊，分別為：刀

8、盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)、盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)、螺旋輸送液壓系統(tǒng)、管片拼裝液壓系 統(tǒng)。簡單的 描訴他們的作用是：刀盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)削刀削開土體，土體松開后 再山盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)一步往深處前進(jìn)，同時(shí)那些被削開的泥土經(jīng)山 螺旋輸送液壓系統(tǒng)排到隧道外，最后管片拼裝液壓系統(tǒng)為挖過的隧道砌上管片，這 樣隧道就完成一次成型的過程。下面來詳細(xì)的分析上述四個(gè)系統(tǒng)。首先是刀盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)負(fù)責(zé) 驅(qū)動(dòng)刀盤削開堅(jiān)碩的土體，其主要技術(shù)難題是所需功率十分巨大，好在盾構(gòu)刀盤的 液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展不斷進(jìn)步，成功解決了多馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的冗余干涉問 題，使液壓回路從閥控的節(jié)流調(diào)速回路變?yōu)楸每氐娜莘e調(diào)速回路，能耗大

9、大降低 9 ,其次是盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)是盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)建立土壓平衡模式的主要 系統(tǒng)，用來實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)在土壓平衡狀態(tài)下掘進(jìn)、姿態(tài)的控制及盾構(gòu)在曲線段掘進(jìn)。因 為在盾體掘進(jìn)過程中，所受地層阻力層差不一，使得盾體姿態(tài)會有所偏差，影響既 定的推進(jìn)軌道，盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)通過電液比例泵與比例減壓閥等對推進(jìn)液壓缸的 流量、壓力進(jìn)行比例控制，在充分體現(xiàn)節(jié)能理念的前提下實(shí)現(xiàn)了對盾構(gòu)姿態(tài)的調(diào) 整、糾偏以及精確控制 10。要實(shí)現(xiàn)盾體在既定路線平衡前進(jìn)，還需要螺旋輸送液 壓系統(tǒng)的配合，該系統(tǒng)構(gòu)造如下圖所示：體； 2備 體:3伸細(xì)油缸； 4 一馬達(dá) ； 5 后閘門 ； 6后鬧門 油缸； 7 一管片： 8推進(jìn)油撤 ; 9

10、- 靜閘門 .它將刀盤削出的土體排出盾體，從而使盾體密封艙內(nèi)壓力平衡在一定范圍， 并建立適當(dāng)壓力與開挖面的土體壓力平衡，降低對土體的干擾程度，控制地表沉 降。要做到土壓平衡控制 11 ,就要依賴推進(jìn)系統(tǒng)及螺旋輸送機(jī)系統(tǒng)配合使用， 會發(fā)生地表下沉的情況，或者干擾周圍建筑物的地基，所以該系統(tǒng)的運(yùn)作至關(guān)最后是管片拼裝液壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一種設(shè)置在盾尾部位，可以迅速把管片否則 重要。拼裝成確定形式的起重機(jī)械，施工人員可利用電液比例技術(shù)，輸入一個(gè)所需的電壓過比例放大器進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成與輸入電圧成正比的工作電流，此電流通信號，通入比例電磁鐵，根據(jù)電流的磁效應(yīng)，使電磁鐵輸出一個(gè)與輸入信號成比例的力或位閥 12

11、 ,控制元件的速度與力的大小，遠(yuǎn)程無線控制盾構(gòu)機(jī)，同時(shí)移，作用于減壓系統(tǒng)也會感應(yīng)溫度、壓力等參數(shù)變化改變運(yùn)動(dòng)形態(tài)，從而完成對隧道的初砌（即管 片的安裝）。對管片的控制主要是沿掘進(jìn)隧道軸線移動(dòng)、豎直方位的伸縮平移、圓 周方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（旋轉(zhuǎn)）、調(diào)整管片姿態(tài)的平臺旋轉(zhuǎn)、平臺擺動(dòng)、平臺側(cè)傾，以 及固定管片的抓持運(yùn)動(dòng) 13?？偠灾?，液壓系統(tǒng)作為盾構(gòu)的核心組成部位，比例液壓元件及傳感元件 是它的靈魂，各系統(tǒng)在這些元件下得以獲知環(huán)境信息以及丄程要求，從而完成一系 動(dòng)化施工步驟。4 盾構(gòu)安全問題由于盾構(gòu)是一個(gè)高耗能的機(jī)器，各系統(tǒng)利用能量的惜況不一而能量大小不在地底施工，施工環(huán)境惡劣且地面環(huán)境頗受地下變化的

12、影響，所以無論是機(jī) 是它對周圍環(huán)境的影響，都存在不容忽視的安全問題。首先是機(jī)械本身，尤其是液壓系統(tǒng)，由于它需要完成提供巨大的壓力，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能的對點(diǎn)輸出，期間產(chǎn)生的熱量極有可能損壞機(jī)器或產(chǎn)生其他事故，所以 的冷卻裝置要經(jīng)常檢修以確保其正常運(yùn)作。其次是對環(huán)境的影響，這是最有可能引發(fā)事故的部分，必須引起高度關(guān)注。這類事故最可能發(fā)生在盾構(gòu)進(jìn)出洞的時(shí)間段 15 , 山于洞口壓力難以確定且洞不到位，經(jīng)常發(fā)生掘進(jìn)中開挖面的失穩(wěn)、地表沉降、坍塌等，這些事故甚至14 列自定，乂 械本身，還龐大 液壓系統(tǒng)口加固會引起地表大面積沉降，導(dǎo)致周圉的建筑物有崩塌的可能，對人民生民財(cái)產(chǎn)安全構(gòu) 成巨大威脅。為了規(guī)避這種安全問

13、題，施工前對周圍環(huán)境的勘測必須到位，記錄的 數(shù)據(jù)做詳盡的分析，對脆弱的施工環(huán)境要加固，盡量避免塌方，在掘進(jìn)過程中應(yīng)注 意盾構(gòu)體的前進(jìn)幅度，控 制排土速度，保證土壓平衡，若發(fā)現(xiàn)地表沉降跡象，應(yīng)密 切關(guān)注其變化且對數(shù)據(jù)重新分 析，如果沉降過大，必須阻止地下水滲入塌方沉降的 部位，這時(shí)要截?fù)醯叵滤冶仨氂勉@機(jī)往塌陷區(qū)域注漿以加固地基，防止塌陷進(jìn)一 步擴(kuò)大。5 盾構(gòu)展望對我國來說，盾構(gòu)電液控制系統(tǒng)技術(shù)尚不成熟，而盾構(gòu)電液控制系統(tǒng)造價(jià)占 整個(gè)盾構(gòu)控制系統(tǒng)的 1/3 16, 這意味著我國在盾構(gòu)中的花費(fèi)由于向國外購買 而高昂，因此我國在盾構(gòu)的發(fā)展應(yīng)首先克服這個(gè)難關(guān)，獲得自主知識產(chǎn)權(quán)以擺脫國 外的制約。就全世

14、界盾構(gòu)的發(fā)展來說，許多有創(chuàng)意的有想法的盾構(gòu)接連面世，如微型盾 構(gòu) I7,由于在名勝古跡所處的地表下面施工會是一些年久的古跡受損，因此 用微型盾構(gòu)能在 較小的管道中施工，使其影響最小化。還有上文提到的在隧道豎井 是造價(jià)偏高的問題， 如果存在盾構(gòu)機(jī)能在豎直達(dá)到既定深度后原地改變?yōu)樗骄?進(jìn)，就可以大大提高施工效 率，資金也可以大大削減了。除了盾構(gòu)類型的展望以 外，盾構(gòu)本身的系統(tǒng)也可以繼續(xù)完善，比如可以發(fā)展工藝使得初砌就達(dá)到隧道內(nèi)表 面長期防水的 LI 的；在削土?xí)r可以智能地自動(dòng)更換刀盤，這樣對硬土能有高強(qiáng)度的 刀盤應(yīng)對，對軟土乂有類似攪拌器一樣的 裝置來平和地處理，不必為不同土質(zhì)而操 心；盾構(gòu)的導(dǎo)

15、航系統(tǒng)可以根據(jù)周圍地質(zhì)模擬出 最合理路線以供參考等等?？傊?，未 來盾構(gòu)會發(fā)展得更加智能，節(jié)能，高效。6 結(jié)語盾構(gòu)是解決地鐵施工問題的利器，液壓系統(tǒng)則是該利器的核心，可以說，現(xiàn)?構(gòu)的好壞很大程度上取決于液壓系統(tǒng)的優(yōu)劣。隨著科技的發(fā)展，盾構(gòu)技術(shù)在未在盾來會突破更多技術(shù)難題，我們要注意不要停滯于當(dāng)下而不斷被國外拉大差距，我們 技術(shù)再先進(jìn)，也得注意細(xì)節(jié)，注意施工安全。隨著盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，軌道是隧道方面，將更好地普及，惠及人民。也要注意 交通，尤其參考文獻(xiàn) ( References): 11 江玉生楊志勇盾構(gòu) /TBM 隧道施工事實(shí)管理信息系統(tǒng) rMj 人民交通 出 版社2007 年 12 月出版 6 7 頁 2 崔國華王國強(qiáng)何恩光張英爽盾構(gòu)機(jī)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景 J礦 山機(jī)械 2006 年 6 期 34 卷 24 25 頁 3 張維國淺談盾構(gòu)法施工工藝的發(fā)展 J中國工程咨詢 2012 年 01 期第 1 頁4 崔國華王國強(qiáng)何恩光張英爽盾構(gòu)機(jī)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景 J礦 山機(jī)械 2006 年 6 期 34 卷 24 25 頁5 月 第 11 卷第6 月 第 11 卷第趙澤文日本隧道盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展和成就 04 期總第 273 期 2-3 頁趙澤文日本隧道盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展和成就04 期總第 273 期 23-25 頁J中國西部科技 2012 年 04J