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，而完成地鐵建設(shè)最高效的一步便是盾構(gòu)法施工，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，全國采用盾構(gòu)法施工的地鐵工程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)導向系統(tǒng)以及其中一項關(guān)鍵技術(shù)一一盾構(gòu)液壓技術(shù)，以期摸索到國內(nèi)外在此的差距，并從盾構(gòu)施工中發(fā)現(xiàn)安全問題，更有利于它在地鐵建設(shè)中的應(yīng)用。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發(fā)，研究出了盾構(gòu)施工技術(shù)，并獲得專利。要進行盾構(gòu)施工，前提是盾構(gòu)機（TunnelingShieldMachine）,它是用于隧道暗挖掘施工,具有金屬外殼，殼內(nèi)裝有整機及部分輔助設(shè)備，在其掩護下進行土體開挖、土渣排運、整機推進、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器［1］。該機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、機架、支撐及推進系統(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前來說，盾構(gòu)有如下表的分法［2］：手掘式盾構(gòu)擠壓式盾構(gòu)半機械式機械式盾構(gòu)敞開正面支撐棚式1全擠壓式局部擠壓網(wǎng)格正反螺旋側(cè)削軟巖掘進開胸大刀盤切閉胸式局部泥水土壓式式式式鏟機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)機處打一個垂直井，再用混泥土墻加固；第二，將盾構(gòu)機安裝到井底，并裝配相應(yīng)的千斤頂；第三，用千斤頂驅(qū)動井底部的盾構(gòu)機往水平方向前進，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，運用盾構(gòu)法施工是十分直接快捷的，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)具有其他技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢，比如它使隧道一次成型，或者持續(xù)高效的排土，都足以為施工帶來極大的效率。下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]：序號項目淺埋堵挖區(qū)阿⑴曆構(gòu)區(qū)河(2)相Z(W)—32713207641陡淹工捉276426141502SifiS井487549-613附展及措梅項E2045-25淺埋暗挖施工與匡構(gòu)法施工造價對比東 單位：萬元/km注：汽堆皓挖區(qū)何牧迢工任點用中包含怕駁注和308萬兄.杲制響持米小小是使價從上表中分析，盾構(gòu)會山于機械構(gòu)造的成本使其造價略高，還有因為技術(shù)不夠完善而在豎井與水平推進之間花費較多資金調(diào)整機械，但在工程整體方面，盾構(gòu)所花費的資金明顯少于淺埋暗挖法，而在人力與時間方面的節(jié)省就更具優(yōu)越性了。2盾構(gòu)在國內(nèi)外的發(fā)展山于發(fā)展相對較遲，我國與發(fā)達國家的盾構(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)動馬達、液壓閥件都是引進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口［4］。LI詢國際上技術(shù)比較先進的盾構(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)新更值得我們學習。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，山于用泥土加壓式盾構(gòu)，切面III泥漿護壁，使得泥漿的密度比所支護的土的密度小，所以泥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動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，就可以在地底進行急曲線的成排掘進。我國在盾構(gòu)方面也有不錯的進展。比如SNS盾構(gòu)導向系統(tǒng)(ShieldNavigationSystem)［7］,—款由同濟大學和南京業(yè)大學聯(lián)合開發(fā)的專門用于在地鐵隧道建設(shè)中指導盾構(gòu)機挖掘方向的軟硬件系統(tǒng)，它很好的解決了盾構(gòu)機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、廣重集團、沈陽重型機械集團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］是通過流體實現(xiàn)控制操作的技術(shù)，其特點是高效、節(jié)能、環(huán)保、低成本、多樣性和復雜性，這項技術(shù)被盾構(gòu)的液壓系統(tǒng)有效運用。盾構(gòu)中的液壓系統(tǒng)是實現(xiàn)盾構(gòu)運動和控制的核心，它分為四大模塊，分別為：刀盤驅(qū)動液壓系統(tǒng)、盾構(gòu)推進液壓系統(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)動液壓系統(tǒng)驅(qū)動削刀削開土體，土體松開后再山盾構(gòu)推進液壓系統(tǒng)驅(qū)動盾構(gòu)機進一步往深處前進，同時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。下面來詳細的分析上述四個系統(tǒng)。首先是刀盤驅(qū)動液壓系統(tǒng)，這個系統(tǒng)負責驅(qū)動刀盤削開堅碩的土體，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)動技術(shù)隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展不斷進步，成功解決了多馬達驅(qū)動的冗余干涉問題，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，能耗大大降低［9］,其次是盾構(gòu)推進液壓系統(tǒng)，這個系統(tǒng)是盾構(gòu)掘進時建立土壓平衡模式的主要系統(tǒng)，用來實現(xiàn)盾構(gòu)在土壓平衡狀態(tài)下掘進、姿態(tài)的控制及盾構(gòu)在曲線段掘進。因為在盾體掘進過程中，所受地層阻力層差不一，使得盾體姿態(tài)會有所偏差，影響既定的推進軌道，盾構(gòu)推進液壓系統(tǒng)通過電液比例泵與比例減壓閥等對推進液壓缸的流量、壓力進行比例控制，在充分體現(xiàn)節(jié)能理念的前提下實現(xiàn)了對盾構(gòu)姿態(tài)的調(diào)整、糾偏以及精確控制［10］。要實現(xiàn)盾體在既定路線平衡前進，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—伸細油缸；4一馬達；5—后閘門；6—后鬧門油缸；7一管片：8—推進油撤;9-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］,就要依賴推進系統(tǒng)及螺旋輸送機系統(tǒng)配合使用，否則會發(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)的運作至關(guān)重要。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，可以迅速把管片拼裝成確定形式的起重機械，施工人員可利用電液比例技術(shù)，輸入一個所需的電壓信號，通過比例放大器進行處理，轉(zhuǎn)換成與輸入電圧成正比的工作電流，此電流通入比例電磁鐵，根據(jù)電流的磁效應(yīng)，使電磁鐵輸出一個與輸入信號成比例的力或位移，作用于減壓閥［12］,控制元件的速度與力的大小，遠程無線控制盾構(gòu)機，同時系統(tǒng)也會感應(yīng)溫度、壓力等參數(shù)變化改變運動形態(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隧道軸線移動、豎直方位的伸縮平移、圓周方向的旋轉(zhuǎn)運動（旋轉(zhuǎn)）、調(diào)整管片姿態(tài)的平臺旋轉(zhuǎn)、平臺擺動、平臺側(cè)傾，以及固定管片的抓持運動［13］。總而言之，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［14］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，從而完成一系列自動化施工步驟。4盾構(gòu)安全問題由于盾構(gòu)是一個高耗能的機器，各系統(tǒng)利用能量的惜況不一而能量大小不定，乂在地底施工，施工環(huán)境惡劣且地面環(huán)境頗受地下變化的影響，所以無論是機械本身，還是它對周圍環(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，實現(xiàn)龐大機械能的對點輸出，期間產(chǎn)生的熱量極有可能損壞機器或產(chǎn)生其他事故，所以液壓系統(tǒng)的冷卻裝置要經(jīng)常檢修以確保其正常運作。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)進出洞的時間段［15］,山于洞口壓力難以確定且洞口加固不到位，經(jīng)常發(fā)生掘進中開挖面的失穩(wěn)、地表沉降、坍塌等，這些事故甚至會引起地表大面積沉降，導致周圉的建筑物有崩塌的可能，對人民生民財產(chǎn)安全構(gòu)成巨大威脅。為了規(guī)避這種安全問題，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，在掘進過程中應(yīng)注意盾構(gòu)體的前進幅度，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，這時要截擋地下水且必須用鉆機往塌陷區(qū)域注漿以加固地基，防止塌陷進一步擴大。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)造價占整個盾構(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)首先克服這個難關(guān)，獲得自主知識產(chǎn)權(quán)以擺脫國外的制約。就全世界盾構(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偏高的問題，如果存在盾構(gòu)機能在豎直達到既定深度后原地改變?yōu)樗骄蜻M，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到隧道內(nèi)表面長期防水的LI的；在削土時可以智能地自動更換刀盤，這樣對硬土能有高強度的刀盤應(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)在盾?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)在未來會突破更多技術(shù)難題，我們要注意不要停滯于當下而不斷被國外拉大差距，我們也要注意技術(shù)再先進，也得注意細節(jié)，注意施工安全。隨著盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，軌道交通，尤其是隧道方面，將更好地普及，惠及人民。參考文獻(References):［11江玉生楊志勇盾構(gòu)/TBM隧道施工事實管理信息系統(tǒng)rMj人民交通出 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