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【摘 要】本文首先分析了盾构机结构及工作原理，然后介绍了盾构机推力过大原因分析，最后提出了解决措施。
【关键词】盾构机；推力过大；原因分析；应对措施
一、前言
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。但在多种因素的影响下会导致盾构机推力过大而降低盾构机的使用寿命，影响施工项目的质量和效率。
二、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。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，半機械式盾构（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。
三、盾构机推力过大原因分析
根据实际情况，我们对盾构机的推力进行分析，主要分析情况如下：通常情况下，由于拖车质量不变，拖车的阻力亦恒定不变；盾尾阻力受地层摩擦因素影响，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。如果采用加压模式，恒定不变的气压对盾构机产生的反作用力也是不变的；水土压力主要受地层裂隙大小及地层稳定程度影响。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。
综合推力计算公式和实际经验，在盾构设备正常无故障的情况下，出现推力过大时可以从以下几方面分析查找原因。
1、盾尾铰接油缸压力检查
（1）拖车是否被掉物卡住。案例：拖车上放置的管片连接螺栓掉落至拖车与管片结合处，使拖车被卡住，导致盾构机前进拉动拖车需要付出更大的推力，严重时盾构机前进，拖车不动。
（2）检查拖车、管片背注浆管路是否存在不合理设计。案例：拖车两侧底部横梁与成型隧道间隙过小，致使管片拼装错台稍大或在合格范围内，均会导致拖车与管片刮蹭，加重推进油缸的负载，由于长时间承受较大拉力，未被及时发现，致使拖车管片吊车安装横梁焊缝被拉开断裂。
2、确认推进模式
气压平衡模式是泥水加压平衡盾构机的特色设计，但若选择应用时机错误，也会带来较大问题。案例：在由沙层进入强风化泥质砂岩时，开始出现推进压力大、掘进速度慢、舱内堵塞等问题。经加压进舱检查，发现地层比较稳定，因此尝试用纯泥水平衡模式推进，效果非常理想；推进速度由2～4环/d达到5～8环/d，堵塞现象较少发生。总结原因：在不稳定地层，通过自动控制向泥水舱内加入与地层水土压力相适应的压缩空气，以平衡地层水土压力，起到支护地层的作用，确保推进过程中开挖面稳定。但压缩空气的副作用是双向作用力，向前支护地层的同时，向后对盾构机施加一个前进的阻力，此危害是在稳定地层，为盾构推进增加较大阻力，导致推进压力过大，同时阻止刀舱内的泥土进入泥水舱内，造成堵塞。
四、解决措施
1、加强管理
制定更加精细的管理规定，规范班组的施工操作，设置物料摆放区域，增添物料工具存放设施，杜绝掉物现象发生。推进时不断关注铰接油缸的压力和行程。在正常情况下，地质条件不会发生较大突变，铰接油缸承受的拉力变化不大，油缸行程不会出现由于压力过大而不断伸长的现象。若压力增大不断伸长，说明出现异常，应查看地质报告是否存在引起突变的地质条件、倾听拖车发出的声音有无异常、逐节拖车检查有无前行、经过的管片有无刮蹭划痕，查明原因后方可继续施工。
2、根据地层选择相应的推进模式
在稳定地层可选择泥水平衡模式推进，盾构机只承受地层水压和有限的土压，可以有效降低推进压力，再通过合理的壁后注浆，保证地层稳定，减小地面沉降量；在不稳定的上软下硬地层推进和在沙层、淤泥层等不稳定地层贯通时，须采用气压平衡模式，同时配合高浓度的泥浆推进，可以有效解决掌子面塌方问题。案例：盾构机在泥质砂岩推进时，初始采用气压模式，推进压力达到6000kN，推进速度3～5mm/min，刀盘油压经常达到250×10Pa停机，设备发热量过大，隧道温度达到40℃，环境非常恶劣；进舱检查发现地层稳定，随着逐步将气压模式改为纯泥水模式，盾构机推力降至约3100kN，推进速度增至8～12mm/min，隧道温度亦降至约30℃，各项参数指标均明显改善。
3、加强粘土地层推进监控
在含粘土层推进时，注意观察记录盾构机推进的正常压力、速度，对推进参数进行实时监控，一经发现推进压力变大、速度慢，刀盘油压、扭矩将达到极限时，须停机进舱检查刀具有无脱落、是否磨损超限而导致无法形成有效切削，检查刀具、出渣口是否被泥饼堵塞而无法排渣，检查刀具表面是否被泥膜覆盖而使刀具无法深入地层进行切削。在这些问题处理完成后方可继续推进，切忌盲目推进，导致刀具、刀盘磨损，带来更大损失。在此地层中推进时，建立了监控制度，通过及时进舱清理、检查，确保了刀具能够正常发挥作用，减少了刀具更换频率，节约了项目成本。
4、卵石与孤石的处理
对于卡在刀盘与切削面之间的卵石，操作工在发现推进困难时，可将刀盘适当回收，增大刀盘与切削面的距离，让卵石从刀盘表面掉落至底部，通过出渣口进入盾构机内部或被盾构机挤出刀盘面。针对盾构孤石施工问题，尽管采取了各种措施，在某些问题上有所突破，但总体效果不理想，迄今尚未找到一种切实有效的施工方法，目前只能在采取措施，稳定掌子面进舱后，用爆破法将其分裂，采用人工搬运或盾构推进排出。
5、沙层停机
在沙层停机，必须先考虑采取措施避免盾尾被固结，其次是设备脱困问题。采取措施：停机初始，在盾尾注入1.5～2倍体积的浓泥浆，浓泥浆不会凝固且润滑效果良好，有助于盾构恢复时盾尾的脱困。若确认盾尾被固结，解决措施为：盾构机前部主机在刀盘的转动、导向油缸的来回伸缩、推进油缸的大压力共同作用下，能够较快脱困，但盾尾无主动推力，脱困较难，需要人工主动拉伸铰接油缸多次，使盾尾逐渐脱困，若盾构机本身的铰接油缸无法拉动盾尾，尚需采取增加临时油缸或利用推进油缸拉动盾尾的方法。推进时，务必注意铰接油缸的伸长量，避免铰接油缸被拉断。
五、结束语
通过对盾构机推力过大原因进行分析，从而采取有效措施，对推力过大进行有效控制，促进施工的顺利进行。
参考文献：
[1]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，2012，15（48）：69
[2]黄恒儒.土压平衡盾构在上软下硬复合地层中的施工技术[J].广州建筑，2013，56（18）：48
【关键词】盾构机；推力过大；原因分析；应对措施
一、前言
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。但在多种因素的影响下会导致盾构机推力过大而降低盾构机的使用寿命，影响施工项目的质量和效率。
二、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。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，半機械式盾构（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。
三、盾构机推力过大原因分析
根据实际情况，我们对盾构机的推力进行分析，主要分析情况如下：通常情况下，由于拖车质量不变，拖车的阻力亦恒定不变；盾尾阻力受地层摩擦因素影响，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。如果采用加压模式，恒定不变的气压对盾构机产生的反作用力也是不变的；水土压力主要受地层裂隙大小及地层稳定程度影响。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。
综合推力计算公式和实际经验，在盾构设备正常无故障的情况下，出现推力过大时可以从以下几方面分析查找原因。
1、盾尾铰接油缸压力检查
（1）拖车是否被掉物卡住。案例：拖车上放置的管片连接螺栓掉落至拖车与管片结合处，使拖车被卡住，导致盾构机前进拉动拖车需要付出更大的推力，严重时盾构机前进，拖车不动。
（2）检查拖车、管片背注浆管路是否存在不合理设计。案例：拖车两侧底部横梁与成型隧道间隙过小，致使管片拼装错台稍大或在合格范围内，均会导致拖车与管片刮蹭，加重推进油缸的负载，由于长时间承受较大拉力，未被及时发现，致使拖车管片吊车安装横梁焊缝被拉开断裂。
2、确认推进模式
气压平衡模式是泥水加压平衡盾构机的特色设计，但若选择应用时机错误，也会带来较大问题。案例：在由沙层进入强风化泥质砂岩时，开始出现推进压力大、掘进速度慢、舱内堵塞等问题。经加压进舱检查，发现地层比较稳定，因此尝试用纯泥水平衡模式推进，效果非常理想；推进速度由2～4环/d达到5～8环/d，堵塞现象较少发生。总结原因：在不稳定地层，通过自动控制向泥水舱内加入与地层水土压力相适应的压缩空气，以平衡地层水土压力，起到支护地层的作用，确保推进过程中开挖面稳定。但压缩空气的副作用是双向作用力，向前支护地层的同时，向后对盾构机施加一个前进的阻力，此危害是在稳定地层，为盾构推进增加较大阻力，导致推进压力过大，同时阻止刀舱内的泥土进入泥水舱内，造成堵塞。
四、解决措施
1、加强管理
制定更加精细的管理规定，规范班组的施工操作，设置物料摆放区域，增添物料工具存放设施，杜绝掉物现象发生。推进时不断关注铰接油缸的压力和行程。在正常情况下，地质条件不会发生较大突变，铰接油缸承受的拉力变化不大，油缸行程不会出现由于压力过大而不断伸长的现象。若压力增大不断伸长，说明出现异常，应查看地质报告是否存在引起突变的地质条件、倾听拖车发出的声音有无异常、逐节拖车检查有无前行、经过的管片有无刮蹭划痕，查明原因后方可继续施工。
2、根据地层选择相应的推进模式
在稳定地层可选择泥水平衡模式推进，盾构机只承受地层水压和有限的土压，可以有效降低推进压力，再通过合理的壁后注浆，保证地层稳定，减小地面沉降量；在不稳定的上软下硬地层推进和在沙层、淤泥层等不稳定地层贯通时，须采用气压平衡模式，同时配合高浓度的泥浆推进，可以有效解决掌子面塌方问题。案例：盾构机在泥质砂岩推进时，初始采用气压模式，推进压力达到6000kN，推进速度3～5mm/min，刀盘油压经常达到250×10Pa停机，设备发热量过大，隧道温度达到40℃，环境非常恶劣；进舱检查发现地层稳定，随着逐步将气压模式改为纯泥水模式，盾构机推力降至约3100kN，推进速度增至8～12mm/min，隧道温度亦降至约30℃，各项参数指标均明显改善。
3、加强粘土地层推进监控
在含粘土层推进时，注意观察记录盾构机推进的正常压力、速度，对推进参数进行实时监控，一经发现推进压力变大、速度慢，刀盘油压、扭矩将达到极限时，须停机进舱检查刀具有无脱落、是否磨损超限而导致无法形成有效切削，检查刀具、出渣口是否被泥饼堵塞而无法排渣，检查刀具表面是否被泥膜覆盖而使刀具无法深入地层进行切削。在这些问题处理完成后方可继续推进，切忌盲目推进，导致刀具、刀盘磨损，带来更大损失。在此地层中推进时，建立了监控制度，通过及时进舱清理、检查，确保了刀具能够正常发挥作用，减少了刀具更换频率，节约了项目成本。
4、卵石与孤石的处理
对于卡在刀盘与切削面之间的卵石，操作工在发现推进困难时，可将刀盘适当回收，增大刀盘与切削面的距离，让卵石从刀盘表面掉落至底部，通过出渣口进入盾构机内部或被盾构机挤出刀盘面。针对盾构孤石施工问题，尽管采取了各种措施，在某些问题上有所突破，但总体效果不理想，迄今尚未找到一种切实有效的施工方法，目前只能在采取措施，稳定掌子面进舱后，用爆破法将其分裂，采用人工搬运或盾构推进排出。
5、沙层停机
在沙层停机，必须先考虑采取措施避免盾尾被固结，其次是设备脱困问题。采取措施：停机初始，在盾尾注入1.5～2倍体积的浓泥浆，浓泥浆不会凝固且润滑效果良好，有助于盾构恢复时盾尾的脱困。若确认盾尾被固结，解决措施为：盾构机前部主机在刀盘的转动、导向油缸的来回伸缩、推进油缸的大压力共同作用下，能够较快脱困，但盾尾无主动推力，脱困较难，需要人工主动拉伸铰接油缸多次，使盾尾逐渐脱困，若盾构机本身的铰接油缸无法拉动盾尾，尚需采取增加临时油缸或利用推进油缸拉动盾尾的方法。推进时，务必注意铰接油缸的伸长量，避免铰接油缸被拉断。
五、结束语
通过对盾构机推力过大原因进行分析，从而采取有效措施，对推力过大进行有效控制，促进施工的顺利进行。
参考文献：
[1]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，2012，15（48）：69
[2]黄恒儒.土压平衡盾构在上软下硬复合地层中的施工技术[J].广州建筑，2013，56（18）：48