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盾构法施工技术与安全问题分析解析
盾构法施工技术与安全问题

【论文摘要】
　　近年来轨道交通发展愈加蓬勃，地铁更是成为其中的热点，而完成地铁建设最高效的一步便是盾构法施工，据有关资料统计，全国采用盾构法施工的地铁工程占全国地铁工程总量的65%，盾构技术在未来会更好更多的应用于地铁建设。为此，本文尝试对盾构法做初步的阐述，着重分析盾构类型，盾构导向系统以与其中一项关键技术——盾构液压技术，以期摸索到国内外在此的差距，并从盾构施工中发现安全问题，更有利于它在地铁建设中的应用。
关键词:盾构法；盾构液压技术；地铁建设；施工安全；盾构导向系统
1 盾构简介
1818 年，法国工程师布鲁诺（Brunel） 从一种食船虫在船身上打洞一事受到启发，研究出了盾构施工技术，并获得专利。要进行盾构施工，前提是盾构机（Tunneling Shield Machine），它是用于隧道暗挖掘施工，具有金属外壳，壳内装有整机与部分辅助设备，在其掩护下进行土体开挖、土渣排运、整机推进、管片拼装等作业，通过割刀切割土体，而使隧道一次成型的机器[1]。该机器可归纳为十八部分：刀盘部件、刀盘轴承（大轴承）与刀盘密封、刀盘支撑壳体、机架、支撑与推进系统、刀盘回转系统、管片拼装装置、盾尾密封装置、出渣设备、激光导向装置、除尘装置、液压系统、润滑系统、电气系统、控制系统、监控系统、数据采集系统和同步注浆系统。其中液压系统在下文会继续分析。目前来说，盾构有如下表的分法[2]：
手掘式盾构
挤压式盾构
半机械式
机械式盾构
敞开式
正面支撑式
棚式
全挤压式
局部挤压式
网格式
正反铲
螺旋侧削
软岩掘进机
开胸大刀盘切削
闭胸式
局部气压式
泥水加压式
土压平衡式

盾构施工方法有以下几步：
　　第一，在置放盾构机处打一个垂直井，再用混泥土墙加固；
　　第二，将盾构机安装到井底，并装配相应的千斤顶；
　　第三，用千斤顶驱动井底部的盾构机往水平方向前进，形成隧道；
第四，将开挖好的隧道边墙用事先制作好的混泥土衬砌加固，（地压较高时可以采用浇铸的钢制衬砌加固来代替混泥土衬砌）。由此可见，运用盾构法施工是十分直接快捷的，在地铁建设这种要求不断深入地面内部的工程，盾构具有其他技术无法比拟的优势，比如它使隧道一次成型，或者持续高效的排土，都足以为施工带来极大的效率。下面是它与另一种常见的隧道施工技术——浅埋暗挖法的对比[3]：

从上表中分析，盾构会由于机械构造的成本使其造价略高，还有因为技术不够完善而在竖井与水平推进之间花费较多资金调整机械，但在工程整体方面，盾构所花费的资金明显少于浅埋暗挖法，而在人力与时间方面的节省就更具优越性了。
2 盾构在国内外的发展
　　由于发展相对较迟，我国与发达国家的盾构技术有一定差距，国内盾构关键部件 —— 大轴承、驱动马达、液压阀件都是引进的可靠成熟的国外名牌产品，用于盾构姿态控制、地表沉降控制的土压探测与传感装置基本依赖进口［４］。目前国际上技术比较先进的盾构生产商主要在德国和日本。其中邻国日本技术的发展与创新更值得我们学习。由于日本处于比较尴尬的地理环境，并且人口众多，使得它在利用地下空间的技术不断突破。比如对传统的泥水加压式盾构的改进，由于用泥土加压式盾构，切面由泥浆护壁，使得泥浆的密度比所支护的土的密度小，所以泥浆压力与土压力总是不平衡［５］，于是他们将泥浆水与所挖的土搅浑挤积压在洞壁，借以满足压力平衡，还有在细节方面，他们在排土系统中加入泥浆水，使得排渣更为顺畅，使得施工效率最大化。还有盾体在隧道中运动轨迹单一而不能急曲线施工，日本利用铰接式盾构［６］解决——这种盾构机由前后两部分铰接组成，能够按照施工隧曲线需要折向，盾体后部保持不变，避免了盾尾与管片形成夹角，能保持管片与盾构机的姿态，曲线施工依靠铰接千斤顶分组调整压力，加以高质量的管片，就可以在地底进行急曲线的成排掘进。
　　我国在盾构方面也有不错的进展。比如SNS 盾构导向系统( Shield Navigation System)[７]，一款由同济大学和南京工业大学联合开发的专门用于在地铁隧道建设中指导盾构机挖掘方向的软硬件系统，它很好的解决了盾构机在地底方位以与姿态的数据收集的问题，还有如上海隧道股份有限公司、中铁隧道集团、广重集团、沈阳重型机械集团公司等单位相继开展了盾构设备的研制和相关技术的开发，盾构的研究在我国逐渐受到应有的关注。
3 盾构中的液压系统
现代化的液压技术[8]是通过流体实现控制操作的技术，其特点是高效、节能、环保、低成本、多样性和复杂性，这项技术被盾构的液压系统有效运用。
盾构中的液压系统是实现盾构运动和控制的核心，它分为四大模块，分别为：刀盘驱动液压系统、盾构推进液压系统、螺旋输送液压系统、管片拼装液压系统。简单的描诉他们的作用是：刀盘驱动液压系统驱动削刀削开土体，土体松开后再由盾构推进液压系统驱动盾构机进一步往深处前进，同时那些被削开的泥土经由螺旋输送液压系统排到隧道外，最后管片拼装液压系统为挖过的隧道砌上管片，这样隧道就完成一次成型的过程。
下面来详细的分析上述四个系统。首先是刀盘驱动液压系统，这个系统负责驱动刀盘削开坚硬的土体，其主要技术难题是所需功率十分巨大，好在盾构刀盘的液压驱动技术随着工业技术的发展不断进步，成功解决了多马达驱动的冗余干涉问题，使液压回路从阀控的节流调速回路变为泵控的容积调速回路，能耗大大降低［９］，其次是盾构推进液压系统，这个系统是盾构掘进时建立土压平衡模式的主要系统，用来实现盾构在土压平衡状态下掘进、姿态的控制与盾构在曲线段掘进。因为在盾体掘进过程中，所受地层阻力层差不一，使得盾体姿态会有所偏差，影响既定的推进轨道，盾构推进液压系统通过电液比例泵与比例减压阀等对推进液压缸的流量、压力进行比例控制，在充分体现节能理念的前提下实现了对盾构姿态的调整、纠偏以与精确控制[10]。要实现盾体在既定路线平衡前进，还需要螺旋输送液压系统的配合，该系统构造如下图所示：

它将刀盘削出的土体排出盾体，从而使盾体密封舱内压力平衡在一定范围，并建立适当压力与开挖面的土体压力平衡，降低对土体的干扰程度，控制地表沉降。
要做到土压平衡控制[11]，就要依赖推进系统与螺旋输送机系统配合使用，否则会发生地表下沉的情况，或者干扰周围建筑物的地基，所以该系统的运作至关重要。
最后是管片拼装液压系统，该系统是一种设置在盾尾部位，可以迅速把管片拼装成确定形式的起重机械，施工人员可利用电液比例技术，输入一个所需的电压信号，通过比例放大器进行处理，转换成与输入电压成正比的工作电流，此电流通入比例电磁铁，根据电流的磁效应，使电磁铁输出一个与输入信号成比例的力或位移，作用于减压阀[12]，控制元件的速度与力的大小，远程无线控制盾构机，同时系统也会感应温度、压力等参数变化改变运动形态，从而完成对隧道的初砌（即管片的安装）。对管片的控制主要是沿掘进隧道轴线移动、竖直方位的伸缩平移、圆周方向的旋转运动（旋转）、调整管片姿态的平台旋转、平台摆动、平台侧倾，以与固定管片的抓持运动[13]。
总而言之，液压系统作为盾构的核心组成部位，比例液压元件与传感元件[14]是它的灵魂，各系统在这些元件下得以获知环境信息以与工程要求，从而完成一系列自动化施工步骤。
4 盾构安全问题
由于盾构是一个高耗能的机器，各系统利用能量的情况不一而能量大小不定，又在地底施工，施工环境恶劣且地面环境颇受地下变化的影响，所以无论是机械本身，还是它对周围环境的影响，都存在不容忽视的安全问题。
首先是机械本身，尤其是液压系统，由于它需要完成提供巨大的压力，实现庞大机械能的对点输出，期间产生的热量极有可能损坏机器或产生其他事故，所以液压系统的冷却装置要经常检修以确保其正常运作。
其次是对环境的影响，这是最有可能引发事故的部分，必须引起高度关注。这类事故最可能发生在盾构进出洞的时间段［１５］，由于洞口压力难以确定且洞口加固不到位，经常发生掘进中开挖面的失稳、地表沉降、坍塌等，这些事故甚至会引起地表大面积沉降，导致周围的建筑物有崩塌的可能，对人民生民财产安全构成巨大威胁。为了规避这种安全问题，施工前对周围环境的勘测必须到位，记录的数据做详尽的分析，对脆弱的施工环境要加固，尽量避免塌方，在掘进过程中应注意盾构体的前进幅度，控制排土速度，保证土压平衡，若发现地表沉降迹象，应密切关注其变化且对数据重新分析，如果沉降过大，必须阻止地下水渗入塌方沉降的部位，这时要截挡地下水且必须用钻机往塌陷区域注浆以加固地基，防止塌陷进一步扩大。
5　盾构展望
对我国来说，盾构电液控制系统技术尚不成熟，而盾构电液控制系统造价占整个盾构控制系统的1/3［１６］，这意味着我国在盾构中的花费由于向国外购买而高昂，因此我国在盾构的发展应首先克服这个难关，获得自主知识产权以摆脱国外的制约。
就全世界盾构的发展来说，许多有创意的有想法的盾构接连面世，如微型盾构［１７］，由于在名胜古迹所处的地表下面施工会是一些年久的古迹受损，因此用微型盾构能在较小的管道中施工，使其影响最小化。还有上文提到的在隧道竖井是造价偏高的问题，如果存在盾构机能在竖直达到既定深度后原地改变为水平掘进，就可以大大提高施工效率，资金也可以大大削减了。除了盾构类型的展望以外，盾构本身的系统也可以继续完善，比如可以发展工艺使得初砌就达到隧道内表面长期防水的目的；在削土时可以智能地自动更换刀盘，这样对硬土能有高强度的刀盘应对，对软土又有类似搅拌器一样的装置来平和地处理，不必为不同土质而操心；盾构的导航系统可以根据周围地质模拟出最合理路线以供参考等等。总之，未来盾构会发展得更加智能，节能，高效。
6 结语
　　盾构是解决地铁施工问题的利器，液压系统则是该利器的核心，可以说，现在盾构的好坏很大程度上取决于液压系统的优劣。随着科技的发展，盾构技术在未来会突破更多技术难题，我们要注意不要停滞于当下而不断被国外拉大差距，我们也要注意技术再先进，也得注意细节，注意施工安全。随着盾构技术的发展，轨道交通，尤其是隧道方面，将更好地普与，惠与人民。

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