盾构渣土改良系统原理及常见故障分析

张 新

（中国铁建十八局集团有限公司 天津 300000）

盾构渣土改良系统原理及常见故障分析

张 新

（中国铁建十八局集团有限公司 天津 300000）

以用于西安地铁一号线盾构施工的长安一号盾构机为例，对土压平衡盾构机的渣土改良系统基本原理和构成进行分析，对常见故障进行归纳分析，并阐述常见故障的产生原因和解决办法。

渣土改良 泡沫膨润土系统 故障原因 解决方法

随着地铁建设的快速发展，盾构机已在地铁施工中得到广泛应用，盾构施工中渣土改良的优劣，不仅严重制约着盾构的掘进速度，严重影响刀盘的磨损，还可能造成主驱动密封失效，进而影响到主轴承安全。西安地铁一号线长安一号盾构机的渣土改良系统主要由泡沫系统和膨润土系统组成。

1 泡沫系统

图1 泡沫与水混合工作原理图

（1）泡沫系统的构成主要由泡沫原液泵、外循环水泵、泡沫发生器、流量计、控制阀、控制传感器与仪表、连接管路等构成，该系统分别受控于泡沫原液、外循环水两个独立但是相互关联的电路系统，当传感器探测到泡沫原液、外循环水任一部位数据异常, 泡沫系统均不能启动。

（2）泡沫与水混合的系统（图1）。根据盾构施工的地质条件确定泡沫原液和水的配合比，由两个变频器通过控制泡沫原液泵和水泵的转速调整泡沫原液和水的流量。泡沫原液和水流量监测传感器把数据实时反馈给计算机，计算机再根据泡沫原液和水的流量通过变频器控制泡沫原液泵及清水泵的转速，精准控制配合比。泡沫原液泵管路上装有溢流阀和单向阀，溢流阀是为了保护原液泵不因压力过高损坏泵的定子及其传感器，单向阀防止外部水压过大而回流。由于泡沫原液泵为螺杆泵，转子为金属螺杆，定子内衬为顺丁橡胶，如果泡沫原液泵空转发热会损坏泵的定子。泡沫原液储存器内设泡沫液位传感器，低于设定液位控制泡沫原液泵不启动。

泡沫水泵管路上装有调压阀，当泡沫增压水压力不足或者压力过大时，通过调节调压阀来调节水压，保证系统正常的运作。泡沫增压水的压力要与泡沫原液的压力匹配，同时要满足泡沫混合液配合比的最小流量要求，否则泡沫系统无法启动。调节调压阀时，4路泡沫混合液的管路都要泄压，否则压力表所显示的数值跟实际压力不符，调压阀压力一般调到3.5～4.5 bar即可。

图2 泡沫生成原理图

（3）泡沫生成。泡沫原液为无色透明溶液，其主要成分为水、表面活性剂、添加剂（不同的地质条件添加剂的成分及配比不同），泡沫原液和水按设定的比例混合后，形成泡沫混合液。泡沫液向前输送到四条管路中，经过流量调节阀和流量计后，进入四个泡沫发生器中（泡沫发生器是一个直径约80毫米，长700毫米的筒形容器，容器内填满了直径4毫米玻璃球）。在泡沫发生器中与同时经过气体流量计和空气流量调节阀输入的压缩空气混合搅拌产生泡沫。泡沫经四路管路分别输送到与刀盘相连的回转体处，通过回转体输送到刀盘不同的部位已到达渣土改良和减小刀盘、刀具的磨损，降低刀盘扭矩，提高掘进速度的目的。根据掘进水文地质条件和渣土排出后的状态，四路泡沫可全开启或部分开启（见图2：泡沫生成原理图）。

压缩空气和泡沫混合液配比根据掘进的速度、地质条件及开挖掌子面的水土压力综合确定。盾构机主司机输入泡沫混合液和压缩空气配比按操作指令，这一指令通过盾构机控制系统接收流体流量计和气体流量计的信息并控制空气流量调节阀和泡沫流量调节阀来完成。

2 膨润土系统

2.1 膨润土系统构成

膨润土系统主要动力是两台7.5 KW螺杆泵，分别受控于两台同一型号的变频器，两台变频器所设置的参数相同，根据施工情况，可有盾构操作手调节膨润土流量大小。

2.2 膨润土系统管路流向

图3 膨润土系统管路原理图

膨润土系统管路图如图3所示。两路膨润土管分别连接到泡沫管路上，每一路都有独立的球阀控制。第一路膨润土支管之一直接连接到土舱，根据掘进需要可通过此路向土舱里加膨润土，提高渣土的流塑性，利于螺旋机出土。第二路膨润土支管之一直接连到中心回转体上，中心回转体上共5路管道，即4路泡沫管道，1路膨润土管道，其中4路泡沫管道在与中心回转体连接处又衍生出4路连接到土舱的旁通管道，分别由球阀控制。整个渣土改良系统管路是相通的，通过开启球阀可控制泡沫和膨润土的流向，即刀盘的每一处泡沫注入点均可注入膨润土，泡沫、膨润土的注入量及注入点位根据掘进地层的水文地质情况确定。值得一提的是盾构施工用膨润土必须保证膨润土的质量，严禁膨润土泥浆中含有硬质颗粒，以防损坏中心回转体或卡死刀盘泡沫管路中的止回阀。

3 常见故障的分析处理

3.1 泡沫原液泵压力不足

泡沫原液泵压力不足的异常表现：在掘进过程中根据掘进参数显示，刀盘扭矩过大，通过泡沫观察口发现泡沫发泡效率不好，在主控室可看到泡沫流量偏小或为零，即便把此系统的水压调小，发泡效果亦不理想。

检查与判定：卸开原液泵出口连接管道，直接用变频器控制，调到最大转速，出口压力很小，由此可判定是原液泵定子磨损，更换新定子后即可正常。若更换新的定子后短时间内连续损坏，可以确定泡沫原液泵定子的损坏有多种因素。

泡沫原液泵定子磨损原因分析及处理方法：

（1）泡沫原液罐底部有细小砂粒，一般是泡沫原液补充时所用泡沫吸入泵管道外壁上的砂子进入罐中。处理方法：清洗泡沫罐，加强泡沫原液补充时的细节管理，解决泥砂混入罐中的问题。

（2）泡沫原液泵泵体稳定性差。解决方法：如果泵体晃动需重新制作泵底座，解决泡沫原液泵的稳定性问题。

（3）泡沫原液泵管路上的软管有漏气现象。解决方法：更换破损软管，接口可靠连接，解决泡沫原液泵吸入管的漏气问题。

（4）泡沫发生器堵塞，膨润土中混有泥砂等杂支导致管路中的止回阀卡死，膨润土倒灌泡沫管路，堵塞泡沫发生器。解决方法： 将泡沫发生器拆卸清洗；加强膨润土储运管理，避免膨润土污染。

3.2 泡沫系统无法启动

泡沫系统无法启动异常表现：泡沫系统无法启动，甚至工控机上无故障显示，通过变频器可远程控制，检查控制线路是正常的，在PLC子站相关点位上也有信号输出，但是泡沫系统无法启动。

检查判定：检查水压和泡沫原液压力和液位是否正常，可是当是调高水压看泡沫系统能否启动。检查泡沫系统线路连接和开启按钮是否正常。

处理方法：根据控制系统提示信息检查水压和泡沫原液压力和液位异常，和泡沫系统线路连接是否正常，及时修理。无提示信息时着重检查操作按钮能否正常复位，操作按钮接触不好或被卡住，修理后系统即可正常。操作按钮不正常原因多为，按钮启动频繁，司机操作时用力过大等，应注意设备检修保养，加强操作人员责任心，爱惜设备避免野蛮操作。

3.3 泡沫管道堵塞

泡沫管道堵塞异常表现：管道压力传感器报警、螺旋机扭矩增大、渣土粘稠。

解决方法：每条泡沫管道上都装有一个压力传感器，管道压力超过设定压力，感器显示异常报警，说明这一路就可能堵了，可打开增压水泵用增压水清洗管道，如果增压水在管道最大允许压力下无法疏通管道，只能拆开管道检查更换了。如果螺旋机扭矩增大、渣土粘稠检查通往螺旋机上泡沫管道阀门是否打开，适当增大泡沫供给量。

3.4 膨润土泵无流量显示

膨润土泵无流量显示异常表现：电路正常，流量计参数重置之后，流量无变化

检查判定：把管道卸开之后，检查管道是否堵塞；检查系统所有阀门是否开启状态，检查流量计接线端子接线是否松动。

解决方法：排除管道堵塞、开启管道阀门，开启膨润土系统仍不正正常，着重检查膨润土流量计接线线路是否连接正常，及时更换和紧固接线端子。在西安地铁施工中就出现过现场工人多次拉拽流量计线路导致接线松动的情况，应加强规范操作培训和日常盾构机电器线路检查维护。

4 结语

盾构机的泡沫和膨润土系统，是盾构施工中对渣土进行改良，保证盾构正常掘进的重要系统。在盾构掘进过程中保证开挖掌子面的稳定、减小刀盘刀具的磨损、降低刀盘扭矩等方面起着重要作用。在施工中要根据不同的水文地质条件，确定渣土改良的方法。盾构司机及机电维保人员要熟知其工作原理，正确使用、操作、维护，及时发现并排除故障，加强对系统的保养。加强对施工人员的安全教育及技术培训，增强施工人员对设备的保护意识。机电技术人员应多学习，多总结，在工作中不断积累经验，处理故障时胆大心细，找准故障原因，提高故障处理效率。同时要在源头上要保证泡沫原液及膨润土洁净。

正确合理的使用维护泡沫和膨润土系统，对提高盾构施工效率起着非常重要的作用，降低盾构施工成本，延长盾构机的有效使用寿命起着非常重要的作用。

Analysis of the Principles and Common Faults of the Shield Construction Waste Improvement System

ZHANG Xin
(China railway construction ShiBaJu group co., LTD., Tianjin 300000 China)

In this paper, based on the Changan No.1 shield machine in the shield construction of the No.1 subway in Xi’an, the principles and composition of the construction waste improvement system of the earth pressure balance shield machine (EPBM) and its common faults are analyzed. At last, the reasons of these faults are illustrated and some solutions are offered.

construction waste improvement foam and bentonite system reason of the fault solution

U416

A

1673-1816(2014)01-0063-05

2013-11-24

张新（1973－），男，汉，河北承德人，本科，工程师，研究方向地下工程。