土压平衡盾构机机电安全保护应用分析

孙亮

摘 要：随着城市快速发展，城市隧道和地下空间增多，土压平衡盾构凭借其安全、高效、环保的优点，被广泛应用于城市地铁施工。目前土压平衡盾构机电技术已经成熟，但面对复杂的施工环境，机电系统安全仍是影响盾构机施工的重要因素，施工过程必须要维护好盾构机的电气连接和控制系统。因此，施工中土压平衡盾构机的机电安全保护工作非常重要，直接影响盾构机的使用和工程进度。

关键词：盾构机；机电安全；保护措施

中图分类号：U455.3 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）14-0161-02

Abstract： With the rapid development of cities， urban tunnels and underground space increase， the earth pressure balance shield machine is widely used in urban subway construction by virtue of its advantages of safety， efficiency and environmental protection. At present， the earth pressure balance shield machine electromechanical technology has been mature， but in the face of complex construction environment， electromechanical system safety is still an important factor affecting the shield machine construction， so the shield machine electrical connection and control system must maintained in the construction process. Therefore， the work of mechanical and electrical safety protection of earth pressure balance shield machine is very important， which directly affects the use of shield machine and the progress of the project.

Keywords： shield machine； electromechanical safety； protective measures

1 盾构施工的概述

土压平衡盾构机是一种使用盾构法的隧道挖进机。盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，盾构机在地下推进，通过盾构外壳和管片支承四周岩石，一边控制开挖面，保障周围土体不发生坍塌，一边进行隧道挖掘出渣，并在机内拼装管片形成衬砌、实施壁后注浆，从而不扰动周围土体的隧道修筑方法。（1）盾构施工的优点。土压平衡盾构机作为现代隧道掘进机，具有很多优点。第一，盾构施工多为地下作业，其隐蔽性好，对周边环境影响小，且不对地面交通影响，极大地减少了施工对附近居民造成的噪音和环境影响。第二，土压平衡盾构机可以穿越城市建筑群和地下管道密集区时，施工不受周围环境影响。而且它还能够穿越河底，隧道施工能够不受天气影响，不对航道造成影响。第三，土压平衡盾构机自动化程度高，盾构推进、出土、拼装、衬砌等几道主要工序循环进行，易于管理，减少工程施工人员投入，且盾构掘进速度快，质量有保证，避免了地下隧道事故的发生。最好，土压平衡盾构机在技术难度上不受土质难易、覆土深度影响，可以确保施工的安全性。总之盾构法施工在城市地铁建设中起到了良好的推动作用，极大促进了社会经济的发展。（2）盾构施工流程。盾构法是现代一种较为先进的地下施工方法，它在保留传统施工法的基础上，对结构顶进支护方法进行了重大改进，降低了地下施工对道路行车的影响[1]。它的盾构由钢柱、钢梁、盾壳、子盾构、液压推进系统、辅助机构六个部分组合而成。其主要工序是：首先在盾构机放置点用混凝土加固打一个垂直井；其次将盾构机安装到井底；驱动盾构机水平方向推进形成隧道；再用事先制作好的混凝土衬砌加固开挖好的隧道边墙。这种盾构施工有效推进了城市交通发展，推动了城市化进程的发展。

2 盾构机机电系统安全措施

盾构机是一个大型的系统，其中机电系统在盾构机的使用上发挥重要作用。盾构机机电系统主要包括：供配电系统、可编程控制系统、计算机控制及数据采集分析系统。供电系统主要包括高压电缆、高压电缆卷筒、高压开关柜、变压器、低压断路器、变频器等。供配电系统的主要功能是为盾构机提供动力和电气保护，控制电机运转。比如高压电缆的选择，要具有一定的抗拉强度、可缠绕、耐磨损、绝缘性能好。计算机控制系统主要用于参数设置和数据采集分析。（1）机电安全保护设计。盾构机机电设备安全规定为了保证盾构机在使用时不发生任何危险，设备必须具有一定抵抗危险的能力。在盾构机机电安全保护设计上，要从电能、开关控制和调节装置、静电聚集、工作介质等方面进行，确保盾构机在使用过程中对电能引起的危险具有足够的保护能力[2]。其中电能开关、控制和调节装置是盾构机机电安全设计的重中之重，必须对其安全保护设计引起重视，避免出现漏电和过载等现象。电能的接通、分段和控制方面要保证最大程度的安全性，设置紧急开关、防止误启动等可行的设计，从源头减少造成盾构机电力危险的因素。（2）盾构机供电保护系统。盾构机的供电系统可分为高压供电系统和低压供电系统。盾构机因为其用电量大、供电时间长，多采用的是10kV高压供电，最大程度保证了盾构机使用时的供电安全，确保在盾构机出现故障时，机器能正常运作，不影响施工现场的供电系统[3]。盾构机的低压配电系统中，为了防止在潮湿且狭窄的盾构施工环境中出现漏电现象，采用的是多线保护接零方式。低压控制主要就是对机电起作用，让盾构机借助机电能够高速运转。（3）盾构机电能保护系统。a.漏电保护。漏电保护是一种保护盾构机机电安全的必备手段，当盾构机电网漏电超过设定值时，自动切断盾构机电气系统电路或发出信号[4]。土压平衡盾构机一般都在比较潮湿环境中进行作业，想要防止盾构机在使用过程中漏电，就需要加强盾构机漏电保护工作，对其开关箱及配电系统末端选择防溅型漏电断路器，额定漏电电流和漏电时间，电流不超过30mA，额定漏电时间不超过0.1s。在总配电箱设置总漏电保护器和剩余电流互感器，额定剩余电流可设30mA-100mA和100mA-300mA两档进行调节。总配电箱额定漏电动作电流大于配电系统和用电设备总漏电电流的2倍，可以对盾构机施工现场形成二级漏电保护。总配电箱和末级电箱相互配合形成对盾构机形成分段分级保护，严格杜绝盾构机漏电引发的问题。b.接地保护。由于土压平衡盾构机多在恶劣潮湿环境中作业，所以在其电气设备必须采用保护接零，主要可以分为两种：保护接地和工作接地。保护接地指用电设备侧的接地，这种安全保护方式通过把电气系统故障下可能出现危险的对地电压金属部件同大地紧密连接起来，把盾构机故障设备的意外带电体对地电压限制在相应的安全范围内。工作接地法也叫系统接地，是指盾构机电力变压器低压侧中性点直接接地，稳定系统电位，减轻故障接地的危险。c.连接线路保护。电路接触不良或者短路及电气元件跟模块之间连接或断网，都会影响通信，导致数据处理模块接收不到信号。例如，盾构机推进过程中突然停止，显示省配线装置异常。这时操作人员需要先对线路进行初步的盘查，检查线路的各接头处是否有问题，排除这方面的问题后，再对各个模块进行一一排查，直到找出导致显示省配线装置异常的原因[5]。事后分析，可能是通信电缆故障导致，因为电缆屏蔽层遭到破坏，影响正常使用，通信电缆和强电电缆交错在一起，影响了信号。所以对盾构级线路连接的保护也很重要。d.电路过载保护。盾构机的电缆线路可以使用短路保护的过载保护两种方法。电缆线路采用熔断器做短路保护时，溶体的额地龙功率不能大于绝缘带线长期缝合的标准载流量的1.5倍。采用断路器预防电路短路时，脱扣器的脱扣电流定值不能超过线路末端的单相短路电流。如果应用熔断器或是断路器做过载保护，绝缘导线的长期标准符合量不能超过熔断器或断路器额定电流的1.25倍。基于土压平衡盾构机复杂的工作环境，在盾构机的机电系统上一定要进行高等级防护。像是电气系统的动力线、控制线、信号线等电路护套都应采用阻燃类的弹性材料。同时，还要求，电路护套能够耐低温、耐腐蚀、抗老化、防水、耐磨等优势，这样才能尽可能避免土压平衡盾构机的机电系统出现故障。（4）机电系统开关、调节装置。a.急停装置。为防止盾构机机电系统出现故障，盾构机内应当设置急停装置。当盾构机发生故障时，利用急停装置可以迅速使控制系统恢复到正常状态，从而减少人员和设备事故，有效阻止盾构机的事故范围。而且盾构机急停装置可以切断驱动电机，使盾构机进入警报程序，阻止盾构机的下一步动执行作[6]。盾构机的总急停装置一般分布在操作室、推进油缸远程操作箱和高压土仓。此外盾构机还设置了辅助系统急停装置和系统急停按钮。b.辅助急停装置。辅助急停装置是软件与硬件结合，信号通过电缆传播，确保在通讯出现故障不影响急停装置使用。当发生故障时，按下急停按钮，便可以及时切断电路和模块输入，保护盾构机。c.高压系统急停装置。盾构机的高压急停装置一般都设有防护罩，这是为了防止正常工作中的失误操作。高压系统的急停按钮使用时，可以切断断路器的TQ动作，让QF跳闸，从而让机电系统得到保护。d.配电箱及开关箱。盾构机的配电系统实行三级配电，分别是总配电箱、分配电箱和开关箱[7]。而且配电箱和开关箱均由钢板或绝缘材料构成，且对其箱体钢板厚度有一定的要求。如：开关箱箱体钢板厚度不小于1.21mm，配电箱的厚度不低于1.5mm。除此之外，配电箱和开关箱的箱体制作对环境、海拔、湿度、防护等级都做了一定的要求，能够有效保证盾构机配电安全。（5）专业人才培养。盾构法施工不仅需要施工经验丰富的土建工程师，还需要机械、液压、电气等方面的专业人才，但更多的是需要机电与土建相结合的高素质复合型人才。盾构监造阶段的主要人员配置为机电技术人员，盾构机零部件的加工质量的保证、外购件的质量控制与检验、整机组装的质量及进度等工作都要由机电技术人员来完成。足够的机电安全人才储备才可以提高盾构机电安全的工作质量。在盾构机机电安全出现故障时，及时进行有效的处理，分析故障原因做好相关记录，为以后设备的改进提供论证。同时，充沛的人员储备可以针对盾构设备机电安全制定相应的检修计划，保證盾构机的顺利使用。

3 结束语

土地平衡盾构作为目前最安全有效城市轨道施工工艺。其糅合了传统和现代先进施工技术，能够有效的保护环境，穿梭于城市密集区，已经逐渐在全国各大中型城市普及。但是由于土压平衡盾构机特殊的作业环境，机电安全问题难以保障，就此需要对盾构机机电安全严加重视，设置相应的机电保护措施，加强人员监督，减少盾构机因机电问题引发的危险，推动城市隧道有序发展。

参考文献：

[1]黄凡.盾构机推进系统协调控制策略研究与实现[D].西安理工大学，2017.

[2]马俊英.电气安全技术与电气安全规范[J].信息记录材料，

2017，18（06）：75-77.

[3]于颖.土压平衡盾构机电气系统概述及电气故障处理方法与心得[J].科技创新与应用，2015（10）：113.

[4]刘玉浩.盾构机电气控制系统设计概要[J].城市建设理论研究（电子版），2015（17）.

[5]许良海.地铁盾构施工电气控制系统与推进系统分析[J].海峡科技与产业，2017（4）.

[6]马利.浅谈盾构机电气系统及故障处理[J].建筑工程技术与设计，2015（36）.

[7]王远志.盾构机电缆自动延伸系统及结构设计[J].大陆桥视野，2017（2）.