土壓平衡盾構機渣土開挖運輸系統(tǒng)

梁 龍

（北方重工集團有限公司隧道裝備設計研究所，遼寧 沈陽 110020）

土壓平衡盾構機是一種施工快速、安全、環(huán)保的隧道掘進專用工程機械設備。土壓平衡盾構機顧名思義，重要的是維持土壓平衡，通過對盾構機土艙內渣土開挖運輸速度的控制實現(xiàn)土壓平衡，維護開挖面的穩(wěn)定。

1 渣土開挖運輸系統(tǒng)

渣土開挖運輸系統(tǒng)是土壓平衡盾構機實現(xiàn)土壓平衡的重要系統(tǒng)，整個系統(tǒng)主要包含刀盤、螺旋輸送機、皮帶輸送機三個關鍵部件。渣土開挖運輸系統(tǒng)的工作過程是刀盤開挖下來的渣土通過刀盤的開口進入土艙，在土艙內根據(jù)地質情況進行必要的渣土改良，盾構機推進油缸推動隧道管片產生反作用力使盾構機向前掘進，油缸的推力通過隔板對土艙內進行加壓，產生水土壓力，這一壓力作用于整個開挖面使其保持穩(wěn)定，刀盤切削下來的渣土量與螺旋輸送機向外輸送量相平衡，維持土艙內壓力穩(wěn)定在預定的范圍內，螺旋輸送機排出的渣土通過皮帶輸送機運輸?shù)皆淋嚿?，最終運送到隧道外。如果開挖面的壓力大于土艙壓力，就會出現(xiàn)地面坍塌，如果土艙壓力大于開挖面的壓力，就會出現(xiàn)地面隆起，所以在操作盾構機時必須嚴格監(jiān)測控制土艙壓力，避免出現(xiàn)不平衡的情況，一般情況下，盾構操作人員會保持掘進速度不變，通過改變螺旋輸送機的渣土排出的速度來保持土艙內的壓力平衡。下面通過四個方面對渣土開挖運輸系統(tǒng)進行進一步的闡述和分析。

1.1 刀盤

刀盤是盾構機的渣土切削部件，通過盾構機主驅動裝置驅動刀盤旋轉，刀盤刀具切削隧道土體，對土體進行開挖，渣土通過刀盤開口進入土艙，刀盤的攪拌棒對進入土艙的渣土進行攪拌，使渣土具有一定的塑性流動性，便于渣土排出土艙，同時刀盤對開挖面還具有支撐作用，穩(wěn)定開挖面。

圖1 渣土開挖運輸系統(tǒng)

圖2 刀盤

刀盤的主體結構是根據(jù)工程地質情況進行設計的，主要分為輻條式和面板式兩類，輻條式刀盤的主體由鋼板焊接而成，僅為幾根輻條，開口率較大，正面與背面焊接耐磨板，保護刀盤主體結構，刀盤正面安裝刮刀、撕裂刀等刀具，主要用于軟土地層，渣土流動性好，不易結泥餅；面板式刀盤的主體由鋼板焊接而成，開口率較小，刀盤與土體接觸面積大，需要焊接大量耐磨板，面板上安裝滾刀、刮刀等道具，主要用于軟硬不均或硬巖地層，破巖能力強，對開挖面支撐能力強，換刀安全性高。

刀盤刀具是刀盤開挖土體的利刃，主要包括滾刀、刮刀等，根據(jù)工程地質情況在刀盤上配備，各種刀具在刀盤上有不同的高度、半徑及角度，確保覆蓋整個刀盤面板范圍。滾刀主要由刀圈、刀體、刀軸及軸承等，在推力和轉矩的作用下，推力使刀圈壓入巖體，轉矩使刀圈滾動巖體，通過滾刀對巖體的擠壓和剪切使巖體發(fā)生破碎；刮刀是由刀座、刀體和刀刃三部分組成，在推力的作用下，刀刃嵌入土層或巖層中，刀盤帶動刀具轉動切削巖層，在開挖面形成一環(huán)環(huán)犁溝，特點是效率高，刀盤轉動阻力大。

1.2 螺旋輸送機

螺旋輸送機是盾構機主機內渣土運輸、維持土壓平衡的重要部件，盾構機工作時，螺旋輸送機插入土艙內，通過螺旋桿旋轉將土艙內的渣土向外排出運送到皮帶輸送機上，渣土在向外排出的過程中形成密封土塞，阻止土體中的水分流失，維持土艙內的壓力穩(wěn)定，在盾構機掘進過程中，在維持掘進速度不變的情況下，通過改變螺旋輸送機旋轉速度來控制土艙內的壓力，維持土壓平衡。

圖3 螺旋輸送機

螺旋輸送機主要由螺旋桿、可伸縮的筒體、驅動裝置及排渣門組成。螺旋桿為焊接結構，通過旋轉將刀盤切削下來的渣土排出，是螺旋輸送機排出渣土的主要部分；可伸縮的筒體的主體結構是鋼板焊接結構，通過油缸連接實現(xiàn)筒體的伸縮，在盾構機工作時，筒體伸出，螺旋輸送機伸入土艙內進行向外排渣作業(yè)，在遇到緊急情況盾構機停機時，筒體縮回，安全門關閉，使土艙與盾構機主機隔絕，避免意外發(fā)生；驅動裝置由液壓馬達、減速機、軸承及驅動軸等組成，螺旋輸送機工作時為螺旋桿旋轉排渣提供動力，液壓驅動安全、穩(wěn)定、可靠，易于維護；排渣門是鋼制加工裝配件，是螺旋輸送機渣土排出的部分，在盾構機發(fā)生緊急情況或停機時，排渣門關閉，保證人員和設備的安全，遇到水壓較高，易發(fā)生噴涌的地層中，設計時應選用雙排渣門結構，安全系數(shù)更高。

螺旋輸送機在盾構機工作時運動頻繁，極易發(fā)生磨損，盡管采用了多種耐磨設計，也只能減緩磨損的進程，而不能徹底避免磨損，所以在盾構機再制造時，必須對螺旋輸送機進行檢測和修復。

1.3 皮帶輸送機

皮帶輸送機是盾構機后配套渣土運輸?shù)闹匾考惭b時將皮帶輸送機布置在連接橋和拖車上，在減速電機的驅動下進行轉動，將螺旋輸送機運來的渣土運送到渣土車內，皮帶輸送機在設計時的運輸能力需滿足螺旋輸送機最大的出渣量要求。

皮帶輸送機由支架、滾筒、托輥、擋輥、張緊裝置、清掃器、減速電機等組成，這些裝置可以有效防止皮帶工作時跑偏、打滑、泥土殘留堆積，并配有跑偏開關、測速開關、急停開關、電子皮帶秤等，對皮帶輸送機的運行進行實時全方位監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)問題解決問題，避免意外發(fā)生。

1.4 渣土改良

渣土改良是保證土壓平衡盾構機渣土正常開挖運輸、維持土艙土壓平衡的重要措施，尤其在復雜地層和特殊地層起到重要作用，渣土改良的目的是提高渣土塑性流動性和止水性，有利于渣土從土艙中排出，控制地下水流失；使渣土具有良好的土壓平衡效果，有利于穩(wěn)定開挖面，控制地表隆起或沉降；改良渣土粘度，防止刀盤面板產生泥餅，影響刀盤開口率；防止螺旋輸送機工作時發(fā)生噴涌現(xiàn)象，對人員和設備產生危害；降低刀盤和螺旋輸送機工作時的扭矩，進而減小渣土對刀盤刀具和螺旋輸送機的磨損，從而延長盾構機的壽命。

土壓平衡盾構機渣土改良是通過泡沫注入系統(tǒng)、膨潤土注入系統(tǒng)、聚合物注入系統(tǒng)一個或多個共同作用完成的。泡沫注入系統(tǒng)是泡沫原液與水通過一定比例混合，利用壓縮空氣在泡沫發(fā)生器內形成泡沫，再通過泡沫管注入到刀盤開挖面、土艙內以及螺旋輸送機內進行渣土改良，泡沫是目前最常用的渣土改良材料并且十分環(huán)保，殘留很低；膨潤土注入系統(tǒng)通過膨潤土泵將膨潤土注入土艙內和盾體外圓側，增加土艙內渣土的細顆粒比例，使渣土具有良好的流動性和止水性；聚合物注入系統(tǒng)常用于含水較豐富的地層，工作時將聚合物注入土艙和螺旋輸送機內，減少水土分離，增加渣土的可排性。

渣土改良是渣土開挖運輸系統(tǒng)的潤滑劑，是刀盤、螺旋輸送機、皮帶輸送機正常運行的關鍵保障。

2 結語

括而言之，渣土開挖運輸系統(tǒng)是土壓平衡盾構機渣土開挖、渣土運輸、實現(xiàn)土壓平衡的重要系統(tǒng)，刀盤、螺旋輸送機和皮帶輸送機共同配合作用，渣土改良進行輔助支持，實現(xiàn)渣土開挖運輸穩(wěn)定運行，進而實現(xiàn)盾構機的穩(wěn)定運行。未來進一步優(yōu)化渣土開挖運輸系統(tǒng)，提升施工效率和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是盾構行業(yè)向前發(fā)展的重要一步，在隧道工程建設中具有非凡的意義。