帶式螺旋機在砂卵石地層盾構掘進中的應用研究

李新偉

（中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001)

1 工程概況

都四山地軌道交通項目DSZQ-1 標線路全長8.569km，共3 站2 區(qū)間。其中永豐站-蒲陽站區(qū)間：隧道長度為3 266m，隧道結構底板埋深約19.115～32.915m。區(qū)間平面最小轉彎半徑R=350m，最大坡度為1.7753%。地下水一般埋深為1.8～12.5m。如圖1 所示，隧道洞身主要穿越：<8-3-1>含礫粉質黏土、<3-12-3>卵石土（中密)，少量<3-13-1>漂石土、<9-5>礫巖巖塊（中風化)，地層局部夾有<8-5-2>中砂、<3-9-1>中砂、<8-4-2>細砂。<3-12-3>卵石土（中密)卵石含量約占50%，粒徑20～150mm。直徑200～800mm 的漂石占比6%～10%；直徑800～1 200mm 的漂石占比1%，卵石抗壓強度53.1～112.4MPa。礫巖巖塊單軸抗壓強度50～120MPa，長度40～50m。

圖1 卵石層含量分布圖

2 帶式螺旋輸送機設計選型

螺旋輸送機根據(jù)螺旋軸樣式可分為軸式和帶式兩類，具體區(qū)別：若螺旋軸由螺旋葉片焊接一根圓形鋼管制成，則為軸式；若螺旋軸僅為單獨螺旋葉片焊接，則為帶式螺旋軸。軸式與帶式螺旋輸送機的輸送顆粒最大粒徑分別為H1≤0.35D；H2≤0.6D（卵石粒徑表示為H，螺機內徑表示為D)，不難得出，帶式相較于軸式在大粒徑卵石的輸送上適應性更佳。

2.1 螺旋機閘門及添加劑注入設計

為有效緩解噴涌壓力，螺旋機的出口處設計了2 個閘門（圖2)，交替開放。當螺旋機檢修時，螺旋葉片會經由螺旋機伸縮結構縮進筒體內，而為防止檢修時發(fā)生噴涌現(xiàn)象，前端閘門也會進行關閉；為防止螺旋機噴碴壓力過高，將設計膨潤土、泡沫劑或高分子聚合物的注射接口于螺旋機筒壁上（圖3)，用以在所需時及時注入膨潤土、泡沫劑或高分子聚合物，以緩解壓力。

圖2 雙閘門設計

圖3 添加劑注入裝置

2.2 主要動力配置

為控制對土層的擾動，減少地層損失，螺旋機的3 臺低速大扭矩的液壓馬達由4 臺變量泵驅動，在慢速推進時只啟動2 臺變量泵，達到慢速掘進的要求，可以滿足5mmmin左右推進速度。

2.3 耐磨設計

將螺旋葉片整體均做好耐磨處理，以提升耐磨性能（圖4)；螺機筒體內部整體做好10mm 厚耐磨層（圖5)，并在螺旋機外筒體底部進行耐磨鋼板貼附，以提升耐磨性能。

圖4 螺帶耐磨設計

圖5 螺旋筒耐磨處理

2.4 螺旋機控制設計

自動控制主要分為：螺旋機初期控制、螺旋機土壓控制為滿足盾構推進相關規(guī)范要求，將選用PID 控制模式進行土壓控制，根據(jù)多種重要參數(shù)科學操控螺旋機轉速，諸如土壓設定值、土壓測量值、螺旋機的控制值等，以保障推進速率、排土量及土壓的穩(wěn)定。

3 帶式螺旋機優(yōu)缺點及改進措施

3.1 優(yōu)點

帶式螺旋機相較于軸式螺旋，對渣土的運輸效率更大，大粒徑卵石通過性增強，不易卡螺旋，基于都四項目掘進情況而言，由帶式螺旋帶出最大卵石粒徑近1 000mm。滿足“以排為主，已破為輔”的設計理念；帶式螺旋螺帶具有一定的柔韌性，不易像軸式螺旋一樣卡機時由于剛性連接直接憋斷螺旋軸，從而造成大的機械事故。

3.2 缺點

帶式螺機無軸螺旋中間通道較大，無法有效地形成土塞效應，極易造成渣土的噴涌；帶式螺旋對渣土的改良效果極其依賴，渣土改良稍微不良，極易渣土噴涌，壓死皮帶輸送機，從而耽誤掘進進度。

3.3 改進措施

針對帶式螺旋機易噴涌的特性，選取螺旋機中全段3m 范圍的葉片進行改進（圖6)，將螺旋葉片中間孔洞進行縮進，加焊耐磨塊，根據(jù)改進后的掘進情況，在不大幅度降低螺旋機通過性的情況下，縮進一部分螺旋葉片，能有效地減少渣土噴涌現(xiàn)象，增強大粒徑富水砂卵石地層的掘進連續(xù)性。

圖6 螺旋針對性改造

4 帶式螺旋輸送機應用情況

針對在大卵石地層里土壓平衡盾構的掘進工作，考慮到其盾構推力與扭矩大，刀具耗損速度快，為提高效率，節(jié)約成本，需科學選取適宜的掘進參數(shù)。都四山地軌道交通項目帶式螺旋運輸機在其中參數(shù)：平均轉速2～10rpm，主要集中在2～7rpm；平均扭矩26～82bar，主要集中在40～70bar。以國內某選擇軸式螺旋輸送機工程在相鄰區(qū)域隧道的掘進作業(yè)為例，將帶式與軸式螺旋機轉速等參數(shù)進行對比可知，相較于軸式輸送機，帶式輸送機轉速與扭矩顯著降低，證明了其在大卵石地層條件下運輸效率方面具有比軸式運輸機器更好的傳輸效率。

5 結語

通過帶式螺旋機在都四山地項目的研究與應用，可以得出同處大卵石地層下，帶式螺旋輸送機相較于軸式螺旋輸送機的適應性更佳，具有諸如輸送卵石粒徑更大、出渣能力更強、故障率更低等種種優(yōu)勢，為盾構在大粒徑富水砂卵石地層的掘進提供有效支撐。