土压平衡盾构螺旋输送机排土及保压作用分析

周冠南

(1．同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 200092;2．中铁十三局集团有限公司，天津 300308)

0 引言

土压平衡盾构多应用在地层渗透系数较小、细颗粒较多和水头不高的地段。在工程前期盾构选型时，往往需对整个工程区间的水文地质条件、环境保护、施工场地布置及工程经济性进行综合考虑。在实践中经常会出现局部超出土压平衡盾构适用范围的情况(如盾构穿越跨度相对较小的江、河或局部为富水砂层的地段)，这时就应对在土压平衡盾构施工中起着排土和保压作用的螺旋输送机提出较高的要求。

针对土压平衡盾构螺旋输送机的排土和保压作用:文献［1-2］对施工参数与土压平衡关系进行了较为系统的研究;文献［3］建立了出土率与土仓压力的关系，推导了出土率与土仓压力和螺旋输送机转速与推进速度的关系;文献［4］总结了从土塞效应、注入添加材料和机械辅助方法来扩大土压平衡盾构适应含水地层能力的理论和方法;文献［5-6］从水的角度对喷涌问题进行了研究，建立了土压平衡盾构的水压力的递减模型，提出了喷涌的发生机制;文献［7-8］根据单位长度渣土在螺旋输送机中的静力平衡关系建立了渣土在螺旋输送机的力学模型，并在此基础上推导得出双螺旋结构能够抵抗的水土压力;文献［9］提出了计算螺旋输送机压力衰减规律的力学模型。

上述研究成果有效地推动了对土压平衡盾构螺旋输送机作用机制的认识，也提出了一些有益的观点和思路，但大多仅对螺旋输送机的某个方面进行研究和论述，未从整体角度对涉及到的问题进行全面分析。本文通过对已有研究成果进行整理分析，重点对土压平衡盾构螺旋输送机的排土和保压作用以及影响这些作用的因素进行全面分析与阐述。

1 土压平衡盾构螺旋输送机

1．1 工作机制

螺旋输送机是土压平衡盾构排土和建立土压平衡的主要设备，安装于前体的底部和管片拼装机之间，其中线从前向后上扬一定角度。螺旋输送机工作时，伸入土仓内的螺杆和螺旋叶片在液压马达的驱动下旋转，渣土在螺旋叶片和机壳的共同作用下，沿一定角度的螺旋线进行输送提升，至出土口处排出。土压平衡盾构螺旋输送机示意如图1所示。

图1 土压平衡盾构螺旋输送机示意图Fig．1 Sketch of screw conveyor of EPB shield

1．2 内部结构形式

土压平衡盾构螺旋输送机从内部结构形式可分为2类:1)中心轴螺旋杆式(见图2(a))。主要包括圆筒状机壳、中心螺杆(轴式)和螺旋叶片3个部分，适用于一般性砂土运输，且有较好的抵抗水压的能力，是目前土压平衡盾构螺旋输送机的主要形式。2)无中心轴带式(见图2(b))。仅有机筒和螺旋叶片，通过叶片的旋转将渣土刮出，可用于较大颗粒砂砾和块石运输，目前主要用于含有大量卵石的地层，对水压的抵抗能力较差。

图2 轴式与带式螺旋输送机Fig．2 Axial screw conveyor and belt screw conveyor

1．3 螺旋输送机的主要作用

1)从有压力的密封土仓内将刀盘切削下的渣土排出盾构。

2)渣土在螺旋输送机内输送过程中形成土塞，使土仓内的压力沿螺旋输送机渐进衰减以保持土仓内压力的稳定。

3)通过调整螺旋输送机转速，改变排土量，调节土仓内土压力值，使其与掘进面水压力和土压力保持动态平衡。

1．4 螺旋输送机的改进措施

由1．3可知，螺旋输送机不仅要考虑将渣土和大块卵石排除，还要考虑其保压和止水性能，一般根据螺旋输送机内的渣土的充填压力所产生的土塞效应来判断。从两者结构角度而言，轴式螺旋输送机的土塞效应要大于带式。工程上一般认为，螺旋输送机单体的止水性能界限为0．3 MPa左右(地下水压力)，在达到0．2 MPa时就需要采用相应的辅助措施［10］。目前，螺旋输送机在工程应用中的改进措施主要有:

1)在螺旋输送机出土口安装滑动闸板门。为防止供电系统故障等紧急情况下的泥水倒灌，系统设有应急储能器，作为紧急关闭闸门的动力源。

2)在螺旋输送机的壳体上设置加泥加水口。必要时可通过加泥加水孔进行钠基膨润土或高分子聚合物等的加注，充填、密实螺旋输送机，使其快速起到土塞效应，防止从螺旋输送机处发生喷涌现象。

3)在螺旋输送机出口处设置2道液压控制闸门。在发生喷涌现象时，可及时关闭螺旋输送机，截断水气土等喷涌通道。

4)在螺旋输送机上部预留应急孔法兰，在螺旋输送机间增设球阀。若出现喷涌现象持续，无法按正常恢复施工时，通过关闭球阀，在法兰盘上外接保压泵，恢复施工。

上述辅助措施已大量应用于工程实践，并取得了良好效果，已经成为富水地区盾构选型中的重要考虑因素之一。

2 土压平衡盾构螺旋输送机的排土作用

土压平衡盾构施工的关键是土压平衡的实现，主要包括土仓内外的压力平衡和土仓内进土量与出土量的平衡，两者分别代表了土压平衡盾构掘进过程中的力学平衡条件和几何平衡条件。力的平衡依靠量的平衡来实现，而量的平衡则依靠螺旋输送机转速与盾构掘进速度的匹配来实现，即通过排土量的控制来实现上述的平衡状态。排土量过大，会导致开挖面地层损失过大而坍塌或引起地表过量沉降;排土量过小，会使土仓压力迅速增大，进而使掘进面产生过大压力，使掘进面失稳或引起地表隆起破坏［1-3］。因此，排土量的控制是土压平衡盾构正常掘进施工中极为重要的环节之一。螺旋输送机排土作用示意图如图3所示。

图3 螺旋输送机排土作用示意图Fig．3 Earth conveying through screw conveyor

设开挖时间为T，根据图3参数可以求出单位时间内的土压盾构的排土量Q(见式1)。土压盾构单转排土量QDP和螺旋输送机排土量QP可分别由式(2)和式(3)求得。

式中:η为螺旋输送机的出土效率(螺旋输送机内渣土一般不会充满于机内，实际可取95% ～97%)，N为螺旋输送机的转速。

盾构掘进时，从直接控制的角度而言，需要保持必要的几何平衡关系，即盾构掘进切削的天然土体体积与螺旋输送机排出土的体积相等。此时，盾构既不挤压前方土体，也不对前方土体形成卸载，盾构对前方土体扰动最小。但是，自然状态下的土经切削挤压搅动后，内部组织破坏，其体积较原状因松散而增大，松散系数

式中:V1为土在自然状态下的体积，V2为土挖出后在松散状态下的体积。

当螺旋输送机出土量与刀盘切削量保持平衡状态时，有:

一般情况，在某一地层条件和埋深差异不大时，出土效率和松散系数的值相对较为稳定，所以平衡状态时，螺旋输送机转速和推进速度之间的比值也应为一个定值。当推进速度与螺旋输送机转速之比小于此定值时，盾构处于超推进状态，前方土体受到挤压作用;当推进速度与螺旋输送机转速之比大于此定值时，盾构处于欠推进状态，前方土体受到卸载作用。某区段各环螺旋输送机转速(r/min)与推进速度(mm/min)比值见图4。

图4 某区段盾构螺旋输送机转速与推进速度比值Fig．4 Ratio between revolution speed of screw conveyor and advance speed of shield

由图4可知，螺旋输送机转速和推进速度的比值为0．06 ～0．12，平均值为 0．075。结合对应地段的监测数据可知，在盾构推进过程中地面沉降较小，量值虽有波动但差距不大，土压平衡控制相对较好。

3 土压平衡盾构螺旋输送机的保压作用

根据土压平衡盾构作业过程综合考虑可知，刀盘切削的渣土随着所处位置的改变起着2个方面的作用:1)由刀盘切削后进入土仓中时，渣土充满土仓，充当支撑介质，将掘进面的压力均匀传递至土仓隔板，确保掘进面的压力平衡;2)当渣土从土仓进入螺旋输送机后，依靠自身重力及渣土与螺杆、叶片和筒壁界面间的摩擦作用，抵抗土仓内的水土压力，使压力值从入口到出口处逐步下降，在出口处降低到零或较小的量值，使出渣和输送过程能够稳定可控，确保掘进面的压力平衡。

由于不可能测出渣土在槽向的压力变化，一般用螺旋输送机管壁的压力变化来间接反映渣土槽向压力的变化过程。渣土从进入土仓到螺旋输送机出口处的压力分布如图5所示。机靠近土仓位置和靠近出口处的压力进行统计，其结果如图6所示。

图6 某区段各位置压力统计值Fig．6 Earth pressures at different positions

由图5可知，当盾构处于土压平衡状态时，上述各压力之间有如下关系［6］:

其中:式(8)表示保持掘进面压力平衡时土仓所需压力;式(9)表示土仓压力和螺旋输送机的关系，即土仓压力、螺旋输送机内压降与出口压力的关系。

在土压平衡盾构保持稳定施工状态时:p0=0，ps+pw=Δp。此时，螺旋输送机能够正常出渣，且土仓压力能够保持稳定。若掘进面水头较高且土层渗透系数较大时，则可能从地层中向土仓内进入过多的地下水，使渣土变稀、流动性变大，从而使螺旋输送机内渣土压降变小(即Δp＜ps+pw)，此时必然有p0＞0。在工程实践中具体表现为，在出口处发生喷涌并使掘进面失去稳定，这是土压平衡盾构不适应于富水且渗透性大的地层的根本原因［4］。

对盾构某区段土压平衡盾构土仓压力、螺旋输送

由图6可知，螺旋输送机的压降可分为2个阶段:第1阶段——从土仓进入螺旋输送机的过程中，压力衰减量约为1/2，但此时土仓压力为盾构中心点的压力，在螺旋输送机入口附近压力将大于0．22 MPa，所以在入口段的实际衰减量将大于1/2;第2阶段——渣土在螺旋输送机内的输送过程中，压力衰减到0附近，至出口处在自重作用下落入皮带输送机，在螺旋输送机内另一部分“残余”压力将得到有效衰减。

上述分析表明，当渣土在螺旋输送机内输送时，在自身重力及界面间的摩擦作用下，能够抵抗土仓压力，从而保持土仓内的稳定。但螺旋输送机内的渣土是如何发挥其作用，能够抵抗多大的压力，目前的认识仅停留在工程实践基础之上，尚缺少相应的理论研究和较为权威的研究结果。

4 影响螺旋输送机排土及保压的因素

螺旋输送机的排土效率和压力稳定直接关系到土压平衡盾构高效和安全施工，此问题的解决需从渣土性质和机械性能2个方面共同考虑。

4．1 渣土性质影响

渣土性质对螺旋输送机的排土、保压及土压平衡盾构掘进均有直接的影响，且相互之间均有联系;因此，讨论渣土性质的影响不仅限于螺旋输送机，而将其扩展至整个盾构掘进，同时对目前的渣土改良措施进行介绍。

4．1．1 不同土层渣土特点

目前，我国盾构掘进中有代表性的土层主要有软黏土(上海)、砂性土(杭州)和砂卵石(成都)等。其中:1)黏性土层内摩擦角小、易流动、渗透系数小，无论是在土仓内的压力传递还是在螺旋输送机内的输送过程均较为顺畅。2)砂性土内摩擦角大、流动性差、渗透系数大，在土仓内挤压后容易结块，排土困难。在螺旋输送机内，由于其较大的渗透系数，当开挖面水压较高时，在排土口闸门处易发生喷涌，在施工时必须分别采取针对性措施及时处理盾构设备和渣土。3)砂卵石地层渗透系数大、胶结差、卵石含量高、单个卵石强度高，在施工中需要解决的核心问题是土压平衡建立、设备减磨和防喷涌问题。针对其特殊情况，在施工中采取了加入泡沫、膨润土以及采用双螺旋输送机等措施，确保其正常施工。

4．1．2 盾构顺利掘进时渣土需满足的要求

由4．1．1分析可知，无论土压平衡盾构在何种地层施工，都要使开挖下来的渣土呈塑性流动状态，且具有一定的止水性，以充满土仓来控制掘进面的稳定;同时利用螺旋输送机来调整排土，使排土量和切削量保持平衡，以满足土压平衡所需的力学平衡和几何平衡条件。要满足上述要求，渣土需要具备以下3个方面特征:不易固结排水(不易“结饼”)、处于流塑状态(易于应力传递、易于搅拌和传输、不易“闭塞”)和具有不透水性(不发生“喷涌”)。在满足或基本满足上述条件后，盾构的开挖和排土才能够顺利进行［11］。

4．1．3 目前的渣土改良方法

为满足盾构掘进对渣土性质的要求，土压平衡盾构配置了泡沫和膨润土注入系统。泡沫及膨润土系统示意图如图7所示。

图7 泡沫及膨润土系统示意图Fig．7 Foaming system and bentonite injection system

在盾构掘进中遇到不易形成塑性流动状态的土层时，通过本系统向刀盘、土仓和螺旋输送机内注入添加材料来改良土体状态，使其达到利于施工要求的状态。目前主要添加材料有膨润土和泡沫。

注入膨润土的目的是补充微粒和细粒成分，使土仓内土体的内摩擦角减小，促使其在土压作用下发生变形和破坏，使渣土流动性和止水性均有一定的提高。其浓度和注入量，可根据粒度级配计算。矿物类改良材料的适用土质范围宽、价格低廉，在土压平衡盾构施工中被广泛应用。

泡沫材料的实质是表面活性剂，将泡沫剂与水按一定比例混合形成泡沫剂的水溶液，泡沫剂水溶液与压缩空气产生的气泡及开挖土混合后，可达到改良开挖土体流动性和透水性的目的。泡沫材料是目前土压平衡盾构各种添加材料中最为先进的一种，但价格相对较高。

4．2 螺旋输送机自身因素影响

4．2．1 螺旋输送机结构对排土效率影响

由于设备空间的限制，土压平衡螺旋输送机结构中能够调整的主要有2个部分:一是螺杆形式，包括带式和轴式;二是螺旋输送机直径。调整时，一方面从螺旋输送机能够输送的最大粒径角度考虑，另一方面从螺旋输送机的出土效率考虑，需根据盾构穿越地层情况和出土效率综合比选。2种螺旋输送机能够输送的最大颗粒粒径为:

式中:H为能输出最大颗粒粒径;D为螺旋出土器内径。

图8为轴式和带式螺旋输送机排出大粒径卵石的示意图。由图可知，带式螺旋输送机在输送粒径卵石方面有更强的适应性。在无水砂卵石地层，带式螺旋输送机得到了很好的应用。

图8 轴式和带式螺旋输送机作用示意图Fig．8 Working principles of axial screw conveyor and belt screw conveyor

另外，由排土量计算式(1)—(3)可知，为增加螺旋输送机的排土效率，可以增加螺旋输送机直径，但由于盾构设备空间的限制，现有的螺旋输送机直径一般在0．6～0．9 m调整。盾构外径与螺旋输送机直径及输送砾石直径的关系，如表1所示。

表1 盾构外径与螺旋直径及输送砾石直径关系Table 1 Relationship among outer diameters of shield machines，diameters of screws and diameters of boulders to be conveyed

4．2．2 螺旋输送机结构对保压效果影响

土仓压力主要依靠渣土在螺旋输送过程中逐渐抵消。由螺旋输送机自身结构可知，增加渣土在输送过程中的压降方式主要有3种。

1)减小螺距。减小螺旋输送机螺旋片螺距，增大螺旋输送槽的长度，以加长渣土在螺旋输送机内的输送长度，增加螺旋输送过程中的压降。但根据螺旋输送机结构设计要求，螺距与螺旋输送机和螺杆的直径相关，且直接关系出土效率，在实践中较少使用。

2)采用间断式螺杆。把螺旋输送机的螺旋片分为前后不连续的两段，使渣土运动至两段螺旋叶片之间时，叶片不再提供向前的动力，仅能依靠后方的渣土向前推动，此段渣土由于挤压形成效果明显的“土塞”，以抵抗前方的水土压力(见图9)。此类螺旋输送机从构造上看，比较容易在中间段形成压密的“土塞”，在国内有所使用，但其保压抗水效果尚缺少明确的研究结论。

图9 间断式螺杆Fig．9 Discontinuous screw

3)采用双螺旋输送机。在单级螺旋输送机的基础上再增加一级螺旋输送器，每级螺旋输送器具备独立的驱动系统，这样既可联动控制也可每级独立操作。利用两段螺旋之间的空腔和不同的螺旋转速来形成土塞效应，从而能有效增大前方抵抗压力的能力。在双螺旋输送机结构中，两段螺旋输送机的螺距相同，并且均可单独控制。正常情况下，两段螺旋输送机的转速相同，在两段螺旋间不积聚渣土，可以正常出渣。当土仓压力过大或土偏稀可能发生喷涌时，可以对两段螺旋输送机的转速进行调节，使后端的螺旋输送机转速小于前端。由于前端螺旋输送机输出的渣土多于后端螺旋输送机，渣土很快在两段螺旋输送机间积聚形成土塞，从而能有效地防止喷涌。

目前，国内外土压平衡盾构采用双螺旋输送器的连接形式主要有对接、搭接和间断3种(对接和搭接的形式见图10［12］)。在工程实践中应用较多的是搭接形式，对接和间断方式由于其在输送渣土过程中容易被卡而未被使用。

图10 二次螺旋输送机结构形式Fig．10 Structure of secondary screw conveyor

5 结论与讨论

1)盾构掘进施工时的土压平衡包括土仓内外的压力平衡和土仓内进土量与出土量的平衡。力的平衡依靠量的平衡来实现，量的平衡依靠螺旋输送机转速与盾构掘进速度的匹配来实现，具体是通过螺旋输送机排土量的控制来实现上述的平衡状态。

2)渣土进入螺旋输送机后，依靠自身重力及与螺杆、叶片与筒壁界面间的摩擦作用抵抗土仓内的水土压力，保持出渣过程中的稳定性。当地层渗透性较大、水头较高时，螺旋输送机内的渣土变稀或结构破坏从而导致失稳，可能发生喷涌事故。

3)渣土性质对螺旋输送机的排土和保压效果有较大的影响，理想的渣土应满足不易固结排水、处于流塑状态和具有不透水性3个条件。目前工程上主要通过向刀盘前方和土仓内添加泡沫和膨润土的方法对渣土状态进行调整，从而提高排土效率和增加保压效果。

4)从螺旋输送机结构本身而言，可从减小螺旋输送机螺旋片螺距、采用间断式螺杆或双螺旋输送机3个方面进行改造，从而增加保压效果。

目前，土压平衡盾构承担着90%以上的城市地铁和市政隧道的建设任务，在建设中将会大量地遇到富水、高水压和渗透性大的地层和地段。在此类地层掘进时，需在渣土改良和螺旋输送机2个方面采取应对措施。目前渣土改良技术相对较为成熟，而对螺旋输送机在其中的作用的关注还不够(虽然也有一定的研究，但在工程实践和经验积累方面还相对薄弱)。这需要进行更多的创新尝试，通过对螺旋输送机设备的不断改进与渣土改良技术的良好配合，进一步扩展土压平衡盾构的适用范围，确保其在富水地层的安全高效掘进。

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