带式螺旋机在砂卵石地层盾构掘进中的应用研究

李新伟

（中铁隧道股份有限公司，河南 郑州 450001)

1 工程概况

都四山地轨道交通项目DSZQ-1 标线路全长8.569km，共3 站2 区间。其中永丰站-蒲阳站区间：隧道长度为3 266m，隧道结构底板埋深约19.115～32.915m。区间平面最小转弯半径R=350m，最大坡度为1.7753%。地下水一般埋深为1.8～12.5m。如图1 所示，隧道洞身主要穿越：<8-3-1>含砾粉质黏土、<3-12-3>卵石土（中密)，少量<3-13-1>漂石土、<9-5>砾岩岩块（中风化)，地层局部夹有<8-5-2>中砂、<3-9-1>中砂、<8-4-2>细砂。<3-12-3>卵石土（中密)卵石含量约占50%，粒径20～150mm。直径200～800mm 的漂石占比6%～10%；直径800～1 200mm 的漂石占比1%，卵石抗压强度53.1～112.4MPa。砾岩岩块单轴抗压强度50～120MPa，长度40～50m。

图1 卵石层含量分布图

2 带式螺旋输送机设计选型

螺旋输送机根据螺旋轴样式可分为轴式和带式两类，具体区别：若螺旋轴由螺旋叶片焊接一根圆形钢管制成，则为轴式；若螺旋轴仅为单独螺旋叶片焊接，则为带式螺旋轴。轴式与带式螺旋输送机的输送颗粒最大粒径分别为H1≤0.35D；H2≤0.6D（卵石粒径表示为H，螺机内径表示为D)，不难得出，带式相较于轴式在大粒径卵石的输送上适应性更佳。

2.1 螺旋机闸门及添加剂注入设计

为有效缓解喷涌压力，螺旋机的出口处设计了2 个闸门（图2)，交替开放。当螺旋机检修时，螺旋叶片会经由螺旋机伸缩结构缩进筒体内，而为防止检修时发生喷涌现象，前端闸门也会进行关闭；为防止螺旋机喷碴压力过高，将设计膨润土、泡沫剂或高分子聚合物的注射接口于螺旋机筒壁上（图3)，用以在所需时及时注入膨润土、泡沫剂或高分子聚合物，以缓解压力。

图2 双闸门设计

图3 添加剂注入装置

2.2 主要动力配置

为控制对土层的扰动，减少地层损失，螺旋机的3 台低速大扭矩的液压马达由4 台变量泵驱动，在慢速推进时只启动2 台变量泵，达到慢速掘进的要求，可以满足5mmmin左右推进速度。

2.3 耐磨设计

将螺旋叶片整体均做好耐磨处理，以提升耐磨性能（图4)；螺机筒体内部整体做好10mm 厚耐磨层（图5)，并在螺旋机外筒体底部进行耐磨钢板贴附，以提升耐磨性能。

图4 螺带耐磨设计

图5 螺旋筒耐磨处理

2.4 螺旋机控制设计

自动控制主要分为：螺旋机初期控制、螺旋机土压控制为满足盾构推进相关规范要求，将选用PID 控制模式进行土压控制，根据多种重要参数科学操控螺旋机转速，诸如土压设定值、土压测量值、螺旋机的控制值等，以保障推进速率、排土量及土压的稳定。

3 带式螺旋机优缺点及改进措施

3.1 优点

带式螺旋机相较于轴式螺旋，对渣土的运输效率更大，大粒径卵石通过性增强，不易卡螺旋，基于都四项目掘进情况而言，由带式螺旋带出最大卵石粒径近1 000mm。满足“以排为主，已破为辅”的设计理念；带式螺旋螺带具有一定的柔韧性，不易像轴式螺旋一样卡机时由于刚性连接直接憋断螺旋轴，从而造成大的机械事故。

3.2 缺点

带式螺机无轴螺旋中间通道较大，无法有效地形成土塞效应，极易造成渣土的喷涌；带式螺旋对渣土的改良效果极其依赖，渣土改良稍微不良，极易渣土喷涌，压死皮带输送机，从而耽误掘进进度。

3.3 改进措施

针对带式螺旋机易喷涌的特性，选取螺旋机中全段3m 范围的叶片进行改进（图6)，将螺旋叶片中间孔洞进行缩进，加焊耐磨块，根据改进后的掘进情况，在不大幅度降低螺旋机通过性的情况下，缩进一部分螺旋叶片，能有效地减少渣土喷涌现象，增强大粒径富水砂卵石地层的掘进连续性。

图6 螺旋针对性改造

4 带式螺旋输送机应用情况

针对在大卵石地层里土压平衡盾构的掘进工作，考虑到其盾构推力与扭矩大，刀具耗损速度快，为提高效率，节约成本，需科学选取适宜的掘进参数。都四山地轨道交通项目带式螺旋运输机在其中参数：平均转速2～10rpm，主要集中在2～7rpm；平均扭矩26～82bar，主要集中在40～70bar。以国内某选择轴式螺旋输送机工程在相邻区域隧道的掘进作业为例，将带式与轴式螺旋机转速等参数进行对比可知，相较于轴式输送机，带式输送机转速与扭矩显著降低，证明了其在大卵石地层条件下运输效率方面具有比轴式运输机器更好的传输效率。

5 结语

通过带式螺旋机在都四山地项目的研究与应用，可以得出同处大卵石地层下，带式螺旋输送机相较于轴式螺旋输送机的适应性更佳，具有诸如输送卵石粒径更大、出渣能力更强、故障率更低等种种优势，为盾构在大粒径富水砂卵石地层的掘进提供有效支撑。