带式螺旋机在大粒径富水砂卵石地层掘进的可行性分析

带式螺旋机在大粒径富水砂卵石地层掘进的可行性分析

李新伟

中铁隧道股份有限公司，河南郑州 450000

摘要：本文通过介绍依托都四山地大卵石地层盾构项目，通过分析其中带式螺旋输送机相关设计、生产与实施状况，列出本项目中富水大卵石地层盾构施工具备的优势，以期对相关从业者及工程辅以参考作用。

关键词：盾构；带式螺旋输送机；设计方法；应用可行性

引言

作为盾构设备核心组成部件的螺旋输送机，其具备良好的排清仓内渣土的功效，对维持设备运行具有极大作用。针对带式螺旋输送机能够运输粒径大石块、输送效率高等特点，其通常被运用于大粒径卵石等地层。

1.工程位置及范围

标段线路全长8.569km,共3站2区间。都江堰站～永丰站区间：隧道长度为3468.164m，隧道结构底板埋深约19.115～32.915m。区间平面最小转弯半径R=400m,最大坡度为2.79%。场地地下水埋深为1.8～12.5m

永丰站～蒲阳站区间：隧道长度为3266m，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。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800～1200mm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理念

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两个闸门，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，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，螺旋机的三台低速大扭矩的液压马达由四台变量泵驱动，在慢速推进时只启动两台变量泵，达到慢速掘进的要求，可以满足5mm/min左右推进速度。

2.3耐磨设计

对于螺旋叶片：将叶片整体均做好耐磨处理，以提升耐磨性能；对于螺旋机筒体：筒体内部整体做好10mm厚耐磨层，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 螺带实物图 图5 螺带耐磨设计

图6 螺旋筒耐磨处理 图7 停机螺旋内部情况

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1000mm。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。

4.掘进施工技术及措施

图8 卵石排出情况

3.2 缺点

带式螺旋相较于轴式螺旋，除了上述优点以外，也有一定的缺陷，第一是无轴螺旋中间通道较大，无法有效的形成土塞效应，极易造成渣土的喷涌；第二是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。

图9渣土喷涌情况

3.3 改进措施

针对带式螺旋机易喷涌的特性，进行针对性的改造，选取螺旋机中前段3米范围的叶片进行改进，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，能有效的减少渣土喷涌现象，增强大粒径富水砂卵石地层的掘进连续性。

图10 螺旋针对性改造

4.1盾构机掘进参数设计

基于行业实践，为加快掘进速率和防止掘进超方，需在保障掌子面稳定的情况下，通过渣土改良方式降低刀盘扭矩，而通常是先以土仓顶部压力来维持掌子面的稳定。

为保障渣土改良掺入剂的注射精确性，掘进中若出现已挖掘土体堵塞砂卵石泡沫孔的现象，疏通需按先后顺序向其内注射聚氨酯泵注水与液压油，而要使已挖掘土体的改良效果明显，从孔道注入掌子面的泡沫剂等必须达到设计量。当未改良的土体达到200m行程时，施工方需立即停止掘进，对未改良的土体进行补救措施：注入添加剂，并以0.2-0.5r/min的速率原地转刀盘一圈。否则将会出现在一环挖掘结束后，挤压土体在土仓底部集堆的现象。

4.2同步注浆注入设计

（1）设计的同步注浆配合比。浆液制备原料采用520kg水、250kg水泥、330kg粉煤灰、600kg细骨料与100kg膨润土；浆液相关性质；容重1800kg/m3，105mm的稠度，初凝与终凝时间分别为3.2h与5.5h，3d与28d抗压强度分别为3.5MPa和6.6MPa

（2）确定的同步注浆量。为确保地层的稳定性，防止沉降，需保障充分填充卵石间空隙，在6m³的理论填充下，依照200%来设计。为保障盾尾刷封堵浆液的有效性，其密封腔中压力应大于0.5MPa。

4.3地表沉降监测点布设原则

沉降监测点在隧道轴线内的设置原则：测量范围需大于30m，刀盘前不得小于10m，做到盾体与盾尾后均10m。每隔5m布置一个地表监测点，掘进4环进行一次量测，尽快汇报结果，不得延至6h以上。预警值规定：累计隆起值需低于10mm，速率小于3mm/d；累计沉降值需低于25mm，速率低于3mm/d。

4.4漂石、卵石地层掘进

盾构机穿越地层主要以卵石土（中密）为主，漂石含量高，漂石粒径最高达1200mm的，漂石最大抗压强度112.4Mpa，难以破碎。容易出现刀盘卡死无法掘进、刀具合金磕裂、脱落，换刀频繁，螺旋机输送机卡死、断叶片等现象。

措施：考虑以排为主，破碎为辅，设计考虑采用大开口率刀盘配合带式螺旋机，漂石可快速进入土仓，通过带式螺旋输送机排出，不会对刀具产生大的影响，降低刀盘能耗，刀盘刀具不易磨损，解决螺旋机卡死、断叶片问题，考虑配置大扭矩驱动部便于刀盘脱困。

4.5长距离砂卵石地层掘进

盾构机在砂卵石地层最长连续掘进3.468km，砂层石英含量高，刀盘、刀具、螺旋机易磨损。

措施：刀具配置重型撕裂刀。刀盘正面和背面焊接复合钢板，刀盘外周焊接耐磨合金条。螺旋机整根螺旋叶片进行耐磨堆焊处理，筒体内焊接复合钢板。

4.6盾构穿越河流、河堤易发生喷涌

永蒲区间主要穿越柏条河，河底下层为中密卵石土，卵石土为强透水层，下穿时容易发生螺旋输送机喷涌、盾构尾部渗漏水、击穿河床等现象。

措施：穿越时需进行有效的渣土改良，建立土压。螺旋机配置前端闸门，排土双闸门，螺旋轴伸缩功能，配合土仓壁上高分子聚合物注入系统。对土仓内的富水渣土的改良设计，减缓喷涌压力，土仓底部注入大量空气排挤卵石间隙中的孔隙水。在此区间地质条件下，可最大化的体现带式螺旋机的适应性。

5.带式螺旋输送机应用情况

穿越卵石地层、砾岩层、粉质粘土层的比例分别为：78%、16%与3%。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。根据目前都四山地轨道交通项目掘进情况，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。以国内某工程在左右线隧道的掘进作业为例，分别使用了海瑞克与罗瓦特盾构，穿越地层与研究工程大致相同，但其均选择轴式螺旋输送机，表1为其详细掘进参数。

表 1　轴式螺旋输送机在相邻区域的施工参数表

将带式与轴式螺旋机转速等参数进行对比易知，相较于轴式输送机，带式输送机转速与扭矩显著降低，昭示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

通过上述对都四山地项目的分析与研究，可以得出同处大卵石底层下，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，无疑其的成功研发与高效应用给我国盾构行业带来了深远且积极影响，而我国盾构技术国产化发展也因其又迈进了坚实的一步。

参考文献

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