泥水平衡盾构机改土压平衡盾构机对螺旋机适应性改造技术分析

张爱强

（中国水利水电第五工程局有限公司  四川 成都 610066)

摘要：盾构机是集机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送渣土、拼装隧道衬砌、导向纠偏等功能的地下隧道开挖设备。盾构机已广泛用于地铁、公路、铁路、市政、水电等隧道工程。螺旋输送机是盾构机渣土输送系统的重要组成部分，在盾构法施工中螺旋输送机不仅担负着盾构机开挖仓内渣土的排出,而且能起到够控制开挖仓内土体压力，保证开挖面土压平衡，防止地面坍塌或者拱起的作用。隧道施工时由于粉砂地层及施工原因，难免出现渣土改良不到位出渣时发生喷涌现象，螺旋输送机在出渣的同时还起到防喷涌的作用。

关键词：盾构隧道；土压平衡盾构机；泥水平衡盾构机输送系统；螺旋输送机；防涌门；

1 引言

盾构是城市地铁及地下隧道施工中的重要设备,随着城市进程的加快,其使用范围越来越广,在工程施工中所占的比重也越来越大,盾构机是具机、电、液、测控、土木等多学科技术于一体的工程机械。

本文就雄安新区至北京大兴机场R1线施工中所使用的的一台直径9130cm的泥水平衡盾构机改造为土压平衡盾构机，对其改造后的螺旋机进行功能、原理、设计分析。

2 工程概况

第五组团站～高架起点区间盾构区间起讫里程K78+074.552～K80+941.240，长2868.468m，根据规划信息，区间自5#明挖区间大里程端出站，向东沿规划道路下方敷设，下穿规划城市层、干、支线综合管廊、1～3层砖混结构房屋、白沟引河，在白沟引河东侧到达盾构井。本区间平曲线最大半径为7000m，竖曲线最大半径为10000m。区间设3个纵坡坡段，最大纵坡为27‰，最小纵坡为6.877‰。隧道主要穿越粉质粘土、粉细砂，局部穿越粉土层。区间设置6处联络通道，其中1、6#联络通道与明挖区间合建，2、3、4、5#联络通道位于盾构段，采用矿山法施工，3#联络通道兼做废水泵房。

3 泥水平衡盾构机泥水循环系统结构说明及工作模式

3.1 泥水循环系统结构说明

泥水循环系统主要由进、排浆泵；进、排浆管路、控制阀门、管路延伸机构、碎石机等组成。泥水环流系统的主要作用是稳定开挖面，防止地面坍塌，以及盾构机出渣。

进浆泵将地面泥水处理系统配好的泥浆通过进浆管路输送到盾构机开挖掌子面，控制开挖舱压力，以稳定掌子面。排浆泵将携带渣土的泥浆从开挖舱吸出，并输送到地面泥水处理系统进行处理。

3.2 泥水循环系统工作模式

开挖模式：开挖时使用，通过调整进浆泵的转速校正泥浆气垫界面高程，调整出浆泵的转速校正排渣流量，确保沿程的下一个泵的超载压力大于所要求的净吸压力；开挖模式下，所有进、排泥浆泵开启。

旁通模式：待机模式，用于盾构机功能的转换，各泥浆泵都保持旋转，特别是用于安装管片的情况；旁通模式下所有进、排泥浆泵开启。 

停机模式：所有泵和阀门处于关闭状态，当值班人员发现气垫舱液位低时，开启进浆泵和进将阀门补浆，排浆泵和排浆管路阀门不开启。液位合格后，恢复停机模式。

反冲洗模式：可用于出浆口及舱室底部堵塞时疏通。

图1 泥水循环系统结构示意图

3.3 破碎机结构说明及工作模式

碎石机由液压油缸、转动板、中心板和鄂板组件组成，安装在前盾泥水仓内，主要作用是破碎泥水仓内大块的石头、泥团等，确保泥水盾构的环流系统的通畅。

破碎模式：由液压油缸推动转动板相向旋转一定角度，鄂板组件在大块石头或泥团表面施加载荷，对大块石头、泥团进行破碎，确保泥水盾构的环流系统通畅。

摆动模式：由液压油缸推动转动板同向旋转摆动，对沉积在底部的泥块与碎石进行搅拌，保证泥水盾构的环流系统的通畅。

一般情况下，采用破碎模式，只有在泥水仓需要清理的时候采用摆动模式。

4 螺旋输送系统设计介绍

螺旋输送液压系统主要由螺旋主电机泵组、补油电机泵组、恒功率阀组、液压过滤器、液压马达、防涌门油缸、后料门油缸、伸缩油缸等部件组成。螺旋输送系统为螺旋 输送机输送渣土提供驱动扭矩，并对螺旋输送机旋转速度和旋转方向进行控制，螺旋输送机旋转驱动为闭式液压系统。后料门油缸安装有内置行程传感器，后料门开度大小可以实时调节并显示，便于对螺旋输送机出渣速度进行控制。防涌门油缸控制防涌门的开关，伸缩油缸控制螺旋输送机螺杆的伸缩，两者配合保障螺旋输送机的安全检修。

4.1 螺旋杆设计

螺旋杆有无轴式和有轴式两种设计结构，无轴螺旋杆可以通过大粒径渣土，相同尺寸和转速下输送能力比有轴式螺旋杆大，但是无法实现螺旋筒体内渣土保压。在富水地层施工时螺旋杆设计必须采用有轴式设计（见图4），通过螺旋杆叶片实现筒体渣土保压和正常的压力递减，完成排碴工作，防止由于螺旋筒体内压力无法控制而发生喷涌。螺旋轴前三节叶片及其对应的轴全部堆焊耐磨层，其余叶片堆焊耐磨网格，所有叶片周边堆焊耐磨层。

4.2 筒体设计

筒体设计时配备渣土改良孔，同时在筒体上部和下部配备土压传感器，施工时通过主控室监测土压传感器参数可以轻松掌握螺旋底部和顶部压力值，进而判断是否有发生喷涌的征兆，若传感器压力值超过警戒值就需要调整开挖仓的渣土改良参数，同时通过螺旋输送机筒体上注入孔进行筒体内渣土改良，形成土塞效应，防止喷涌发生。

4.3 螺旋输送机后渣门设计

螺旋输送机排渣门通过油缸控制闸门开口大小，从而保证筒体内和开挖仓压力，对于粉砂地层，排渣门设计采用双闸门设计，在两道闸门间预留保压泵接口，在发生喷涌时迅速关闭闸门，打开接口法兰接保压泵排渣，在水量较大的地段掘进时采用螺旋输送机双闸门 控制，加注泥浆或高效聚合物，防喷涌、防涌水。

4.4 润滑及密封

设置三道唇形密封形成两个密封腔，通过油道注入润滑脂，同时在三道唇形密封的 前部（接触泥沙渣土端）设置有一道迷宫密封，以保证轴承的润滑及密封，从而维持驱 动装置的正常运转。

5 结束语

盾构机应用多年,螺旋输送机系统的应用已经相对稳定、成熟,基本形成模式化的设计思路,为满足自动控制的要求,除常规液压元件外,还选用了比例液压元件、传感器元件等。比例液压元件及传感元件的使用促进了盾构施工向更高的自动化程度迈进。在依托于雄安新区至北京大兴机场R1线盾构施工中，螺旋输送机设计时采用防喷涌设计，在施工中采取科学的施工方法、根据开挖情况及时调整渣土改良和注浆参数，同时在喷涌发生时采取合理有效的措施就能很好解决喷涌事故。

参考文献：

[1]竺维彬,鞠世健.复合地层中的盾构施工技术.北京:中国科学技术出版社,2006年

[2]李旭辉.盾构机螺旋输送机结构及其减速器故障紧急处理方法【J】.工程机械与维修.2015(03):104-105

[3]刘福东,郭京波.土压平衡盾构机螺旋输送机液压系统功能分析【J】.隧道建设.2011(S1):415-420