土壓平衡盾構螺旋輸送機排土及保壓作用分析

周冠南

(1．同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 200092;2．中鐵十三局集團有限公司，天津 300308)

0 引言

土壓平衡盾構多應用在地層滲透系數較小、細顆粒較多和水頭不高的地段。在工程前期盾構選型時，往往需對整個工程區間的水文地質條件、環境保護、施工場地布置及工程經濟性進行綜合考慮。在實踐中經常會出現局部超出土壓平衡盾構適用范圍的情況(如盾構穿越跨度相對較小的江、河或局部為富水砂層的地段)，這時就應對在土壓平衡盾構施工中起著排土和保壓作用的螺旋輸送機提出較高的要求。

針對土壓平衡盾構螺旋輸送機的排土和保壓作用:文獻［1-2］對施工參數與土壓平衡關系進行了較為系統的研究;文獻［3］建立了出土率與土倉壓力的關系，推導了出土率與土倉壓力和螺旋輸送機轉速與推進速度的關系;文獻［4］總結了從土塞效應、注入添加材料和機械輔助方法來擴大土壓平衡盾構適應含水地層能力的理論和方法;文獻［5-6］從水的角度對噴涌問題進行了研究，建立了土壓平衡盾構的水壓力的遞減模型，提出了噴涌的發生機制;文獻［7-8］根據單位長度渣土在螺旋輸送機中的靜力平衡關系建立了渣土在螺旋輸送機的力學模型，并在此基礎上推導得出雙螺旋結構能夠抵抗的水土壓力;文獻［9］提出了計算螺旋輸送機壓力衰減規律的力學模型。

上述研究成果有效地推動了對土壓平衡盾構螺旋輸送機作用機制的認識，也提出了一些有益的觀點和思路，但大多僅對螺旋輸送機的某個方面進行研究和論述，未從整體角度對涉及到的問題進行全面分析。本文通過對已有研究成果進行整理分析，重點對土壓平衡盾構螺旋輸送機的排土和保壓作用以及影響這些作用的因素進行全面分析與闡述。

1 土壓平衡盾構螺旋輸送機

1．1 工作機制

螺旋輸送機是土壓平衡盾構排土和建立土壓平衡的主要設備，安裝于前體的底部和管片拼裝機之間，其中線從前向后上揚一定角度。螺旋輸送機工作時，伸入土倉內的螺桿和螺旋葉片在液壓馬達的驅動下旋轉，渣土在螺旋葉片和機殼的共同作用下，沿一定角度的螺旋線進行輸送提升，至出土口處排出。土壓平衡盾構螺旋輸送機示意如圖1所示。

圖1 土壓平衡盾構螺旋輸送機示意圖Fig．1 Sketch of screw conveyor of EPB shield

1．2 內部結構形式

土壓平衡盾構螺旋輸送機從內部結構形式可分為2類:1)中心軸螺旋桿式(見圖2(a))。主要包括圓筒狀機殼、中心螺桿(軸式)和螺旋葉片3個部分，適用于一般性砂土運輸，且有較好的抵抗水壓的能力，是目前土壓平衡盾構螺旋輸送機的主要形式。2)無中心軸帶式(見圖2(b))。僅有機筒和螺旋葉片，通過葉片的旋轉將渣土刮出，可用于較大顆粒砂礫和塊石運輸，目前主要用于含有大量卵石的地層，對水壓的抵抗能力較差。

圖2 軸式與帶式螺旋輸送機Fig．2 Axial screw conveyor and belt screw conveyor

1．3 螺旋輸送機的主要作用

1)從有壓力的密封土倉內將刀盤切削下的渣土排出盾構。

2)渣土在螺旋輸送機內輸送過程中形成土塞，使土倉內的壓力沿螺旋輸送機漸進衰減以保持土倉內壓力的穩定。

3)通過調整螺旋輸送機轉速，改變排土量，調節土倉內土壓力值，使其與掘進面水壓力和土壓力保持動態平衡。

1．4 螺旋輸送機的改進措施

由1．3可知，螺旋輸送機不僅要考慮將渣土和大塊卵石排除，還要考慮其保壓和止水性能，一般根據螺旋輸送機內的渣土的充填壓力所產生的土塞效應來判斷。從兩者結構角度而言，軸式螺旋輸送機的土塞效應要大于帶式。工程上一般認為，螺旋輸送機單體的止水性能界限為0．3 MPa左右(地下水壓力)，在達到0．2 MPa時就需要采用相應的輔助措施［10］。目前，螺旋輸送機在工程應用中的改進措施主要有:

1)在螺旋輸送機出土口安裝滑動閘板門。為防止供電系統故障等緊急情況下的泥水倒灌，系統設有應急儲能器，作為緊急關閉閘門的動力源。

2)在螺旋輸送機的殼體上設置加泥加水口。必要時可通過加泥加水孔進行鈉基膨潤土或高分子聚合物等的加注，充填、密實螺旋輸送機，使其快速起到土塞效應，防止從螺旋輸送機處發生噴涌現象。

3)在螺旋輸送機出口處設置2道液壓控制閘門。在發生噴涌現象時，可及時關閉螺旋輸送機，截斷水氣土等噴涌通道。

4)在螺旋輸送機上部預留應急孔法蘭，在螺旋輸送機間增設球閥。若出現噴涌現象持續，無法按正常恢復施工時，通過關閉球閥，在法蘭盤上外接保壓泵，恢復施工。

上述輔助措施已大量應用于工程實踐，并取得了良好效果，已經成為富水地區盾構選型中的重要考慮因素之一。

2 土壓平衡盾構螺旋輸送機的排土作用

土壓平衡盾構施工的關鍵是土壓平衡的實現，主要包括土倉內外的壓力平衡和土倉內進土量與出土量的平衡，兩者分別代表了土壓平衡盾構掘進過程中的力學平衡條件和幾何平衡條件。力的平衡依靠量的平衡來實現，而量的平衡則依靠螺旋輸送機轉速與盾構掘進速度的匹配來實現，即通過排土量的控制來實現上述的平衡狀態。排土量過大，會導致開挖面地層損失過大而坍塌或引起地表過量沉降;排土量過小，會使土倉壓力迅速增大，進而使掘進面產生過大壓力，使掘進面失穩或引起地表隆起破壞［1-3］。因此，排土量的控制是土壓平衡盾構正常掘進施工中極為重要的環節之一。螺旋輸送機排土作用示意圖如圖3所示。

圖3 螺旋輸送機排土作用示意圖Fig．3 Earth conveying through screw conveyor

設開挖時間為T，根據圖3參數可以求出單位時間內的土壓盾構的排土量Q(見式1)。土壓盾構單轉排土量QDP和螺旋輸送機排土量QP可分別由式(2)和式(3)求得。

式中:η為螺旋輸送機的出土效率(螺旋輸送機內渣土一般不會充滿于機內，實際可取95% ～97%)，N為螺旋輸送機的轉速。

盾構掘進時，從直接控制的角度而言，需要保持必要的幾何平衡關系，即盾構掘進切削的天然土體體積與螺旋輸送機排出土的體積相等。此時，盾構既不擠壓前方土體，也不對前方土體形成卸載，盾構對前方土體擾動最小。但是，自然狀態下的土經切削擠壓攪動后，內部組織破壞，其體積較原狀因松散而增大，松散系數

式中:V1為土在自然狀態下的體積，V2為土挖出后在松散狀態下的體積。

當螺旋輸送機出土量與刀盤切削量保持平衡狀態時，有:

一般情況，在某一地層條件和埋深差異不大時，出土效率和松散系數的值相對較為穩定，所以平衡狀態時，螺旋輸送機轉速和推進速度之間的比值也應為一個定值。當推進速度與螺旋輸送機轉速之比小于此定值時，盾構處于超推進狀態，前方土體受到擠壓作用;當推進速度與螺旋輸送機轉速之比大于此定值時，盾構處于欠推進狀態，前方土體受到卸載作用。某區段各環螺旋輸送機轉速(r/min)與推進速度(mm/min)比值見圖4。

圖4 某區段盾構螺旋輸送機轉速與推進速度比值Fig．4 Ratio between revolution speed of screw conveyor and advance speed of shield

由圖4可知，螺旋輸送機轉速和推進速度的比值為0．06 ～0．12，平均值為 0．075。結合對應地段的監測數據可知，在盾構推進過程中地面沉降較小，量值雖有波動但差距不大，土壓平衡控制相對較好。

3 土壓平衡盾構螺旋輸送機的保壓作用

根據土壓平衡盾構作業過程綜合考慮可知，刀盤切削的渣土隨著所處位置的改變起著2個方面的作用:1)由刀盤切削后進入土倉中時，渣土充滿土倉，充當支撐介質，將掘進面的壓力均勻傳遞至土倉隔板，確保掘進面的壓力平衡;2)當渣土從土倉進入螺旋輸送機后，依靠自身重力及渣土與螺桿、葉片和筒壁界面間的摩擦作用，抵抗土倉內的水土壓力，使壓力值從入口到出口處逐步下降，在出口處降低到零或較小的量值，使出渣和輸送過程能夠穩定可控，確保掘進面的壓力平衡。

由于不可能測出渣土在槽向的壓力變化，一般用螺旋輸送機管壁的壓力變化來間接反映渣土槽向壓力的變化過程。渣土從進入土倉到螺旋輸送機出口處的壓力分布如圖5所示。機靠近土倉位置和靠近出口處的壓力進行統計，其結果如圖6所示。

圖6 某區段各位置壓力統計值Fig．6 Earth pressures at different positions

由圖5可知，當盾構處于土壓平衡狀態時，上述各壓力之間有如下關系［6］:

其中:式(8)表示保持掘進面壓力平衡時土倉所需壓力;式(9)表示土倉壓力和螺旋輸送機的關系，即土倉壓力、螺旋輸送機內壓降與出口壓力的關系。

在土壓平衡盾構保持穩定施工狀態時:p0=0，ps+pw=Δp。此時，螺旋輸送機能夠正常出渣，且土倉壓力能夠保持穩定。若掘進面水頭較高且土層滲透系數較大時，則可能從地層中向土倉內進入過多的地下水，使渣土變稀、流動性變大，從而使螺旋輸送機內渣土壓降變小(即Δp＜ps+pw)，此時必然有p0＞0。在工程實踐中具體表現為，在出口處發生噴涌并使掘進面失去穩定，這是土壓平衡盾構不適應于富水且滲透性大的地層的根本原因［4］。

對盾構某區段土壓平衡盾構土倉壓力、螺旋輸送

由圖6可知，螺旋輸送機的壓降可分為2個階段:第1階段——從土倉進入螺旋輸送機的過程中，壓力衰減量約為1/2，但此時土倉壓力為盾構中心點的壓力，在螺旋輸送機入口附近壓力將大于0．22 MPa，所以在入口段的實際衰減量將大于1/2;第2階段——渣土在螺旋輸送機內的輸送過程中，壓力衰減到0附近，至出口處在自重作用下落入皮帶輸送機，在螺旋輸送機內另一部分“殘余”壓力將得到有效衰減。

上述分析表明，當渣土在螺旋輸送機內輸送時，在自身重力及界面間的摩擦作用下，能夠抵抗土倉壓力，從而保持土倉內的穩定。但螺旋輸送機內的渣土是如何發揮其作用，能夠抵抗多大的壓力，目前的認識僅停留在工程實踐基礎之上，尚缺少相應的理論研究和較為權威的研究結果。

4 影響螺旋輸送機排土及保壓的因素

螺旋輸送機的排土效率和壓力穩定直接關系到土壓平衡盾構高效和安全施工，此問題的解決需從渣土性質和機械性能2個方面共同考慮。

4．1 渣土性質影響

渣土性質對螺旋輸送機的排土、保壓及土壓平衡盾構掘進均有直接的影響，且相互之間均有聯系;因此，討論渣土性質的影響不僅限于螺旋輸送機，而將其擴展至整個盾構掘進，同時對目前的渣土改良措施進行介紹。

4．1．1 不同土層渣土特點

目前，我國盾構掘進中有代表性的土層主要有軟黏土(上海)、砂性土(杭州)和砂卵石(成都)等。其中:1)黏性土層內摩擦角小、易流動、滲透系數小，無論是在土倉內的壓力傳遞還是在螺旋輸送機內的輸送過程均較為順暢。2)砂性土內摩擦角大、流動性差、滲透系數大，在土倉內擠壓后容易結塊，排土困難。在螺旋輸送機內，由于其較大的滲透系數，當開挖面水壓較高時，在排土口閘門處易發生噴涌，在施工時必須分別采取針對性措施及時處理盾構設備和渣土。3)砂卵石地層滲透系數大、膠結差、卵石含量高、單個卵石強度高，在施工中需要解決的核心問題是土壓平衡建立、設備減磨和防噴涌問題。針對其特殊情況，在施工中采取了加入泡沫、膨潤土以及采用雙螺旋輸送機等措施，確保其正常施工。

4．1．2 盾構順利掘進時渣土需滿足的要求

由4．1．1分析可知，無論土壓平衡盾構在何種地層施工，都要使開挖下來的渣土呈塑性流動狀態，且具有一定的止水性，以充滿土倉來控制掘進面的穩定;同時利用螺旋輸送機來調整排土，使排土量和切削量保持平衡，以滿足土壓平衡所需的力學平衡和幾何平衡條件。要滿足上述要求，渣土需要具備以下3個方面特征:不易固結排水(不易“結餅”)、處于流塑狀態(易于應力傳遞、易于攪拌和傳輸、不易“閉塞”)和具有不透水性(不發生“噴涌”)。在滿足或基本滿足上述條件后，盾構的開挖和排土才能夠順利進行［11］。

4．1．3 目前的渣土改良方法

為滿足盾構掘進對渣土性質的要求，土壓平衡盾構配置了泡沫和膨潤土注入系統。泡沫及膨潤土系統示意圖如圖7所示。

圖7 泡沫及膨潤土系統示意圖Fig．7 Foaming system and bentonite injection system

在盾構掘進中遇到不易形成塑性流動狀態的土層時，通過本系統向刀盤、土倉和螺旋輸送機內注入添加材料來改良土體狀態，使其達到利于施工要求的狀態。目前主要添加材料有膨潤土和泡沫。

注入膨潤土的目的是補充微粒和細粒成分，使土倉內土體的內摩擦角減小，促使其在土壓作用下發生變形和破壞，使渣土流動性和止水性均有一定的提高。其濃度和注入量，可根據粒度級配計算。礦物類改良材料的適用土質范圍寬、價格低廉，在土壓平衡盾構施工中被廣泛應用。

泡沫材料的實質是表面活性劑，將泡沫劑與水按一定比例混合形成泡沫劑的水溶液，泡沫劑水溶液與壓縮空氣產生的氣泡及開挖土混合后，可達到改良開挖土體流動性和透水性的目的。泡沫材料是目前土壓平衡盾構各種添加材料中最為先進的一種，但價格相對較高。

4．2 螺旋輸送機自身因素影響

4．2．1 螺旋輸送機結構對排土效率影響

由于設備空間的限制，土壓平衡螺旋輸送機結構中能夠調整的主要有2個部分:一是螺桿形式，包括帶式和軸式;二是螺旋輸送機直徑。調整時，一方面從螺旋輸送機能夠輸送的最大粒徑角度考慮，另一方面從螺旋輸送機的出土效率考慮，需根據盾構穿越地層情況和出土效率綜合比選。2種螺旋輸送機能夠輸送的最大顆粒粒徑為:

式中:H為能輸出最大顆粒粒徑;D為螺旋出土器內徑。

圖8為軸式和帶式螺旋輸送機排出大粒徑卵石的示意圖。由圖可知，帶式螺旋輸送機在輸送粒徑卵石方面有更強的適應性。在無水砂卵石地層，帶式螺旋輸送機得到了很好的應用。

圖8 軸式和帶式螺旋輸送機作用示意圖Fig．8 Working principles of axial screw conveyor and belt screw conveyor

另外，由排土量計算式(1)—(3)可知，為增加螺旋輸送機的排土效率，可以增加螺旋輸送機直徑，但由于盾構設備空間的限制，現有的螺旋輸送機直徑一般在0．6～0．9 m調整。盾構外徑與螺旋輸送機直徑及輸送礫石直徑的關系，如表1所示。

表1 盾構外徑與螺旋直徑及輸送礫石直徑關系Table 1 Relationship among outer diameters of shield machines，diameters of screws and diameters of boulders to be conveyed

4．2．2 螺旋輸送機結構對保壓效果影響

土倉壓力主要依靠渣土在螺旋輸送過程中逐漸抵消。由螺旋輸送機自身結構可知，增加渣土在輸送過程中的壓降方式主要有3種。

1)減小螺距。減小螺旋輸送機螺旋片螺距，增大螺旋輸送槽的長度，以加長渣土在螺旋輸送機內的輸送長度，增加螺旋輸送過程中的壓降。但根據螺旋輸送機結構設計要求，螺距與螺旋輸送機和螺桿的直徑相關，且直接關系出土效率，在實踐中較少使用。

2)采用間斷式螺桿。把螺旋輸送機的螺旋片分為前后不連續的兩段，使渣土運動至兩段螺旋葉片之間時，葉片不再提供向前的動力，僅能依靠后方的渣土向前推動，此段渣土由于擠壓形成效果明顯的“土塞”，以抵抗前方的水土壓力(見圖9)。此類螺旋輸送機從構造上看，比較容易在中間段形成壓密的“土塞”，在國內有所使用，但其保壓抗水效果尚缺少明確的研究結論。

圖9 間斷式螺桿Fig．9 Discontinuous screw

3)采用雙螺旋輸送機。在單級螺旋輸送機的基礎上再增加一級螺旋輸送器，每級螺旋輸送器具備獨立的驅動系統，這樣既可聯動控制也可每級獨立操作。利用兩段螺旋之間的空腔和不同的螺旋轉速來形成土塞效應，從而能有效增大前方抵抗壓力的能力。在雙螺旋輸送機結構中，兩段螺旋輸送機的螺距相同，并且均可單獨控制。正常情況下，兩段螺旋輸送機的轉速相同，在兩段螺旋間不積聚渣土，可以正常出渣。當土倉壓力過大或土偏稀可能發生噴涌時，可以對兩段螺旋輸送機的轉速進行調節，使后端的螺旋輸送機轉速小于前端。由于前端螺旋輸送機輸出的渣土多于后端螺旋輸送機，渣土很快在兩段螺旋輸送機間積聚形成土塞，從而能有效地防止噴涌。

目前，國內外土壓平衡盾構采用雙螺旋輸送器的連接形式主要有對接、搭接和間斷3種(對接和搭接的形式見圖10［12］)。在工程實踐中應用較多的是搭接形式，對接和間斷方式由于其在輸送渣土過程中容易被卡而未被使用。

圖10 二次螺旋輸送機結構形式Fig．10 Structure of secondary screw conveyor

5 結論與討論

1)盾構掘進施工時的土壓平衡包括土倉內外的壓力平衡和土倉內進土量與出土量的平衡。力的平衡依靠量的平衡來實現，量的平衡依靠螺旋輸送機轉速與盾構掘進速度的匹配來實現，具體是通過螺旋輸送機排土量的控制來實現上述的平衡狀態。

2)渣土進入螺旋輸送機后，依靠自身重力及與螺桿、葉片與筒壁界面間的摩擦作用抵抗土倉內的水土壓力，保持出渣過程中的穩定性。當地層滲透性較大、水頭較高時，螺旋輸送機內的渣土變稀或結構破壞從而導致失穩，可能發生噴涌事故。

3)渣土性質對螺旋輸送機的排土和保壓效果有較大的影響，理想的渣土應滿足不易固結排水、處于流塑狀態和具有不透水性3個條件。目前工程上主要通過向刀盤前方和土倉內添加泡沫和膨潤土的方法對渣土狀態進行調整，從而提高排土效率和增加保壓效果。

4)從螺旋輸送機結構本身而言，可從減小螺旋輸送機螺旋片螺距、采用間斷式螺桿或雙螺旋輸送機3個方面進行改造，從而增加保壓效果。

目前，土壓平衡盾構承擔著90%以上的城市地鐵和市政隧道的建設任務，在建設中將會大量地遇到富水、高水壓和滲透性大的地層和地段。在此類地層掘進時，需在渣土改良和螺旋輸送機2個方面采取應對措施。目前渣土改良技術相對較為成熟，而對螺旋輸送機在其中的作用的關注還不夠(雖然也有一定的研究，但在工程實踐和經驗積累方面還相對薄弱)。這需要進行更多的創新嘗試，通過對螺旋輸送機設備的不斷改進與渣土改良技術的良好配合，進一步擴展土壓平衡盾構的適用范圍，確保其在富水地層的安全高效掘進。

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