周冠南

(1．同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092;2．中鐵十三局集團(tuán)有限公司，天津 300308)

0 引言

土壓平衡盾構(gòu)多應(yīng)用在地層滲透系數(shù)較小、細(xì)顆粒較多和水頭不高的地段。在工程前期盾構(gòu)選型時(shí)，往往需對(duì)整個(gè)工程區(qū)間的水文地質(zhì)條件、環(huán)境保護(hù)、施工場(chǎng)地布置及工程經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合考慮。在實(shí)踐中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)局部超出土壓平衡盾構(gòu)適用范圍的情況(如盾構(gòu)穿越跨度相對(duì)較小的江、河或局部為富水砂層的地段)，這時(shí)就應(yīng)對(duì)在土壓平衡盾構(gòu)施工中起著排土和保壓作用的螺旋輸送機(jī)提出較高的要求。

針對(duì)土壓平衡盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的排土和保壓作用:文獻(xiàn)［1-2］對(duì)施工參數(shù)與土壓平衡關(guān)系進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究;文獻(xiàn)［3］建立了出土率與土倉(cāng)壓力的關(guān)系，推導(dǎo)了出土率與土倉(cāng)壓力和螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速與推進(jìn)速度的關(guān)系;文獻(xiàn)［4］總結(jié)了從土塞效應(yīng)、注入添加材料和機(jī)械輔助方法來(lái)擴(kuò)大土壓平衡盾構(gòu)適應(yīng)含水地層能力的理論和方法;文獻(xiàn)［5-6］從水的角度對(duì)噴涌問(wèn)題進(jìn)行了研究，建立了土壓平衡盾構(gòu)的水壓力的遞減模型，提出了噴涌的發(fā)生機(jī)制;文獻(xiàn)［7-8］根據(jù)單位長(zhǎng)度渣土在螺旋輸送機(jī)中的靜力平衡關(guān)系建立了渣土在螺旋輸送機(jī)的力學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)得出雙螺旋結(jié)構(gòu)能夠抵抗的水土壓力;文獻(xiàn)［9］提出了計(jì)算螺旋輸送機(jī)壓力衰減規(guī)律的力學(xué)模型。

上述研究成果有效地推動(dòng)了對(duì)土壓平衡盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)作用機(jī)制的認(rèn)識(shí)，也提出了一些有益的觀點(diǎn)和思路，但大多僅對(duì)螺旋輸送機(jī)的某個(gè)方面進(jìn)行研究和論述，未從整體角度對(duì)涉及到的問(wèn)題進(jìn)行全面分析。本文通過(guò)對(duì)已有研究成果進(jìn)行整理分析，重點(diǎn)對(duì)土壓平衡盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的排土和保壓作用以及影響這些作用的因素進(jìn)行全面分析與闡述。

1 土壓平衡盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)

1．1 工作機(jī)制

螺旋輸送機(jī)是土壓平衡盾構(gòu)排土和建立土壓平衡的主要設(shè)備，安裝于前體的底部和管片拼裝機(jī)之間，其中線從前向后上揚(yáng)一定角度。螺旋輸送機(jī)工作時(shí)，伸入土倉(cāng)內(nèi)的螺桿和螺旋葉片在液壓馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，渣土在螺旋葉片和機(jī)殼的共同作用下，沿一定角度的螺旋線進(jìn)行輸送提升，至出土口處排出。土壓平衡盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)示意如圖1所示。

圖1 土壓平衡盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)示意圖Fig．1 Sketch of screw conveyor of EPB shield

1．2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式

土壓平衡盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)從內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式可分為2類:1)中心軸螺旋桿式(見(jiàn)圖2(a))。主要包括圓筒狀機(jī)殼、中心螺桿(軸式)和螺旋葉片3個(gè)部分，適用于一般性砂土運(yùn)輸，且有較好的抵抗水壓的能力，是目前土壓平衡盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的主要形式。2)無(wú)中心軸帶式(見(jiàn)圖2(b))。僅有機(jī)筒和螺旋葉片，通過(guò)葉片的旋轉(zhuǎn)將渣土刮出，可用于較大顆粒砂礫和塊石運(yùn)輸，目前主要用于含有大量卵石的地層，對(duì)水壓的抵抗能力較差。

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

1．3 螺旋輸送機(jī)的主要作用

1)從有壓力的密封土倉(cāng)內(nèi)將刀盤切削下的渣土排出盾構(gòu)。

2)渣土在螺旋輸送機(jī)內(nèi)輸送過(guò)程中形成土塞，使土倉(cāng)內(nèi)的壓力沿螺旋輸送機(jī)漸進(jìn)衰減以保持土倉(cāng)內(nèi)壓力的穩(wěn)定。

3)通過(guò)調(diào)整螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速，改變排土量，調(diào)節(jié)土倉(cāng)內(nèi)土壓力值，使其與掘進(jìn)面水壓力和土壓力保持動(dòng)態(tài)平衡。

1．4 螺旋輸送機(jī)的改進(jìn)措施

由1．3可知，螺旋輸送機(jī)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(jù)螺旋輸送機(jī)內(nèi)的渣土的充填壓力所產(chǎn)生的土塞效應(yīng)來(lái)判斷。從兩者結(jié)構(gòu)角度而言，軸式螺旋輸送機(jī)的土塞效應(yīng)要大于帶式。工程上一般認(rèn)為，螺旋輸送機(jī)單體的止水性能界限為0．3 MPa左右(地下水壓力)，在達(dá)到0．2 MPa時(shí)就需要采用相應(yīng)的輔助措施［10］。目前，螺旋輸送機(jī)在工程應(yīng)用中的改進(jìn)措施主要有:

1)在螺旋輸送機(jī)出土口安裝滑動(dòng)閘板門。為防止供電系統(tǒng)故障等緊急情況下的泥水倒灌，系統(tǒng)設(shè)有應(yīng)急儲(chǔ)能器，作為緊急關(guān)閉閘門的動(dòng)力源。

2)在螺旋輸送機(jī)的殼體上設(shè)置加泥加水口。必要時(shí)可通過(guò)加泥加水孔進(jìn)行鈉基膨潤(rùn)土或高分子聚合物等的加注，充填、密實(shí)螺旋輸送機(jī)，使其快速起到土塞效應(yīng)，防止從螺旋輸送機(jī)處發(fā)生噴涌現(xiàn)象。

3)在螺旋輸送機(jī)出口處設(shè)置2道液壓控制閘門。在發(fā)生噴涌現(xiàn)象時(shí)，可及時(shí)關(guān)閉螺旋輸送機(jī)，截?cái)嗨畾馔恋葒娪客ǖ馈?/p>

4)在螺旋輸送機(jī)上部預(yù)留應(yīng)急孔法蘭，在螺旋輸送機(jī)間增設(shè)球閥。若出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象持續(xù)，無(wú)法按正?；謴?fù)施工時(shí)，通過(guò)關(guān)閉球閥，在法蘭盤上外接保壓泵，恢復(fù)施工。

上述輔助措施已大量應(yīng)用于工程實(shí)踐，并取得了良好效果，已經(jīng)成為富水地區(qū)盾構(gòu)選型中的重要考慮因素之一。

2 土壓平衡盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的排土作用

土壓平衡盾構(gòu)施工的關(guān)鍵是土壓平衡的實(shí)現(xiàn)，主要包括土倉(cāng)內(nèi)外的壓力平衡和土倉(cāng)內(nèi)進(jìn)土量與出土量的平衡，兩者分別代表了土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的力學(xué)平衡條件和幾何平衡條件。力的平衡依靠量的平衡來(lái)實(shí)現(xiàn)，而量的平衡則依靠螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速與盾構(gòu)掘進(jìn)速度的匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)排土量的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)上述的平衡狀態(tài)。排土量過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致開(kāi)挖面地層損失過(guò)大而坍塌或引起地表過(guò)量沉降;排土量過(guò)小，會(huì)使土倉(cāng)壓力迅速增大，進(jìn)而使掘進(jìn)面產(chǎn)生過(guò)大壓力，使掘進(jìn)面失穩(wěn)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(gòu)正常掘進(jìn)施工中極為重要的環(huán)節(jié)之一。螺旋輸送機(jī)排土作用示意圖如圖3所示。

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

設(shè)開(kāi)挖時(shí)間為T，根據(jù)圖3參數(shù)可以求出單位時(shí)間內(nèi)的土壓盾構(gòu)的排土量Q(見(jiàn)式1)。土壓盾構(gòu)單轉(zhuǎn)排土量QDP和螺旋輸送機(jī)排土量QP可分別由式(2)和式(3)求得。

式中:η為螺旋輸送機(jī)的出土效率(螺旋輸送機(jī)內(nèi)渣土一般不會(huì)充滿于機(jī)內(nèi)，實(shí)際可取95% ～97%)，N為螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速。

盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，從直接控制的角度而言，需要保持必要的幾何平衡關(guān)系，即盾構(gòu)掘進(jìn)切削的天然土體體積與螺旋輸送機(jī)排出土的體積相等。此時(shí)，盾構(gòu)既不擠壓前方土體，也不對(duì)前方土體形成卸載，盾構(gòu)對(duì)前方土體擾動(dòng)最小。但是，自然狀態(tài)下的土經(jīng)切削擠壓攪動(dòng)后，內(nèi)部組織破壞，其體積較原狀因松散而增大，松散系數(shù)

式中:V1為土在自然狀態(tài)下的體積，V2為土挖出后在松散狀態(tài)下的體積。

當(dāng)螺旋輸送機(jī)出土量與刀盤切削量保持平衡狀態(tài)時(shí)，有:

一般情況，在某一地層條件和埋深差異不大時(shí)，出土效率和松散系數(shù)的值相對(duì)較為穩(wěn)定，所以平衡狀態(tài)時(shí)，螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度之間的比值也應(yīng)為一個(gè)定值。當(dāng)推進(jìn)速度與螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速之比小于此定值時(shí)，盾構(gòu)處于超推進(jìn)狀態(tài)，前方土體受到擠壓作用;當(dāng)推進(jìn)速度與螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速之比大于此定值時(shí)，盾構(gòu)處于欠推進(jìn)狀態(tài)，前方土體受到卸載作用。某區(qū)段各環(huán)螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)與推進(jìn)速度(mm/min)比值見(jiàn)圖4。

圖4 某區(qū)段盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速與推進(jìn)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(jī)轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度的比值為0．06 ～0．12，平均值為 0．075。結(jié)合對(duì)應(yīng)地段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中地面沉降較小，量值雖有波動(dòng)但差距不大，土壓平衡控制相對(duì)較好。

3 土壓平衡盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的保壓作用

根據(jù)土壓平衡盾構(gòu)作業(yè)過(guò)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(gè)方面的作用:1)由刀盤切削后進(jìn)入土倉(cāng)中時(shí)，渣土充滿土倉(cāng)，充當(dāng)支撐介質(zhì)，將掘進(jìn)面的壓力均勻傳遞至土倉(cāng)隔板，確保掘進(jìn)面的壓力平衡;2)當(dāng)渣土從土倉(cāng)進(jìn)入螺旋輸送機(jī)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(cāng)內(nèi)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(guò)程能夠穩(wěn)定可控，確保掘進(jìn)面的壓力平衡。

由于不可能測(cè)出渣土在槽向的壓力變化，一般用螺旋輸送機(jī)管壁的壓力變化來(lái)間接反映渣土槽向壓力的變化過(guò)程。渣土從進(jìn)入土倉(cāng)到螺旋輸送機(jī)出口處的壓力分布如圖5所示。機(jī)靠近土倉(cāng)位置和靠近出口處的壓力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果如圖6所示。

圖6 某區(qū)段各位置壓力統(tǒng)計(jì)值Fig．6 Earth pressures at different positions

由圖5可知，當(dāng)盾構(gòu)處于土壓平衡狀態(tài)時(shí)，上述各壓力之間有如下關(guān)系［6］:

其中:式(8)表示保持掘進(jìn)面壓力平衡時(shí)土倉(cāng)所需壓力;式(9)表示土倉(cāng)壓力和螺旋輸送機(jī)的關(guān)系，即土倉(cāng)壓力、螺旋輸送機(jī)內(nèi)壓降與出口壓力的關(guān)系。

在土壓平衡盾構(gòu)保持穩(wěn)定施工狀態(tài)時(shí):p0=0，ps+pw=Δp。此時(shí)，螺旋輸送機(jī)能夠正常出渣，且土倉(cāng)壓力能夠保持穩(wěn)定。若掘進(jìn)面水頭較高且土層滲透系數(shù)較大時(shí)，則可能從地層中向土倉(cāng)內(nèi)進(jìn)入過(guò)多的地下水，使渣土變稀、流動(dòng)性變大，從而使螺旋輸送機(jī)內(nèi)渣土壓降變小(即Δp＜ps+pw)，此時(shí)必然有p0＞0。在工程實(shí)踐中具體表現(xiàn)為，在出口處發(fā)生噴涌并使掘進(jìn)面失去穩(wěn)定，這是土壓平衡盾構(gòu)不適應(yīng)于富水且滲透性大的地層的根本原因［4］。

對(duì)盾構(gòu)某區(qū)段土壓平衡盾構(gòu)土倉(cāng)壓力、螺旋輸送

由圖6可知，螺旋輸送機(jī)的壓降可分為2個(gè)階段:第1階段——從土倉(cāng)進(jìn)入螺旋輸送機(jī)的過(guò)程中，壓力衰減量約為1/2，但此時(shí)土倉(cāng)壓力為盾構(gòu)中心點(diǎn)的壓力，在螺旋輸送機(jī)入口附近壓力將大于0．22 MPa，所以在入口段的實(shí)際衰減量將大于1/2;第2階段——渣土在螺旋輸送機(jī)內(nèi)的輸送過(guò)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(jī)，在螺旋輸送機(jī)內(nèi)另一部分“殘余”壓力將得到有效衰減。

上述分析表明，當(dāng)渣土在螺旋輸送機(jī)內(nèi)輸送時(shí)，在自身重力及界面間的摩擦作用下，能夠抵抗土倉(cāng)壓力，從而保持土倉(cāng)內(nèi)的穩(wěn)定。但螺旋輸送機(jī)內(nèi)的渣土是如何發(fā)揮其作用，能夠抵抗多大的壓力，目前的認(rèn)識(shí)僅停留在工程實(shí)踐基礎(chǔ)之上，尚缺少相應(yīng)的理論研究和較為權(quán)威的研究結(jié)果。

4 影響螺旋輸送機(jī)排土及保壓的因素

螺旋輸送機(jī)的排土效率和壓力穩(wěn)定直接關(guān)系到土壓平衡盾構(gòu)高效和安全施工，此問(wèn)題的解決需從渣土性質(zhì)和機(jī)械性能2個(gè)方面共同考慮。

4．1 渣土性質(zhì)影響

渣土性質(zhì)對(duì)螺旋輸送機(jī)的排土、保壓及土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)均有直接的影響，且相互之間均有聯(lián)系;因此，討論渣土性質(zhì)的影響不僅限于螺旋輸送機(jī)，而將其擴(kuò)展至整個(gè)盾構(gòu)掘進(jìn)，同時(shí)對(duì)目前的渣土改良措施進(jìn)行介紹。

4．1．1 不同土層渣土特點(diǎn)

目前，我國(guó)盾構(gòu)掘進(jìn)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(nèi)摩擦角小、易流動(dòng)、滲透系數(shù)小，無(wú)論是在土倉(cāng)內(nèi)的壓力傳遞還是在螺旋輸送機(jī)內(nèi)的輸送過(guò)程均較為順暢。2)砂性土內(nèi)摩擦角大、流動(dòng)性差、滲透系數(shù)大，在土倉(cāng)內(nèi)擠壓后容易結(jié)塊，排土困難。在螺旋輸送機(jī)內(nèi)，由于其較大的滲透系數(shù)，當(dāng)開(kāi)挖面水壓較高時(shí)，在排土口閘門處易發(fā)生噴涌，在施工時(shí)必須分別采取針對(duì)性措施及時(shí)處理盾構(gòu)設(shè)備和渣土。3)砂卵石地層滲透系數(shù)大、膠結(jié)差、卵石含量高、單個(gè)卵石強(qiáng)度高，在施工中需要解決的核心問(wèn)題是土壓平衡建立、設(shè)備減磨和防噴涌問(wèn)題。針對(duì)其特殊情況，在施工中采取了加入泡沫、膨潤(rùn)土以及采用雙螺旋輸送機(jī)等措施，確保其正常施工。

4．1．2 盾構(gòu)順利掘進(jìn)時(shí)渣土需滿足的要求

由4．1．1分析可知，無(wú)論土壓平衡盾構(gòu)在何種地層施工，都要使開(kāi)挖下來(lái)的渣土呈塑性流動(dòng)狀態(tài)，且具有一定的止水性，以充滿土倉(cāng)來(lái)控制掘進(jìn)面的穩(wěn)定;同時(shí)利用螺旋輸送機(jī)來(lái)調(diào)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(xué)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(gè)方面特征:不易固結(jié)排水(不易“結(jié)餅”)、處于流塑狀態(tài)(易于應(yīng)力傳遞、易于攪拌和傳輸、不易“閉塞”)和具有不透水性(不發(fā)生“噴涌”)。在滿足或基本滿足上述條件后，盾構(gòu)的開(kāi)挖和排土才能夠順利進(jìn)行［11］。

4．1．3 目前的渣土改良方法

為滿足盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)渣土性質(zhì)的要求，土壓平衡盾構(gòu)配置了泡沫和膨潤(rùn)土注入系統(tǒng)。泡沫及膨潤(rùn)土系統(tǒng)示意圖如圖7所示。

圖7 泡沫及膨潤(rùn)土系統(tǒng)示意圖Fig．7 Foaming system and bentonite injection system

在盾構(gòu)掘進(jìn)中遇到不易形成塑性流動(dòng)狀態(tài)的土層時(shí)，通過(guò)本系統(tǒng)向刀盤、土倉(cāng)和螺旋輸送機(jī)內(nèi)注入添加材料來(lái)改良土體狀態(tài)，使其達(dá)到利于施工要求的狀態(tài)。目前主要添加材料有膨潤(rùn)土和泡沫。

注入膨潤(rùn)土的目的是補(bǔ)充微粒和細(xì)粒成分，使土倉(cāng)內(nèi)土體的內(nèi)摩擦角減小，促使其在土壓作用下發(fā)生變形和破壞，使渣土流動(dòng)性和止水性均有一定的提高。其濃度和注入量，可根據(jù)粒度級(jí)配計(jì)算。礦物類改良材料的適用土質(zhì)范圍寬、價(jià)格低廉，在土壓平衡盾構(gòu)施工中被廣泛應(yīng)用。

泡沫材料的實(shí)質(zhì)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(chǎn)生的氣泡及開(kāi)挖土混合后，可達(dá)到改良開(kāi)挖土體流動(dòng)性和透水性的目的。泡沫材料是目前土壓平衡盾構(gòu)各種添加材料中最為先進(jìn)的一種，但價(jià)格相對(duì)較高。

4．2 螺旋輸送機(jī)自身因素影響

4．2．1 螺旋輸送機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)排土效率影響

由于設(shè)備空間的限制，土壓平衡螺旋輸送機(jī)結(jié)構(gòu)中能夠調(diào)整的主要有2個(gè)部分:一是螺桿形式，包括帶式和軸式;二是螺旋輸送機(jī)直徑。調(diào)整時(shí)，一方面從螺旋輸送機(jī)能夠輸送的最大粒徑角度考慮，另一方面從螺旋輸送機(jī)的出土效率考慮，需根據(jù)盾構(gòu)穿越地層情況和出土效率綜合比選。2種螺旋輸送機(jī)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(nèi)徑。

圖8為軸式和帶式螺旋輸送機(jī)排出大粒徑卵石的示意圖。由圖可知，帶式螺旋輸送機(jī)在輸送粒徑卵石方面有更強(qiáng)的適應(yīng)性。在無(wú)水砂卵石地層，帶式螺旋輸送機(jī)得到了很好的應(yīng)用。

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

另外，由排土量計(jì)算式(1)—(3)可知，為增加螺旋輸送機(jī)的排土效率，可以增加螺旋輸送機(jī)直徑，但由于盾構(gòu)設(shè)備空間的限制，現(xiàn)有的螺旋輸送機(jī)直徑一般在0．6～0．9 m調(diào)整。盾構(gòu)外徑與螺旋輸送機(jī)直徑及輸送礫石直徑的關(guān)系，如表1所示。

表1 盾構(gòu)外徑與螺旋直徑及輸送礫石直徑關(guān)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(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)保壓效果影響

土倉(cāng)壓力主要依靠渣土在螺旋輸送過(guò)程中逐漸抵消。由螺旋輸送機(jī)自身結(jié)構(gòu)可知，增加渣土在輸送過(guò)程中的壓降方式主要有3種。

1)減小螺距。減小螺旋輸送機(jī)螺旋片螺距，增大螺旋輸送槽的長(zhǎng)度，以加長(zhǎng)渣土在螺旋輸送機(jī)內(nèi)的輸送長(zhǎng)度，增加螺旋輸送過(guò)程中的壓降。但根據(jù)螺旋輸送機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，螺距與螺旋輸送機(jī)和螺桿的直徑相關(guān)，且直接關(guān)系出土效率，在實(shí)踐中較少使用。

2)采用間斷式螺桿。把螺旋輸送機(jī)的螺旋片分為前后不連續(xù)的兩段，使渣土運(yùn)動(dòng)至兩段螺旋葉片之間時(shí)，葉片不再提供向前的動(dòng)力，僅能依靠后方的渣土向前推動(dòng)，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(jiàn)圖9)。此類螺旋輸送機(jī)從構(gòu)造上看，比較容易在中間段形成壓密的“土塞”，在國(guó)內(nèi)有所使用，但其保壓抗水效果尚缺少明確的研究結(jié)論。

圖9 間斷式螺桿Fig．9 Discontinuous screw

3)采用雙螺旋輸送機(jī)。在單級(jí)螺旋輸送機(jī)的基礎(chǔ)上再增加一級(jí)螺旋輸送器，每級(jí)螺旋輸送器具備獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這樣既可聯(lián)動(dòng)控制也可每級(jí)獨(dú)立操作。利用兩段螺旋之間的空腔和不同的螺旋轉(zhuǎn)速來(lái)形成土塞效應(yīng)，從而能有效增大前方抵抗壓力的能力。在雙螺旋輸送機(jī)結(jié)構(gòu)中，兩段螺旋輸送機(jī)的螺距相同，并且均可單獨(dú)控制。正常情況下，兩段螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速相同，在兩段螺旋間不積聚渣土，可以正常出渣。當(dāng)土倉(cāng)壓力過(guò)大或土偏稀可能發(fā)生噴涌時(shí)，可以對(duì)兩段螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，使后端的螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速小于前端。由于前端螺旋輸送機(jī)輸出的渣土多于后端螺旋輸送機(jī)，渣土很快在兩段螺旋輸送機(jī)間積聚形成土塞，從而能有效地防止噴涌。

目前，國(guó)內(nèi)外土壓平衡盾構(gòu)采用雙螺旋輸送器的連接形式主要有對(duì)接、搭接和間斷3種(對(duì)接和搭接的形式見(jiàn)圖10［12］)。在工程實(shí)踐中應(yīng)用較多的是搭接形式，對(duì)接和間斷方式由于其在輸送渣土過(guò)程中容易被卡而未被使用。

圖10 二次螺旋輸送機(jī)結(jié)構(gòu)形式Fig．10 Structure of secondary screw conveyor

5 結(jié)論與討論

1)盾構(gòu)掘進(jìn)施工時(shí)的土壓平衡包括土倉(cāng)內(nèi)外的壓力平衡和土倉(cāng)內(nèi)進(jìn)土量與出土量的平衡。力的平衡依靠量的平衡來(lái)實(shí)現(xiàn)，量的平衡依靠螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速與盾構(gòu)掘進(jìn)速度的匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體是通過(guò)螺旋輸送機(jī)排土量的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)上述的平衡狀態(tài)。

2)渣土進(jìn)入螺旋輸送機(jī)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(cāng)內(nèi)的水土壓力，保持出渣過(guò)程中的穩(wěn)定性。當(dāng)?shù)貙訚B透性較大、水頭較高時(shí)，螺旋輸送機(jī)內(nèi)的渣土變稀或結(jié)構(gòu)破壞從而導(dǎo)致失穩(wěn)，可能發(fā)生噴涌事故。

3)渣土性質(zhì)對(duì)螺旋輸送機(jī)的排土和保壓效果有較大的影響，理想的渣土應(yīng)滿足不易固結(jié)排水、處于流塑狀態(tài)和具有不透水性3個(gè)條件。目前工程上主要通過(guò)向刀盤前方和土倉(cāng)內(nèi)添加泡沫和膨潤(rùn)土的方法對(duì)渣土狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，從而提高排土效率和增加保壓效果。

4)從螺旋輸送機(jī)結(jié)構(gòu)本身而言，可從減小螺旋輸送機(jī)螺旋片螺距、采用間斷式螺桿或雙螺旋輸送機(jī)3個(gè)方面進(jìn)行改造，從而增加保壓效果。

目前，土壓平衡盾構(gòu)承擔(dān)著90%以上的城市地鐵和市政隧道的建設(shè)任務(wù)，在建設(shè)中將會(huì)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(jìn)時(shí)，需在渣土改良和螺旋輸送機(jī)2個(gè)方面采取應(yīng)對(duì)措施。目前渣土改良技術(shù)相對(duì)較為成熟，而對(duì)螺旋輸送機(jī)在其中的作用的關(guān)注還不夠(雖然也有一定的研究，但在工程實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)積累方面還相對(duì)薄弱)。這需要進(jìn)行更多的創(chuàng)新嘗試，通過(guò)對(duì)螺旋輸送機(jī)設(shè)備的不斷改進(jìn)與渣土改良技術(shù)的良好配合，進(jìn)一步擴(kuò)展土壓平衡盾構(gòu)的適用范圍，確保其在富水地層的安全高效掘進(jìn)。

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