李新偉

（中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001)

1 工程概況

都四山地軌道交通項(xiàng)目DSZQ-1 標(biāo)線(xiàn)路全長(zhǎng)8.569km，共3 站2 區(qū)間。其中永豐站-蒲陽(yáng)站區(qū)間：隧道長(zhǎng)度為3 266m，隧道結(jié)構(gòu)底板埋深約19.115～32.915m。區(qū)間平面最小轉(zhuǎn)彎半徑R=350m，最大坡度為1.7753%。地下水一般埋深為1.8～12.5m。如圖1 所示，隧道洞身主要穿越：<8-3-1>含礫粉質(zhì)黏土、<3-12-3>卵石土（中密)，少量<3-13-1>漂石土、<9-5>礫巖巖塊（中風(fēng)化)，地層局部夾有<8-5-2>中砂、<3-9-1>中砂、<8-4-2>細(xì)砂。<3-12-3>卵石土（中密)卵石含量約占50%，粒徑20～150mm。直徑200～800mm 的漂石占比6%～10%；直徑800～1 200mm 的漂石占比1%，卵石抗壓強(qiáng)度53.1～112.4MPa。礫巖巖塊單軸抗壓強(qiáng)度50～120MPa，長(zhǎng)度40～50m。

圖1 卵石層含量分布圖

2 帶式螺旋輸送機(jī)設(shè)計(jì)選型

螺旋輸送機(jī)根據(jù)螺旋軸樣式可分為軸式和帶式兩類(lèi)，具體區(qū)別：若螺旋軸由螺旋葉片焊接一根圓形鋼管制成，則為軸式；若螺旋軸僅為單獨(dú)螺旋葉片焊接，則為帶式螺旋軸。軸式與帶式螺旋輸送機(jī)的輸送顆粒最大粒徑分別為H1≤0.35D；H2≤0.6D（卵石粒徑表示為H，螺機(jī)內(nèi)徑表示為D)，不難得出，帶式相較于軸式在大粒徑卵石的輸送上適應(yīng)性更佳。

2.1 螺旋機(jī)閘門(mén)及添加劑注入設(shè)計(jì)

為有效緩解噴涌壓力，螺旋機(jī)的出口處設(shè)計(jì)了2 個(gè)閘門(mén)（圖2)，交替開(kāi)放。當(dāng)螺旋機(jī)檢修時(shí)，螺旋葉片會(huì)經(jīng)由螺旋機(jī)伸縮結(jié)構(gòu)縮進(jìn)筒體內(nèi)，而為防止檢修時(shí)發(fā)生噴涌現(xiàn)象，前端閘門(mén)也會(huì)進(jìn)行關(guān)閉；為防止螺旋機(jī)噴碴壓力過(guò)高，將設(shè)計(jì)膨潤(rùn)土、泡沫劑或高分子聚合物的注射接口于螺旋機(jī)筒壁上（圖3)，用以在所需時(shí)及時(shí)注入膨潤(rùn)土、泡沫劑或高分子聚合物，以緩解壓力。

圖2 雙閘門(mén)設(shè)計(jì)

圖3 添加劑注入裝置

2.2 主要?jiǎng)恿ε渲?/h3>

為控制對(duì)土層的擾動(dòng)，減少地層損失，螺旋機(jī)的3 臺(tái)低速大扭矩的液壓馬達(dá)由4 臺(tái)變量泵驅(qū)動(dòng)，在慢速推進(jìn)時(shí)只啟動(dòng)2 臺(tái)變量泵，達(dá)到慢速掘進(jìn)的要求，可以滿(mǎn)足5mmmin左右推進(jìn)速度。

2.3 耐磨設(shè)計(jì)

將螺旋葉片整體均做好耐磨處理，以提升耐磨性能（圖4)；螺機(jī)筒體內(nèi)部整體做好10mm 厚耐磨層（圖5)，并在螺旋機(jī)外筒體底部進(jìn)行耐磨鋼板貼附，以提升耐磨性能。

圖4 螺帶耐磨設(shè)計(jì)

圖5 螺旋筒耐磨處理

2.4 螺旋機(jī)控制設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制主要分為：螺旋機(jī)初期控制、螺旋機(jī)土壓控制為滿(mǎn)足盾構(gòu)推進(jìn)相關(guān)規(guī)范要求，將選用PID 控制模式進(jìn)行土壓控制，根據(jù)多種重要參數(shù)科學(xué)操控螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速，諸如土壓設(shè)定值、土壓測(cè)量值、螺旋機(jī)的控制值等，以保障推進(jìn)速率、排土量及土壓的穩(wěn)定。

3 帶式螺旋機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)及改進(jìn)措施

3.1 優(yōu)點(diǎn)

帶式螺旋機(jī)相較于軸式螺旋，對(duì)渣土的運(yùn)輸效率更大，大粒徑卵石通過(guò)性增強(qiáng)，不易卡螺旋，基于都四項(xiàng)目掘進(jìn)情況而言，由帶式螺旋帶出最大卵石粒徑近1 000mm。滿(mǎn)足“以排為主，已破為輔”的設(shè)計(jì)理念；帶式螺旋螺帶具有一定的柔韌性，不易像軸式螺旋一樣卡機(jī)時(shí)由于剛性連接直接憋斷螺旋軸，從而造成大的機(jī)械事故。

3.2 缺點(diǎn)

帶式螺機(jī)無(wú)軸螺旋中間通道較大，無(wú)法有效地形成土塞效應(yīng)，極易造成渣土的噴涌；帶式螺旋對(duì)渣土的改良效果極其依賴(lài)，渣土改良稍微不良，極易渣土噴涌，壓死皮帶輸送機(jī)，從而耽誤掘進(jìn)進(jìn)度。

3.3 改進(jìn)措施

針對(duì)帶式螺旋機(jī)易噴涌的特性，選取螺旋機(jī)中全段3m 范圍的葉片進(jìn)行改進(jìn)（圖6)，將螺旋葉片中間孔洞進(jìn)行縮進(jìn)，加焊耐磨塊，根據(jù)改進(jìn)后的掘進(jìn)情況，在不大幅度降低螺旋機(jī)通過(guò)性的情況下，縮進(jìn)一部分螺旋葉片，能有效地減少渣土噴涌現(xiàn)象，增強(qiáng)大粒徑富水砂卵石地層的掘進(jìn)連續(xù)性。

圖6 螺旋針對(duì)性改造

4 帶式螺旋輸送機(jī)應(yīng)用情況

針對(duì)在大卵石地層里土壓平衡盾構(gòu)的掘進(jìn)工作，考慮到其盾構(gòu)推力與扭矩大，刀具耗損速度快，為提高效率，節(jié)約成本，需科學(xué)選取適宜的掘進(jìn)參數(shù)。都四山地軌道交通項(xiàng)目帶式螺旋運(yùn)輸機(jī)在其中參數(shù)：平均轉(zhuǎn)速2～10rpm，主要集中在2～7rpm；平均扭矩26～82bar，主要集中在40～70bar。以國(guó)內(nèi)某選擇軸式螺旋輸送機(jī)工程在相鄰區(qū)域隧道的掘進(jìn)作業(yè)為例，將帶式與軸式螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行對(duì)比可知，相較于軸式輸送機(jī)，帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)速與扭矩顯著降低，證明了其在大卵石地層條件下運(yùn)輸效率方面具有比軸式運(yùn)輸機(jī)器更好的傳輸效率。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)帶式螺旋機(jī)在都四山地項(xiàng)目的研究與應(yīng)用，可以得出同處大卵石地層下，帶式螺旋輸送機(jī)相較于軸式螺旋輸送機(jī)的適應(yīng)性更佳，具有諸如輸送卵石粒徑更大、出渣能力更強(qiáng)、故障率更低等種種優(yōu)勢(shì)，為盾構(gòu)在大粒徑富水砂卵石地層的掘進(jìn)提供有效支撐。