吴伟才;曲林君
【摘 要】对成都轨道交通17号线工程TJ05A标φ8580复合式土压平衡盾构机所用的有轴式螺旋机主参数进行分析,阐述了盾构机开挖面出土能力、螺旋机设计长度以及螺旋升角等参数确定方法,通过调节螺旋机转速与闸门开口率控制土仓压力及出土量,保证盾构掘进过程中,开挖面保持压力平衡,促进施工平稳掘进. 【期刊名称】《现代制造技术与装备》 【年(卷),期】2019(000)003 【总页数】2页(P81-82)
【关键词】土压平衡;螺旋输送机;转速调节;排土能力 【作 者】吴伟才;曲林君
【作者单位】中交第二航务工程局有限公司 工程装备分公司,武汉 430014;中交第二航务工程局有限公司 工程装备分公司,武汉 430014 【正文语种】中 文
随着地铁及轻轨等交通方式的迅速发展，各地地质情况及适应工况均有所差异，对盾构机的设计要求也越来越高。成都轨道交通17号线工程TJ05A标盾构穿越的地层均为富水砂卵石地层，该地层主要含中密卵石土和密实卵石土，卵石质量达70%以上。螺旋输送机作为土压盾构机渣土输送系统的重要组成部分的，必须要具有较好地排出卵石功能，螺旋叶片需有较高强度和耐磨性。螺旋机在盾体内呈一
定角度地安装于土仓底部，长度贯穿于整个盾体，其作用是有效地进行排出弃土，并控制开挖面压力平衡，保证掘进施工正常运行。 1 螺旋机结构形式及主要设计参数
螺旋机主要由圆筒状壳体、螺旋体、前后出土口闸门和液压驱动系统等组成。其中，螺旋体由螺杆和螺旋叶片组成，叶片上安装有耐磨板。设计时主要考虑螺旋机整体长度、转速以及排土能力。盾构机进行开挖时，刀盘切削的渣土通过刀盘开口空隙进入土仓，然后经过螺旋机旋转，从土仓底部进入螺旋体叶片间隙内，通过调节螺旋机转速来平衡进渣量与排渣量，实现土仓土压平衡。因而研究并确定螺旋机的主要参数及控制方法，对盾构掘进过程中地表沉降控制具有极为重要的意义。螺旋机螺旋体结构简图如图1所示。 2 螺旋机主要参数的确定
根据成都轨道交通17号线工程TJ05A标设计要求，中交二航局所采用3台新制φ8580土压平衡盾构机进行作业，其开挖面直径D为8634mm，设计的最大推进速度Vmax=60mm/min。 2.1 螺旋体尺寸设定 2.1.1 长度确定
螺旋机长度设计主要考虑两个方面的因素：首先，满足盾构机内部空间布置要求，避免与盾体内各部件发生碰撞，且螺旋机设计安装角度定为23°；其次，沿轴节距方向压降，假定后出土口闸门压力降为0bar。
土仓内的渣土，通过螺旋机进行排除。假定每经过一个节距压降是相同的，根据经验得知，压降与渣土液体含量有直接关系，一般在0.24～0.3bar范围内，取0.3bar；开挖面设计最大压力为5bar。最少为5/0.3=16.6bar，取节距数为18.5，且最后一个节距要根据闸门出土口长度来确定，本文设计中，最后一节节距取920mm，闸门最大开度为1100mm；根据勘探，项目线路最大粒径尺寸为
610mm×404mm，节距按最大尺寸的1.1倍计算，可得节距为671mm，取P为670mm。螺杆主体长度为所有节距之和，为12645mm。闸门出土口后端还设置有1/2～1圈的反向螺旋片，其目的是防止物料堵塞端部。 2.1.2 螺旋升角的确定
螺旋升角θ与叶片平均直径dx及节距P有关，平均直径dx与叶片外径d1及螺杆直径d2有关，具体关系式如式（1）、式（2）所示。 图1 螺旋体的结构简图
式中，片外径d1为1070mm；螺杆直径d2为273mm。可计算得叶片平均直径dx为750.3mm，螺旋升角θ为15.867°。 2.2 转速的设定
螺旋机转速与盾构机掘进推进速度有关系，与刀盘转速无关，同时还受刀盘开挖面压力制约。根据开挖面压力以及变频无级调节来保持开挖面压力平衡。转速通过以下步骤进行设定。
首先，将盾构机调节至开挖模式，掘进速度V必须要在刀盘前方掌子面稳定前提下根据压力需求进行设置。考虑掘进过程中的突发情况，还需储备足够动力。 其次，螺旋机转速与土体松散系数、最大推进速度、机械效率、开挖面直径、节距以及螺旋机筒壁内径有关，具体关系式如式（3）所示。
式中，K1为最终松散系数，取1；K2为最初松散系数，取1.5。螺旋机筒壁内径D2为1080mm；η为螺旋机的机械效率，一般为0.4～0.6，取0.4。代入上式可得15.3r/min≤Nx≤22.9r/min。
取最大值20r/min，配合变频调节装置能够实现0～20r/min范围内无级调节，与掘进速度相匹配，保证开挖面压力平衡。当调整螺旋机转速不能使得土仓内压力达
到设定要求时，应调整盾构机推进速度。 2.3 排土能力设计
螺旋机排土能力设计要小于开挖土能力，另外还需考虑原始土方开挖后的松散系数。通过调节土仓内渣土压力来平衡土压力和水压力，保持渣土流动性和止水性，进而控制盾构机开挖面稳定。理论出土能力计算方法如式（4）所示。 Q1=K×S×Vmax （4）
式中，K为渣土松散系数，取1.5；S为开挖面面积，土仓注入物质量按开挖量的10%计算，则最大出土量Q1计算后为5.8m3/min。
螺旋机的排土能力和渣土填充系数、螺旋缸筒内壁直径、螺杆直径、叶片节距以及最大转速有关。理论上，排土能力计算方法如式（5）所示。
式中，α为渣土填充系数，取0.6；最大排土量Q2计算后为7.2m3/min。螺旋机排土能力为450m3/h，满足使用要求。 3 螺旋机的控制方式
螺旋机为带轴型悬臂式结构，螺杆后方为轴承支承，并通过小齿轮和齿圈将旋转力从液压马达传递到螺旋轴上。螺旋机可进行正、反双向旋转，其中反转多在扭矩过大或卡死状态下使用；正常排土时，使用正转方式。
螺旋机控制主要有转速调节和出土口闸门开度调节两种方法。前盾承压隔板上布置有四个土压传感器，分别测量土仓内上、下、左、右四个方位的土压力；螺旋机上也安装了两个压力传感器，用以测量螺旋机内的压降；出土口闸门由主、副双重闸门组成，主闸门上装有液压储能器，在停电情况下，通过操作阀门，可关闭闸门。 螺旋机转速可通过操作盘上的流量开关进行调节。手动模式下，根据出土口排渣情况，调节闸门开度，控制排渣量和出渣速度。
自动模式下，压力值设定变化范围为±0.1bar，当变化值在±0.1bar范围内时，转
速不变；当超过此范围时，就要进行转速调节。需要注意的是，当调节为低速时，要同时操作车架驾驶座处的流量控制阀。螺旋机转速调节是个非常复杂的过程，多与地质条件以及操作者经验有关，有时需要同时采取手动调节和自动调节两种方法进行调节，以确保开挖面压力平衡。 4 结语
影响螺旋机设计参数及控制的因素较多，特别是与地质复杂情况有着密切联系。因此，相关技术人员应采取合理参数设计及控制方式，使得螺旋机排渣能力与开挖面压力平衡相适应，保证隧道开挖面稳定。同时，合理的参数设计及控制也是盾构正常施工的有力技术保障。 参考文献
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