土壓平衡盾構(gòu)機(jī)渣土開挖運(yùn)輸系統(tǒng)

梁 龍

（北方重工集團(tuán)有限公司隧道裝備設(shè)計(jì)研究所，遼寧 沈陽 110020）

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)是一種施工快速、安全、環(huán)保的隧道掘進(jìn)專用工程機(jī)械設(shè)備。土壓平衡盾構(gòu)機(jī)顧名思義，重要的是維持土壓平衡，通過對(duì)盾構(gòu)機(jī)土艙內(nèi)渣土開挖運(yùn)輸速度的控制實(shí)現(xiàn)土壓平衡，維護(hù)開挖面的穩(wěn)定。

1 渣土開挖運(yùn)輸系統(tǒng)

渣土開挖運(yùn)輸系統(tǒng)是土壓平衡盾構(gòu)機(jī)實(shí)現(xiàn)土壓平衡的重要系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)主要包含刀盤、螺旋輸送機(jī)、皮帶輸送機(jī)三個(gè)關(guān)鍵部件。渣土開挖運(yùn)輸系統(tǒng)的工作過程是刀盤開挖下來的渣土通過刀盤的開口進(jìn)入土艙，在土艙內(nèi)根據(jù)地質(zhì)情況進(jìn)行必要的渣土改良，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸推動(dòng)隧道管片產(chǎn)生反作用力使盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)，油缸的推力通過隔板對(duì)土艙內(nèi)進(jìn)行加壓，產(chǎn)生水土壓力，這一壓力作用于整個(gè)開挖面使其保持穩(wěn)定，刀盤切削下來的渣土量與螺旋輸送機(jī)向外輸送量相平衡，維持土艙內(nèi)壓力穩(wěn)定在預(yù)定的范圍內(nèi)，螺旋輸送機(jī)排出的渣土通過皮帶輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)皆淋嚿希罱K運(yùn)送到隧道外。如果開挖面的壓力大于土艙壓力，就會(huì)出現(xiàn)地面坍塌，如果土艙壓力大于開挖面的壓力，就會(huì)出現(xiàn)地面隆起，所以在操作盾構(gòu)機(jī)時(shí)必須嚴(yán)格監(jiān)測(cè)控制土艙壓力，避免出現(xiàn)不平衡的情況，一般情況下，盾構(gòu)操作人員會(huì)保持掘進(jìn)速度不變，通過改變螺旋輸送機(jī)的渣土排出的速度來保持土艙內(nèi)的壓力平衡。下面通過四個(gè)方面對(duì)渣土開挖運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的闡述和分析。

1.1 刀盤

刀盤是盾構(gòu)機(jī)的渣土切削部件，通過盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)，刀盤刀具切削隧道土體，對(duì)土體進(jìn)行開挖，渣土通過刀盤開口進(jìn)入土艙，刀盤的攪拌棒對(duì)進(jìn)入土艙的渣土進(jìn)行攪拌，使渣土具有一定的塑性流動(dòng)性，便于渣土排出土艙，同時(shí)刀盤對(duì)開挖面還具有支撐作用，穩(wěn)定開挖面。

圖1 渣土開挖運(yùn)輸系統(tǒng)

圖2 刀盤

刀盤的主體結(jié)構(gòu)是根據(jù)工程地質(zhì)情況進(jìn)行設(shè)計(jì)的，主要分為輻條式和面板式兩類，輻條式刀盤的主體由鋼板焊接而成，僅為幾根輻條，開口率較大，正面與背面焊接耐磨板，保護(hù)刀盤主體結(jié)構(gòu)，刀盤正面安裝刮刀、撕裂刀等刀具，主要用于軟土地層，渣土流動(dòng)性好，不易結(jié)泥餅；面板式刀盤的主體由鋼板焊接而成，開口率較小，刀盤與土體接觸面積大，需要焊接大量耐磨板，面板上安裝滾刀、刮刀等道具，主要用于軟硬不均或硬巖地層，破巖能力強(qiáng)，對(duì)開挖面支撐能力強(qiáng)，換刀安全性高。

刀盤刀具是刀盤開挖土體的利刃，主要包括滾刀、刮刀等，根據(jù)工程地質(zhì)情況在刀盤上配備，各種刀具在刀盤上有不同的高度、半徑及角度，確保覆蓋整個(gè)刀盤面板范圍。滾刀主要由刀圈、刀體、刀軸及軸承等，在推力和轉(zhuǎn)矩的作用下，推力使刀圈壓入巖體，轉(zhuǎn)矩使刀圈滾動(dòng)巖體，通過滾刀對(duì)巖體的擠壓和剪切使巖體發(fā)生破碎；刮刀是由刀座、刀體和刀刃三部分組成，在推力的作用下，刀刃嵌入土層或巖層中，刀盤帶動(dòng)刀具轉(zhuǎn)動(dòng)切削巖層，在開挖面形成一環(huán)環(huán)犁溝，特點(diǎn)是效率高，刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)阻力大。

1.2 螺旋輸送機(jī)

螺旋輸送機(jī)是盾構(gòu)機(jī)主機(jī)內(nèi)渣土運(yùn)輸、維持土壓平衡的重要部件，盾構(gòu)機(jī)工作時(shí)，螺旋輸送機(jī)插入土艙內(nèi)，通過螺旋桿旋轉(zhuǎn)將土艙內(nèi)的渣土向外排出運(yùn)送到皮帶輸送機(jī)上，渣土在向外排出的過程中形成密封土塞，阻止土體中的水分流失，維持土艙內(nèi)的壓力穩(wěn)定，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，在維持掘進(jìn)速度不變的情況下，通過改變螺旋輸送機(jī)旋轉(zhuǎn)速度來控制土艙內(nèi)的壓力，維持土壓平衡。

圖3 螺旋輸送機(jī)

螺旋輸送機(jī)主要由螺旋桿、可伸縮的筒體、驅(qū)動(dòng)裝置及排渣門組成。螺旋桿為焊接結(jié)構(gòu)，通過旋轉(zhuǎn)將刀盤切削下來的渣土排出，是螺旋輸送機(jī)排出渣土的主要部分；可伸縮的筒體的主體結(jié)構(gòu)是鋼板焊接結(jié)構(gòu)，通過油缸連接實(shí)現(xiàn)筒體的伸縮，在盾構(gòu)機(jī)工作時(shí)，筒體伸出，螺旋輸送機(jī)伸入土艙內(nèi)進(jìn)行向外排渣作業(yè)，在遇到緊急情況盾構(gòu)機(jī)停機(jī)時(shí)，筒體縮回，安全門關(guān)閉，使土艙與盾構(gòu)機(jī)主機(jī)隔絕，避免意外發(fā)生；驅(qū)動(dòng)裝置由液壓馬達(dá)、減速機(jī)、軸承及驅(qū)動(dòng)軸等組成，螺旋輸送機(jī)工作時(shí)為螺旋桿旋轉(zhuǎn)排渣提供動(dòng)力，液壓驅(qū)動(dòng)安全、穩(wěn)定、可靠，易于維護(hù)；排渣門是鋼制加工裝配件，是螺旋輸送機(jī)渣土排出的部分，在盾構(gòu)機(jī)發(fā)生緊急情況或停機(jī)時(shí)，排渣門關(guān)閉，保證人員和設(shè)備的安全，遇到水壓較高，易發(fā)生噴涌的地層中，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選用雙排渣門結(jié)構(gòu)，安全系數(shù)更高。

螺旋輸送機(jī)在盾構(gòu)機(jī)工作時(shí)運(yùn)動(dòng)頻繁，極易發(fā)生磨損，盡管采用了多種耐磨設(shè)計(jì)，也只能減緩磨損的進(jìn)程，而不能徹底避免磨損，所以在盾構(gòu)機(jī)再制造時(shí)，必須對(duì)螺旋輸送機(jī)進(jìn)行檢測(cè)和修復(fù)。

1.3 皮帶輸送機(jī)

皮帶輸送機(jī)是盾構(gòu)機(jī)后配套渣土運(yùn)輸?shù)闹匾考惭b時(shí)將皮帶輸送機(jī)布置在連接橋和拖車上，在減速電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，將螺旋輸送機(jī)運(yùn)來的渣土運(yùn)送到渣土車內(nèi)，皮帶輸送機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)的運(yùn)輸能力需滿足螺旋輸送機(jī)最大的出渣量要求。

皮帶輸送機(jī)由支架、滾筒、托輥、擋輥、張緊裝置、清掃器、減速電機(jī)等組成，這些裝置可以有效防止皮帶工作時(shí)跑偏、打滑、泥土殘留堆積，并配有跑偏開關(guān)、測(cè)速開關(guān)、急停開關(guān)、電子皮帶秤等，對(duì)皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)全方位監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題解決問題，避免意外發(fā)生。

1.4 渣土改良

渣土改良是保證土壓平衡盾構(gòu)機(jī)渣土正常開挖運(yùn)輸、維持土艙土壓平衡的重要措施，尤其在復(fù)雜地層和特殊地層起到重要作用，渣土改良的目的是提高渣土塑性流動(dòng)性和止水性，有利于渣土從土艙中排出，控制地下水流失；使渣土具有良好的土壓平衡效果，有利于穩(wěn)定開挖面，控制地表隆起或沉降；改良渣土粘度，防止刀盤面板產(chǎn)生泥餅，影響刀盤開口率；防止螺旋輸送機(jī)工作時(shí)發(fā)生噴涌現(xiàn)象，對(duì)人員和設(shè)備產(chǎn)生危害；降低刀盤和螺旋輸送機(jī)工作時(shí)的扭矩，進(jìn)而減小渣土對(duì)刀盤刀具和螺旋輸送機(jī)的磨損，從而延長盾構(gòu)機(jī)的壽命。

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)渣土改良是通過泡沫注入系統(tǒng)、膨潤土注入系統(tǒng)、聚合物注入系統(tǒng)一個(gè)或多個(gè)共同作用完成的。泡沫注入系統(tǒng)是泡沫原液與水通過一定比例混合，利用壓縮空氣在泡沫發(fā)生器內(nèi)形成泡沫，再通過泡沫管注入到刀盤開挖面、土艙內(nèi)以及螺旋輸送機(jī)內(nèi)進(jìn)行渣土改良，泡沫是目前最常用的渣土改良材料并且十分環(huán)保，殘留很低；膨潤土注入系統(tǒng)通過膨潤土泵將膨潤土注入土艙內(nèi)和盾體外圓側(cè)，增加土艙內(nèi)渣土的細(xì)顆粒比例，使渣土具有良好的流動(dòng)性和止水性；聚合物注入系統(tǒng)常用于含水較豐富的地層，工作時(shí)將聚合物注入土艙和螺旋輸送機(jī)內(nèi)，減少水土分離，增加渣土的可排性。

渣土改良是渣土開挖運(yùn)輸系統(tǒng)的潤滑劑，是刀盤、螺旋輸送機(jī)、皮帶輸送機(jī)正常運(yùn)行的關(guān)鍵保障。

2 結(jié)語

括而言之，渣土開挖運(yùn)輸系統(tǒng)是土壓平衡盾構(gòu)機(jī)渣土開挖、渣土運(yùn)輸、實(shí)現(xiàn)土壓平衡的重要系統(tǒng)，刀盤、螺旋輸送機(jī)和皮帶輸送機(jī)共同配合作用，渣土改良進(jìn)行輔助支持，實(shí)現(xiàn)渣土開挖運(yùn)輸穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。未來進(jìn)一步優(yōu)化渣土開挖運(yùn)輸系統(tǒng)，提升施工效率和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是盾構(gòu)行業(yè)向前發(fā)展的重要一步，在隧道工程建設(shè)中具有非凡的意義。