土压平衡盾构带式螺旋输送机的设计与应用.pdf

1 土压平衡盾构带式螺旋输送机的设计与应用 章龙管 11 排 8 号 （中铁隧道装备制造有限公司，河南郑州，450016） 摘摘 要要：螺旋输送机是土压平衡盾构的重要组成部分，带式螺旋输送机有着输送卵石粒径大、输送效率高 的优点，本文介绍了带式螺旋输送机的设计、制造及应用情况，通过施工现场的成功应用，得出了带式螺 旋输送机更适应于北京大卵石地层盾构施工的结论，可供类似工程参考。 关键词关键词：土压平衡盾构；带式螺旋输送机；研制；应用 0 引言 21 世纪是地下空间的世纪，随着国民经济的快速发展，我国城市化进程不断加快，今 后相当长的时期内，国内的城市地铁隧道、水工隧道、越江隧道、铁路隧道、公路隧道、市 政管道等隧道工程将需要大量的盾构。 土压平衡盾构以其地层适应性强、机械化程度高、施工速度快、地表沉降控制好等优点 在盾构领域中占据统治地位， 并得到了越来越广泛的应用。 螺旋输送机是土压平衡盾构的重 要组成部分，它不仅具有排出土仓内渣土的作用，还可以通过调节螺旋输送机的转速，调整 土仓压力值，进而实现土压平衡的作用。带式螺旋输送机输送石块粒径大、输送能力高，在 大粒径卵石等地层具有更好的适应性。 目前， 国内尚无成功研制土压平衡盾构带式螺旋输送 机的案例，依托北京地铁大粒径卵石地层盾构工程，开发、研制出具有自主知识产权的国产 带式螺旋输送机并成功应用，可以填补国内空白，大大提升盾构国产化水平。 1 螺旋输送机的工作机理与分类 1.1 工作机理 由刀盘切削下来的土体进入土仓，经改良后成为流塑状，流塑状土体充满土仓。螺旋输 送机是土压平衡盾构排土和建立土压平衡的主要设备，安装于前体的底部和管片安装机之 间，螺旋输送机工作时，深入土仓内的螺杆和螺旋叶片在液压马达的驱动下旋转，渣土在叶 片和螺旋机筒体的共同作用下，沿一定角度的螺旋线进行输送提升，至出土口处排出。土压 平衡盾构螺旋输送机的工作原理见图 1 所示。 图 1 土压平衡盾构螺旋输送机工作机理示意图 螺旋输送机的主要功能有：1）从有压力的密封土仓内将渣土排出；2）渣土在螺旋输送 2 机内形成密封土塞，保持土仓内压力稳定；3）改变螺旋输送机的转速，调节排土速度，即 调节土仓内的压力值，使其与掌子面水土压力保持动态平衡。 1.2 分类 按照螺旋轴的形式不同可以分为轴式螺旋输送机（图 2）和带式螺旋输送机（图 3） ，轴 式螺旋输送机是将螺旋叶片焊接至一根圆形钢管上制作而成； 带式螺旋轴是由单独的螺旋叶 片焊接而成，在轴的是一个空腔，带式叶片通常是由铸造完成，叶片厚度较厚。 图 2 轴式螺旋输送机 图 3 带式螺旋输送机 两种螺旋输送机能够输送的最大颗粒粒径为： H0.35D（针对轴式螺机）； （1） H0.6 D（针对带式螺机）； （2） 轴式和带式螺旋输送机能排出最大粒径示意图如图 4 所示， 由图可知， 带式螺旋输送机 在输送大粒径卵石上有更好的适应性。 图 4 轴式及带式螺机输送粒径示意图 2 带式螺旋输送机的设计 2.1 输送能力验算 参考北京地铁 10 号线二期盾构，同时考虑输送的最大颗粒，螺旋输送机的 3 螺旋节距选为 800mm，螺旋输送机的向上倾斜角度为 21.5，其余参数如下： 螺旋直径： mD8 . 0= 螺旋节距： mS8 . 0= 螺旋输送机全部长度： mL235.11= 螺旋输送机倾斜角度： o 5 .21= 被输送物料层横断面积： () () 2 2 2 5024. 0 8 . 0 4 4 m DA = = = 充填系数： 0 . 1=（全部充满时） 螺旋最大转速： 18nrpm=（安装 5 个马达时） 物料轴向最大运动速度： 60 0.8 18 60 0.24/ S n V m s = = = 理论生产率（最大） ： 3 3600 3600 0.5024 1 0.24 434/ QAV mh = = = 2.2 螺旋叶片的设计 螺旋输送机的螺旋叶片组成，螺旋叶片采用铸造, 材料选用 ZG230-450， 对铸造的叶片进行探伤，在无缺陷情况，通过焊接拼接而成，在对焊缝进行探伤，然后通过 加工保证螺旋轴外圆直径 788mm,然后与驱动环焊接。 图 带式螺旋轴的三维模型 带式螺旋轴的三维模型如上图所示。 带式螺旋轴主要承受螺旋输送机的驱动 扭矩和土体在输送过程因重力产生的土压力和输送过程中土体附着产生的摩擦 4 力。经计算可知，对螺旋轴外界载荷都可以近似按照土仓平均压力 3bar 来计算， 扭矩取螺旋输送机额定扭矩 94kNm。 图 带式螺旋轴的应力云图 计算结果显示，在上图所示的边界条件下螺旋轴结构的最大等效应力为 202MPa， 从螺旋轴结构本身来看是偏大,在螺旋轴分析中因为它本身长度的关系, 一般按照螺旋轴的长度的 2/3 处算起,绝大部分区域的等效应力小于 150MPa。螺 旋轴的最大综合最大位移为 0.2mm，螺旋轴的应力和综合位移分布云图如下图所 示，螺旋轴设计所用材料为 Q345B，该材料的许用应力为 295MPa，因此该螺旋的 结构设计满足强度要求。 2.3 回转支承系统设计 采用周边驱动方式，主要包括低速大扭矩马达、小齿轮、大齿圈、滑动轴承 等。螺旋轴采用驱动端固定，另一端浮动的支撑形式，螺旋机驱动部位采用前后 各两道唇型密封保护滑动轴承， 通过轴承圆周上的几个孔用递进式分配阀将油脂 持续注入。密封采用 TBMS 系列的盾构专用密封驱动装置结构见下图。 螺旋驱动装置 2.4 筒体设计 5 螺旋输送机的筒体由前端节、固定节、伸缩内节、伸缩外节和出渣节组成， 见下图。螺旋页片与筒体的间隙一般取 310mm,当螺旋体直径较大，且制造条件 较差时，可取大值；而螺旋体直径较小，且制造精度较高时，则取小值，此次设 计螺旋叶片与筒体 6mm 的间隙，筒体内径取为 800mm。 筒体之间全部采用螺栓连接，伸缩内节与伸缩外节之间有密封圈密封，胶料 采用丁氰橡胶，其承受的静态压力为 0.6MPa。在该螺旋输送机中，伸缩内节和 伸缩外节。 螺旋输送机的前端节配合外圆柱面与盾构中心下部的出料口的外筒相配合， 采用螺栓联接，保证前端节的安装方位，并使螺旋输送机的中心轴线与盾构中心 轴线成 21.5 度。 螺旋输送机总装图 3 带式螺旋输送机的加工制造 本螺旋输送机为带式、尾部出渣、双闸门结构，主要由螺旋叶片、筒体、出 闸门、驱动装置、拉杆装置和伸缩装置等部件组成，其中驱动装置为四马达周边 驱动结构，回转采用滑动轴承。加工的重难点在于螺旋叶片和筒体的加工，其它 部件的加工较为简单。 3.1 螺旋叶片的加工工艺 螺旋叶片是螺旋输送机的关键部件，由于其具有特殊的空间曲面形状，因而 加工制造困难， 目前使用的螺旋叶片成型方法有多种， 但依据加工原理主要分为： 铸造、拉伸、热压和冷压等，这几种成型方法各有优缺点和适用的加工范围。螺 旋轴的制作见下图。 6 图 螺旋轴的制作 3.2 筒体的加工工艺 螺旋输送机的筒体由前端节、固定节、伸缩内节、伸缩外节和尾节组成。考 虑到螺旋叶片与筒体 6mm 的间隙，筒体内径取为 800mm。筒体之间全部采用螺栓 连接，前端节与固定节、固定节与伸缩外节、伸缩内节与固定节之间均有 O 形密 封圈密封，胶料采用 A70，其承受的静态压力为 0.6MPa。螺旋输送机的前端节配 合外圆柱面与盾构中心下部的出料口的外筒相配合，两者用 24 个 10.9 级 M24 110 的六角头螺栓连接固定，保证前端节的安装方位，并使螺旋输送机的中心轴 线与盾构中心轴线呈 21.5。 固定筒前后两端均为法兰，采用铸件，考虑到焊接，材料选用 ZG270-500， 筒体采用 Q235-B 的钢板卷制焊接成圆筒，然后与法兰焊接（伸缩内节、伸缩外 节、尾节均采用相同方法制作） 。固定筒的前端设有一长方形检视孔，正常工作 时用螺栓将盖板固定。在前端（靠近前端节）的筒体上设有 1 个土压传感器，以 监测螺旋输送机内该位置的土压情况。为了吊装，在固定节筒体外上部设置二个 吊装固定耳座。 7 伸缩内节与伸缩外节一起构成伸缩筒体，完成螺旋输送机的长度变化 （1000mm） ，动作通过左右的两个伸缩油缸实现。筒体两者之间采用两道固定于 伸缩外节的密封衬环支承， 采用润滑油脂润滑。 油缸一端安装在伸缩内节筒体上， 活塞杆铰接于伸缩外节筒体上。 3.3 螺旋输送机组装工艺 在将螺旋输送机安装到盾构上之前，需将螺旋输送机各部件进行组装。首先 将液压马达、大小齿轮、轴上驱动环和铜套按装配图纸组装成驱动装置部件。在 组装的过程中，必须注意相互之间的相对方位，不得装错。 4 带式螺旋输送机的应用情况 4.1 工程概况 北京地铁公主坟站西钓鱼台站区间公主坟站西钓鱼台站区间起止里程为左线 K48+668.423K50+868.639，右线 K48+668.423K50+910.240，左线长 2200.216m，右线长 2241.817m，区间设联络通道 3 个。线路平纵断面的情况如下： 平面：本区间线路平面呈“S”形，共 4 段曲线，曲线半径分别为 1000m、600m、350m、 800m。曲线长度 1778.630m，占区间长度的 79.33%。其示意图如图所示。 纵断面：本区间线路纵面呈“”形，最大纵坡 22，顶板埋深 1015m，穿河段覆 土厚度约 7m。 公主坟站西钓鱼台站区间平面示意图 4.2 工程地质、水文地质情况 公西区间设计勘察时发现场地内存在粒径大于 300mm 的漂石， 其分布随机 性较强，含量为 20%30%，揭露位置分别为地面下 12m 和 20m 上下，依据室内 试验，卵石颗粒最大天然抗压强度达到 100MPa 以上。根据前期调查，在隧道附 近基坑开挖过程中曾发现粒径大于 650mm 的颗粒。 公西区间穿越地层比例如图 所示。 8 公西区间揭露一层地下水，类型为潜水（二），赋存于卵石层、层及 中粗砂1 层中，沿线水位变化主要受含水层下伏的隔水层粉质粘土层的影 响，除始发段外，地下水均位于隧道底板以下。西慈区间揭露一层地下水，地 下水类型为层间潜水（三），潜水层位于隧道底板以下，本区间除少量层间滞水 外，地下水均位于隧道底板以下。 砾岩 16% 卵石 78% 粉质粘土层 6% 砾岩 卵石 粉质粘土层 4.3 盾构选型 根据该工程的地质情况， 结合国内外类似工程施工经验， 确定选用 2 台复合式土压平衡 分别施工该工程左线、右线隧道。盾构适应地质：大粒径卵石地层；设计思路：以排为主， 排破结合。设计特点： （1）采用带式螺旋输送机，输送卵石粒径大，输送能力高。 （2）刀盘 采用面板与辐条相结合形式， 开口率大。 刀盘基本结构为辐条+小面板形式， 开口率为 40%， 采用 6 扭腿支撑方式，能传递足够大的扭矩及推力；部分刀梁采用前小后大的锥形结构，具 有更好的通过性，减少石块卡死现象。 （3）采用大功率电驱动，增大了刀盘的脱困扭矩，有 利于卵石卡死条件下的脱困。 应用于北京地铁的复合式土压平衡盾构如图所示， 其主要技术 参数见表。 应用于北京地铁的国产复合式土压平衡盾构图 9 土压平衡盾构主要参数表 形式 辐条小面板式 刀盘直径 开挖直径6280mm 刀具配置 滚刀、切刀、刮刀、撕裂刀、保径刀、仿形刀 开口率 40% 电机功率 6110Kw 刀盘转速范围 0-3r/min 额定扭矩 5520KNm 脱困扭矩 6840 KNm 总推力 3500t 泡沫口 3 个 膨润土口 2 个 4.4 带式螺旋输送机的使用情况 （1）带式螺旋输送机主要设备参数 本工程盾构所用的带式螺旋输送机主要设备参数见表。 带式螺旋输送机主要设备参数表 形式 带式+液压驱动 外径 850mm 内径 800mm 叶片外径节距 788 mmP630 mm 转速 最大 22 rpm 扭矩 最大 130KNm 排土量 最大 300 m3/h ( 75%填充率 ) 出喳门紧急关断装置 储能器 (安装在设备桥上) 紧急关闭时间 20s 内 （2）盾构掘进施工参数 土压平衡盾构在大卵石地层掘进，盾构推力大，扭矩大，刀具磨损快，选择合适的盾 构掘进参数十分关键， 以下是公西区间盾构掘进期间主要参数 （包含带式螺旋输送机施工 参数） ，具体详见表。 公西区间左、右线盾构掘进参数表 左线盾构掘进参数表 左线盾构掘进参数表 掘进 刀盘 推力 速度 带式螺旋输送机 土仓压力 环号 平均转速 r/min 平均扭矩 KNm 最大推力 T 掘进速度 mm/min 平均转速 r/min 平均扭矩 bar 上部 bar 174 1.6 4175 1463 22 1 35 1.1 10 450 1.1 4305 1527 24 1 52 1 700 1.1 4860 1650 22 2 42 0.8 950 1.1 3512 1724 24 2 44 0.6 1250 1.1 4996 1465 40 3 51 0.76 1700 1.1 4920 1300 40 5 60 0.62 右线盾构掘进参数表 右线盾构掘进参数表 162 1.1 4692 2015 20 3 26 1.33 450 1.1 4144 1740 24 1 52 0.83 700 1.1 3250 1640 24 1 62 0.76 800 1.1 4987 1960 36 3 50 0.67 950 1.1 4893 1710 28 3 55 0.55 1250 1.1 4765 1574 36 1 56 0.58 1550 1.1 4932 1630 33 4 50 0.6 1700 1.1 5076 1320 30 1 55 0.67 （3）带式螺旋输送机施工参数及评价 从上表可以看出，在大卵石地层盾构掘进过程中，带式螺旋输送机的平均转速为 1 5rpm， 大部分时间平均转速在 13rpm， 平均扭矩为 2662bar， 大部分时间平均扭矩在 40 60bar。 该工程相邻区间分别采用了 1 台海瑞克和 1 台罗瓦特盾构掘进左、右线隧道，其穿越 的地层与本工程基本相同， 该海瑞克和罗瓦特盾构均采用的是轴式螺旋输送机， 其参数见下 表。 相邻区间轴式螺旋输送机施工参数表 海瑞克某盾构掘进参数表 海瑞克某盾构掘进参数表 掘进 轴式螺旋输送机 环号 平均转速 r/min 平均扭矩 bar 50 5 70 150 10.8 88 250 8.7 97 400 8 79 600 9.8 76 750 7 90 罗瓦特某盾构掘进参数表 罗瓦特某盾构掘进参数表 50 3.2 53 150 7 62 200 20 80 250 12 70 350 15 80 400 5.3 44 500 5 49 650 8.8 52 从带式螺旋输送机及轴式螺旋输送机的转速和扭矩参数比较来看，带式螺旋输送机的 转速和扭矩比轴式螺旋输送机明显偏小，带式螺旋输送机的输送效率明显更高。 11 5 结束语 采用带式螺旋，输送卵石粒径大，输送能力高；螺机为双仓门，防喷涌效果较好；带 式螺旋出渣能力强，螺机发卡机率少；设备故障率较低，掘进过程中能保持土压，且稳定性 好，地面沉降控制良好；在北京大卵石地层使用适应性好。带式螺旋输送机的成功研制和应 用， 对深入推进我国盾构国产化技术研究有着积极的带动作用。 由于带式螺旋输送机的保压 性能相对偏弱，如何结合北京地铁的应用经验，通过优化螺旋输送机的设计参数，通过减小