土压平衡盾构机主机主要由刀盘、盾体、主驱动、主推进系统、螺旋输送机、管片拼装机及皮带运输机等几大部分组成，各部分在电气液压的控制下协调动作，共同完成土体开挖、残土运输、管片拼装直至隧道成型。螺旋输送机位于开挖室下部，其作用是有效地排除弃土和更好地控制开挖面压力，保证掘进施工正常进行。
1 螺旋输送机结构及主参数
螺旋输送机由外部筒状壳体、安装有防磨板的螺旋叶片、土压传感器及后闸门等组成。主参数有排土能力、长度及转速等。盾构开挖时，渣土通过刀盘开口进入开挖室，再经过螺旋输送机从开挖室底部排出，开挖室里土压力的保持，要靠调节螺旋输送机的转速以平衡进渣与排渣量来实现，因此，研究螺旋输送机主参数的确定及如何控制，对控制地表沉降，确定整机参数具有非常重要的意义。
图1 螺旋输送机结构示意图
2 螺旋输送机主参数的确定
φ6.28m土压平衡盾构机用螺旋输送机主参数如下（广州市轨道交通六号线东黄标段），结合此参数表介绍如何确定螺旋输送机主参数。
表1 螺旋输送机主参数表
2.1 排土能力的确定
螺旋输送机理论上排土能力应与盾构机开挖时实际出土能力相当，但土压平衡式盾构开挖面的稳定由下列各因素综合作用而维持：泥土压力平衡土压力和水压力；螺旋输送机的排土装置调节排土量；适当保持泥土的流动性和止水性等，根据需要调节添加剂的注入量。
同时，还需考虑地层条件的特殊性，防止开挖面堵塞等因素，螺旋输送机的实际排土能力必须大于盾构机理论出土能力。盾构机理论出土能力按下式计算：
Q1=ζ×S×Vmax
式中，Q1为盾构机开挖实际出土量，m3/min；S为开挖面面积，S=π×D2/4，m2；D为开挖直径，6.28m；Vmax为盾构的最大推进速度，60mm/min；ζ为渣土松散系数，取1.5（根据地质条件及添加剂改良选取）。
Q1=1.5×（3.14×6.282/4）×0.06=2.78m3/min
螺旋输送机实际排土能力按下式计算：
Q2=α×[π×（D12-d12）/4]×L×nmax
式中，Q2为螺旋输送机实际排土量，m3/min；D1壳体内径700mm；d1螺杆直径220mm；L为螺旋节距560mm；nmax 最大转速25rpm；α为螺旋输送机充填系数，取0.6（0.6～1）。
Q2=0.6x[3.14x（0.72-0.222）/4]x0.56x25 =2.91m3/min
由此可知，当取最小填充系数时，螺旋输送机的排土量Q2也大于盾构机开挖实际出土量Q1，项目螺旋输送机最大排土能力为270m3/h（4.5m3/min），完全满足正常掘进排土要求。
2.2 长度的确定
螺旋输送机长度的确定要考虑两方面因素：
（1）沿节距方向压力降，直至将开挖面压力沿节距降至0bar，便于将渣土顺利排出。
（2）空间布置，满足排土要求的情况下，避免与主驱动电机及减速机干涉。
开挖室内的渣土，经过螺旋输送机排渣，每经过一个节距压力将减小0.2～0.25bar，如果渣土含液体多时，取0.2bar；含液体少时，取0.25bar；项目开挖面最大压力为3.5bar，螺旋输送机节距最小个数为：3.5/0.25=14个，本项目螺旋节距为15.5个，主体长度为：L主=15.5x560=8680mm，满足排渣要求。再考虑主驱动的布置尺寸、排渣门尺寸及螺旋输送机驱动装置尺寸，最终确定螺旋输送机的长度为10700mm。
2.3 转速的设定
螺旋输送机的转速与盾构机掘进速度相匹配，都受到开挖面限定压力的制约。可根据开挖面压力的大小，实现无极调速来保持开挖面压力平衡。设定步骤如下：
（1）开挖模式时，盾构机掘进速率根据保持刀盘前方稳定所需的限定压力而设定。刀盘上还要储备足够的动力，以处理突然发生的问题。
（2）螺旋输送机的转速要设定为可以排出和被开挖泥土与注入物质相等的弃土量。
ns=Q1/α×（π×D12-d12/4）×L
式中，ns为螺旋输送机的设定转速rpm。
ns=2.78/0.6×[3.14×（0.72-0.222）/4=23.88rpm
（3）当限定压力因为地层条件、螺旋输送机排渣效率或开挖室里的混合条件发生变化而变化时，就必须调整螺旋输送机的转速。
（4）如果调整螺旋输送机的转速不能使限定压力达到要求的数值，应改变盾构机的掘进速率。
本项目螺旋输送机最大转速为25rpm，并可在0～25rpm实现无级调速，与掘进速度相匹配，满足掘进要求。
3 螺旋输送机的控制
螺旋输送机的控制主要是通过转速控制和后闸门开度大小的控制，实现对开挖面压力的联锁控制。在盾构机前盾承压隔板上、下、左、右四个位置布置四个土压力传感器，螺旋输送机外壳内侧布置一个压力传感器，在控制室里可以监控沿螺旋输送机的压降。后闸门开度的大小通过液压控制来实现。
操作手可以选择两种工作模式：手动和自动。
自动模式下，土压力的设定压力允许变化范围为正负0.1bar，当压力值在正负0.1bar范围内变化时，螺旋输送机转速不变，超过范围，螺旋输送机开始调节转速。主要参数包括转速、扭矩及压力差显示在监视屏上。
图2 螺旋输送机监视屏示意图
手动模式下，操作员可直接根据排渣情况调节后闸门开口大小，调节排渣量，控制排渣速度。
由于盾构开挖地质条件的复杂性，螺旋输送机的控制也是一个复杂的过程，大多是靠操作者经验控制。当地质条件好时，可直接设定好螺旋输送机的速度，只靠操作者手动控制开口度；地质条件复杂时，实现自动和手动同步调控，保证开挖面压力平衡。
4 结语
影响螺旋输送机设计参数确定及控制效果的因素众多，尤其与地质条件关系密切，并且螺旋输送机主要起到排渣和调节开挖面压力平衡的作用，直接关系到隧道开挖的成败，本文论述的设计参数确定依据为盾构设计提供参考。
参考文献
[1]杨冀，丁问司．盾构机螺旋输送系统的技术改造[J]．建筑机械，2008，（7）．
[2]刘博，李守巨．土压平衡盾构机密封舱土压力控制研究[J]．哈尔滨工业大学学报，2011，43（3）．
[3]日本土木学会．隧道标准规范[盾构篇]及解说[M]．北京：中国建筑工业出版社，2006．
收稿日期：2017-11-06
作者简介：乔姗，女，辽宁建昌人，辽宁省沈阳市第二十中学高三九班学生，研究方向：城市轨道交通电气控制及自动化。
