小型土压平衡盾构短螺旋机+_填充工业泵排渣系统的应用

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2024.04 |
运输；
第三级，渣土从盾构台车出渣口出渣，掉落至台车内停滞等待的土斗车，土斗车编组装满一环的渣土后，电瓶车带土斗车运输至地面渣土坑内，最后采用除砂机、压滤机、旋流器等设备完成泥水分离。

当地层中渣土的和易性不足时，可在土仓内增加改良剂，提高泵送效果。

该工艺可实现精确调控出渣速率，并适用于不同的地层环境。

图1　小型土压平衡盾构短螺旋机+工业填充泵系统出渣
系统运行示意图
110 | CHINA HOUSING FACILITIES
2.2设备组成与性能要求
该工艺需要的设备包括盾构机短螺旋输送机、工业填充泵、输送管道、电瓶车带土斗车、地面渣土坑以及泥水分离设备等。

（1）短螺旋输送机
螺旋输送机是一种利用电机带动螺旋回转，推移物料以实现输送目的的机械。

在土压平衡盾构施工中旋转的螺旋叶片将渣土推移而进行螺旋输送机输送，使渣土与螺旋输送机叶片一起旋转的力是渣土自身重量和螺旋输送机机壳对物料的摩擦阻力，当螺旋机的下部土压力较大时，螺旋输送机螺旋片、机壳对物料的摩擦阻力使螺旋机内形成土塞效应，有效保证土仓内压力。

因此，螺栓输送机的长度是确保形成土塞效应的主要因素。

而在结合填充工业泵排渣应用时，螺旋机内可不必考虑土塞作用，能够尽可能缩短其长度减小空间占用量。

因此，称为短螺旋输送机。

（2）填充工业泵
填充工业泵是一种具有强力排泥作用的泵，适用于富水粉细砂地层及高承压水等地层（图2）。

应考虑渣土泵送坍落度、泵送距离、输送方量等参数，结合目前，市场可用固体及半固体输送泵类型，本工法经过优选，采用填充工业泵（S 摆管泵）作为渣土输送泵，其优点包括：渣土塌落度最小控制量为15 c m ；渣土改良参合量较少；最大水平输送距离可达500 m ；输送量可满足盾构掘进需求。

（3）电瓶车带土斗车
隧道内渣土的水平运输采用常规电瓶车带土斗车运输方式，由于小直径盾构隧道内径较小，隧道内部空间布置较为困难，但在电瓶车的选型上应尽可能考虑可以采用双车道运行尺寸，以提高电瓶车运输的效率。

（4）渣土分离器
配置泵送渣土功能的土压平衡盾构渣土不同于常规的土压平衡盾构和泥水盾构的渣土，含水量情况居于两者中间，渣土体积大约为原状渣土的1.3~1.5倍，成流塑状，为方便渣土外运，可采用简易的渣土处理设备进场渣土的分离，将渣土分离为含水率较低的沙土、泥饼（图3）。

例如，在砂性地层掘进可采用除砂机及压滤机配合处理渣土；在淤泥质土中可采用旋流机及泥浆脱水机等。

2.3泵送渣土改良
填充工业泵在应用过程中，改良渣土的目的不仅在于增强土体的流塑性和降低摩擦阻力以及渗透性，同时还有助于提高渣土的可泵性和流动性，进一步提升泵送施工的效率和质量。

在项目开展前应充分调查盾构穿越地层土质情况，对土样进行改良配比试验，确定最优的改良配合比。

根据多测模拟试验及现场试验，富水粉细砂地层渣土改良试验参数见表1。

最终确定，膨润土的土与水的配合比为1∶9，黏度值为38 s ；泡沫的原液与水的配合比为1∶20。

表
1　渣土改良配比
小型土压平衡盾构机采用短螺旋机和填充工业泵排渣技术，既满足了有限空间内的机械安装要求，又适应了不利地质条件，如富水、细砂层和高压水等。

该技术应用于江北新区滨江水环境提升利用系统工程一期项目，3180土压平衡盾构机在富水粉细砂地层盾构掘进累计达3 659 m 。

3.1排渣系统整体设计
在盾构机整体配置阶段，根据盾构机的尺寸及地层适应性，相应增加泵送功能的机械配置。

在机械整体设计时考虑填充工业泵、液压泵、液压管道、输送管道等的安装空间位置。

填充工业泵易安装于小型盾构机中盾位置，采用输送管穿过拼装机，解决了螺旋输送机无法穿过的问题，可避免因拼装机内圈空间限制（图4）。

由于工业填充泵相对于小型盾构空间体积较大，需增加中盾的长度，以满足安装空间。

螺旋输送机可采用有轴式螺旋，单出渣门结构形式。

螺旋输送机固定在前盾底部套筒法兰上。

在掘进时，刀盘开挖的
碴
图2　填充工业泵构造原理图图
3　渣土分离器
图4　小型盾构机填充工业泵安装位置示意
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2024.04 |土掉落到土舱底部，通过螺旋输送机输送到工业填充泵，再由工业填充泵将渣土排出洞外。

螺旋机各连接法兰面均为机加工面，均有机加工密封槽，法兰连接时安装高质量的O 形密封圈及密封胶，确保盾构长距离掘进时螺旋机无渗漏。

台车范围内的渣土泵送管路安装时，管路与底座之间安装橡胶板进行缓冲减震。

由于盾构机中盾长度增加会使整机长度相应增加，在盾构机整体配置过程应充分考虑地层对盾壳产生的摩擦力，避免造成盾构额定推力无法满足盾构机正常掘进的需求。

3.2工艺应用效果
在依托项目的应用环境为富水粉细砂地层，隧道埋深20 m 左右，砂层密实度、渗透性、成分较为均匀，在盾构掘进过程，通过工业填充泵的泵送频率控制排渣效率，在均匀的粉细砂地层掘进渣土外排相关的施工参数详见表2。

注：1 b a r ≈0.1 M P a 。

在实际应用中，小型土压平衡盾构的掘进工作正常，填充工业泵排渣的过程顺畅，排渣效率较高，没有发生管道堵塞的情况。

土压仓内的压力保持稳定，地表沉降监测没有出现任何累积预警或速率预警的现象，取得了较为理想的应用效果。

3.3应用与改进
（1）在软土地层中盾构机掘进时，一般不需要在排渣泵料仓前安装破碎机。

但是，在盾构机掘进穿越端头加固体土体时，水泥土块体容易堵塞料仓，导致无法正常泵送。

因此，在料仓位置应设置易于开启的法兰板检查口，并配备密封装置，以提高清理堵塞的效率。

（图5）
（2）由于小型盾构内部空间有限，更换构件的难度较大。

为避免排渣泵料斗与螺旋机连接处发生泥水沾染，导致接头磨损加剧，甚至局部构件报废，需采取了可靠的耐压密封措施，以确保连接处的密封性。

（3）由于泡沫掺入量的不同，根据泵管转向次数无法准
确计量排渣量，在试掘进施工阶段利用渣土斗称重装置统计渣土重量，结合土斗内体积测量、地面沉降数据的分析等确定盾构每环出渣量，实现出渣量的控制。

（4）在使用工业填充泵时，需考虑其相对较大的体积与小型盾构机有限的空间，若需要增加中盾长度以适应安装空间，则必须充分考虑地层对盾壳的摩阻力影响，以避免影响盾构机正常掘进，无法满足额定推力需求。

结语
（1）小型土压平衡盾构机采用短螺旋机+填充工业泵装置有效解决空间不足带来的渣土外排难题，选择填充工业泵（S 摆管泵），并对土舱渣土进行改良可以保证渣土输送效率。

（2）土压平衡盾构短螺旋机闸门与填充工业泵料仓密封连接，有效避免了高渗透性、高水压地层中螺旋出渣口喷涌的风险，提高了土压平衡盾构机的安全性及地层适用性。

（3）在盾构排渣过程中，填充工业泵的泵送速率对排渣效率和土仓内压力的维持至关重要。

为确保盾构机正常掘进，应严格控制排渣泵的排渣量，并关注土仓压力、螺旋机尾部压力和连接仓压力等因素。

此外，还需要注意短螺旋机与长螺旋机的不同，螺旋尾部压力和连接仓压
力
不应采用常压，否则容易造成土仓内欠压，导致超排和地面沉降超限的问题。

图5　料仓清理口的构造方式
参考文献
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