（中国水利水电第十一工程局有限公司 河南省郑州市 450000）
1、背景及现状
1.1掘进机概述
掘进机，全名叫盾构隧道掘进机，是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构掘进机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科技术。盾构掘进机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。
土压平衡掘进机包括壳体、刀盘、盾体、人闸仓、盾尾密封刷、铰接装置、管片拼装机、后配套台车等；在功能上分为刀盘驱动系统、盾构掘进系统、管片安装系统、同步注浆系统、自动测量系统、皮带输送系统、液压系统、电气控制系统及通风、通讯、供水、供电系统等。
1.2掘进机出渣系统
1.2.1出渣系统组成
出渣系统由螺旋输送机和皮带输送机组成，掘进过程中产生的渣土通过可调速的螺旋输送机从土仓运送到皮带输送机进料端，再由皮带输送机运送到掘进机后部的渣车。
1）螺旋输送机
螺旋输送机插入土仓内，由斜盘式变量轴向柱塞马达驱动，并配有前后闸门，前闸门关闭可以使土仓和螺旋输送机隔断，后闸门可以在停止掘进或维修时关闭，在掘进机断电紧急情况下，此闸门也可由蓄能器的能量自动关闭，以防止土仓中的水和渣土在压力作用下进入盾体内。
螺旋输送机的作用是：①渣土排出的唯一通道；②掘进时通过螺旋机内形成的土塞建立密封前方土仓内的压力，有效地抵御涌水涌砂。③螺旋输送机前、后端闸门，用来控制出土速度和建立、维持密封土仓内的土压平衡。为使前端闸门能够自由关闭，采用了螺旋带可前后伸缩。④螺旋输送机由液压马达调速驱动，驱动装置与螺旋输送机采用球形铰接，以适应螺旋轴的自由摆动。螺旋机转速采用无级调速，控制出土量。
2）皮带输送机
皮带输送机是把螺旋机卸料口的出土运至渣车。皮带机由皮带机支架、前随动轮、后主动轮、上下托轮、皮带、皮带张紧装置、皮带刮泥装置和驱动电机等组成。
1.2.2出渣系统的现状及发展趋势
土压平衡掘进机出渣系统的好坏对整个盾构掘进起着非常重要的决定。对于土压平衡掘进机，纵观国内海瑞克、中铁装备、铁建重工、中交天和等几大掘进机生产厂家，其螺旋输送机系统和皮带输送机系统结构设计都大同小异。
盾构法施工随着科技的发展，社会的进步，对施工的要求越来越高。盾构的施工环境是高温、空气潮湿、噪音大、粉尘多等，而现在国内对人身的安全要求越来越高。因此，维护与优化掘进机渣土输送系统，减少粉尘的产生，降低工人的劳动强度，是盾构出渣系统发展的一个必然趋势。
1.3创新研究目的及意义
对于螺旋输送机，如何保证通用叶片设计的情况下，优化卸料闸门的设计，在设备方面有效的控制喷涌，以及紧急情况下有效的关闭卸料闸门；以及如何对卸料闸门进行维护，保证卸料闸门的密封性及使用寿命。对于皮带输送机，如何优化皮带机被动轮测皮带机架的斜度与挡泥装置、优化皮带机驱动轮测的刮泥装置及有效地进行皮带维护，保证皮带机能更有效的带走较稀的渣土、降低渣土的掉落、延长皮带的使用寿命、降低工人清除渣土的频率。
通过对此项目的研究，争取使得掘进机出渣系统优化创新成果达到盾构施工行业的先进水平，成为盾构施工行业学习的典范。最终形成一套完善的、合理的维护方案、结构优化方案，有效地从设备方面控制喷涌以及较好的带走喷涌的渣土，极大地降低皮带因刮不净而掉落的渣土量，降低工人清理渣土的强度及频率，提高设备的使用率与完好率，降低施工风险，降低设备的维保成本，延长设备的使用寿命，保证施工安全。
2、创新研究方案
2.1螺旋输送机系统
2.1.1防涌门
土压平衡掘进机在富水地层中掘进时，由于含水量较大，极易发生涌水、涌砂现象，造成地面坍塌等施工安全事故。
在以往的掘进机设计中，在土仓下部螺旋输送机渣土进料口处未设计有防涌门，当掘进机在富水地层中掘进施工时，一旦螺旋输送机卸料闸门因某些原因出现无法正常关闭或关闭不完全或闸门隔板磨损严重出现孔洞时，就会发生喷涌现象，造成地面塌陷。
通过对盾构施工经验的不断总结及掘进机设备的不断优化，在土仓内部螺旋输送机渣土进料口处增加了一道防涌门，该防涌门通过液压油缸进行控制。当盾构施工出现喷涌现象时，可以通过将螺旋输送机叶片收回，关闭防涌门，可有效地防止喷涌的发生，待前方地层得到相应的处理后可开启防涌门继续进行盾构掘进施工。尽管在目前的盾构隧道施工中，该防涌门很少用到，但作为应急装置，其是必不可少的一部分，为盾构隧道施工增加一道安全保障。
2.1.2通轴螺旋叶片
掘进机上的螺旋输送机内部的螺旋叶片又是将渣土输送出来的唯一装置。螺旋输送机的设计既要保证渣土的顺利输送，又要保证土仓内部的压力，还要保证渣土输送的可控性，因此设计什么样的螺旋叶片也是一项比较重要的内容。
螺旋输送机的螺旋叶片设计有各种各样的形式，在以前的掘进机中常用的一种螺旋叶片设计形式为中间断开式，即螺旋轴中间一定长度上无螺旋叶片。这种叶片的设计在粘土等地层中可以很好地形成土塞效应，保证土仓内部土压的稳定，但若是在富水地层中，由于部分长度上无螺旋叶片，则会导致渣土输送时的阻力减少一部分，更容易出现喷涌现象。
通过一些盾构隧道施工经验及总结，目前螺旋输送机的螺旋叶片选择通轴式的设计形式。掘进机上螺旋输送机内部的螺旋叶片设计成通轴式的，亦能很好地形成土塞效应，保证土仓内部土压的稳定。在出现喷涌现象时，由于螺旋叶片中间无空叶片段，亦能在一定程度上增加一定的阻力。
2.1.3双卸料闸门
在正常情况下，螺旋输送机的卸料闸门具有很好的气密性，其关闭后即使螺旋输送机内部无土塞效应亦能保证不渗漏。但在盾构隧道施工中，由于地层复杂多变性，有时候会出现石头等硬质杂物卡在卸料闸门轨道内，导致卸料闸门无法完全关闭；或者设备在正常运转中突然出现设备故障而导致卸料闸门无法完全关闭；或者因渣土与卸料闸门的长期摩擦及其维护保养不到位，导致卸料闸门磨损而出现孔洞；在以往的掘进机设计中，螺旋输送机的卸料闸门只设计有一道，若这些现象发生在富水地层中，一旦因某些原因导致卸料闸门无法完全关闭或损坏，若此时发生喷涌现象，则会出现无法预估的安全事故。
在盾构隧道施工中为使设备具有更高的保障性、安全性，故我们通过在盾构隧道施工中跟踪及检验，确定了螺旋输送机双卸料闸门的优越性。为此在武汉地铁11号线施工用中铁装备生产的掘进机，要求为螺旋输送机设计双卸料闸门，但设计制造时两个卸料闸门的开口方向为上闸门后开、下闸门前开，当出现喷涌时，导致较稀的渣土在压力的作用下往后部喷射，造成其附件的设备上到处都是泥渣，施工人员需要频繁地进行设备清洗，对观卸料口处渣土出土情况的摄像头，经常因较稀渣土的喷射而损坏。
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图2-1-3 双卸料闸门设计螺旋输送机
通过对该现象的观察及研究，设想是否可以调整一下上下两个卸料闸门的开口方向，即上闸门前开、下闸门后开，使其有效地降低较稀渣土后喷现象，降低摄像头的损坏。为此在长沙地铁4号线的盾构隧道施工中用中铁建重工掘进机，要求中国铁建重工对螺旋输送机的上下卸料闸门开口方向进行调整，如图。
该螺旋输送机卸料闸门开口方向的调整可以达到预期的目的。
2.2皮带输送机系统
2.2.1更换启动方式
深圳地铁7号线盾构隧道施工所使用的广州海瑞克掘进机，皮带机主驱动设计为定频电机，皮带转速为2.5m/s。在施工中，存在皮带上渣土未排完即停机，拖车上部皮带下部掉落的渣土长时间未清理，或长时间停机等状况，在这些情况下启动皮带输送机时，由于阻力的增大，导致皮带输送机启动困难，且启动瞬间电流较高，驱动电机及相关的电气元器件容易烧坏，影响施工进度。
针对这种情况，我们提出了皮带输送机变频启动方式的方案。在武汉地铁11号线盾构隧道施工所使用的掘进机，要求其皮带输送机启动方式设计为变频启动，其皮带输送机的转速为0~3m/s。通过在施工中对其进行跟踪及观察，发现其效果很好，当皮带阻力较大时，采用低速启动，当阻力慢慢降低后，再将速度调高到合适的转速。
2.2.2调整倾斜段倾角
掘进机连接桥处为使螺旋输送机与皮带输送机进行衔接，在螺旋输送机卸料口处的皮带输送机设计为倾斜段，当输送的渣土具有一定的稠度时，渣土的输送很容易；但若渣土较稀、含水量很大时，此时渣土的输送就较困难，即使很好地控制出渣量，渣土也无法及时地被带走，造成渣土的大量掉落，影响掘进速度。
倾斜段皮带的倾角越大，含水量大的渣土越不易被带走。在以前的掘进机设计中，该段皮带的倾角设计为14°，经过我们不断要求及生产厂家的不断优化，该段皮带的倾角在一步步地减小，减小到目前设计较多的11°及11.5°。尽管如此，我们在深圳及武汉的盾构隧道施工中，亦感觉该段皮带的倾角还是有点大，当出现喷涌时，喷涌出的渣土无法及时地被输送走。
作为施工单位，我们在长沙盾构隧道施工购买掘进机时，所采用的中国铁建重工生产的掘进机，要求其该段皮带的倾角降到10°，最高不得超过10.5°，施工中达到了良好的效果。
2.2.3倾斜段皮带防跑偏优化
皮带输送机前端倾斜段为一活动结构，且此处为皮带输送机渣土进料处，尽管该段皮带机架上装有较为密集的皮带托辊，但却未设计有防偏立棍。此处为螺旋输送机卸料口，渣土容易溅落，若皮带上的渣土刮不干净被带到此处，则会加剧皮带托辊及皮带被动滚筒的磨损。皮带在运转中不停地在左右偏向，尤其是当掘进机处于转弯段时，若不及时地进行皮带调整，且此段又未设计有防偏装置，皮带则会严重的往一侧跑偏，严重时则会损坏皮带，甚至皮带卡死。
在深圳地铁7号线一个转弯段上施工时，掘进机在掘进过程中突然发生皮带自动停了且启动不起来。经排查，电气方面无问题，设备维护作业人员就顺着皮带往前一点点的查看，经过排查，发现皮带被动滚筒处的皮带因严重跑偏而窜出滚筒跑到皮带被动滚筒的支撑架上，最后问题虽然得到解决，但导致皮带距离边缘100mm位置被划出几道口子，若是皮带倾斜段被动滚筒附近装有防偏立棍，则可能会避免这种状况的发生。
在深圳地铁7号线施工时，皮带被动滚筒处皮带不停地跑偏，怎么调整都解决不了，经过排查发现该被动滚筒由于磨损不均匀导致滚筒呈现锥形。鉴于我们在上个区间的施工经验，在皮带被动滚筒附件左右两侧各加装了几个防偏立棍，问题得到解决。
2.2.4优化倾斜段V型挡泥板
皮带机倾斜段处于螺旋输送机卸料口处，渣土较多且容易掉落，有时渣土会掉落在皮带内侧，即上下皮带之间，若渣土未及时清理，尤其是石头，则会被卷入皮带与滚筒之间，造成皮带与滚筒的磨损，影响皮带与滚筒的使用寿命。
掘进机厂家一般在该位置处设计有一道V型挡泥板，但挡泥效果还存在不足，还可以进一步优化。鉴于此处位置还有较大的空间，在该道挡泥板的前部又加装一道V型挡泥板，经跟踪挡泥效果十分明显。
在武汉地铁施工时，我们所采用的中铁装备掘进机皮带倾斜段的V型挡泥板经过加装，该区间长度1.9km，掘进机完成隧道掘进后，检查发现皮带被动滚筒磨损极少，不需重新包胶即可再次使用；整根皮带面上存在极少极浅的磨痕，可再次使用。
2.2.5设计皮带机自制刮泥板
皮带机出渣口处，大部分渣土都会掉落到下方的渣土箱内，但亦有部分渣土粘在皮带上，若此处未设计有刮泥板，则皮带上残留的渣土会被带到前方，造成拖车上部、拖车左右两侧的设备及拖车下部的隧道内到处都是渣土，影响设备的使用寿命，增加设备维护人员及隧道内其他作业人员的工作量。
掘进机生产厂家在设计时已考虑到该问题，在皮带驱动滚筒及张紧滚筒处设计有2道或3道刮泥板。各个掘进机生产厂家在设计刮泥板的时候，其形状、固定方式等尽管都不一样，但其第一道刮泥板均为聚氨酯刮泥板。聚氨酯刮泥板的刮泥效果很明显，但是磨损也较快。渣土输送的时候在皮带的中间部位，长时间的刮泥，导致聚氨酯刮泥板的中间部分被磨成圆弧状，而两侧磨损较少。此时，无论怎么调整聚氨酯刮泥板的位置，刮泥板均无法与皮带贴合严，渣土就无法完全刮掉。该道刮泥板单价较高，若经常更换的话，无疑会增大设备维护的成本。
掘进机每道刮泥板的价格都较高，除了第一道聚氨酯刮泥板磨损后必须更换外，其他的刮泥板磨损后很少更换。但若是不更换，刮泥板的刮泥效果就会变差，为了解决这个问题，经过学习研究，决定在掘进机本身第二道或第三道刮泥板后部皮带平直段加装两道自制刮泥板，如下图所示。
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图2-2-1 自制刮泥板安装位置
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图2-2-2 自制刮泥板结构示意图
此刮泥板形状经过反复变幻最终确定的结构，刮泥板材料采用厚度20mm的Q345B钢板进行制作，成本低。磨损后上下面、前后面均可调整位置继续使用。
经过武汉地铁11号线施工验证，加装自制刮泥板后，刮泥效果十分明显，而且降低了掘进机自身刮泥板的调整频率，延长了聚氨酯刮泥板的使用寿命。由于自制刮泥板材料成本极低，且可以反复多次使用，不但很好的维护了皮带，还降低了设备维护的成本。通过自制刮泥板的设计安装，整个区间1.9km隧道施工下来，未更换过一块聚氨酯刮泥板，极大地节省了施工成本。
3、创新研究结果
尽管各种品牌掘进机的出渣系统都有相关方面的设计，但其部分结构设计并不是很合理，效果并不是很好，维护起来也不是很方便，且维护成本较高，并不能很好的提高设备的使用寿命。通过对掘进机出渣系统维护与结构优化的研究，不但提高了现场技术人员、作业人员发现问题、解决问题的能力，还提高了技术人员、作业人员的创新能力，进而丰富了自身的施工经验，提高了自身的工作效率，降低了自身的工作强度，降低了施工成本，节约了施工工期，提高了设备的完好率与利用率，延长了设备的使用寿命。