关于盾构螺旋输送机在中等风化泥岩地层中的排放效率及其对堵塞影响的实验与理论研究

《Soils and Foundations》：An experimental and theoretical research on shield screw conveyor discharging efficiency in moderately weathered mudstone strata and its influence on clogging

盾构机在粘土地层中易因土壤粘附导致螺旋输送机堵塞，本研究基于成都铁路 transit Ziyang 线实际工程，采用原位土壤调理测试，建立螺旋输送机土壤压力梯度与排土效率理论模型，发现泡沫注浆率与土壤坍落度（临界值15cm）是控制转矩稳定性的关键因素，并验证了水循环泡沫注浆（25.3m3/环，151.2L/环）可有效降低排土阻力达60%。

　　在盾构施工过程中，特别是在黏性土壤层（如泥岩地层）中，有效的土壤改良方案对于防止刀盘和螺旋输送机堵塞至关重要。如果土壤改良效果不佳，刀盘切割的土壤可能在进入螺旋输送机时形成团块，导致输送困难并降低盾构效率。此外，堵塞还会增加设备维护成本，甚至造成施工中断，从而带来严重的经济损失和工期延误。本研究不同于传统的使用人工黏土土样的测试方法，而是依托现场盾构工程，在实际泥岩地层中进行土壤改良试验，以更真实地模拟施工环境。通过盾构土壤迁移模型试验，研究人员再现了螺旋输送机堵塞的全过程，并获取了土壤在输送机内的迁移变化规律。研究发现，随着泡沫注入率的增加，螺旋输送机的扭矩会下降，当土壤坍落度达到15厘米时，扭矩趋于稳定。基于此，本研究创新性地建立了能够定量描述土壤排出量与压力梯度之间关系的理论计算模型。实验验证表明，该模型不仅能定量描述土壤排出量和压力梯度的变化规律，还能定性揭示土壤舱压力和土壤流动性对排出效率的影响机制。最终，通过成都轨道交通资阳线的现场测试，发现采用推荐的土壤改良方案后，盾构刀盘和螺旋输送机的堵塞问题显著减少，盾构施工效率得到了显著提升。

在盾构施工过程中，黏性土壤的特性对设备运行至关重要。黏性土壤具有较高的粘结力，容易与金属表面产生强烈的粘附，导致堵塞问题。这种粘附现象不仅影响土壤的流动性和排出效率，还可能对设备的结构和功能造成损害。因此，土壤改良的关键在于如何通过物理和化学手段降低土壤的粘结性，提高其流动性，以确保土壤能够顺畅地从螺旋输送机中排出。传统的实验室测试方法往往采用人工土样，但这种方法难以完全反映实际施工环境中的复杂情况。因此，本研究采用现场实际泥岩作为基础材料，通过模拟施工过程，开展了一系列土壤改良试验，以更准确地评估改良效果。

为了更好地理解土壤在螺旋输送机中的迁移过程，研究人员设计了专门的试验设备，并通过不同参数的调整，研究了土壤坍落度、土壤舱压力和螺旋输送机转速对排出效率的影响。试验发现，当土壤坍落度达到15厘米时，螺旋输送机的扭矩变化趋于稳定，表明此时土壤的流动性已经足够，能够有效地进行排出。而当坍落度较低时，土壤的粘结力较强，导致螺旋输送机扭矩显著增加，排出效率下降。此外，螺旋输送机的转速对扭矩也有明显影响，转速越高，土壤与输送机之间的剪切力越强，扭矩也随之增加。然而，当土壤坍落度达到一定值后，转速对扭矩的影响逐渐减弱，这表明土壤的流动性是影响排出效率的关键因素。

在理论分析方面，研究人员基于土壤在螺旋输送机中的迁移特性，建立了一个理论计算模型，该模型能够定量描述土壤排出量与压力梯度之间的关系。通过模型分析，研究人员发现，土壤的排出效率不仅受到土壤舱压力的影响，还与土壤的流动性密切相关。模型还揭示了摩擦系数对土壤排出量和压力梯度的定量影响。例如，当摩擦系数较高时，土壤的排出效率较低，压力梯度也相应增大；而当摩擦系数较低时，土壤的排出效率提高，压力梯度则趋于稳定。这种理论模型的建立为优化土壤改良方案提供了科学依据，有助于提高盾构施工的安全性和效率。

现场测试的结果进一步验证了理论模型的有效性。在资阳线盾构施工过程中，研究人员通过调整泡沫注入率和水注入量，使得土壤坍落度达到了15厘米，从而显著降低了螺旋输送机的扭矩，并提高了排出效率。同时，通过改变螺旋输送机的转速和注入模式，研究人员发现，在特定的坍落度和压力条件下，盾构设备能够实现较为理想的土壤排出效果。这表明，合理的土壤改良方案不仅能够有效解决堵塞问题，还能显著提高施工效率，减少设备损耗和维护成本。

此外，现场测试还发现，当土壤舱压力较高时，土壤的排出效率也会相应提高。这主要是因为高压环境下，土壤的塑性挤出效应增强，使得土壤更容易被排出。然而，当压力过高时，土壤的流动性可能会受到影响，导致排出效率下降。因此，研究人员提出，应根据具体的地层条件和施工需求，选择合适的土壤舱压力和坍落度，以达到最佳的排出效果。

通过现场试验和理论模型的结合，研究人员不仅揭示了土壤改良的关键因素，还提出了实际施工中可行的改良方案。这些方案包括合理调整泡沫注入率和水注入量，优化螺旋输送机的转速，以及采用适当的注入模式。这些措施在实际施工中得到了验证，能够有效解决泥岩地层中常见的堵塞问题，并显著提高盾构施工的效率。

总之，本研究通过现场试验和理论模型的结合，系统地分析了泥岩地层中土壤改良对盾构设备运行的影响，提出了针对性的改良方案。这些方案不仅能够解决堵塞问题，还能提高施工效率，减少设备损耗和维护成本。研究成果对于实际工程中盾构施工的优化具有重要的指导意义，有助于提高施工的安全性和效率，减少碳排放和经济损失。