西秦嶺特長隧道連續皮帶機出碴施工關鍵技術

許金林，徐 贊，王艷波

(中鐵隧道集團二處有限公司，河北三河 065201)

0 引言

從我國人口眾多、資源有限、客貨運輸強度大的具體國情出發，更多地發展鐵路、引導人們選擇鐵路運輸方式是減少資源占用的有效方略。隨著隧道施工水平的不斷提高，鐵路隧道的施工能力不斷加強，設計時往往采用特長、長大隧道代替過去的隧道群，且隧道長度記錄不斷刷新。敞開式硬巖掘進機(TBM)以其在長大隧道施工中快速、高效、安全、環保、集成化程度高等獨特優勢應用越來越普遍。連續皮帶機出碴方式作為3種TBM可供選擇的配套出碴方式(汽車運輸出碴、軌道礦車出碴、連續皮帶機出碴)中最經濟、便捷和高效的一種［1－3］，是未來 TBM施工隧道出碴的發展趨勢，具有廣闊的推廣和應用前景。

連續皮帶機出碴體系的引入，可以實現同步快速出碴，保證TBM的有效掘進時間，確保掘進進度。文獻［4－7］介紹了連續皮帶機出碴技術在遼寧大伙房水庫輸水一期工程和關角隧道斜井施工中的成功應用并進行了比較系統的總結;但是，西秦嶺隧道施工采用如此長距離的連續皮帶機出碴且中途TBM步進通過斜井鉆爆段后連續皮帶機需要整體轉場并實現由正洞轉入斜井出碴在國內尚屬首次。連續皮帶機在長距離斜井內如何布置、在出碴過程中如何實現與同步襯砌體系互不干擾、將碴體輸送至洞外后如何實現與轉運工程車無縫銜接以避免二次裝碴作業、中途轉場期間如何實現皮帶快速無損傷收放等仍然是嶄新的課題，不斷完善長距離連續皮帶機出碴體系對于該技術的改進和提高有著重要而長遠的意義。

1 工程概況

蘭渝鐵路西秦嶺隧道工程位于新建鐵路蘭渝線中段，地處甘肅省東南部重鎮——隴南市境內，全長28.236 km，是目前國內鐵路建設史上的第二長隧道，也是國內TBM施工斷面最大、距離最長的鐵路隧道。根據設計要求，西秦嶺隧道采用鉆爆法和TBM掘進聯合施工，其中隧道出口在圍巖較好的地段分2段采用TBM掘進:第1段長5 594 m(DIK421+239～DIK415+645)，第2段長 7 340 m(DIK410+930～DIK403+590)，2掘進段之間設羅家理斜井1座，其正洞段(DIK415+645～DIK410+930)采用鉆爆法施工。TBM施工區段劃分如圖1所示。

圖1 TBM施工區段劃分(單位:m)Fig.1 Layout of tunnel sections driven by TBM(m)

羅家理斜井位于隴南市武都區洛塘鎮椒園村鬧院子，采用直墻型斷面，洞口里程樁號為斜24+55，長2473m，與左線正洞相交里程為DIK413+388，與重慶方向相交角度為85°58'52″，綜合坡度為－11.09%，洞口外為3%的反坡，進洞后，每280 m為11.9%的坡度，相接20 m為2%的緩坡段。

通過出碴方案比選，西秦嶺隧道出碴方式選用鋼絲繩芯阻燃輸送帶連續出碴。連續皮帶按照600 m/卷捆扎進場，在使用時進行硫化連接。

2 特長連續皮帶機出碴體系

2.1 連續皮帶機出碴技術

TBM掘進時，刀盤在主軸承的作用下轉動帶動滾刀在掌子面上旋轉刻劃出一道道同心圓，隨著滾刀力量的不斷加大，巖石被滾刀擠碎并脫落。脫落的巖石被旋轉到隧道底部的刀盤側邊鏟斗輸送到位于主梁內部的1#皮帶機上(見圖2)，通過2#橋架皮帶機、3#轉載皮帶機，碴體被輸送到4#出碴連續皮帶機上運出洞外。

隨著TBM的向前推進，連續皮帶機支架被安裝在側墻上不斷向前延伸。連續皮帶倉及主驅動安設在隧道洞口附近，皮帶倉單次可儲存600 m的連續皮帶，隨著TBM的掘進，皮帶在恒扭矩電機的控制下不斷向外釋放，當釋放完畢后，通過硫化橡膠高溫熱焊技術將新一段600m的皮帶接入存儲倉中，硫化一次一般需10 h左右。

連續皮帶機橋架在TBM步進段和掘進段采用2種不同的支撐方式［8］，在TBM步進段(鉆爆施工段)采用豎向固定支撐法將豎向支撐桿直接支撐在邊墻基礎上，橫向支撐桿固定在與橋架橫梁水平位置對應邊墻上;在TBM掘進段則采用三角斜向支撐法將支架分別固定在與橫梁水平位置對應和同一法線位置高出邊基頂面30 cm處的邊墻上，如圖3所示。2種方式皮帶機支架均通過膨脹螺栓連接固定，間距4.5 m。

圖2 TBM出碴示意圖Fig.2 Sketch of muck flow direction in TBM tunneling

2.2 連續皮帶機中途轉場技術

2.2.1 連續皮帶機總體轉場方案

第1掘進階段時，連續皮帶機承載碴體后穿越1#，2#同步襯砌臺車直接輸送至隧道出口，通過轉載皮帶機橫跨整個洞外作業場地轉運至分碴器位置，通過連續分碴器自動分流裝車后由轉運工程車運輸至棄碴場。

圖3 支架固定方法示意圖Fig.3 Fixing of conveyor belt by brackets

第1掘進階段與羅家理斜井鉆爆段重慶端貫通后，空推TBM前行20 m左右使撐靴進入羅家理斜井鉆爆段，安裝步進機構，步進同時施作邊基填充、邊墻基礎并拆除第1階段出碴皮帶系統。連續皮帶機采用皮帶收放裝置在洞口按照600m/卷收卷成進場時形狀，皮帶收卷完并在皮帶控制室、變電室拆除后，將主驅動放在洞口300t龍門吊范圍內，待3#襯砌臺車通過羅家理斜井三岔口后，主驅動、皮帶倉等通過軌道運輸至第2掘進階段安裝位置重新安裝。TBM步進通過羅家理斜井三岔口150m后，開始在TBM尾部安裝出碴皮帶機支架，并逐級完善第2掘進階段的連續皮帶機出碴系統。連續皮帶機中途轉場工序轉換流程如圖4所示。

圖4 工序轉換流程圖Fig.4 Flowchart of construction process conversion

2.2.2 主驅動等大件器械的洞內運輸

洞內連續皮帶機主驅動寬3 122 mm，高2 940 mm，質量為30余t，TBM步進通過羅家理斜井段后需要從正洞出口運輸至斜井與正洞“三岔口”處。鑒于采用汽車通過斜井運輸存在一定的危險性且運至目的地后卸車及汽車退出困難等實際情況，決定從正洞采用無軌運輸。運輸時在主驅動底部安設臨時走行輪，將四軌雙線運輸軌道的外側2條軌道作為走行軌道，并在主驅動安放位置處鋪設臨時軌道，通過機車牽引把主驅動一次運輸到位。主驅動就位后，用千斤頂將主驅動頂起后拆除臨時軌道并完成主驅動的就位。

皮帶倉、轉碴器等可在洞外拆卸并編號后采用平板運輸車逐件運輸。為滿足主驅動等大件器械對運輸凈空及主驅動等安裝的需要，主驅動運輸前應先將1#，2#，3#同步襯砌臺車及臺架走行通過“三岔口”皮帶倉安裝位置。

2.3 第2掘進階段連續皮帶機布置方案

2.3.1 整體出碴方案

第2掘進階段時，4#連續皮帶機承載碴體后穿越1#，2#，3#同步襯砌臺車將碴體輸送至斜井“三岔口”位置，通過5#斜井轉載皮帶機穿越羅家理斜井輸送至洞外，經6#洞外轉載皮帶機直接翻越山體，并經7#延伸皮帶機被輸送至棄碴場，用裝載機進行整平。

2.3.2 長距離斜井皮帶布置

斜井皮帶主驅動安設在斜井洞口位置，由于皮帶整體較長且為上坡運輸，在斜井12+14.70位置擴挖洞室段安設附屬驅動。連續皮帶機由正洞轉入斜井及在斜井內布置情況如圖5所示。

圖5 連續皮帶機在斜井內的布置(單位:m)Fig.5 Arrangement of continuous conveyor belt in inclined shaft(m)

斜井內連續皮帶機橋架通過鐵鏈懸掛在斜井洞頂上(見圖6)，固定點采用長20 cm、尾部帶有連接鉤的膨脹螺栓。為防止軟連接方式的連續皮帶機橋架在出碴時抖動造成構件損傷甚至連接松脫，橋架下方每間隔20 m設置一道豎向支撐桿，底部通過膨脹螺栓固定。

圖6 斜井內皮帶固定方式(單位:mm)Fig.6 Fixing of continuous conveyor belt in inclined shaft(mm)

2.3.3 皮帶洞外布置技術

碴體被斜井皮帶機輸送出洞外后，經轉碴器落到洞外6#轉載皮帶機上，6#轉載皮帶機主驅動安設在山頂棄碴場外邊緣的混凝土基礎平臺上，皮帶機最大爬升坡度20°，翻越山頂后以7%下坡，橫跨河流、便道，總長度約284 m。跨河段采用三跨鋼桁架梁形式，全長60.2 m，在皮帶整體約1/2位置處利用便道邊的一處自然平臺整平后安裝張緊裝置，此處無寬橋架支腿，張緊裝置重錘箱等總質量為5.8t。6#皮帶機布置如圖7所示。

為保證6#轉載皮帶機維護和檢修期間TBM仍然能夠正常掘進出碴，在5#，6#連續皮帶機轉碴器位置安裝1個小型分碴器，分碴器的1個分碴口指向6#轉載皮帶機，另一個分碴口指向臨時棄碴場。在6#轉載皮帶機維護和檢修期間，只需要切換分碴器的切換擋板，使碴體落到臨時棄碴場地上用轉運工程車轉運即可。

7#延伸皮帶機主要擔負將運輸到山頂的碴體向棄碴場內部輸送，主驅動電機同樣安設在山頂位置。隨著TBM的不斷向前推進，為滿足棄碴的需要，7#延伸皮帶機除主驅動電機位置不變外，皮帶機支架等也將隨著碴場的不斷填筑逐漸向碴場內部延伸。

3 連續皮帶機穿越同步襯砌臺車技術

3.1 采用同步襯砌施工技術是確保工期的必然選擇

以往的鐵路隧道TBM施工中，通常采用掘進完成后再進行襯砌的施工方法，如秦嶺隧道等。而西秦嶺隧道工程作為蘭渝鐵路全線重點控制性工程，總工期61.5個月，能否按時完工將直接關系到蘭渝鐵路全線能否按照計劃實現通車。根據實施性施工組織的安排［9］，在TBM掘進結束2個月后，全洞的襯砌工作也要結束，這就要求襯砌作業必須與TBM掘進同步進行，且襯砌速度要與掘進速度相匹配。

3.2 襯砌體系

根據襯砌凈空設計，同步襯砌臺車及作業臺架通過尺寸優化采用不占用仰拱預制塊上運輸軌道、在邊墻基礎電纜溝底上另設行走軌道的方式進行設計，與運輸線路互不干擾，減少在運輸中采用浮放道岔雙線變單線的難題。襯砌臺車及作業臺架下部凈空滿足雙線機車通行要求;風管設在襯砌臺車及作業臺架中上部的φ2.2 m風管滑行托盤中，滿足隨時通風的需要［10］。

由于需要滿足TBM通過時對隧道凈空的要求，出口鉆爆段及羅家理斜井鉆爆段在隧道開挖結束后只施作初期支護，待TBM步進通過后才可以進行二次襯砌作業。因此，在第2階段TBM正常掘進期間不僅要緊跟TBM進行軟弱圍巖襯砌支護，還要進行TBM預備洞的襯砌施工。根據生產及工期需要，共投入襯砌臺車6部，其具體配置情況見表1。

圖7 6#轉載皮帶機布置Fig.7 Arrangement of No. 6 continuous belt conveyor

表1 第2掘進階段襯砌臺車配置情況Table 1 Arrangement of lining formwork jumbos in the 2nd boring phase

3.3 出碴體系與同步襯砌體系的矛盾

襯砌作業作為隧道施工中至關重要的一個環節，襯砌的質量將直接影響到整個隧道的施工質量，其各個環節都必須嚴格要求。由于TBM連續出碴皮帶機最多時必須穿過1#，2#，3#同步襯砌臺車及配套作業臺架，因此，同步襯砌臺車及臺架結構如何設計才能保證防水材料鋪設、襯砌混凝土澆筑及修補與出碴互不干擾且在連續皮帶機出碴工況下襯砌混凝土凝固質量不受動載振動影響，成為出碴體系與同步襯砌體系的主要矛盾。

3.4 解決方案

考慮到同步襯砌臺車、臺架行走時需拆除位于其前方的皮帶機支架，臺車、臺架設計時，在二者之間設置具有縱向自由度的拉門式伸縮臺架，并在三者第1平層的一側設置托架軸承滑道(見圖8)，作為臺車行走時皮帶機支架拆除后連續皮帶機的支撐，臺車前行時拉伸拉門式臺架，行至下一襯砌段并在作業臺架完成施工任務后，收縮拉門式臺架，當最后1組臺架前行至與其尾部的第1組皮帶機支架距離達到4.5 m時，安裝1組皮帶機支架。這樣，無論襯砌臺車和作業臺架是在行走狀態還是作業期間，均不會影響正常的皮帶機出碴，達到真正的同步。

圖8 連續皮帶機穿越同步襯砌臺車示意圖Fig.8 Continuous conveyor belt passing through synchronous lining formwork jumbo

因連續皮帶機與同步襯砌臺車穿插作業，為確保同步襯砌作業人員的人身安全，避免安全事故的發生，在連續皮帶機支架上安裝警報器和警示燈。連續皮帶機開機前10 min必須提前電話告知各部同步襯砌臺車作業人員，前5 min開啟警報裝置預警(警報器鳴笛、警示燈閃爍)，提示現場施工人員注意安全并遠離皮帶運行區域，5min后再次通過警報裝置示警后開機。

3.5 應用效果

在第1掘進段(2010年6月25日至2011年5月28日)施工過程中，TBM累計掘進5 594 m，在穿越2 000余m軟弱、破碎圍巖的情況下實現平均月掘進進度508 m，并創造直徑10 m以上同類TBM施工月掘進進度841.8 m、周掘進進度235 m的2項世界紀錄。通過科學有效的施工組織、積極合理的現場管理，同步襯砌技術在施工工程中成功克服與風、水、電、通訊管線及連續皮帶機出碴相干擾等難題，2部同步襯砌臺車(2010年9月6日開始)累計完成同步襯砌3 755.3 m，平均426.7m/月，基本實現與TBM掘進速度相匹配，同時也印證了同步襯砌施工技術選擇和實施的科學性。

4 連續分碴器自動切換裝車技術

4.1 連續分碴器構造及作業原理

為適應TBM大斷面快速掘進出碴量大、對碴料及時轉運的需求，保證連續皮帶機出碴與轉運工程車之間實現無縫銜接，研究采用在連續出碴皮帶機與轉運工程車之間設計連續分碴器，使之將碴料連續自動分流到轉運工程車上。

連續分碴器主要由操作控制系統、主分碴機構、子分碴機構及框架組成，見圖9。根據連續皮帶機運轉速度及出碴量，設計采用主分碴機構和子分碴機構2級相連，在主分碴機構和子分碴機構上均設置液壓切換板。為防止碴料沖擊對擋板的機械磨損，在主分碴機構、子分碴機構內部及液壓切換擋板上加設耐磨鋼板。連續分碴器下設3條正常轉運車道和1條應急轉運車道，當1臺轉運工程車接滿碴料后，操作主分碴機構或子分碴機構切換板液壓油缸動作，將切換板由原停放終端位置換位到另一個終端位置，碴料通過切換板切換到停放在另一條轉運車道的空車內，如此循環，實現連續不間斷分碴。

為避免露天安放的連續分碴器在使用時碴料中有水或在嚴寒地區冬季施工時機構內部出現凍結情況，在主分碴器、子分碴器易凍結部位的外殼上設置外覆電加熱板(如圖9中13所示)。

4.2 應用效果

連續分碴器自動切換裝車技術的成功應用解決了以往連續皮帶機將碴料直接卸到堆料場，再用挖掘機和裝載機將碴料裝到轉運工程車上無法實現無縫銜接轉運的難題。3條正常轉運車道和1條應急轉運車道的設置可以有效解決轉運工程車在進出分碴器時需暫停分碴的技術難題，實現轉運工程車彼此互不干擾，即便分碴器出現故障需要維修時仍可以提供接料口;減少了機械的投入和對施工場地的占用，費用也更經濟。連續分碴器自動切換裝車技術和傳統裝車技術對比見表2及圖10。

圖9 連續分碴器構造圖Fig.9 Structure of muck branching device

表2 技術對比Table 2 Comparison and contrast between conventional muck loading and muck loading by means of muck branching device

5 特長連續皮帶快速無損收放技術

5.1 皮帶收放裝置構造及作業原理

皮帶收放裝置按照西秦嶺隧道所采用連續皮帶特點設計，由2部相同的皮帶收放機組成，其主要構造如圖11所示。

圖10 連續分碴器自動切換裝車技術與傳統裝車技術對比Fig.10 Pictures of conventional muck loading and muck loading by means of muck branching device

每部皮帶收放機采用1臺轉速1 440r/min、功率7.5 kW的三相異步電動機帶動1臺轉速范圍為125～1 250r/min、額定轉矩14.7N·m的電磁調速電動機，電磁調速電動機通過帶輪傳遞動力帶動減速機旋轉，減速機通過波動式簡易聯軸器帶動鏈輪通過鏈條驅動3個驅動滾輪同時旋轉，從而使滾輪帶動皮帶繞軸旋轉。

試驗階段發現單純依靠皮帶收放裝置卷收皮帶而無外力輔助拉緊皮帶時，皮帶收放裝置自身的動力系統無法拖動洞內10余km的連續皮帶。因此，需要調整電機相序使連續皮帶驅動電機反向旋轉，并調整主減速驅動變頻器頻率限制其最高轉速，使主驅動喂帶的轉速盡量與皮帶收放機轉速相匹配。

皮帶在卷收過程中由于多種原因會出現跑偏情況，使卷出的皮帶參差不齊。為避免這一情況，在卷帶機內側增設限位滾筒，皮帶限位滾筒采用螺栓固定并可適當調節以適應不同皮帶寬度的需求。西秦嶺隧道連續皮帶寬度914 mm，因此，調節限位滾筒外緣間距為1 000 mm。

5.2 應用效果

第1階段掘進結束后，連續皮帶長度達到(2 113 m+5 594 m+600 m) ×2，即16 614 m(約28卷)，經過現場準備與調試，僅用6 d時間完成全部連續皮帶回收、打包、入庫任務，用7d時間完成第2掘進階段正洞2 458 m、斜井2 473 m的皮帶鋪裝工作，大大提高了工作效率，減輕了作業人員的勞動強度。具體人員配置情況如表3所示。

圖11 皮帶收放裝置構造圖(單位:mm)Fig.11 Structure of belt releasing and withdrawing device(mm)

表3 單班作業人員配置Table 3 Labors for one working shift

此外，由于皮帶收放裝置由2部相同的皮帶收放機組成(2部皮帶收放機配合使用工作效率更佳，并可有效增加單卷連續皮帶的回收長度)，每部皮帶收放機配置有獨立的驅動系統，如果運輸空間沒有限位要求(如穿越臺車等)也可單獨完成卷帶作業，實現不同方式的皮帶卷打包。皮帶收放機底部設置走行輪對，可通過機車牽引移動，從而使皮帶收放機不僅具備收放皮帶的功能，同時也可完成皮帶運輸工作。

6 結論與討論

特長連續皮帶機出碴技術在蘭渝鐵路西秦嶺隧道成功應用并在技術和設備革新方面均取得了長足的進步，主要可歸納為以下幾點:

1)TBM掘進與鉆爆法聯合施工鐵路隧道，連續皮帶機出碴穿越斜井鉆爆段皮帶機系統整體轉場技術，成功實現了皮帶機在長距離、大坡度斜井中的科學布置情況及大件設備進洞。

2)實現了連續皮帶機出碴與同步襯砌施工互不干擾、并行開展，提高了隧道施工進度，減少了圍巖暴露時間、實現及時封閉從而提高施工期間隧道安全系數;此外，對于縮短長大隧道建設總工期成效顯著。

3)連續分碴器自動切換裝車技術作為“中轉站”在皮帶機出碴與工程車轉運2作業工序無縫銜接方面起到了至關重要的作用，在經濟性、場地占用、裝車效率等方面都明顯優于傳統的裝車技術。

4)由2部皮帶收放機組成的皮帶收放裝置既可以實現皮帶快速無損回收并完成打包作業，又可以實現皮帶洞內運輸和快速釋放，效率高、效果好且作業人員勞動強度低，其獨有的預防皮帶卷收過程跑偏功能、平穩調速功能以及多滾輪驅動并根據皮帶卷直徑自動切換驅動系統功能也是其他皮帶收放工藝所無法比擬的。

連續皮帶機出碴技術以出碴效率高、設備投入少、施工干擾小、環保性能好、維護成本低等顯著特點不斷推動其在長大隧道TBM配套施工中的發展，但連續皮帶機出碴技術在我國尚處于起步階段，隧道施工距離長、建設工期短等實際情況對未來TBM長大隧道施工提出了更高的要求，這就需要鐵路建設者們根據實際建設需求，通過摸索和實踐在施工中不斷開發、總結、完善和細化連續皮帶機出碴技術環節，形成更加科學、成熟、實用的出碴體系。

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