移動式布料皮帶機在雙護盾TBM出碴中的應用

郭 志， 王小強， 劉麗歡， 徐超群， 李長達， 曲秋芬

(1. 中船重工(青島)軌道交通裝備有限公司， 山東 青島 266111；(2. 中車唐山機車車輛有限公司， 河北 唐山 064000)

0 引言

伴隨著我國大規模的鐵路、公路、市政、水利、水電、供氣、防洪等工程建設，需要修建大量的隧道/隧洞。采用TBM法進行隧道施工具有快速、優質、安全和環保等特點，存在著諸多優勢，具有廣闊的應用空間[1]。TBM施工的隧道出碴方式一般為有軌運輸出碴和連續皮帶機出碴。目前，國內關于隧道出碴尤其是連續皮帶機出碴技術的研究較多： 文獻[2-4]對TBM施工長大隧道分別采用有軌運輸和連續皮帶機出碴方式進行了對比論證；文獻[5-8]論述了連續皮帶機在TBM施工中的成功應用，并針對施工過程中出現的膠帶跑偏、滾筒錯位、托輥損壞、冬季保暖等問題提出了應對措施；文獻[9-11]從技術方案、施工管理等角度論述了連續皮帶機出碴條件下敞開式TBM的同步襯砌施工技術等。相對于隧道出碴技術，目前對TBM設備出碴技術的研究文獻較少： 文獻[12]對TBM主機皮帶機螺旋托輥的安裝及受力進行了分析和探討。

上述研究多集中于隧道出碴設備或TBM出碴設備本身，對能夠促使二者相互間高效銜接的TBM出碴設備研究較少。尤其是采用有軌運輸出碴的隧道施工方式，由于TBM后配套皮帶機的卸碴點通常固定，掘進過程中需要移動礦車接碴布料且施工材料(管片)運輸車需暫時摘鉤脫離列車編組，待接碴并卸料完畢后重新連接編組進而整體運輸出洞，工序較多且牽引編組的內燃機車持續運行會增加尾氣排放，造成隧道內空氣污染。

應用于青島地鐵2號線隧道施工的雙護盾TBM后配套配置了移動式布料皮帶機，該皮帶機可實現往復移動和正反向運行為礦車卸碴布料[13]，有效避免了管片運輸車摘/掛鉤及礦車往復移動等工序，更加高效環保。類似技術在達板隧洞工程等項目上曾有過應用，但局限于當時的整體工業技術水平，應用效果不是十分理想[14]。本文通過對移動式布料皮帶機的工作原理、結構組成、移動方式、張緊方式和驅動方式等進行適應性設計，分析其應用效果，以期在青島地鐵1號線進行推廣和應用。

1 TBM設備出碴現狀

TBM具有隧道掘進、出碴和支護等功能，出碴功能通過TBM配置的皮帶機實現。通常貫穿TBM主機內部的皮帶機稱為主機皮帶機，與主機皮帶機搭接的依次為后配套1號、后配套2號皮帶機，分別安裝在連接橋及后配套臺車上。石碴在后配套2號皮帶機尾部卸料至礦車或連續皮帶機等隧道出碴設備(根據設計和工況不同，也有部分設備不配置后配套2號皮帶機，出碴卸料在后配套1號皮帶機尾部完成)。采用有軌運輸方式出碴時，TBM后配套皮帶機的卸碴方式一般有2種，分別為固定點卸碴和移動點卸碴[15-16]。

1.1 固定點卸碴

根據TBM后配套及列車編組之間的物流裝卸相互關系，可確定后配套2號皮帶機長度，即卸碴點固定，見圖1。列車在裝滿1節礦車過程中移動相應距離，方式可以采用機車拉動，也可以采用撥車機撥動。連續緩慢移動列車編組，每次移動1節礦車長度，為第2節礦車卸碴。這種方式的特點是： 卸碴點固定，隧道掘進過程中需要移動礦車受料且施工材料(管片)運輸車需暫時摘鉤脫離列車編組，待接碴并卸料完畢后重新連接編組進而整體運輸出洞。在城市地鐵隧道施工中，這種卸碴方式工序較多、人員投入多且牽引編組的內燃機車持續運行，尾氣排放增加，造成隧道內空氣污染。

圖1 固定點卸碴示意圖Fig. 1 Sketch of mucking at fixed point

1.2 移動點卸碴

目前有卸料小車和移動式布料皮帶機2種移動點卸碴方式，分別如圖2和圖3所示。前者由運輸碴料皮帶機上的卸料小車沿軌道行走，依次為礦車卸碴布料，在裝滿1列車后運輸出洞；后者由與后配套皮帶機搭接的移動式布料皮帶機通過牽引或驅動實現前后、往復移動，通過雙電動滾筒驅動完成正、反方向運行，實現雙卸碴點交替落料。前者對于TBM后配套采用雙列礦車并行出碴時，可將末端的卸碴斗設計為可控制的雙向閘門，分別向左右2列礦車卸碴布料，大大提高了出碴速度；后者具備雙卸碴點交替落料功能，有利于縮短皮帶機及TBM后配套長度，有效節約TBM的始發空間需求。

(b) 左視圖

圖3移動式布料皮帶機示意圖
Fig. 3 Sketch of mobile shuttle conveyor

移動點卸碴方式的特點是： 列車編組停機不動，卸料小車或移動式布料皮帶機為礦車卸碴布料，在卸碴完成后列車編組立即運輸出洞。該卸碴方式有效減少了中間環節和人員投入，更加高效環保。

2 移動式布料皮帶機

移動式布料皮帶機又稱梭式皮帶機，安裝在TBM后配套臺車門架內并與后配套皮帶機搭接。整機通過牽引或驅動機構可實現往復移動，通過兩端的電動滾筒正、反方向運行可實現雙卸碴點交替落料。

2.1 工作原理

采用移動式布料皮帶機方式出碴，列車編組在運行進入后配套門架特定區域后停機，無需將施工材料(管片)運輸車摘鉤脫離列車編組，可通過操作移動式布料皮帶機為礦車卸碴布料，待掘進行程結束以及接碴和卸料完畢后，列車編組駛出后配套區域并將碴料運輸出洞。本工程采用5節軌行式礦車出碴，移動式布料皮帶機的工作原理如圖4所示，主要包括以下3個階段：

1)列車編組運行到位，皮帶機及礦車相互位置關系如圖4(a)所示，依次啟動移動式布料皮帶機、后配套皮帶機及主機皮帶機并開始掘進。移動式布料皮帶機向后(TBM掘進相反方向)移動并運行電動滾筒使前卸碴點為礦車5卸碴布料，該皮帶機移動過程中應根據出碴量及礦車受料情況適時調整其移動速度以確保對礦車的布料飽滿均勻。依次對礦車5、礦車4及礦車3卸碴布料，待礦車3裝滿約1/3容積時，進入下一出碴階段。

2)移動式布料皮帶機繼續向后移動至端部并脫離與后配套皮帶機的搭接區域，后配套皮帶機直接向礦車3內卸碴布料，待移動式布料皮帶機上碴料卸完后停機并準備反向啟動電動滾筒，如圖4(b)所示。若直接在移動式布料皮帶機與后配套皮帶機搭接區域切換電動滾筒的運行方向，會因停機及反向啟動的時間差導致膠帶上的碴料淤積，而采用前述操作方式則有效保障了掘進及出碴的連續進行。

3)待礦車3由后配套皮帶機裝滿約1/3容積且移動式布料皮帶機切換至后卸碴點卸料時，移動式布料皮帶機向前(TBM掘進方向)移動通過后卸碴點依次為礦車1、礦車2及礦車3卸碴布料，如圖4(c)和圖4(d)所示。該過程同樣需要根據出碴量及礦車受料情況適時調整其移動速度以確保對礦車的布料飽滿均勻，直至該行程掘進及出碴結束，列車編組運行出洞。

(a) 第1階段

(b) 第2階段

(c) 第3階段

(d) 第4階段

1—后配套皮帶機； 2—移動式布料皮帶機。

圖4移動式布料皮帶機工作原理
Fig. 4 Working principle of mobile shuttle conveyor

2.2 結構組成

應用于本工程的移動式布料皮帶機由2節驅動機架和8節中間機架組成，機架與機架之間通過緩沖墊連接螺栓連接起來，第7節與第8節機架之間采用油缸連接形成皮帶機張緊機構。皮帶機兩側為行走輪，放置于槽鋼或H鋼內側下翼面上作為行走軌道，通過牽引機構可實現往復移動。膠帶及其上的物料運行通過托輥支承，本機驅動滾筒附近第1組槽形上托輥采用20°過渡托輥組，其余均采用30°槽形托輥組，間距約為700 mm，每間隔2組上托輥設1組帶擋輥的槽形上托輥組；下托輥為單根平行下托輥組與2根V型下托輥組交替布置，間距約為2 000 mm，每間隔2組下托輥設1組擋輥。移動式布料皮帶機結構如圖5所示。

(a) 結構圖

(b) 橫斷面圖

1—驅動機架； 2—中間機架； 3—張緊機構； 4—緩沖墊連接螺栓； 5—行走輪； 6—牽引機構； 7—上托輥； 8—膠帶； 9—下托輥。

圖5移動式布料皮帶機結構組成
Fig. 5 Structure and configuration of mobile shuttle conveyor

2.3 技術特點

2.3.1 移動方式

本工程采用的移動式布料皮帶機通過牽引方式實現移動。牽引機構如圖6所示，其核心部件為牽引絞車，絞車兩端輸出的鋼絲繩通過滑輪換向分別與移動式布料皮帶機兩端的驅動機架端部相連接。絞車采用摩擦而非纏繞的方式驅動鋼絲繩提供牽引力，可保證兩端具有相同的牽引力且牽引速度恒定，使得皮帶機兩端的鋼絲繩具有良好的同步性，不會由于“拉扯”不同步產生劇烈跳動。牽引絞車結構緊湊，承載力大且運行穩定可靠。

圖6 移動式布料皮帶機牽引機構結構組成

Fig. 6 Structure and configuration of traction mechanism of mobile shuttle conveyor

2.3.2 張緊方式

膠帶需要有一定的張緊力才能夠正常運行。本工程采用的移動式布料皮帶機設有2種形式的張緊機構：1)液壓張緊，油缸及蓄能器安裝在第7節與第8節中間架連接處。張緊機構工作原理如圖7所示，設備運行前通過手動泵為系統注油，調節油缸行程來實現輸送帶的預張緊，通過蓄能器補油或儲油實現油缸行程調節來對運行中的膠帶進行自動張緊。這種方式無需管路延伸，尤其適用于移動場合的皮帶機張緊。2)在兩端驅動滾筒處設置張緊螺栓。松開電動滾筒支座固定螺栓，然后通過兩端的張緊螺栓調整膠帶的松緊度，調整好后再擰緊電動滾筒支座固定螺栓。

2.3.3 驅動方式

驅動系統采用閉式驅動裝置——雙電動滾筒驅動，移動式布料皮帶機可實現正、反方向運行。電滾筒附近設置空段清掃器，用來清掃黏在輸送帶非承載面上的黏著物，防止碴料卡在從動滾筒與膠帶間； 2個電動滾筒處分別設置H型聚氨脂清掃器和P型聚氨脂合金刀片彈簧清掃器，用來清掃黏在輸送帶承載面上的黏著物，防止輸送帶上的黏著物固結進而影響出碴效果。電動滾筒通過滑觸線供電，運行過程平穩可靠。

圖7 自動張緊原理

3 移動式布料皮帶機應用

3.1 工程與設備概況

青島地鐵2號線1期工程起自泰山路站、止于李村公園站，線路全長25.2 km，共設車站22座，均為地下站，其中，泰山路—芝泉路區間、海安路—高雄路區間隧道各采用2臺雙護盾TBM施工。TBM開挖直徑為6.3 m，單循環掘進行程為1.5 m，采用“5+1”型管片襯砌，管片外徑為6 m，內徑為5.4 m，采用有軌運輸方式出碴，列車編組為“2節管片車+1節水泥罐車+5節礦車+牽引機車”。TBM后配套上配置了移動式布料皮帶機，主要技術參數見表1。

表1 移動式布料皮帶機主要技術參數Table 1 Main technical parameters of mobile shuttle conveyor

3.2 應用效果

應用于青島地鐵2號線的4臺雙護盾TBM自2015年3月底至7月初陸續始發以來，累計完成了約12 km隧道掘進，分別于2016年8月和12月實現貫通，最高日進尺22.5延米，最高月進尺381延米。移動式布料皮帶機承擔了TBM掘進過程中的后配套至礦車卸碴布料工作。正常工況掘進時，TBM后配套采用移動式布料皮帶機為礦車卸碴布料，避免了管片車摘/掛鉤及礦車移動受料等工序；列車編組運行到位后只需操作移動式布料皮帶機即可完成礦車的卸碴布料工作，減少了輔助人員及列車編組司機的參與；礦車受料完成后可立即運輸出洞。出碴過程中移動式布料皮帶機運行可靠、工作平穩，設備完好率達95%以上，為TBM在城市地鐵隧道順利施工提供了有力保障。采用移動式布料皮帶機出碴的現場應用情況如圖8所示。

(a)

(b)

3.3 應用過程中出現的問題及解決對策

在移動式布料皮帶機運行期間曾出現過由于臺車行走軌道鋪設不平造成皮帶機行走軌道在臺車結合處錯臺的現象，進而導致皮帶機行走輪在軌道錯臺處出現卡頓的故障。通過將移動式布料皮帶機臺車結合處行走軌道的上翼緣板切割出豁口，保證皮帶機行走輪運行至該處時具有一定的上下活動余量，使得卡頓故障得以解決。

在320 m小半徑曲線段掘進時，由于曲線半徑較小，移動式布料皮帶機出現整機卡頓而無法移動，之后輔以移動礦車受料的方式順利完成了小曲線半徑段的TBM掘進。

4 結論與討論

通過對移動式布料皮帶機的工作原理、結構組成、移動方式、張緊方式和驅動方式等進行適應性設計，并在青島地鐵2號線進行實際應用，實踐證明將移動式布料皮帶機應用于雙護盾TBM后配套出碴可行、實用。TBM隧道施工采用有軌運輸方式出碴時，由移動式布料皮帶機為礦車卸碴布料可有效減少中間環節和人員投入，高效環保且平穩可靠，在類似工程或設備上具有推廣應用價值。

針對移動式布料皮帶機運行過程中出現的問題，仍需在以下幾個方面進行深入研究：

1)進一步優化結構設計，拓展移動式布料皮帶機在小曲線半徑段等特殊工況時的適應性，提高其機動能力。

2)TBM后配套設備布置時需盡量預留出移動式布料皮帶機運行的觀察空間，保證其對礦車的卸碴布料飽滿均勻。

3)進一步探索適用的供電方式，以保證供電系統在多泥碴、高粉塵環境下的使用壽命。