盾構隧道施工連續皮帶機出渣系統設計研究

賈 丁， 張 文, 高鵬興

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都 610081)

連續皮帶機具有運距長、運量大、速度快、污染小等特點[1]，因此在TBM和盾構隧道出渣系統中得到了廣泛應用。在我國，皮帶運輸機最早運用于采礦業中，2002年的遼寧大伙房水庫輸水工程才首次引進使用了連續皮帶機與配套出渣的皮帶機連續出渣系統[2]。我國對于這種連續出渣技術的研究起步較晚，而且目前相較于國外設備和技術都相對落后。

近年來隨著連續皮帶機在采礦業和隧道施工中的廣泛應用，國內學者也從各個方面對連續皮帶機做了大量的研究。吳惠明和周文波在2004年對水平與垂直運輸系統作了較詳細的介紹，并對水平皮帶運輸機的操作、特殊道岔的應用、垂直皮帶運輸機的結構作了進一步的闡述[3]。徐道亮介紹了盾構法施工及其出渣方式，并針對連續皮帶機渣土流動性過大的問題進行了研究[4]。王可強分析了連續皮帶機的皮帶特性，研究皮帶的張力分布形式并使用仿真軟件RecurDyn進行了仿真模擬[5]。中國礦業大學的張振興等人介紹了煤礦井用長距離、大運量下帶式輸送機的設計方法、制動力矩、張緊力的計算和輸送帶的選擇[6]。曾文宇以神華新街煤礦斜井隧道工程為背景，研究了盾構法隧道施工配套連續皮帶機的關鍵技術，分析了驅動方案和糾偏方案，并計算出連續皮帶機最后的設計參數[2]。

本文就成都地鐵18號線世紀城～海昌路區間隧道施工采用的連續皮帶機出渣系統進行探討，分析其基本組成以及進行工程參數計算，通過計算皮帶張力分析驅動布置形式和鋪設長度對安全系數的影響，最后校核最大鋪設長度(即隧道即將貫通時)連續皮帶機的皮帶張力狀態，計算最小安全系數。

1 工程背景

成都軌道交通18號線土建2標施工范圍包含兩站兩區間，具體為錦城廣場站、世紀城站、錦城廣場站～世紀城站盾構區間、世紀城站～海昌路站(麓山站)盾構區間。其中世紀城站～海昌路站(麓山站)盾構區間起點里程為YDK15+819，終點里程為支YDK22+238，區間長度為6 419m，區間最大坡度為28 ‰。

該區間采用土壓盾構法施工，隧道管片外徑為8.3m，開挖直徑為8.62m，出土量較大。環球中心站～海昌路站擬建區間范圍內表層為人工填土，其下為黏土、黏性土、粉土、卵石土夾粉細砂。采用連續皮帶機與轉載皮帶機結合的皮帶出渣運輸系統，連續皮帶機的皮帶和托輥布置在機架上，而在隧道中機架通過螺栓布置在拱肩位置的管片上，如圖1。表1為本區間連續皮帶機出渣的基本參數。

圖1 連續皮帶機機架布置位置(單位：m)

項目體積松散系數ω渣土密度/(g·cm-3)含水率/%隧洞斷面/(m3·m-1)額定掘進速率/(m·h-1)最大掘進速率/(m·h-1)開挖直徑/m參數1.41.81058.34.868.62

2 連續皮帶機結構

世紀城站～海昌路站盾構區間出渣采用連續皮帶機與轉載皮帶機結合的立體出渣方式。盾構開挖出來的渣料經盾構自帶的皮帶機卸載到連續皮帶機上，經連續皮帶機沿隧道輸送到海昌路站后卸載到轉載皮帶機上，由轉載皮帶機運至地面。

2.1 機頭傳動裝置

機頭的傳動裝置由驅動裝置、傳動滾筒和傳動滾筒架等組成，驅動裝置提供皮帶機運行的動力，由電動機、減速器、制動器等組成。

2.2 儲帶倉

儲帶倉采用框架式結構，10層儲帶結構形式，如圖2，儲帶長度600m。

圖2 儲帶倉

2.3 皮帶延伸裝置

隨著盾構機不斷掘進，與之相應的皮帶及皮帶支架也要相應延伸，因此皮帶機尾部配置一套尾部支架裝置，移動尾部支架安裝在臺車上，隨臺車一起移動。皮帶機尾部作為受料裝置，安裝在盾構臺車上，承受來自盾構施工輸出的渣土。

2.4 連續皮帶硫化接續

皮帶儲存區的儲存能力有限，每次可存600m的儲存區。硫化皮帶時將連續皮帶的張緊裝置放松，在硫化區的某一處將原皮帶割斷，將新續的皮帶與其對接，然后加熱硫化使接頭結合在一起。

2.5 連續皮帶機運行流程

連續皮帶機尾部延伸裝置固定于盾構臺車上，隨著盾構機不斷向前掘進，尾段前方的輸送帶支撐裝置會不斷的安裝在洞壁上以保證輸送帶的延伸，此時輸送帶就會通過儲帶張緊裝置不斷放帶。當輸送帶放完后，采用硫化裝置將新硫化后的輸送帶接入儲帶倉，可以實現輸送帶不斷向前伸長。在皮帶機上同時布置有相應的糾偏裝置以防止輸送過程中出現撒料、落料的現象。

3 連續皮帶機設計計算

3.1 驅動方案

從安裝可靠性、是否需要擴挖管片、成本經濟性、管理維護方便性、施工可行性等方面考慮，連續皮帶機最終的驅動方案布置形式為添加中間驅動形式。

中間驅動裝置設置在距連續皮帶機機頭部約3 500m的2號風井內，采用變頻驅動方式，驅動裝置由2套250kW驅動系統組成，采用浮動支撐。采用1∶1雙滾筒驅動布置，采用PLC控制和變頻軟啟動。中間驅動裝置的電機、減速器與連續皮帶機頭部主驅動裝置使用的電機、減速器完全相同。

當掘進長度超過3 500m后，驅動裝置整體布置如圖3。

圖3 連續皮帶機

3.2 基本參數計算

在此僅選取皮帶機最大負載工況(鋪設長度取為區間隧道長度)，按我國帶式輸送機設計標準以及一些學者提出的方法進行設計計算及校核。

根據表1中掘進速度和渣土的參數按最大掘進速率計算所需運輸能力Q(t/h)：

(1)

按下式計算所需帶寬值：

(2)

式中：Cst為傾斜系數，取為0.99；K為裝料斷面系數；等長三托輥組槽形輸送機，物料堆積角β為25 °，托輥成槽角取為λ=35°，帶寬暫定為1m，K查表取為435。

選用帶寬B=1m。

根據帶式輸送機設計手冊，渣土種類為黏土、黏性土、粉土、卵石土夾粉細砂等，帶寬為1m，選擇帶速V=3.15m/s。

圓周力的計算需要計算清掃器摩擦阻力、受料阻力等，部分參數不易獲取，因此采用經驗公式計算：

F1=CNfLg[qt+(2q0+q)cosβ]+gqH=200981N

(3)

根據計算出的連續皮帶機在運行過程中的圓周驅動力，可以計算出傳動滾筒的軸功率：

P=10-3FV=633kW

(4)

連續皮帶機的前期工作僅有頭部驅動，因此除了要計算最長運輸距離的工況外，還要計算單驅動的張力分布，驗證中間驅動的布置位置是否合理。

3.3 中間驅動位置

在布置中間驅動位置前，僅有頭部驅動，可以假設連續皮帶機鋪設長度為L，使用經驗公式計算圓周力：

F=CNfLg[qt+(2q0+q)cosβ]+gqH=31.4L

(5)

僅有頭部驅動時有兩個驅動滾筒，每個驅動滾筒的圓周牽引力FU為：

(6)

皮帶在傳動滾筒的松邊的最小張力為：

SLmin=CFmax=9.4L

(7)

Fmax=Ka|FU|=18.84L

(8)

最大張力SLmax(即進入機頭傳動滾筒處)：

SLmax=SLmin+2×FU=25.1L

(9)

皮帶在運輸過程中由于磨損、工作條件的限制在選用皮帶時必須選用具有一定的安全系數和能保證壽命要求的皮帶，最大張力應符合以下公式：

(10)

式中：m為皮帶安全系數；[m]為皮帶許用安全系數，選取為6；σd為皮帶帶強，取用ST1000，即額定縱向拉伸強度為1 000N/mm。

利用MATLAB繪制m與L的關系曲線(圖4)，由圖4可以看出，當輸送長度超過5 700m時，皮帶帶強已經不滿足要求。而且在實際工程中需要留有一定的安全余量，因此采用機頭單驅動的工作模式下連續皮帶機的長度不宜超過5 000m。考慮到世紀城站～海昌路站(麓山站)盾構區間的區間長度為6 500m，因此中間驅動裝置設置在距連續皮帶機機頭部約3 500m的2號風井內較為合適。

圖4 安全系數與皮帶長度關系曲線

3.4 皮帶張力校核

當隧道掘進超過3 500m時，需要布置中間驅動裝置。由于地鐵隧道內空間狹小，因此驅動裝置采用單側布置，且中間驅動采用1∶1雙滾筒驅動布置，具體功率為1×250kW∶1×250kW+1×250kW∶1×250kW，共4個驅動單元。按照連續皮帶機滿負荷即鋪設長度6 500m計算皮帶張力，每個驅動滾筒的圓周牽引力FU為：

(11)

最小張力(即圖3中6點張力)為：

F6=SLmin=CFmax=CKaFU=30087N

(12)

尾部改向滾筒不提供驅動力，因此4、5點皮帶張力相等，按照歐拉公式：

F4=F5=F6+CNfL3g(qd+q0cosδ)=69376N

(13)

式中：L3為回程分支段長度，取為6 500m；qd為回程分支托輥組轉動部分單位長度質量，取為2.61kg/m。

圖3中3點皮帶張力為：

F3=F4+CNfL2g[qa+(q+q0)cosδ]=145460N

(14)

式中：L2為承載分支段2的皮帶長度(即中間驅動裝置后的皮帶長度)，取為3 000m；qa為承載分支托輥組轉動部分單位長度質量，取為6.98kg/m。

圖3中2點皮帶張力為：

F2=F3-2FU=44970N

(15)

圖3中1點皮帶張力為：

F1=F2+CNfL1g[qa+(q+q0)cosδ]=133735N

(16)

式中：L1為承載分支段1的皮帶長度(頭部驅動與中間驅動之間)，取為3 500m。皮帶機張力計算結果見表2。

表2 連續皮帶機特征點張力 kN

皮帶機各點的皮帶張力值都是以表2中的特征點張力值線性插值得到，其分布情況如圖5。

皮帶機最大張力出現在中間驅動裝置處，與機頭驅動裝置相比，相差不到10 %，證明中間驅動裝置位置布置合理，有效地減小了皮帶最大張力，提高了皮帶安全系數。最大張力對應的安全系數為：

(17)

圖5 連續皮帶機張力分布

4 結束語

本文以設計標準以及相關研究為參考，分析了成都地鐵18號線區間隧道工程的連續皮帶機水平出渣系統的結構組成和運行過程，同時對其運輸過程進行分析計算和主要參數設計。

經分析可得：(1)皮帶鋪設長度增長會顯著減小皮帶張力安全系數，因此有必要安裝中間驅動裝置，中間驅動的安裝位置布置在距機頭3 500m處可以使皮帶張力合理分布。(2)連續皮帶機達到最大鋪設長度時最大張力約為146kN，對應的安全系數約為6.9，滿足規范要求。

本文的分析計算驗證了連續皮帶機布置方式和結構選型的合理性，可以為長距離、大斷面的盾構隧道工程水平皮帶出渣系統提供一定的參考價值。