復合式波紋擋邊皮帶機在盾構施工中的應用

楊永剛

(中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司 北京 315010)

1 引言

盾構法隧道施工在我國城市地鐵建設工程中已被普遍應用[1]。隨著國內城市軌道交通的快速發展，大直徑盾構隧道日趨增多[2]，出渣量增大，采用傳統的門式起重機提升出渣方式已不能滿足盾構施工連續作業的要求，需要研究一種快速、連續、安全的垂直出渣方式。

在煤炭、化工、電力、建材、冶金、輕工、糧食、港口、船舶等行業都有應用皮帶機連續運輸的案例[3]。隨著科學技術的發展，皮帶機運輸也開始被應用在隧洞施工中[4]。

2 工程概況

廣州市軌道交通22號線工程祈福站-祈廣中間風井 -廣州南站區間盾構法施工，采用4臺φ8.84 m土壓平衡盾構機，從長130 m的祈廣中間風井分別向東西方向背向始發。其中，祈廣中間風井-祈福站區間沿興業大道西向東掘進，先后下穿勝石涌、鐘二涌、鐘二村民宅建筑群、廣明高速祈福隧道、市廣路，到達祈福站大里程端。整條區間全長達4 040 m，隧道埋深11.3～26.9 m，區間線路最大縱坡15‰。線路平面設2個曲線段，曲線半徑分別為1 800 m、3 500 m。

祈廣中間風井-祈福站區間隧道洞身主要穿越＜5Z-2＞殘積土層、＜6Z＞全風化花崗巖、＜7Z＞強風化花崗巖、＜6＞全風化泥質粉砂巖、＜7-1、2、3＞強風化泥質粉砂巖、＜8-1、2、3＞中風化泥質粉砂巖、＜9-1、2、3＞ 微風化泥質粉砂巖。

勘察范圍內的地下水按賦存方式劃分為第四系土層孔隙水及層狀基巖裂隙水、塊狀基巖裂隙水?？辈熨Y料顯示，線路沿線大部分地段地下水水位埋藏較淺，初見水位埋深1.1～6.2 m，初見水位標高6.33～27.45 m；穩定水位埋深1.5～3.5 m，穩定水位標高5.53～7.53 m。地下水位的變化與地下水的賦存、補給及排泄關系密切，每年5～10月為雨季，大氣降雨充沛，水位上升明顯，而在冬季因降水減少，地下水位隨之下降，水位年變化幅度為1.0～1.5 m。

3 國內皮帶機應用現狀

國內皮帶機提升方式有4種：波紋擋邊皮帶機、折返式皮帶機、斗式提升機、夾帶式皮帶機[5]。

波紋擋邊提升皮帶機其結構是在基帶兩側固定可自由伸展的橡膠波紋擋邊，在裙邊之間固定一定強度的橫隔板組成匣形斗，使物料在料斗中進行連續輸送[6-7]。通?！癦”字形布置，其具體分為水平受料段、提升段、水平卸料段三個部分。將皮帶機受料段布置在井口底部，卸料段布置在地面土坑，提升段可根據現場情況在0～90°范圍傾斜，完全可以實現對物料從洞口到地面進行垂直輸送。目前，主要被用于輸送小顆粒渣石(干料)等[8]，但很少被用于城市地鐵施工，主要因為地鐵施工中渣土黏性大且含水量大存在粘斗、回程漏渣嚴重、現場文明施工差等問題，因此未能取得成功應用。

折返式皮帶機提升出渣，是目前在盾構法施工中皮帶機出渣比較常見的一種形式。這種方式通過普通皮帶機多次來回折返，以達到提升高度。為保證運輸過程不溜渣，需將每節皮帶機傾斜角度控制在9°以內，從而導致皮帶機占用空間大，轉渣次數多，很難在狹小空間的站內使用，因此也未能廣泛應用。

斗式提升機由斗提機機頭、驅動單元、鋼繩芯膠帶、提料斗、膠帶鎖緊連接、輔助皮帶、改向滾筒、溜渣皮帶等組成，與水平方向呈90°傾角“U”字形布置在盾構井口。其工作原理主要運用水車原型制造的膠帶斗提，使斗提受重力與驅動力進行接渣、卸料[9]。其與波紋擋邊皮帶機的弊端相似，有一定的局限性。

夾帶式皮帶機主要原理為采用兩條普通皮帶通過沿垂直方向受機械外力擠壓產生夾持力，在夾持力的作用下，物料與皮帶之間的摩擦力大于物料自重時，實現物料提升[10]。該皮帶機僅用于顆粒比較均勻、含水量不大的渣土。當顆粒大小差異較大時，容易損傷皮帶也會產生一定的空腔；當含水量較大時，摩擦力小于物料自重會造成泥水流出、濺落，很難保證現場的文明施工要求。

4 皮帶機選型分析

(1)皮帶機出渣方案選擇

本工程所用盾構機直徑為8.84 m，環寬1.6 m，每環出土量達150 m3，采用70 t門式起重機提升25 m3渣土箱，每環吊運渣土及管片等需要2 h的時間，超長的吊裝時間嚴重制約盾構機的施工效率。因此，需要采用皮帶機出渣方式。

根據本區間水文地質情況，并結合國內現有幾種皮帶機出渣的現狀，前述皮帶機很難滿足本工程需求。為更好地解決目前存在的問題，研發了一種復合式波紋擋邊提升皮帶機。將常規波紋擋邊皮帶中的一條輸送帶，替換為鏤空式波紋擋邊提升皮帶和輔助皮帶兩條，并通過磁吸裝置使其在受料時貼合，形成有底的料斗，在卸料時分離，解決普通波紋擋邊皮帶粘斗、回程漏料等問題。

綜合考慮，最終確定皮帶機提升出渣方式采用復合式波紋擋邊提升皮帶機。

(2)提升皮帶機布置方式

考慮到盾構始發井場地空間受限，復合式波紋擋邊提升皮帶機布置方式與普通波紋擋邊皮帶機相同，為“Z”字形布置(見圖1)。為減少掉泥量并提高運渣能力，提升段與水平成80°傾斜。

圖1 復合式波紋擋邊提升皮帶機構造示意

(3)復合式皮帶機工作原理

復合式波紋擋邊提升皮帶機由機架、輸送帶、磁吸裝置、改向滾筒、壓帶滾筒、托輥等部件組成。輸送帶為其核心部件，由鏤空式波紋擋邊提升皮帶和輔助皮帶組成。鏤空式波紋擋邊皮帶由基帶、波紋擋邊、橫隔板組成[11]，使皮帶形成若干個鏤空的料斗。其中，基帶為鋼絲繩芯皮帶，皮帶中環形方向布置強磁性鋼絲繩，易被磁化[12]。輔助皮帶是一條普通的閉環纖維芯膠帶，輔助皮帶嵌套在波紋擋邊提升皮帶內形成環形，即“大環套小環”。波紋擋邊皮帶和輔助皮帶分別有獨立的電機驅動，在變頻調速裝置控制下波紋擋邊皮帶和輔助皮帶做等速同步運動。

為保證輔助皮帶與波紋擋邊提升皮帶的基帶完全貼合，在波紋擋邊皮帶與輔助皮帶貼合的另一面安裝磁吸裝置，磁吸裝置產生的磁場力透過輔助皮帶作用在波紋擋邊提升皮帶中基帶的鋼絲繩上(見圖2)。受料前在磁吸力的作用下，波紋擋邊提升皮帶與輔助皮帶緊密貼合在一起，使鏤空的波紋擋邊提升皮帶形成一個個有底的料斗(見圖3)，通過波紋擋邊提升皮帶和輔助皮帶同步運動將渣土從地下輸送到地面渣土坑。到達渣土坑卸渣點后開始卸渣，這時輔助皮帶先行通過驅動滾筒后開始返回，而波紋擋邊提升皮帶繼續向前運行，二者分離。波紋擋邊提升皮帶料斗失去了輔助皮帶在底部的支撐，渣土受到重力作用，直接卸落至渣土坑內。

圖2 復合式波紋擋邊提升皮帶機斷面

在整個皮帶機系統中，提升皮帶與輔助皮帶共用一套機架。

(4)技術參數的確定

根據祈廣中間風井-祈福站區間施工的具體情況，每環出渣 150 m3·1.6 t/m3=240 t，掘進時間約30 min，則每小時運輸需求480 t，充裕系數取1.5，則輸送能力為800 t/h，可以滿足施工需求。其他參數按照輸送能力計算得出。

圖3 復合式波紋擋邊皮帶機料斗

提升最大速度：2.5 m/s；

提升皮帶規格：S400 mm，基帶強度：st1600；

輔助皮帶寬度：1 600 mm，輔助皮帶強度：EP150×4；

提升皮帶機功率：132 kW；

輔助皮帶機功率：30 kW；

皮帶機傾角：80°；

垂直提升高度：23 m。

5 復合式波紋擋邊提升皮帶機的應用

本工程中，復合式波紋擋邊提升皮帶機布置在盾構井口位置，傾角按照與水平夾角80°布置。通過連續皮帶機將盾構渣土運輸至復合式波紋擋邊提升皮帶機，再由提升皮帶機直接運輸至地面渣土坑(見圖4)。

圖4 復合式波紋擋邊皮帶機施工現場

盾構在此區間地層施工，渣土黏性大、含水量豐富，并且在盾構掘進時注入了大量泡沫劑等渣土改良材料，增加了渣土的水分，給垂直提升增加了困難。復合式波紋擋邊提升皮帶機的提升皮帶與輔助皮帶在受料時貼合，形成有底的料斗，卸料時，分離成為獨立的輔助皮帶和鏤空波紋擋邊皮帶。這樣，避免了在輔助皮帶與隔板、輔助皮帶與波紋擋邊皮帶存在死角導致的渣土殘留。同時，為保證皮帶干凈，分別清洗輔助皮帶與波紋擋邊皮帶，使整個回程皮帶無泥漬殘留。在輔助皮帶的尾部回程段設置清洗箱，其中包含一套水清洗裝置及刮板裝置。當輔助皮帶通過清洗箱時，噴灑具有一定壓力的水來沖洗皮帶上殘存的渣土，達到沖落或松動粘結在輔助皮帶上的渣土的目的，并通過一道硬質合金刮板和毛刷清掃器清除殘存的水和泥渣。最后，通過硬質聚氨酯刮板刮干皮帶，使回程皮帶保持整潔干凈，不存水跡。同時，在其頭部設置刮板清掃器和水清洗系統，確保波紋擋邊提升皮帶與輔助皮帶貼合面清潔。

在波紋擋邊提升皮帶機卸料后，通過振動清掃器機械或拍打方式清潔波紋擋邊。另外，在水平回程段采用大壓力、小流量水氣結合的矩陣式沖洗模式(見圖5)，清理殘留在提升皮帶橫隔板與波紋擋板上的泥渣。

圖5 矩陣式多面沖洗皮帶

復合式波紋擋邊皮帶機在項目應用中具有出渣效率高、占用空間小、輸送能力強、環保效果好等特點。

6 結束語

復合式波紋擋邊提升皮帶機于2018年12月開始運行，出渣順利，盾構機掘進效率明顯提高，日掘進速度最快達16環(25.6 m)。

首例成功應用復合式波紋擋邊提升皮帶機垂直運輸渣土技術，在盾構施工中取得了非常好的效果，突破了門式起重機出渣的傳統模式，規避了門式起重機在垂直運輸中的風險，解決了其他提升皮帶機粘斗、文明施工差、掉渣嚴重的難題，開辟了盾構掘進出渣的新模式，充分發揮盾構連續施工的能力，有重要的推廣應用前景。