關角隧道皮帶機出砟系統設計

吉艷雷

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司橋隧處，西安 710043)

關角隧道皮帶機出砟系統設計

吉艷雷

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司橋隧處，西安 710043)

關角隧道屬高原隧道，高寒缺氧，環境惡劣，傳統出砟運輸困難，皮帶機出砟具有良好的進度、環保、安全效益，結合關角隧道9號斜井皮帶機出砟的設計，系統介紹皮帶機出砟在山嶺隧道中的應用。

鐵路隧道;皮帶運輸;破碎站;出砟;設計

1 概述

皮帶運輸機在歐美等國已被廣泛采用，目前國內在煤炭行業皮帶運輸機比較完善和成熟，在盾構和TBM掘進機系統中也采用過，鉆爆法施工的隧道采用皮帶機出砟方式尚無先例，結合關角隧道9號斜井皮帶運輸機的設計，系統地介紹皮帶運輸出砟在山嶺隧道中的應用［1-2］。

關角隧道全長32.645 km，設計為2座平行的單線隧道，線間距40 m，鉆爆法施工，共有10座輔助施工斜井。其地處青藏高原東北緣，各洞(井)口海拔3 400～3 800 m，屬于高原隧道。該地區自然環境及其惡劣，空氣稀薄，高寒缺氧，氧氣量只有平原地區的60%左右。在此條件下，人員、設備效率低，冬季施工時間長是施工組織的三大難點。

9號斜井長度1 125.89 m，綜合坡度為9.83%，建井期間采用無軌運輸汽車出砟。9號斜井正洞工區采用“正洞無軌+斜井皮帶機+洞外汽車轉運”三部分出砟運輸方案。9號斜井正洞工區對應里程范圍:Ⅰ線隧道:DK303+400～DK305+260，長1 860 m;Ⅱ線隧道:DyK303+230～DyK305+895，長2 665 m。9號斜井工區平面布置如圖1所示。

2 斜井皮帶機設計

2.1 皮帶機的優點［2-6］

(1)進度效益。在高海拔低氣壓環境下，電力設備的使用效率不受影響，運輸能力提高，降低勞動力需求，加快施工進度。經測算，9號斜井每延米出砟可節約0.5 h，累計可節約2.7個月。此外利用皮帶機出砟還避免了斜井井身出現堵車現象，有較大的潛在時間效益。

(2)環保效益。系統多采用電力設備，減少了內燃汽車的使用數量，縮短了內燃汽車的工作時間和強度，從而大大減少了尾氣排放，有利于洞內空氣的稀釋凈化，降低了通風能耗。電力設備取代燃油設備，不但在節能減排方面取得了巨大效益，對保護高原高寒地區的草原生態環境也起到了積極作用。見表1。

(3)增加安全系數。占用斜井空間面積小，避免了斜井出砟與進料的相互干擾，減少自卸汽車運行數量，降低了安全風險。

圖1 9號斜井工區平面布置(單位:m)

表1 使用皮帶機前后斜井井身內空氣質量檢測情況

(4)皮帶機是一個非常成熟的技術，其設備的維修保養、零部件較為方便，間接進度效益明顯。

2.2 皮帶機設備選型

皮帶運輸機系統依據實際施工中所需的出砟能力和場地環境設計，9號斜井每天最快掘進15 m，出砟990 m3，折合2 723 t，按每天工作15 h，皮帶機輸送能力182 t/h，綜合分析取9號斜井皮帶機長度1.2 km，帶寬650 mm，帶速2.5 m/s，工作能力最大200 t/h，功率 400 kW［1］。

2.3 皮帶機安裝總體設計

9號斜井皮帶機出砟運輸系統的井底破碎站設置在Ⅰ線、Ⅱ線之間橫通道位置，井身皮帶機安裝在斜井左側底板上，靠近邊墻，井口設砟石轉運裝置轉運至砟場，其布置見圖2。

圖2 9號斜井皮帶機出砟運輸系統布置(單位:m)

3 相關土建工程設計

3.1 斜井底工程地質條件

井底段為華力西期花崗質碎斑巖:青灰色、淺灰綠色，顏色和結構不均勻，全晶質細粒斑狀結構，塊狀構造，巖石受脆韌性應力構造及鈣質方解石脈貫入膠結，局部發育小型次級斷層，巖體較碎裂松散破碎，碎塊狀鑲嵌結構，局部松散結構，成分為石英、長石、方解石及綠泥石、云母等，巖塊間結合力差，圍巖完整性差，自穩能力差，易坍塌。地下水不發育，巖體潮濕，Ⅴ級圍巖。

3.2 破碎站設計

破碎站由喂料槽、破碎機、出料槽、皮帶機組成，設計考慮以下3個方案。

方案1:Ⅱ線破碎站方案，處于交叉口交通要道，對洞內運輸形成干擾。

方案2:Ⅰ線破碎站方案，破碎站規模大，出砟能力強，適用于圍巖條件好，進度較快地段。

方案3:井底橫通道方案。9號斜井圍巖較差，井底圍巖破碎，選擇在Ⅰ、Ⅱ線之間設置橫通道布置破碎站。

由于9號斜井承擔施工段落圍巖較差，井底通過段地層為石炭系板巖，圍巖破碎，Ⅴ級圍巖，整體進度較慢，不適宜建設大規模破碎站，綜合分析采用方案3。破碎站設計如圖3所示，現場安裝見圖4。

3.3 破碎站橫通道

橫通道巖體破碎，巖質較軟，巖塊間結合力差，局部有泥質夾層，圍巖完整性差，自穩能力差，采用雙層支護，拱部120°范圍采用φ42 mm超前小導管，小導管長3.5 m，環向間距40 cm，支護參數見表2。破碎站橫通道斷面如圖5所示。

圖3 9號斜井井底破碎站布置(單位:cm)

圖4 9號斜井井底破碎站現場安裝

圖5 破碎站橫通道斷面(單位:cm)

表2 橫通道支護結構參數

3.4 斜井皮帶機設置

9號斜井皮帶機安裝和施工共分為斜井井身、井底與正洞交叉口和穿越Ⅱ線3個環節。

(1)斜井井身皮帶機架設在左側底部，占用斷面寬度1.7 m(包括安全距離50 cm)，高度120 cm左右。在斜井井身安裝皮帶機前進行一次系統的井身測量，對邊墻鼓包突出、扭曲侵限的部位要重點鑿除，確保井身順直，皮帶機緊貼邊墻，設計及施工見圖6。

(2)由于破碎站設置在橫通道，為了使皮帶機無折點到達破碎機下料口，同時不影響斜井底部和Ⅱ線正洞的交通運輸，對斜井井身與正洞交叉口前20 m范圍內左側底板進行下挖處理，井底段設計及施工見圖7。

(3)皮帶機下穿Ⅱ線時設置棧橋，棧橋采用密排I32型鋼上部鋪設鋼板形成。將該段范圍的仰拱加深，邊墻拱腳也相應接長，以保證仰拱能與邊墻支護封閉成環，設計及施工見圖8。

3.5 洞外轉運設備

9號斜井洞外安設卸料裝置，將皮帶機輸出砟石直接卸載到汽車上運至砟場。為了保證出料口石砟能卸載在不間斷的汽車上，避免二次裝砟，卸料裝置設置2個卸料口，能獨立開關。裝滿一輛車后，關閉該出料口，同時開啟另一個出料口卸砟到另一車輛，從而形成不間斷轉砟。采用無軌出砟轉運至棄砟場，平均運距0.6 km。見圖9。

圖6 斜井井身皮帶機安裝(單位:cm)

圖7 斜井井底皮帶機安裝(單位:cm)

圖8 斜井皮帶機下穿正洞Ⅱ線設計及施工現場(單位:cm)

圖9 9號斜井皮帶機洞外卸料裝置

4 結語

長大隧道快速安全施工是隧道施工的難題，關角隧道環境惡劣，施工難度大，首次嘗試在斜井內設置皮帶機，采用“正洞無軌+斜井皮帶機+洞外汽車轉運”出砟方案，現場運行良好，取得了較好的進度、環境、安全效益，為山嶺隧道提供了新的施工模式。

［1］ 職常應，李永生，羅占夫.關角隧道斜井皮帶機運輸技術研究［J］.隧道建設，2009(6):654-657.

［2］ 陳永輝，李建偉.關角隧道傳統出砟方式與皮帶運輸機出砟方式的比較研究［J］.科技信息，2009(8):632-633.

［3］ 徐雙永，陳大軍.西秦嶺隧道皮帶機出砟TBM同步襯砌技術方案研究［J］.隧道建設，2010(2):116-119.

［4］ 李志平，李永生.關角隧道無軌斜井施工方案優化［J］.隧道建設，2010(1):54-57.

［5］ 羅致良.皮帶運輸系統在盾構隧道建設中的應用［J］.城市道橋與防洪，2004(5):125-130.

［6］ 夏安琳.軟弱圍巖陡坡長斜井無軌運輸快速施工技術［J］.隧道建設，2005(2):32-33.

［7］ 吳慧明，周文波.高效運輸系統在盾構法隧道施工中的應用［J］.巖石力學與工程學報，2004(S2):5137-5139.

［8］ 關寶樹.隧道工程設計要點集［M］.北京:人民教育出版社，2003.

［9］ 鐵道部第二勘測設計院.鐵路工程設計技術手冊.隧道［M］.北京:中國鐵道出版社，1995.

［10］中華人民共和國鐵道部.TB10003—2005 鐵路隧道設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2010.

［11］王智遠，伍智勇.連續皮帶機配套TBM出砟技術探討［J］.隧道建設，2011(1):138-143.

［12］宋偉剛.通用帶式輸送機設計［M］.北京:機械工業出版社，2006.

Design of Belt Conveyer Mucking-out System Used in Guanjiao Tunnel

JI Yan-lei
(Bridge and Tunnel Design Department，China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.，Xi'an 710043，China)

As a plateau tunnel，the Guanjiao Tunnel is sited in such a poor environment that there is shortage of oxygen with very cold weather.For this reason，it is difficult to do the mucking-out work by traditional method.However，the mucking-out work can be conducted by the belt conveyer thought which the good efficiencies can be achieved in relation to the schedule，environment protection and the safety.In this paper，in combination with the design of the belt conveyer mucking-out system at No.9 inclined shaft of Guanjiao Tunnel，the application of the belt conveyer mucking-out system in mountain tunnel was illustrated systematically.

railway tunnel;belt conveying;crushing station;mucking out;design

U45

A

1004-2954(2013)10-0112-04

2013-02-27;

2013-04-11

吉艷雷(1982—)，男，工程師，2008年畢業于西南交通大學隧道及地下工程專業，工學碩士，E-mail:tumu20011474@163.com。