西秦嶺隧道洞外上山皮帶設計與應用

張學軍

(中鐵隧道集團二處有限公司，河北 三河 065201)

0 引言

連續皮帶機出渣作為一種較為高效、環保的出渣方式，在我國長大隧道施工中取得了較好的施工效果。文獻［1－5］介紹了遼寧大伙房水庫輸水一期工程及新建蘭渝鐵路西秦嶺隧道工程連續皮帶機出渣技術，表明在隧道內通過連續皮帶機系統與TBM設備的有效結合，可以在確保良好施工環境的同時充分發揮TBM高效施工的特點。文獻［6－7］介紹了青藏鐵路西格二線關角隧道長斜井皮帶機出渣運輸，說明連續皮帶機在斜井出渣運輸中同樣也可以提高出渣效率，降低勞動強度。當采用連續皮帶機將洞渣運出洞外后，往往是先行儲存在臨時轉渣場地內，再將洞渣用汽車轉運至棄渣場，汽車運輸受運輸能力不足、便道干擾及惡劣天氣等不確定因素的影響，使得洞內、外出渣能力不匹配，影響施工進度。洞外出渣能否同樣引入連續皮帶機出渣技術?以西秦嶺隧道TBM第2掘進段出渣為例，通過洞內、斜井、洞外皮帶機聯調聯試，接力出渣，將渣體直接輸送至棄渣場，滿足了TBM掘進時快速連續出渣的要求。

1 工程概況

蘭渝鐵路西秦嶺隧道位于新建鐵路蘭渝線中段，地處甘肅省隴南市武都區境內，全長28 236 m，是目前國內鐵路建設史上第2長隧道，也是國內TBM施工斷面最大、距離最長的鐵路隧道。西秦嶺隧道采用鉆爆法和TBM掘進聯合施工，TBM掘進分2段，第1掘進段長5 594 m，第2掘進段長7 340 m，2個掘進段之間設羅家理斜井1座。

根據設計要求，西秦嶺隧道第2掘進段洞渣全部通過羅家理斜井出渣，棄于羅家理斜井洞口斜上方棄渣場內，棄渣場距離斜井洞口直線距離約230 m，高差約60 m，山體自然坡度大于30°。如修建運輸便道，斜井洞口至棄渣場便道全長約1 200 m，便道最大坡度為15%，連續坡長超過220 m。經過方案比選并結合西秦嶺隧道連續皮帶出渣實際工程特點，TBM第2掘進段在羅家理斜井內設置轉載皮帶機直接將洞渣轉運至洞外，再在洞外采用翻山連續皮帶機接力將洞渣直接運輸至棄渣場。西秦嶺隧道第2掘進段出渣施工平面布置如圖1所示。

圖1 TBM第2掘進段隧道出渣示意圖Fig.1 Mucking by means of continuous belt conveyor system in the second TBM-driven section of West Qinling tunnel

2 洞外皮帶機設計

2.1 總體設計思路

洞外皮帶機一次性投入大，皮帶機線形要求嚴格，上山皮帶機需要與TBM主連續皮帶運輸能力匹配。上山皮帶機的參數型號、線形設計以及皮帶支架的結構形式是否合理，是本工程能否順利實施并達到設想效果的關鍵。

1)根據計算分析，確定上山皮帶機的參數型號;

2)確定上山皮帶機最大上山坡度，合理設計皮帶線形;

3)根據確定好的皮帶線形，設計皮帶支架的結構形式及機頭、機尾的基礎形式;

4)設計預留檢修通道，方便皮帶機日常檢修保養。

2.2 洞外上山皮帶機布置形式

上山皮帶機水平投影為直線，豎向根據山體地形調整，雙線設計，滿足西秦嶺隧道左右線同時出渣要求。渣體被斜井皮帶機輸送出洞外后，經轉渣器落到洞外上山皮帶機上，上山皮帶機主驅動安設在山頂棄渣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5.8 t。皮帶機總體布置情況如圖2所示。

圖2 上山皮帶機布置圖Fig.2 Layout of mountain-climbing belt conveyor system

為保證上山皮帶機維護和檢修期間TBM仍然能夠正常掘進出渣，在斜井連續皮帶機轉渣器位置安裝一臺小型分渣器，分渣器的一個分渣口指向上山皮帶機，另一個分渣口指向臨時棄渣場。這樣，在上山皮帶機維護和檢修期間，只需要切換分渣器的切換擋板，使渣體落到臨時棄渣場地上，用轉運工程車轉運即可。

上山皮帶機采用國產皮帶機，主驅動電機功率為200 kW，采用變頻啟動技術，皮帶采用EP200×4× (4.5+1.5)，帶寬1 m，根據TBM掘進速度，要求皮帶機最大運輸能力為700 t/h，帶速為2.5 m/s。皮帶槽由3個托輥組成槽型，托輥槽角為45°，皮帶托輥形式如圖3所示。

圖3 皮帶托輥布置圖Fig.3 Roller of belt conveyor

2.3 上山皮帶機主要參數

2.3.1 上山皮帶機最大坡度

為保證渣料在上山皮帶機運轉時不會因坡度太大而滑落，要求上山皮帶坡度需能夠滿足渣料在皮帶上的切向分力不大于渣料與皮帶之間的最大靜摩擦力，即

式中:α為上山皮帶坡度;μ為渣料與皮帶的摩擦因數，取值為0.5［8］;G為渣料自身重力;f為皮帶對渣料的摩擦力;N為皮帶對渣料的法向支撐力。

皮帶的上山坡度應滿足:

根據上式計算得出α須不大于26°33'54.18″，實際進行皮帶機線形設計時，取最大坡度為 20°，即36.4%。

渣料在皮帶的受力如圖4所示。

圖4 渣料受力分析圖Fig.4 Force analysis of mucks

2.3.2 皮帶機帶寬選定

帶式輸送機的輸送量受到運行輸送帶上的裝料截面面積的影響，裝料截面面積則取決于皮帶的動堆積角及裝料條件。渣料在皮帶上堆積成近似多邊形，該多邊形由托輥輪廓線和輸送物料堆積的輪廓線組成。它由托輥的長度lm、槽角λ、有效寬度b和等效堆積角β來確定。渣料堆積形狀如圖5所示。

圖5 渣料堆積形狀圖Fig.5 Pile shape of mucks

皮帶橫向長度為1 m，在托輥中成槽寬度B為0.83 m，因為TBM的渣料較為細小，取等效堆積角β為20°。渣料堆積面積由A1和A22部分組成，根據公式

式中:lm為中間托輥長度，取0.4 m;λ為托輥槽角，取45°。

計算可得皮帶的渣料堆積面積為0.086 9 m2，根據翻山皮帶的運輸能力，可知滿足輸送能力的理論所需渣料面積

式中:Qt為皮帶機輸送能力，取500 t/h;μ為有效裝料系數，取1;γ為渣料密度，取1 600 kg/m2;v為帶速，取2.5 m/s。

計算的理論所需渣料面積為0.034 7 m2，考慮到TBM遇掌子面坍方等瞬時大方量出渣的情況，實際選用的皮帶安全系數取2.0，可知帶寬選為1 m能夠滿足輸送能力要求。

2.4 皮帶機驅動主機功率

在穩定工況運行時需要的驅動力(運行阻力)Fw是由皮帶與托輥摩擦力、皮帶重力和渣料質量共同作用的。輸送機的功率消耗Pw是運行阻力和運行速度的乘積，即

將運行阻力劃分為主要阻力FH、附加阻力FN、提升阻力Fst和特種阻力FS，這些阻力的和Fw等于從傳動滾筒傳遞到輸送帶上的圓周力Fpu，也就是皮帶張力。

計算所得各控制點皮帶張力如圖6和表1所示。

圖6 皮帶輸送機張力分布示意圖Fig.6 Distribution of tension of belt conveyor system

表1 皮帶輸送機正常運行時各點張力值Table 1 Tensions at different points of belt conveyor system during normal operation N

計算可得Pw為184.75 kW，最后選擇的驅動電機功率為200 kW，滿足要求。

2.5 皮帶機機頭架基礎

皮帶輸送機的機頭架受皮帶張力的影響，受力最大，施工時根據皮帶張力設計機頭架基礎，以配重抵抗皮帶張力。皮帶機機頭架基礎見圖7。將主驅動架與機頭架設置在一個基礎之上，利用基礎自身剛度可以抵抗部分皮帶拉力。

圖7 皮帶機頭部基礎設置圖Fig.7 Foundation of head frame of belt conveyor system

根據表1中皮帶張力數值，可知輸送機機頭架受到皮帶拉力為第1點與第5點張力值之和，為99.57 kN，基礎總質量為67.7 t，支架和電機總質量約為2 t，施工時要求地基承載力不小于50 kPa，各支架通過基礎上的預埋鋼板與之相連接。利用基礎與地基的摩擦力以及地基對基礎的反推力來抵抗皮帶對機頭架的拉力。

2.6 上山皮帶支架設計

皮帶支架所受線荷載包括:皮帶上渣料質量、皮帶及皮帶支架自重、支架上檢修道質量及人行荷載質量。根據皮帶機最大輸送能力，取渣料質量為0.78 kN/m;皮帶及皮帶支架自重為2 kN/m;支架檢修道采用3 mm鋼板鋪設，皮帶支架兩側布置50 cm寬，取0.2 kN/m;人行荷載取0.5 kN。對皮帶支架進行驗算時荷載組合取值為3.48 kN/m，根據力學計算，結合實際地形，確定支架的結構形式及跨度。

3 上山皮帶機施工

上山皮帶機施工遵循“先勘察，后設計，再施工”的原則，根據設備結構尺寸及參數要求進行選線，對山體地形地貌進行詳細勘察，結合勘察結果，并充分考慮因山體陡峭、植被茂密導致的大型施工機械無法上山作業、皮帶支架轉運及安裝等必須完全依靠人工的實際困難，上山皮帶支架設計遵循“最大程度依靠自然地形、減少對自然植被的破壞，在確保安全的情況下最大程度追求輕便易施工”的原則，采取“一升一降一拉一提前”的方式，升高山底皮帶支架，降低山頭高度，拉長坡距，提前起坡，將皮帶運輸坡度控制在安全范圍，最大限度減少開挖面積，防止山體植被破壞和水土流失。皮帶支架構件在山下加工場按照設計尺寸下料加工后，先不進行組裝焊接，按照立柱順序編號標識后人工轉運上山，現場單根吊裝和拼裝焊接。結合山體地形，皮帶支架的基本結構形式見圖8。

圖8 皮帶支架結構示意圖(單位:cm)Fig.8 Structure of supporting frame of belt conveyor system(cm)

設計完成后，根據圖紙組織施工，主要施工步驟如下:

1)根據設計尺寸，提前對皮帶支架各構件(不進行組裝焊接)下料，并按照立柱順序編號標識;

2)清除地面障礙物后，測量放樣，確定各皮帶支架的基礎位置，人工開挖基礎、澆筑混凝土并預埋焊接鋼板;

3)皮帶支架各構件轉運上山，進行現場組裝焊接，并根據皮帶線形糾正組裝偏差;

4)在皮帶支架上施工檢修通道，增大作業空間，以便于安裝皮帶托輥支架;

5)安設皮帶機托輥支架，并安裝托輥;

6)安裝皮帶機機頭架、機尾架、主驅動電機、電氣設備、急停裝置及張緊裝置等;

7)在皮帶托輥上拖放皮帶，硫化皮帶接頭;

8)進行皮帶調試運行，調整張緊裝置，防止皮帶過緊致使皮帶在凹處懸空或過松造成打滑;

9)與洞內出渣連續皮帶進行聯調聯試，確保上山皮帶與洞內連續皮帶運行同步、動作匹配。

4 實用效果

西秦嶺隧道洞外上山皮帶機通過與洞內、斜井連續出渣皮帶的聯調聯試，實現了統一控制、同步動作，工作故障率少，能夠滿足TBM快速掘進連續出渣的需求。西秦嶺隧道TBM第2掘進段總共出渣方量約為80萬m3，洞外上山皮帶工作狀況良好，故障率較少，保證了TBM掘進順利完工［9］。上山皮帶機運轉如圖9所示。

洞外上山皮帶機傳送出渣方式與傳統汽車運輸出渣方式對比見表2。

圖9 上山皮帶機運轉圖Fig.9 Picture of mountain-climbing belt conveyor system

表2 出渣方式對比Table 2 Comparison and contrast between different mucking systems

5 結論與建議

在西秦嶺隧道TBM第2掘進段出渣施工中，根據斜井渣場特殊的地理條件，采用連續皮帶機將洞渣直接運輸至山上棄渣場內部，保證了洞外出渣與洞內、斜井皮帶出渣的同步性，簡化了出渣工序，減少了出渣過程中故障點及影響因素，實現了與TBM快速掘進施工相配套，符合國家節能減排大形勢的要求。

1)對于采用皮帶機出渣、掘進速度快、出渣量較大的隧道工程，如果棄渣場距離洞口較近、地形能夠滿足皮帶機容許作業坡度的要求，可選用連續皮帶機作為出渣方式，能夠取得較好的施工效果和經濟效益。

2)在連續皮帶機選型及線路設計時，應充分考慮出渣能力需求、支架形式和線路地形地貌等因素，同時考慮施工的簡易、方便，以順利實現預期設計和使用效果。

3)洞外采用連續皮帶機出渣具有出渣能力強、耗能小、噪聲小、對地表破壞少、節能環保等明顯優勢，雖然設備采購及施工一次性投入較大，但維護保養方便，故障點少，故障率小，設備殘值大，分攤費用低，可以應用到相似的工程中。

4)通過與汽車出渣方式的對比，可知采用皮帶機上山出渣直接為本工程創造效益300萬元以上。

5)每一個工程實例的成功都有其特殊性，值得類似工程借鑒，但絕不可生搬硬套，如果棄渣場距離洞口較遠、地勢復雜或地形平坦，以及出渣運輸距離超過2 km時，連續皮帶機出渣方式較傳統汽車運輸方式的優勢就不再明顯，且對資金投入、人員素質等也會有更高的要求。因此，洞外皮帶機出渣方式的選擇需要結合工程實際情況綜合分析和比選，以確定科學合理的出渣方式。

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