秦嶺隧洞TBM施工皮帶系統選型及運行分析

張忠東 趙力 席雅娟

摘要：分析研究了引漢濟渭秦嶺隧洞TBM施工段長距離連續皮帶機的布置、設備選型和支架性能，并對連續皮帶機安裝和運行過程中的問題及處理措施進行了闡述和介紹。為滿足要求，TBM施工段嶺南工程連續皮帶機采用三托輥輸送帶，皮帶機帶寬914mm，厚度15mm，帶速2～3m/s，采用ST2000鋼絲皮帶，皮帶支架滿足受力和穩定性要求，針對安裝運行中存在的問題，采取了分渣器氣動改液壓、移動尾端改造等處理措施，取得了良好效果。

關鍵詞：連續皮帶機;設備選型;皮帶跑偏;皮帶撕裂;支架受力;秦嶺隧洞

中圖分類號：TV53 文獻標志碼：A

現代長大隧洞施工經常面臨特長、大埋深、大斷面、復雜地質等挑戰，開挖速度、質量、安全、環保等日益受到重視，隨著隧洞施工技術的不斷發展和完善，TBM施工逐漸得到應用[1-2]。連續皮帶機出渣是常見的一種TBM施工出渣方式，其安裝及運行狀況會對TBM施工的掘進效率、施工工期等產生至關重要的影響[3-4]，因此開展TBM施工連續皮帶系統的選型及運行研究具有重要的實際意義。

近年來，許多學者結合工程實際在連續皮帶機出渣方面進行了不少有益的探索。王智遠等[5]以遼寧大伙房水庫輸水一期工程TBM 2標為例，對連續皮帶機系統組成、工作原理、結構型式及使用方法等進行了介紹。曹曉平等[6]結合連續皮帶機出渣方式在東北某引水隧洞工程中的應用，對連續皮帶機出渣關鍵技術進行了論述。楊志先等[7]對成都軌道交通18號世一海區間連續皮帶機配套盾構出渣技術進行了系統討論。張立勛等[8]以蒙華鐵路白城隧道出渣皮帶機為背景，對連續皮帶機控制系統的設計及應用進行了闡述。韓兵[9]針對新街煤礦斜井隧道深埋、超長、連續下坡的工程特點，分析了連續皮帶機出渣系統的選型配置。

筆者以引漢濟渭工程秦嶺隧洞TBM施工段嶺南工程為例，對TBM配套的連續皮帶系統選型、安裝及運行階段進行了分析。

1 皮帶機布置及設備選型

1.1 皮帶機布置

引漢濟渭秦嶺隧洞TBM施工段嶺南工程位于陜西省寧陜縣四畝地鎮境內，全長18.275km，設計流量70m³/s，多年平均輸水量15.0億m³/a，隧洞平均坡降為1/2500，采用羅賓斯公司的Φ8.02m敞開式隧道掘進機施工。

TBM施工段嶺南工程采用主洞連續皮帶機和支洞皮帶機配合出渣，石渣運輸系統如圖1所示。

運輸皮帶機采用電力驅動，可自動張緊，基于數據通信，在主控室可以實現對各階段皮帶運行的統一控制，并可借助視頻監控系統對運行狀態進行實時監測。

由于設有貯存裝置，因此隨著TBM向前掘進，連續皮帶機的皮帶可自動釋放延展，同時人工安裝支架，即實現連續出渣。

支洞皮帶機布置如圖2所示。

1.2 設備選型

根據主洞開挖斷面和圍巖情況分析連續皮帶機合理的參數取值，以實現TBM與連續皮帶機配套出渣的有序銜接，從而滿足出渣能力的要求。石渣參數及TBM設計掘進速度見表1。

結合表1中渣土及TBM掘進參數分析，正常掘進時連續皮帶機的輸送能力為246t/h，最大速率掘進時其輸送能力為492t/h。

帶速對皮帶機運行狀態和經濟效益會產生重要影響，一般應依據其工作和環境條件、安裝地點、物料粒度組成等因素確定，根據類似工程經驗，皮帶機帶速一般不超過3m/s，帶速過大容易損壞托輥，而帶速過小會對出渣的效率造成影響。因此，該工程中皮帶機帶速選定為2～3m/s[5]，可根據實際情況在這一范圍內進行調整。

該工程連續皮帶機采用三托輥輸送帶，皮帶機在運行狀態下，石渣在皮帶機上呈倒梯形，如圖3所示，以最大掘進速度考慮，結合隧洞斷面面積和渣土松散系數（取1.4），并在皮帶機兩側預留一定的富余空間，因此該工程選用皮帶機帶寬為914mm，能夠滿足施工要求。

引漢濟渭秦嶺隧洞TBM施工段嶺南工程位于秦嶺嶺脊高中山區及嶺南中低山區，地形起伏。高程范圍1050～2420m，洞室最大埋深約2000m，穿越石英巖、花崗巖及閃長巖，占圍巖總量75%以上，圍巖強度高，完整性好，巖爆頻發，輸送石渣顆粒較大，多為不規則塊狀結構物，因此對皮帶質量要求相對較高，主要體現在耐磨性和彈性兩個方面。

工程采用ST2000鋼絲皮帶，由上蓋膠、芯膠（含邊膠）、鋼絲繩、下蓋膠4部分組成。上蓋膠主要承受耐磨和荷載沖擊，鋼絲繩主要作用是保持皮帶的整體性和剛度、減小皮帶受拉后的伸長率，下蓋膠主要配合上蓋膠提供足夠抗拉強度，結合類似工程項目施工經驗及相關規范，三者厚度皆選取5mm，因此皮帶厚度為15mm。

上托輥采用槽型托輥，托輥間距1.2m;下托輥采用平型托輥，托輥間距3m。物料堆積角度θ取30°，膠帶選取鋼絲繩心膠帶，則ST2000張力為1826N/mm，安全系數為10.6，滿足要求。

帶式輸送機功率計算式為式中：N為傳動滾筒軸功率;L_h為皮帶機水平投影長度;v為皮帶機帶速;Q為最大輸送量;H為垂直提升高度;N'為附加功率;k₁、k₂、k₃、k₄為功率系數。

由式（1）可得：第一階段擬定主洞皮帶機電機功率為1200kW;第一階段擬定3號支洞皮帶機采用主驅動+輔助驅動，電機功率為1500kW;第二階段擬定4號支洞皮帶機采用主驅動+輔助驅動，電機功率為2100kW。

2 皮帶機安裝問題及處理措施

2.1 皮帶跑偏

采用連續皮帶機進行長距離出渣難以避免皮帶跑偏問題[10]。引漢濟渭秦嶺隧洞TBM施工段嶺南工程皮帶機系統運行中，皮帶跑偏主要有以下5種形式：①皮帶支架、托輥或滾筒安裝傾斜;②清掃器刮渣不凈;③給料位置不正;④皮帶縱向撕裂;⑤皮帶存在破損、邊部缺失或老化變質。

針對上述頻繁出現的問題，通過不斷摸索，采用以下方法進行糾偏：①采用激光測量皮帶架中心位置進行定位，確保支架安裝精準;②每隔50m安裝1套出料和回程皮帶的調心托輥糾偏裝置，每隔200m安裝1套自制豎滾并采用4個/組的皮帶糾偏輪進行強力糾偏;③在TBM對接支架的移動尾端采用液壓控制的操作手柄，調節滾筒兩端前后移動進行調偏;④調節皮帶尾端調整絲桿進行調偏;⑤通過調整數組卡扣或松動長、短L型螺栓及門型支架進行調偏;⑥調節托輥組兩側的長形安裝孔，使托輥橫向中心線與帶式輸送機縱向中心線的不重合度值控制在3mm以內;⑦調整頭、尾機架安裝軸承座的兩個平面偏差值，使其在1mm以內;⑧調整溜槽長度來修正落料位置，確保落料點盡可能位于皮帶中部。此外，制作安裝細渣分渣裝置，該裝置將細渣和粗渣分開后分別經應急皮帶和二級分渣器配合接料渣車運出，大幅提高了裝載機裝車效率。

2.2 皮帶倉儲存

皮帶倉系統由四部分組成，分別為牽引設備（卷揚機）、皮帶存儲裝置（皮帶倉）、硫化裝置、皮帶收放裝置。皮帶倉存儲技術的應用，是連續皮帶進行延伸的基礎，而皮帶倉存儲皮帶長度可根據現場情況進行調整。隨著變頻技術的應用并調整鋼絲繩及卷揚機配置，可實現更大存儲皮帶倉的使用，引漢濟渭秦嶺隧洞嶺南TBM項目可存儲500m皮帶。

2.3 皮帶硫化及修補

皮帶硫化工藝一般分為8步：接頭準備→準備輸送帶尾→組裝蓋膠→底部蓋膠就位→匹配和放置鋼絲繩→放置頂部蓋膠→硫化接頭→拆除并檢查。硫化接頭按照2級連接方式進行硫化，硫化接頭形式如圖4所示。

引漢濟渭秦嶺隧洞TBM施工段嶺南工程采用的皮帶修補技術有T2膠槍熱硫化修復技術、修補條冷補技術、菱形補片處理技術及雙管膠處理蓋膠脫落等。T2膠槍熱硫化修復技術主要修補輸送帶受損的承載面和運行面，例如：由物料沖擊和裙板造成的帶面損壞局部填充及小段縱向撕裂;當傳送帶出現邊緣磨損、長距離劃傷或局部橡膠層損傷等現象，宜采用修補條冷補技術進行修復，此方法也適用于皮帶冷無縫搭接的封口等;對于皮帶的孔洞或坑穴，以及長距離的縱向撕裂，可采用菱形補片進行處理;對于皮帶蓋膠脫落的，也可采用雙管膠槍配合雙管膠進行覆蓋，并待其冷卻后，使用鎢鋼打磨碟進行打磨處理。

3 皮帶支架性能分析

連續皮帶機在隧道內部采用支架進行固定，支架由托梁、托架、托輥和滾筒組成，托梁端頭帶有螺栓孔，連續皮帶長度需要延伸時采用螺栓連接。

TBM掘進過程中，由于皮帶機在運轉過程中勻速前進，轉速為2.8m/s，因此以均布荷載來計算，取兩個支架間距為4 572mm，皮帶支架材料參數見表2。

TBM主洞圍巖巖性類別見表3。

3.1 皮帶機支架受力分析

經實際測量可知，洞內支架受力結構呈三角形，如圖5所示，橫梁支撐角鋼長度為2020mm，斜梁支撐角鋼長度為1960mm，其余值可由三角函數相關定理求出。

皮帶機運轉過程中受到的作用力有：皮帶機支架、皮帶和棄渣自重，膨脹螺栓切應力，鋼筋屈服力，膨脹螺栓拉應力。由于棄渣隨著皮帶勻速前進且滾輪為勻速轉動，因此不考慮摩擦力，其受力如圖6所示，其中：G為皮帶機支架、皮帶和棄渣自重，F_屈為等邊角鋼所受屈服力，F切為膨脹螺栓1受到的切應力，F_切2為膨脹螺栓2受到的切應力，F_拉為膨脹螺栓所受拉應力。

豎直方向膨脹螺栓能提供的支持力F₀為

考慮等邊角鋼在洞內的損耗及自身懸空的影響，取折減系數為0.6，則提供支持力為

F=0.6F₀（3）

聯立式（2）和式（3），可得F>G。

因此，皮帶能夠處于勻速運動狀態，由牛頓運動定律可得

3.2 皮帶機支架穩定性分析

皮帶支架采用三角形布置，對于結構整體來說，寬高比是影響其破壞形式的關鍵因素，寬高比越大水平面抗彎剛度越大，抗扭剛度也隨之增大，則穩定承載能力越大。該工程橫梁寬度b為2.02m，高度h為1.76m，則寬高比b/h=1.15，同理得出另外兩個寬高比分別為1.08和1.25。

通過查閱資料可知，當三角支架寬高比在0.4～1.5范圍內時，隨著寬高比的增大，抗彎剛度增大;當寬高比繼續增大時，可以提高結構的抗扭剛度，但可能會導致整體性變差，極限承載能力反而降低，甚至導致整體失穩。因此，采用的支架在滿足荷載的同時也要符合穩定性要求。

綜上所述，皮帶支架使用的等角邊鋼承受荷載能力遠遠大于皮帶支架、棄渣和皮帶自身的重力，并且膨脹螺栓的抗拉強度可以滿足等邊角鋼的固定強度要求，皮帶自身所能承受的破壞力和拉伸力亦滿足標準，且穩定性方面達到了規范要求。因此，皮帶支架在材料和受力各方面都可以滿足施工要求。

4 皮帶機運行問題及處理措施

引漢濟渭秦嶺隧洞TBM施工段嶺南工程運輸距離長，連續皮帶在運行過程中不可避免會出現一些問題，因此需要采取針對性的處理措施。

（1）分渣器氣動改液壓。分渣器最初設計為氣動方式，在分渣器旁放置一個1.5m³的空壓機作為動力，通過電動機控制電磁閥活動，從而帶動8個SC80×400氣缸伸縮，推動翻板左右翻動，讓渣進入相應的溜槽內出料。實際運行過程中，容易出現氣管內含水不足導致氣缸失靈，氣缸動力不足導致翻版僅推開一半而引起堵料，使用頻率較高導致氣管接頭及電磁閥更換頻繁等問題。經過大膽嘗試，將氣動改為液壓模式，由液壓泵+手動閥+液壓缸代替原來的空壓機+電磁閥+氣缸的模式推動翻板進行控制，有效解決了上述問題。

（2）皮帶卷入滾筒。硫化前皮帶倉留存皮帶較多，皮帶倉張緊后滑車滑出皮帶倉約30cm，張緊、啟動后皮帶正常運轉，但停機再啟動時，皮帶太松，滑車跳到急停后，皮帶受慣性作用，滾筒緩慢停止過程中主驅右側滾筒內夾入2層皮帶，導致滾筒、皮帶同時卡死。解決這一問題，首先應取出變速箱內防逆行鎖片，然后調正電機轉向，手動轉動滾筒，夾入滾筒內部的2層皮帶將自動掉落，待防逆行鎖片安裝后，卷揚機張緊皮帶，調整托輥組，皮帶即恢復正常。為避免上述問題，硫化皮帶前，必須計算皮帶倉內皮帶是否到達極限位置，確保皮帶倉內能夠置放新皮帶加留存皮帶的長度。

（3）移動尾端改造。連續皮帶機無法完美對接現有TBM，導致移動尾端無法安裝，進而造成延伸支架時停機等待，并且在對接位置距離支架較遠時經常出現出料皮帶傾斜掉渣的情況，而距離較近時又因渣料太重吊起皮帶延伸支架困難，故出料槽型托輥支架變形嚴重，減緩了施工進度。

根據現場情況，在TBM對接架下部加設Φ300mm×1320mm滾筒一個，緊固在底部支架上。之后在上部繼續安裝一個帶Φ300mm×1320mm滾筒的支架，作為回程皮帶支架。在支架旁邊，再焊固一個支架，將門型支架及槽型托輥組支架焊固在上部，作為槽型出料皮帶支架。經過改造后，實現了不停機安裝延伸支架的目的。

（4）皮帶縱向撕裂。皮帶運行過程中，皮帶支架安裝傾斜引起皮帶跑偏，邊部皮帶夾入S型卡扣，引起皮帶縱向撕裂，極易造成重大經濟損失。對于距離較短的中部縱向撕裂皮帶，可采用硫化膠槍夾入中墊膠+修補條雙面粘貼的方式進行修補;對于邊部縱向撕裂較窄的皮帶，可采用角磨機將其割除，并將錯臺處進行打磨，防止該處再跑偏至支架或s型卡扣處發生二次損傷事故。此外，購置皮帶縱向撕裂開關安裝在皮帶滾筒刮板附近，一旦出現皮帶中部縱向撕裂，即傳遞信號至啟動柜，自動啟動急停程序，可有效防止皮帶縱向撕裂引發重大損失;在關鍵部位的皮帶，如TBM橋架皮帶及轉渣皮帶，采用高強度的網格皮帶，增大耐磨和耐沖擊強度，可以避免縱向撕裂事故的發生。

5 結語

（1）考慮引漢濟渭工程秦嶺隧洞TBM施工段嶺南工程的出渣要求，采用主洞連續皮帶機和支洞皮帶機配合出渣，分析選取了連續皮帶機合理的參數取值，其中帶速為2～3m/s，帶寬為914mm，ST2000鋼絲皮帶厚度為15mm，皮帶機支架滿足荷載和穩定性要求。

（2）結合工程實踐分析了連續皮帶機安裝及運行中出現的皮帶跑偏、皮帶倉儲存、皮帶修補、分渣器氣動、皮帶卷入滾筒等問題，并提出了分渣器氣動改液壓、移動尾端改造等處理措施，取得了良好的效果。隨著連續皮帶機出渣技術的不斷發展，長大隧洞的開挖出渣將更為高效、環保和便利。

參考文獻：

[1]徐雙永，陳大軍.西秦嶺隧道皮帶機出碴TBM同步襯砌技術方案研究[J].隧道建設，2010，30（2）：115-119.

[2]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，2009，29（6）：653-657.

[3]梁國寶，管會生.鉆爆法施工中皮帶機連續出碴方案研究[J].建筑機械化，2012，33（1）：81-83.

[4]《中國公路學報》編輯部.中國隧道工程學術研究綜述·2015[J].中國公路學報，2015，28（5）：1-65.

[5]王智遠，伍智勇.連續皮帶機配套TBM出碴技術探討[J].隧道建設，2011，31（1）：138-143.

[6]曹曉平，宋文學，李偉偉，等.TBM施工連續皮帶機出渣關鍵技術[J].水利水電施工，2014（5）;38-41.

[7]楊志先，陳麗娟，夏瑩.連續皮帶機配套盾構出渣的設計與施工[J].四川水力發電，2017，36（6）：59-62.

[8]張立勛，孫偉.連續皮帶機控制系統的設計及應用[J].隧道建設，2017，37（6）：768-774.

[9]韓兵.煤礦斜井隧道連續皮帶機出渣系統選型配置[J].施工技術，2016，45（21）：107-110.

[10]劉文亮，張曉偉，董秋艷.連續皮帶機膠帶跑偏原因與力學分析[J].水利水電技術，2006，37（3）：26-27.