盾構(gòu)隧道施工連續(xù)皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)設(shè)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(xù)皮帶機(jī)具有運(yùn)距長、運(yùn)量大、速度快、污染小等特點(diǎn)[1]，因此在TBM和盾構(gòu)隧道出渣系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。在我國，皮帶運(yùn)輸機(jī)最早運(yùn)用于采礦業(yè)中，2002年的遼寧大伙房水庫輸水工程才首次引進(jìn)使用了連續(xù)皮帶機(jī)與配套出渣的皮帶機(jī)連續(xù)出渣系統(tǒng)[2]。我國對于這種連續(xù)出渣技術(shù)的研究起步較晚，而且目前相較于國外設(shè)備和技術(shù)都相對落后。

近年來隨著連續(xù)皮帶機(jī)在采礦業(yè)和隧道施工中的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)學(xué)者也從各個方面對連續(xù)皮帶機(jī)做了大量的研究。吳惠明和周文波在2004年對水平與垂直運(yùn)輸系統(tǒng)作了較詳細(xì)的介紹，并對水平皮帶運(yùn)輸機(jī)的操作、特殊道岔的應(yīng)用、垂直皮帶運(yùn)輸機(jī)的結(jié)構(gòu)作了進(jìn)一步的闡述[3]。徐道亮介紹了盾構(gòu)法施工及其出渣方式，并針對連續(xù)皮帶機(jī)渣土流動性過大的問題進(jìn)行了研究[4]。王可強(qiáng)分析了連續(xù)皮帶機(jī)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(jìn)行了仿真模擬[5]。中國礦業(yè)大學(xué)的張振興等人介紹了煤礦井用長距離、大運(yùn)量下帶式輸送機(jī)的設(shè)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(gòu)法隧道施工配套連續(xù)皮帶機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，分析了驅(qū)動方案和糾偏方案，并計算出連續(xù)皮帶機(jī)最后的設(shè)計參數(shù)[2]。

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

1 工程背景

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

該區(qū)間采用土壓盾構(gòu)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(huán)球中心站～海昌路站擬建區(qū)間范圍內(nèi)表層為人工填土，其下為黏土、黏性土、粉土、卵石土夾粉細(xì)砂。采用連續(xù)皮帶機(jī)與轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)結(jié)合的皮帶出渣運(yùn)輸系統(tǒng)，連續(xù)皮帶機(jī)的皮帶和托輥布置在機(jī)架上，而在隧道中機(jī)架通過螺栓布置在拱肩位置的管片上，如圖1。表1為本區(qū)間連續(xù)皮帶機(jī)出渣的基本參數(shù)。

圖1 連續(xù)皮帶機(jī)機(jī)架布置位置(單位：m)

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

2 連續(xù)皮帶機(jī)結(jié)構(gòu)

世紀(jì)城站～海昌路站盾構(gòu)區(qū)間出渣采用連續(xù)皮帶機(jī)與轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)結(jié)合的立體出渣方式。盾構(gòu)開挖出來的渣料經(jīng)盾構(gòu)自帶的皮帶機(jī)卸載到連續(xù)皮帶機(jī)上，經(jīng)連續(xù)皮帶機(jī)沿隧道輸送到海昌路站后卸載到轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)上，由轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)運(yùn)至地面。

2.1 機(jī)頭傳動裝置

機(jī)頭的傳動裝置由驅(qū)動裝置、傳動滾筒和傳動滾筒架等組成，驅(qū)動裝置提供皮帶機(jī)運(yùn)行的動力，由電動機(jī)、減速器、制動器等組成。

2.2 儲帶倉

儲帶倉采用框架式結(jié)構(gòu)，10層儲帶結(jié)構(gòu)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(gòu)機(jī)不斷掘進(jìn)，與之相應(yīng)的皮帶及皮帶支架也要相應(yīng)延伸，因此皮帶機(jī)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(jī)尾部作為受料裝置，安裝在盾構(gòu)臺車上，承受來自盾構(gòu)施工輸出的渣土。

2.4 連續(xù)皮帶硫化接續(xù)

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

2.5 連續(xù)皮帶機(jī)運(yùn)行流程

連續(xù)皮帶機(jī)尾部延伸裝置固定于盾構(gòu)臺車上，隨著盾構(gòu)機(jī)不斷向前掘進(jìn)，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(dāng)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(shí)現(xiàn)輸送帶不斷向前伸長。在皮帶機(jī)上同時布置有相應(yīng)的糾偏裝置以防止輸送過程中出現(xiàn)撒料、落料的現(xiàn)象。

3 連續(xù)皮帶機(jī)設(shè)計計算

3.1 驅(qū)動方案

從安裝可靠性、是否需要擴(kuò)挖管片、成本經(jīng)濟(jì)性、管理維護(hù)方便性、施工可行性等方面考慮，連續(xù)皮帶機(jī)最終的驅(qū)動方案布置形式為添加中間驅(qū)動形式。

中間驅(qū)動裝置設(shè)置在距連續(xù)皮帶機(jī)機(jī)頭部約3 500m的2號風(fēng)井內(nèi)，采用變頻驅(qū)動方式，驅(qū)動裝置由2套250kW驅(qū)動系統(tǒng)組成，采用浮動支撐。采用1∶1雙滾筒驅(qū)動布置，采用PLC控制和變頻軟啟動。中間驅(qū)動裝置的電機(jī)、減速器與連續(xù)皮帶機(jī)頭部主驅(qū)動裝置使用的電機(jī)、減速器完全相同。

當(dāng)掘進(jìn)長度超過3 500m后，驅(qū)動裝置整體布置如圖3。

圖3 連續(xù)皮帶機(jī)

3.2 基本參數(shù)計算

在此僅選取皮帶機(jī)最大負(fù)載工況(鋪設(shè)長度取為區(qū)間隧道長度)，按我國帶式輸送機(jī)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)以及一些學(xué)者提出的方法進(jìn)行設(shè)計計算及校核。

根據(jù)表1中掘進(jìn)速度和渣土的參數(shù)按最大掘進(jìn)速率計算所需運(yùn)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(shù)，取為0.99；K為裝料斷面系數(shù)；等長三托輥組槽形輸送機(jī)，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(jù)帶式輸送機(jī)設(shè)計手冊，渣土種類為黏土、黏性土、粉土、卵石土夾粉細(xì)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(shù)不易獲取，因此采用經(jīng)驗(yàn)公式計算：

F1=CNfLg[qt+(2q0+q)cosβ]+gqH=200981N

(3)

根據(jù)計算出的連續(xù)皮帶機(jī)在運(yùn)行過程中的圓周驅(qū)動力，可以計算出傳動滾筒的軸功率：

P=10-3FV=633kW

(4)

連續(xù)皮帶機(jī)的前期工作僅有頭部驅(qū)動，因此除了要計算最長運(yùn)輸距離的工況外，還要計算單驅(qū)動的張力分布，驗(yàn)證中間驅(qū)動的布置位置是否合理。

3.3 中間驅(qū)動位置

在布置中間驅(qū)動位置前，僅有頭部驅(qū)動，可以假設(shè)連續(xù)皮帶機(jī)鋪設(shè)長度為L，使用經(jīng)驗(yàn)公式計算圓周力：

F=CNfLg[qt+(2q0+q)cosβ]+gqH=31.4L

(5)

僅有頭部驅(qū)動時有兩個驅(qū)動滾筒，每個驅(qū)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(jìn)入機(jī)頭傳動滾筒處)：

SLmax=SLmin+2×FU=25.1L

(9)

皮帶在運(yùn)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(shù)和能保證壽命要求的皮帶，最大張力應(yīng)符合以下公式：

(10)

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

利用MATLAB繪制m與L的關(guān)系曲線(圖4)，由圖4可以看出，當(dāng)輸送長度超過5 700m時，皮帶帶強(qiáng)已經(jīng)不滿足要求。而且在實(shí)際工程中需要留有一定的安全余量，因此采用機(jī)頭單驅(qū)動的工作模式下連續(xù)皮帶機(jī)的長度不宜超過5 000m。考慮到世紀(jì)城站～海昌路站(麓山站)盾構(gòu)區(qū)間的區(qū)間長度為6 500m，因此中間驅(qū)動裝置設(shè)置在距連續(xù)皮帶機(jī)機(jī)頭部約3 500m的2號風(fēng)井內(nèi)較為合適。

圖4 安全系數(shù)與皮帶長度關(guān)系曲線

3.4 皮帶張力校核

當(dāng)隧道掘進(jìn)超過3 500m時，需要布置中間驅(qū)動裝置。由于地鐵隧道內(nèi)空間狹小，因此驅(qū)動裝置采用單側(cè)布置，且中間驅(qū)動采用1∶1雙滾筒驅(qū)動布置，具體功率為1×250kW∶1×250kW+1×250kW∶1×250kW，共4個驅(qū)動單元。按照連續(xù)皮帶機(jī)滿負(fù)荷即鋪設(shè)長度6 500m計算皮帶張力，每個驅(qū)動滾筒的圓周牽引力FU為：

(11)

最小張力(即圖3中6點(diǎn)張力)為：

F6=SLmin=CFmax=CKaFU=30087N

(12)

尾部改向滾筒不提供驅(qū)動力，因此4、5點(diǎn)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(zhuǎn)動部分單位長度質(zhì)量，取為2.61kg/m。

圖3中3點(diǎn)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(qū)動裝置后的皮帶長度)，取為3 000m；qa為承載分支托輥組轉(zhuǎn)動部分單位長度質(zhì)量，取為6.98kg/m。

圖3中2點(diǎn)皮帶張力為：

F2=F3-2FU=44970N

(15)

圖3中1點(diǎn)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(qū)動與中間驅(qū)動之間)，取為3 500m。皮帶機(jī)張力計算結(jié)果見表2。

表2 連續(xù)皮帶機(jī)特征點(diǎn)張力 kN

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

皮帶機(jī)最大張力出現(xiàn)在中間驅(qū)動裝置處，與機(jī)頭驅(qū)動裝置相比，相差不到10 %，證明中間驅(qū)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(shù)。最大張力對應(yīng)的安全系數(shù)為：

(17)

圖5 連續(xù)皮帶機(jī)張力分布

4 結(jié)束語

本文以設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)研究為參考，分析了成都地鐵18號線區(qū)間隧道工程的連續(xù)皮帶機(jī)水平出渣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和運(yùn)行過程，同時對其運(yùn)輸過程進(jìn)行分析計算和主要參數(shù)設(shè)計。

經(jīng)分析可得：(1)皮帶鋪設(shè)長度增長會顯著減小皮帶張力安全系數(shù)，因此有必要安裝中間驅(qū)動裝置，中間驅(qū)動的安裝位置布置在距機(jī)頭3 500m處可以使皮帶張力合理分布。(2)連續(xù)皮帶機(jī)達(dá)到最大鋪設(shè)長度時最大張力約為146kN，對應(yīng)的安全系數(shù)約為6.9，滿足規(guī)范要求。

本文的分析計算驗(yàn)證了連續(xù)皮帶機(jī)布置方式和結(jié)構(gòu)選型的合理性，可以為長距離、大斷面的盾構(gòu)隧道工程水平皮帶出渣系統(tǒng)提供一定的參考價值。