復合式大傾角皮帶機在地鐵施工中的應用

齊夢學， 車新寧， 李秀云

(1. 中鐵十八局集團隧道工程有限公司， 重慶 400700; 2. 兗礦集團有限公司， 山東 鄒城 273500; 3. 上海科大重工集團有限公司， 上海 201708)

0 引言

地下空間的開發利用日益得到重視，地下空間已經成為一種新的國土資源，被稱為“地下產業”。21世紀對人類來說是“地下空間”的世紀，大量的利用地下空間可以改善環境狀況，提升居民生活品質，節約能耗、保護環境[1]。城市地鐵是地下空間開發的重要部分。城市交通越來越擁擠,中國城市化的發展必然帶動城市地鐵的發展,目前很多城市開始修建地鐵，以拓展城市交通運輸網，緩解城市交通壓力[2-3]。地鐵區間隧道大多采用盾構法施工，其中，土壓平衡盾構(以下簡稱EPB)的應用比例最大，EPB施工渣土需要從地下提升至地面，再運離施工現場[4-6]。

關于出渣方式方面的研究已有很多，文獻[7]介紹了地鐵盾構施工龍門吊垂直運輸、隧道內軌道運輸及設備選型；文獻[8]介紹了盾構施工配套龍門吊及列車編組設備選型與主要技術參數；文獻[9]結合廣州地鐵盾構施工特點從人和物2個方面研究了運輸系統的安全管理；文獻[10]介紹了盾構施工配套龍門吊和列車編組設備選型原則；文獻[11]以青島地鐵2號線為工程背景研究并提出了應用于地鐵TBM施工的連續皮帶機+垂直皮帶機出渣方案；文獻[12]從技術、經濟和工期3個方面分析了龍門吊與垂直皮帶機出渣的差異，認為地鐵雙護盾及敞開式 TBM 施工采用垂直皮帶機出渣效率高、綜合成本低，更有利于充分發揮TBM的掘進效率；文獻[13]從設備配置、設備采購成本、運行成本、維修保養成本和對施工進度影響等方面對TBM施工連續膠帶機和有軌運輸2種出渣方式進行對比分析，認為長大隧道采用連續皮帶機出渣具有顯著優勢；文獻[14]研究了多功能膠輪車(MSV)在TBM施工運輸中的適應性；文獻[15]介紹了一種渣土立式提升系統(即常規波狀擋邊垂直皮帶機)，詳細闡述了其結構特點、性能參數、結構性能，并介紹了其與水平掘進運輸系統的匹配性，分析了設備配置；文獻[16]以北京地鐵區間隧道礦山法施工為背景，介紹了一種以帶式輸送機為出渣施工設備的新型出渣技術，在導洞內使用小型渣車將渣土丟棄到豎井處，在豎井內使用帶式輸送機將渣土輸送到地面的臨時渣場，提高了軟巖隧道出渣施工的效率和安全性，所用設備為常規波狀擋邊大傾角皮帶機。

EPB施工產生的渣土具有較大的黏度和含水量，采用垂直皮帶機提升容易發生黏結、灑落等問題，附著在膠帶上的渣土難以清理。為了解決上述問題，創新研發了復合式大傾角皮帶機，其由牽引皮帶機與支撐皮帶機組成，可分離的牽引膠帶與支撐膠帶在井底受料端組合，形成提升渣土的框斗，地面卸渣后兩膠帶分離，分別清洗。該研究成功解決了采用大傾角皮帶機提升渣土膠帶難清理的問題，實踐證明，設備運行可靠、效率高，為充分發揮EPB施工效率提供了保障，以期為類似工程提供借鑒。

1 提升皮帶機現狀

EPB施工過程中，將渣土由井底提升至地面，除了已經成熟應用的龍門吊外，可供選用的提升方式主要是折返皮帶機和大傾角皮帶機。

折返皮帶機輸渣方式是從井底到地面由若干條相互搭接、與水平面成一定傾角布置的普通皮帶機組合而成的輸渣系統；大傾角皮帶機采用特殊的膠帶結構，可以與水平面呈大傾角甚至直角安裝運行，布置傾角一般為70°～90°。折返皮帶機結構簡單，但對場地條件(井的深度、長度等)的要求比較苛刻，占用空間較大，當不能滿足渣土的動安息角要求時，無法實現有效地輸送；渣土含水量較大時，容易在皮帶機尾部產生渣水后溢，不同程度地影響輸送效率和現場文明施工。采用折返皮帶機輸渣系統進行EPB施工時，應盡量減小每一條皮帶機的布置傾角。

大傾角皮帶機由于其獨特的結構設計，既能保證渣土的提升，又適用于小空間。因此，大傾角皮帶機可用于場地條件無法滿足折返皮帶機安裝運行的情況。從膠帶結構形式上來說，大傾角皮帶機通常有3種形式，分別為波狀擋邊皮帶機、斗式皮帶機、夾帶式皮帶機。

1.1 波狀擋邊皮帶機

波狀擋邊皮帶機的膠帶是由1條平面基帶、2條平行排列的波狀擋邊條和隔板組成，三者形成了容納物料的框斗，如圖1所示。

(a) 波狀擋邊皮帶機 (b) 膠帶

圖1波狀擋邊皮帶機

Fig. 1 Corrugated sidewall belt conveyor

波狀擋邊皮帶機的工作原理： 驅動滾筒通過摩擦力帶動承載物料的波狀擋邊輸送帶做閉環運動，經過機頭轉向時利用物料的重力和離心力將物料從輸送帶的框斗中拋離。波狀擋邊皮帶機主要適用于散裝(無黏性)物料的輸送。

1.2 斗式皮帶機

斗式提升皮帶機與波狀擋邊皮帶機的差異在于前者的輸送帶是由2條平行的平面基帶和若干個固定于其上的框斗組成，各個獨立的框斗是輸送物料的容器，如圖2所示。

(a) 斗式皮帶機 (b) 輸送帶

圖2斗式皮帶機

Fig. 2 Bucket belt conveyor

斗式皮帶機的工作原理與波狀擋邊皮帶機類似，輸送帶在機頭傳動滾筒折返處卸渣。適用范圍同波狀擋邊皮帶機。

1.3 夾帶式皮帶機

夾帶式皮帶機由2條自帶動力的皮帶機組成，主要布置形式為“S”型。2條皮帶機從底部的受料區段到地面的卸渣區段由相互靠近的覆蓋帶和承載帶形成兩側閉合的腔室，在皮帶機頭部2條輸送帶相互分離、各自折返，如圖3所示。

(a) 夾帶式皮帶機 (b) 輸送帶

圖3夾帶式皮帶機

Fig. 3 Sandwich belt conveyor

夾帶式提升皮帶機的工作原理： 通過2條皮帶機相互靠近的覆蓋帶和承載帶對進入其腔室的物料施以夾持力，當夾持力使輸送帶和物料之間產生的摩擦力大于物料自身的重力時，物料便在輸送帶的夾持下實現輸送。夾帶式皮帶機適用于輸送塊度均勻、含水量小的物料。

1.4 現有技術用于EPB渣土提升存在的問題

對于波狀擋邊皮帶機和斗式皮帶機，在輸送的渣土通過卸渣段時，若渣土的重力和離心力不足以克服渣土的內摩擦力及與框斗的黏附力，部分渣土則粘附在輸送帶的框斗中；殘留的渣土隨輸送帶進入回程區域，運行過程中沿途撒落、損傷膠帶、損壞托輥甚至滾筒，特別是現有的框斗殘渣清除措施效果較差，加劇了落渣及對膠帶、托輥、滾筒的損傷。據統計，帶回到井底的渣土可達到總輸送量的20%以上。因此，當這2類皮帶機應用于輸送EPB施工的渣土時，生產效率大大降低。

夾帶式大傾角皮帶機用于EPB施工渣土的提升時，必須要求渣土的塊度均勻。當含有較大的石塊時，容易劃傷輸送帶；當渣土含水量較大時，內摩擦力明顯降低，輸送帶的夾持力不足以產生足夠的摩擦力，導致渣土難以順利提升。

2 EPB渣土及其對大傾角皮帶機的要求

2.1 棄渣及渣土分析

大傾角皮帶機用于TBM棄渣提升已是成熟技術。TBM通常在巖石地層中施工，棄渣狀態如圖4所示，通常情況下棄渣尺寸小，以塊狀和顆粒狀居多，含水量較小且黏性小，適合采用擋邊皮帶機運輸。

圖4 TBM施工棄渣

EPB掘進中的渣土是由刀盤上的刮刀切削土體產生的。為了防止刀盤出現黏結硬的“泥餅”、增加渣土的流塑性、降低透水性，便于建立平衡壓力，需要向土艙內注入泡沫劑、膨潤土泥漿等改良劑。EPB施工渣土具有黏性大、含水量大的特點，如圖5所示。

圖5 EPB施工渣土

2.2 對大傾角皮帶機的性能要求

輸送介質的不同，對皮帶機的要求也同樣存在差異。根據EPB施工特點及其渣土特性，大傾角皮帶機需滿足如下要求。

1)連續運行。采用大傾角皮帶機提升渣土時，通常會同步配置隧道連續皮帶機，EPB掘進過程中，渣土經螺旋輸送機、皮帶機、隧道連續皮帶機持續輸送到大傾角皮帶機受料端，因而大傾角皮帶機需要具備連續提升渣土的能力。

2)提升渣土的能力與EPB掘進出土速度相匹配。只有二者性能相匹配，才能在保證EPB連續掘進的同時大傾角皮帶機不至于過高配置而造成資源浪費。

3)提升渣土的容器或者空間相對密閉，渣土含水量略大時不漏水、不灑落。

4)提升渣土的容器或者空間尺寸合適，允許渣土中存在較大粒徑的塊狀石渣。

5)裝卸方便、順暢，清渣便捷。渣土裝載是否順暢主要取決于隧道皮帶機的卸載能力。順暢卸渣需要克服EPB渣土黏度較大、附著性較強的問題，膠帶上殘留的渣土需要及時、徹底清理。

以上是大傾角皮帶機用于EPB渣土提升需要重點解決的難題，也是上述3種類型大傾角皮帶機的最大弱點。

3 復合式大傾角皮帶機

由上述分析可知，膠帶的結構形式決定了大傾角皮帶機的類型，能否實現高效輸渣、順暢卸渣、便捷清渣很大程度上取決于膠帶的結構形式。在現有技術的基礎上需要重點解決渣土裝卸、清理問題。

3.1 復合式膠帶

為了解決上述問題，研發了可分離的復合式膠帶，如圖6所示。復合式膠帶由牽引膠帶和支撐膠帶組合而成。牽引膠帶是由2條平行布置的波狀擋邊、橫向連接于其間的隔板以及基帶組成，形成一系列鏤空的四面框架結構，并且總體成環；支撐膠帶是環形板式膠帶。二者在進入大傾角皮帶機受料端之前合二為一，支撐膠帶嵌套于牽引膠帶內環，為牽引膠帶的鏤空框架提供封底，形成容納渣土的框斗；渣土裝載后，隨著復合式膠帶向上運行，到達卸料端時，牽引膠帶和支撐膠帶迅速分離，無底的框斗再次恢復鏤空結構，渣土在重力作用下自然墜落。如此，解決了渣土裝載、提升、卸料3個環節的問題。

(a) 實物 (b) 示意圖

1—支撐膠帶； 2—牽引膠帶； 3—隔板。

圖6可分離的復合式膠帶

Fig. 6 Detachable composite belt

可分離的復合式膠帶，在卸料端分離卸料后，根據各自的特點，分別采用適宜的清渣方式。

3.2 復合式大傾角皮帶機結構設計

復合式大傾角皮帶機呈“Z”型布置。其井下底部水平段為受料端，地面上的水平段為卸料端，中間段與水平面呈大傾角布設，甚至可以垂直于水平面，如圖7所示。如果空間條件允許，中間段的布置傾角應略小，以防撒料。

1,7—傳動滾筒； 2—牽引輸送帶； 3—上托輥； 4—激振器； 5—卸渣漏斗； 6—刮板； 8—支撐輸送帶； 9—機架； 10—垂直段機架； 11—擋輥； 12,13—回程滾筒； 14—壓輪； 15—承載段； 16,18—機尾滾筒； 17,19—張緊裝置； 20—驅動裝置。

圖7復合式大傾角皮帶機總體布置圖

Fig. 7 General layout of composite high-angle belt conveyor

與可分離的復合式膠帶相對應，復合式大傾角皮帶機由牽引皮帶機和支撐皮帶機2大部分復合而成。

牽引膠帶和支撐膠帶纏繞各自的機尾滾筒后，在進入受料端之前組成一條完整的、帶框斗的輸送帶如圖8所示。牽引膠帶繞經牽引皮帶機的機尾滾筒后，沿水平方向運行；支撐膠帶繞經支撐皮帶機的機尾滾筒后，亦沿水平方向運行；當牽引膠帶運行至支撐皮帶機的機尾滾筒后，與支撐膠帶重合，復合而成一個完整的框斗，用來容納從連續皮帶機上卸下的渣料。

1—牽引膠帶運行方向； 2—支撐膠帶運行方向。

圖8牽引膠帶與支撐膠帶在井底復合

Fig. 8 Traction belt and support belt composited at shaft bottom

大傾角皮帶機的中間提升段沿洞壁布置如圖9所示。在膠帶背面設置平托輥、正面設置壓輥，以保證牽引膠帶和支撐膠帶緊密貼合而不漏渣。

圖9 大傾角皮帶機的中間提升段沿洞壁布置圖

牽引皮帶機的頭部滾筒布置在支撐皮帶機的頭部滾筒(膠帶運行方向)的前方，復合式膠帶進入卸料端時，牽引膠帶沿原運動方向繼續運行，而支撐膠帶則提前轉向，2條膠帶立即分離，由2條膠帶復合而成的框斗便瞬間失去了底板，渣土在重力的作用下自然下落卸渣，如圖10所示。

1—牽引膠帶運行方向； 2—支撐膠帶運行方向； 3—落渣方向。

圖10大傾角皮帶機卸料端

Fig. 10 Unloading terminal of high-angle belt conveyor

安裝調試時，需特別注意支撐皮帶機和牽引皮帶機的中線重合、安裝姿態滿足設計要求，并嚴格控制空載調試質量，以保證運行過程中不會發生影響運行質量的跑偏或分離問題。類似于其他皮帶機，該設備同樣具有調偏功能，以便于運行過程中必要的狀態調整。

卸掉渣土后，牽引皮帶機與支撐皮帶機的膠帶經各自的頭部滾筒轉向繼續運行。支撐膠帶采用隧道連續皮帶機常用的刮板清掃器與清洗箱組合清理模式，技術成熟、效果良好。清洗箱如圖11所示。 牽引膠帶采用激振器振動清理附著的渣土，殘留泥漿等采用矩陣式高壓噴水二次清理。矩陣式高壓水噴嘴如圖12所示。

圖11 清洗箱

圖12 矩陣式高壓水噴嘴

4 工程應用

4.1 工程概況

廣州市軌道交通22號線祈福站—中間風井—廣州南站段，線路全長6 524 m，隧道埋深11.3～23 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和3 500 m。區間隧道平面布置圖如圖13所示。

圖13 區間隧道平面布置圖

區間隧道采用EPB施工，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，在祈福站大里程端解體吊出。中間風井長130 m，寬31.8 m，基坑埋深20 m，地下2層。其中，在風井中設置的1號、2號盾構始發井長15 m、寬10.5 m、深20 m，供卸渣使用的2個渣土坑長40 m、寬13 m、深5 m。

洞身穿越多種淤泥層、多種風化泥質粉砂巖層等，掘出的渣土黏度(40～60 kPa·s)大、含水量(50%)大。

祈福站—中間風井區間采用隧道連續皮帶機、大傾角皮帶機出渣，復合式大傾角皮帶機呈“Z”型布置。考慮到本工程井口空間較大，皮帶機提升段傾角設計為80°，受料端安裝在始發井的底板，機身安裝在始發井的井壁上，卸料端和驅動裝置固定安裝在地面渣土坑上方，如圖14所示。在支撐皮帶機的返程起始段布置刮板清掃器和水清洗箱，在牽引皮帶機卸渣段布置激振器，在返程起始端設置矩陣式高壓噴水嘴。

(a) 示意圖

(b) 現場圖

4.2 EPB及復合式大傾角皮帶機主要技術參數

EPB主要技術參數見表1。復合式大傾角皮帶機主要技術參數見表2。

表1 EPB主要技術參數

表2復合式大傾角皮帶機主要技術參數

Table 2 Main technical parameters of composite high-angle belt conveyor

4.3 應用效果

復合式大傾角皮帶機于2018年12月初投入重載運行，截至2019年3月底累計掘進約1 300 m，EPB掘進效率約為龍門吊提升出渣的1.3倍，單臺設備相關人工由5人減少為3人。

卸渣后，支撐膠帶在支撐皮帶機的頭部滾筒折返，設置在頭部滾筒下方的刮板清掃器與支撐膠帶緊密接觸，可刮除大部分粘附在膠帶上的渣土，再經清洗箱二次清刮和沖洗，殘存渣土進一步被刮落。牽引膠帶首先通過設置在回程段的激震器振動清除粘附在膠帶上的大塊渣土，再經矩陣式高壓水噴嘴沖刷。經過上述清洗(掃)后，清渣效率達到約95%。

5 結論與討論

實踐證明，研發的復合式大傾角皮帶機適用于地鐵施工渣土垂直提升，為EPB施工提供了一種高效、環保的輸渣方式和輸送設備，結合隧道連續皮帶機實現渣土連續輸送，為EPB連續掘進創造了有利條件，掘進效率可提升約30%，同時節約了人工成本。復合式大傾角皮帶機是針對EPB施工渣土研究設計的，具有很好的適用性，同時也適用于巖石掘進機施工棄渣的提升，使用過程中需要關注膠帶性能的適應性，并經常檢查膠帶狀態，避免膠帶過度磨損。復合式大傾角皮帶機可靠性高、操作便捷、效率高，具有很好的推廣應用價值。

應用過程中，需要注意以下幾點： 1)要加強維護保養，提高設備完好率； 2)要注重膠帶清理，清潔后的膠帶可以大幅提高膠帶可靠性和耐久性； 3)要適當增大托輥的規格以提高其使用壽命； 4)要確保膠帶清理效果的前提下節約清洗用水，保護環境； 5)除非空間不允許，大傾角皮帶機中間段盡量避免完全豎直布置，以利于提高渣土提升效率、減少落渣。