秦嶺隧洞TBM皮帶機出渣系統的改造設計研究

任吉濤，簡江濤，趙翔元

(陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安 710010)

1 工程背景

1.1 引漢濟渭工程概況

陜西省引漢濟渭工程是從漢江流域調水到渭河流域的水資源調配工程，針對關中地區缺水問題實施的省內南水北調工程。工程分為調水工程和輸水工程，調水工程包括黃金峽水利樞紐、三河口水利樞紐和98.3km的秦嶺輸水隧洞，設計流量70m3/s，縱坡1/2530，輸水隧洞最大埋深2012m。穿越秦嶺主脊段全長約35千米，分為嶺南施工段(18275m)和嶺北施工段(16690m)，是引漢濟渭調水工程總工期的控制性項目。嶺南和嶺北段均采用TBM法施工，由2臺TBM相向掘進。

1.2 嶺北TBM概況

嶺北TBM施工段全長16.7km，包括秦嶺5號支洞、TBM配套洞室和TBM施工段。其中，TBM施工段第一階段掘進任務為6788m，第二階段掘進任務為8427m均已完成，現進行設備改造，將繼續向嶺南方向掘進3000m的任務。

項目采用從德國引進的敞開式TBM(海瑞克S-795)進行施工，其刀盤開挖直徑8060mm，整機全長210m，裝機功率為6800kVA。TBM設計的掘進速度最大為100mm/min，單日實際掘進速度測試為80mm/min。此TBM可同時完成初期支護、通風除塵、掘進施工、測量導向等工序，并配備有C1、C2、C3三條連續皮帶，可將掌子面的石渣直接運轉至隧道出口。

2 連續皮帶機出渣系統介紹

2.1 出渣系統綜述

連續皮帶機用于運送TBM掘進產生的棄渣，保證掘進施工的連續性。連續皮帶出渣較礦車出渣具有運量大、污染小、速度快、連續性等優點，是TBM出渣系統發展的主流方向。

TBM連續皮帶在運轉過程中，要求其方向要順直，位置和姿態基本保持不變。一旦皮帶位置發生偏移或者姿態變化較大，都將導致漏渣、皮帶劃傷等事故，嚴重影響TBM的連續施工，導致停機停工。

2.2 C1皮帶出渣系統概況

本項目使用的連續皮帶機由德國海瑞克公司設計和生產，2014年投入使用。配備有C1皮帶(主洞)、C2皮帶(支洞)、C3皮帶(洞外)，可實現石渣直接輸送至洞口，再由自卸載重車運至指定棄渣場，保證TBM的連續施工。

C1皮帶位于主洞內，采用鏈條懸掛于洞壁，主要構件包含有皮帶、驅動總成(主驅動+輔助驅動)、儲帶倉、張緊絞車、滾筒、刮渣裝置、皮帶支架及鏈條、電氣系統等。其主要技術參數見表1。

表1 C1皮帶主要技術參數

C1皮帶設計輸送長度最大為10000m，目前C1皮帶長度已達到8920m。

3 C1接應掘進的數據校核

3.1 驅動功率計算

根據接應需求，本標段TBM第二階段最終掘進至11920m。此距離已嚴重超過設計最大長度，需對C1皮帶當前裝置進行數據校核，計算是否滿足接應需求。目前已知的參數數據見表2。

表2 TBM原始參數

由此計算得知：運輸能力Q=(πD2/4)v1tγ=536.950509t/h，考慮到一定的裕度，取Q=550t/h，滿足實際運行速度要求。C1皮帶主要規格參數見表3。

表3 C1皮帶主要規格參數

取上下膠帶模擬阻力系數ω=0.0220，計算得到輸送帶阻力如下：

(1)膠帶及物料產生的運行阻力

F1=cLωg(2q0+q+q1+q2)=319735.12N

(其中：下分支阻力F7=cLωg(q0+q2)=74739.49N，上分支阻力F8=cLωg(q0+q+q1)=244995.64N)

(2)物料提升阻力F2=Hqg=0.00N

(3)卸載部清掃器對膠帶阻力F3=1000.00N

(4)空段清掃器對膠帶阻力F4=3×20Bg=470.88N，(式中B=0.80，g=9.81)

(5)導料槽阻力F5=400.00N

(6)儲帶倉部分阻力F6=10000N

由以上數據可計算得到

驅動滾筒圓周驅動力Fu=F1+F2+F3+F4+F5+F6=332006N

傳動滾筒軸功率P0=FuV=1079.02kW

取減速器效率η1=0.94，電機效率η2=0.95，聯軸器效率η3=0.98，電機功率備用系數為10%。

在C1皮帶長度為13800m時，電動機所需最低功率Pe=P0/η1η2η3(1+10%)=1356.2kW。

3.2 驅動力校核

皮帶的驅動力由驅動總成進行供給，通常由變頻電機通過減速機驅動滾筒，帶動整條皮帶運轉。驅動總成包括有變頻電機、減速器、驅動滾筒、電氣控制系統組成。

當前皮帶驅動功率Pd=355×3+160=1225kW。

因Pd(1225kW)

3.3 張緊力校核

在皮帶運轉過程中，皮帶張緊裝置會自動調整皮帶的松緊度，確保皮帶始終有一個合適的預緊力。張緊裝置還會通過張緊鋼索的釋放來補償儲帶倉中皮帶的釋放。計算張緊力已知參數見表4。

表4 計算張緊力已知參數

膠帶在允許最大下垂度時輸送帶張力如圖1所示。

(1)重載段允許最小張力

S2min≥a0(q+q0)g/8(h/a)max=6070.72N

(2)空載段允許最小張力

Skmin≥auq0g/8(h/a)max=3494.81N

圖1 膠帶張力示意圖

(3)輸送帶各點張力計算

按滾筒不打滑條件，計算TBM第二傳動滾筒奔離點張力：

S1min≥KAFu/4(eμФ2-1)KA=1.05=33519.84N>Skmin，滿足膠帶垂度條件。

取S1=33519.84N

機尾傳動滾筒趨入點張力：

S2=S1+F6+F7+F9+F4=118730.20N，滿足垂度條件。

機尾傳動滾筒奔離點張力：

S3=S2-Fu/4=35728.70N>S3min，滿足垂度條件和滾筒不打滑條件。

按滾筒不打滑條件，機尾滾筒奔離點張力：

S3min≥KAFuz/4(eμФ2-1)=33519.84N

計算C1皮帶卸載滾筒趨入點張力：

S4=S3+F8+F2+F9+F3=281724.34N

計算C1皮帶第一傳動滾筒趨入點張力：

S5=1.04S4=292993.31N，滿足垂度和不打滑條件

計算C1皮帶第二傳動滾筒奔離點張力：

S1=S5-3Fu/4=43988.81N>33519.8N，滿足垂度和滾筒不打滑條件。

(4)滾筒校核計算

C1皮帶儲帶倉滾筒合力：

Scdc=2S1=87977.62N

機尾傳動滾筒合力：

Sjw=S2+S3=154458.91N

卸載滾筒合力：

Sxz=S4+S5=574717.65N

C1皮帶第一傳動滾筒合力：

Stc=S5+S5-2Fu/4=419983.62N

根據滾筒合力選擇合適的滾筒軸承。

正常運行時8股鋼絲繩拉緊力：

Sj=10KbS1=615843.34N

單股鋼絲繩(變頻絞車)張力：

SG>Sj/8=76980.42N

由以上數據得知，皮帶現有的張緊裝置滿足接應要求。

3.4 皮帶強度校核

C1皮帶的強度薄弱地方為硫化接頭處，其強度取皮帶強度的90%，即n=0.90。

正常膠帶處的安全系數：m=σB/S5=5.46

硫化接頭處的安全系數：mmin=nm=0.9×5.46=4.91

由此可知，皮帶強度滿足接應需求。

3.5 爬坡度校核

隧道主洞坡度為1/2530，C1皮帶出渣方向為由高至低。當C1單向長度為13800m時，C1高差HC1=13800×1/2530=5.45m。

因C1皮帶運渣為下坡運渣，故爬坡度滿足接應需求。

4 接應掘進存在問題分析

C1連續皮帶機需應按接應最大長度11920m重新進行設計校核，并確認通過。設計校核包括驅動功率校核、膠帶強度校核、拉緊力校核、滾筒和托輥的強度校核等。

4.1 驅動力

根據以上校核結果，在接應米時，皮帶的驅動力已無法滿足需求。驅動力的降低會導致皮帶打滑、滾筒包膠剝落等現象。在輔助驅動安裝前，曾多次出現滾筒包膠剝落、滾筒軸承損壞、皮帶驅動力不足等現象。

4.2 張緊力

因長期運轉，在第二階段施工中多次因張緊裝置的故障而停機。其出現的故障有鋼絲繩斷裂、剎車失靈、變頻器報錯、軸承失效等。

4.3 皮帶強度

根據以上計算，C1皮帶強度能滿足接應需求。但是皮帶在長期的大石塊沖擊下，很多部位已經出現坑洞、劃傷、接頭開膠等現象。在第二階段施工中，C1硫化接頭斷裂多次，嚴重的制約了TBM施工生產。

4.4 爬坡度

由以上的爬坡度校核可知，皮帶爬坡度滿足接應需求。

5 解決措施

為了解決接應施工對C1的需求，需對C1主要部件進行改造。改造要求如下：

(1)本標段TBM最終掘進至13800m，C1連續皮帶機應按此長度重新進行設計校核，并確認校核通過。設計校核包括：驅動功率校核、膠帶強度校核、拉緊力校核、滾筒、托輥等主要部件的強度校核等。

(2)所提出的改造方案應在滿足C1連續皮帶機主要性能的前提下，盡量采用原型機的配置和部件，使驅動單元的配置最簡單、控制系統最簡單、性能價格比最合理。

(3)改造方案應盡可能地避免或減少模板襯砌臺車和皮帶機之間的互相影響，應盡可能地避免淋水對皮帶機正常運行的影響等

(4)改造方案須經過方案對比和論證。

5.1 驅動方案

經過方案對比論證，驅動方案采用方案頭部驅動+尾部驅動。

具體的改造方式如下：

增加一套機尾驅動(包括驅動電機1個、減速器1個、驅動滾筒1個、輔助滾筒3個、電氣柜一套、控制系統一套)。

電機總功率Pf為(3×355+355)kW或(3×355+2×160)kW。因Pf(1420kW或1385kW)>Pe(1356.2kW)，故改造后的驅動滿足接應的11920m需求。

在TBM尾部增加一節臺車用于安放C1機尾驅動(當前TBM6號臺車已無空間安裝C1尾部驅動)。

5.2 張緊裝置方案

因當前C1皮帶的張緊裝置故障頻繁(鋼絲繩斷裂、剎車失靈、變頻器報錯、軸承失效、控制系統老化等)，嚴重制約了TBM的施工生產。在接應施工前，需將現有的張緊裝置進行整體更換。

5.3 緩沖床方案

緩沖床位于皮帶倉上層皮帶下方，其作用是緩解落渣對皮帶的沖擊。C1皮帶的緩沖床因設計、長期運行等原因，已經損壞嚴重。接應施工前，需對C1的緩沖床進行整體改造(包括緩沖床更換、底座設計及改造等)。

5.4 刮渣系統方案

刮渣裝置負責將皮帶上的殘渣刮入皮帶倉，保證皮帶的清潔。目前刮渣系統損壞較多，導致皮帶底部落渣嚴重。在接應施工前，需對現有的刮渣系統進行改造。為了節約成本和廢物利用，建議刮渣清掃器采用廢舊膠帶自行制作。

6 結語

嶺北TBM連續皮帶機經過秦嶺隧洞掘進15865m的生產應用，對其進行科學評估，決定對其進行設備改造及研究。過程重點分析技術參數和受力計算、校驗，對其C1段增加一套機尾驅動和附屬設備，使其滿足3000m掘進任務的輸送能力，此次設備改造增加成本較低，工作量較小，維護費用低，使用壽命滿足工期要求，達到運行穩定，性能可靠的效果，保證引漢濟渭工程嶺脊掘進段任務的順利完成。設備改造的技術方案和效果在連續皮帶機輸料行業具有借鑒作用和指導意義。