臨海大體量土石方長距離皮帶輸送技術*

盧建文，蔡慶軍，王朝龍，胡 帥，張勝陽

(中國建筑第八工程局有限公司華南分公司，廣東 廣州 510663)

1 工程概述

深圳寶安國際機場衛星廳及配套工程位于該機場T3航站樓北側，為濱海灘涂地貌造陸而成，距海岸東側約1km。T3航站樓西南側現有機場碼頭，且場內附近的海堤路通向碼頭。

土石方外運總計約114萬m3，根據地質勘察資料，外運土石方以回填素土和淤泥為主，含少量粉質黏土與砂質土等，土質種類多，各類土石方性質差異大。土石方工程分布如圖1所示。

2 土石方運輸方案

在工期緊張、場地道路受限、臨近碼頭等因素下，參考散貨碼頭及礦山行業中物料運輸的皮帶輸送機技術，以機場碼頭作為棄土點，海堤路作為主要運輸通道，創新提出采用皮帶輸送機輸送土石方的方法，打造國內臨海地區最長距離皮帶輸送機傳輸淤泥質土的先例。針對長距離土石方外運、運輸體量大、裝船及土石方多樣等情況，對皮帶輸送機輸送技術進行改良。

3 設計難點

1)皮帶輸送機的布置 皮帶輸送機線路總長為7.5km,設備費用一次性投入大，皮帶輸送機需根據項目周邊環境與特點進行合理布置，同時考慮可行性、經濟性、工期、運輸效率、用電等情況，施工內容綜合且復雜。

2)皮帶輸送機應用技術 本項目外運土石方方量大、土質種類多、差異性大，應綜合考慮輸送帶清理、綠色施工、天氣影響、后期維保、各類土質運輸等因素，需研究出適用于本工程土石方外運的皮帶輸送系統和技術。

3)土石方裝篩 由于外棄土石方中含有大量大小不一的石子，若直接未經篩選裝料，土內大塊徑石子將直接砸向輸送帶，嚴重影響輸送帶的使用壽命。

4)土石方裝船 土石方裝船的皮帶輸送機方案直接影響土石方裝船效率和單船裝土量，設計與施工應確保安全可靠和高效穩定。

4 臨海大體量土石方長距離皮帶輸送系統設計原理

皮帶輸送機的土石方運輸原理是通過在裝土點和棄土點間直接搭設固定式皮帶輸送機，縮短土石方運輸距離，皮帶輸送機運輸土石方時穩定高效，可降低對道路的依賴。由于工程中業態單體分布分散，結合工程特點與周邊環境，因地制宜確定皮帶運輸線路，工程場地內出土點土石方采用泥頭車集中運輸至土石方中轉場，土石方在中轉場通過總長度7.5km的皮帶輸送機運輸。輸送機經海堤路、沿江高速橋底直至機場碼頭，利用皮帶輸送機直接卸土裝船。土石方運輸路線如圖2所示。

圖2 土石方運輸路線

4.1 施工流程

長距離皮帶輸送流程如下：場地選址及設備布置→定位放線→輸送系統基礎施工→安裝輸送系統(裝篩系統+長距離運輸系統+綠色施工系統+卸土裝船系統)→單機調試→空載與負載試運行→土石方運輸應用。

4.2 輸送系統分部組成

對皮帶輸送機系統進行研究，以適應本工程濱海灘涂地區大體量土石方長距離皮帶運輸施工，在原有皮帶輸送機系統基礎上提出以下組成分部：①土石方裝篩系統 在運輸效率要求高且土質多樣的前提下，提出快速有效、簡易施工的土石方篩分技術，并制成工具；②長距離輸送系統 針對7.5km長的皮帶輸送系統，選擇配置合理、相互協同工作的系統構件，以在長距離運輸過程中達到高效運轉、正常使用及配合維保的效果；③卸土裝船系統 在既有機場碼頭上搭建可靠穩定的皮帶輸送機卸土機架，提高裝船效率和單船裝土量，同時確保裝船期間安全施工；④綠色施工系統 針對皮帶輸送機土石方運輸特點制定安全防護、環境保護及節約資源的措施與裝置，提高輸送機適應性，并不易受外部因素干擾制約工作。長距離皮帶輸送系統如圖3所示。

圖3 長距離皮帶輸送系統

5 皮帶輸送機土石方裝篩系統

5.1 裝篩流程

裝篩流程如下：挖掘機翻料初步篩除石子→淤泥質土添加土進行拌合→振動篩分機篩除石子→土石方經過短途皮帶輸送機→自動吸鐵器篩除鐵件→土石方歸堆→破碎再利用。

5.2 工藝原理

在中轉場內翻土遞料時，安排部分挖掘機負責初步篩查外運土石方石子。為避免篩除的石子摻雜大量土石方，在挖掘機上安裝斗底，可一次完成挖掘與初步分離。

土石方初步篩除石子后，利用挖掘機裝給料至土石方振動篩分機，可快速有效篩除粒徑>40cm的石子，并進行集中清理。

該地區外運土石方中含有大量軟塑狀淤泥，無法正常利用振動篩分機進行裝篩處理，淤泥土裝料前應加入等量干性回填土與黏土，利用挖掘機進行簡單拌合后裝料至振動篩分機。

在皮帶輸送機裝篩范圍末端安裝自動吸鐵器，混雜在土石方中的鐵件被吸附后，由卸鐵皮帶拋出，可有效防止輸送帶被不明鐵件劃裂。

5.3 土石方振動篩分裝置設計

在皮帶輸送機上方安裝土石方振動篩分裝置可自動篩分土石方，在挖掘機裝料過程中，篩分出的大塊石子順篩面坡滑至篩箱尾部后集中歸堆，泥土和小塊石子經振動篩分后直接落至輸送機皮帶上。

土石方振動篩分裝置中的篩面與水平傾角呈20°，篩面分為內龍骨與外龍骨，需具有足夠剛度以保證在惡劣裝料環境下的耐久性。內龍骨采用厚壁鋼管，水平且垂直于坡面方向布置，間距40cm，兩側焊接于2m×6m的振動篩箱內。外龍骨采用200mm(高)×20mm(厚)的鋼板焊接于內龍骨上，沿坡面方向布置，間距40cm，振動采用偏心式，在電機驅動下可利用離心力提高坡面篩料效率。篩分機最大振動加速度為4.5g，振動次數764r/min，雙振幅為10～14mm。

為降低裝篩料對長距離皮帶輸送機的整體影響，每臺振動篩分機均設置一段獨立的短途皮帶輸送機。土石方通過振動篩分機篩面落至短途皮帶輸送機，再運輸至長距離皮帶輸送機上。土石方振動篩分機如圖4所示。

圖4 土石方振動篩分機示意

表1 皮帶機輸送系統

6 皮帶輸送機長距離土石方運輸系統

土石方中轉場至機場碼頭約7.5km，且路線存在長直線段及部分轉折和彎曲路段，地形復雜，需綜合安裝、維保、造價、環保、節能和土石方運輸管理等因素，設計合理的長距離皮帶輸送機系統，優化整體輸送路線方案，確保外運系統技術可行、高效運作、經濟合理。

6.1 輸送機布置

本工程固定式皮帶輸送機沿路線進行布置，根據設備技術標準在路線行程轉彎處、超長直線線路中部、地形或建筑發生巨變處設置輸送機分段。單機路線不宜超過 3～4km，轉彎半徑<2 000m的弧形線路應在中部設置輸送機分段，且保持每段輸送機路線轉彎半徑<2 000m。

為確保分段輸送機間的轉載，前段輸送機頭架范圍逐漸爬坡，并與下段輸送機尾架形成高差，根據輸送帶性質、運輸土質(內摩擦角及黏聚力)與系統控制可靠性，限制爬坡角度與線路最大水平傾角≤13°。 在皮帶輸送機爬坡頂部設置自動逆止器，避免皮帶輸送機暫停或動力不足時皮帶反向運轉。

6.2 運輸系統構件選型

外運土石方中含有腐蝕性地下水，根據輸送帶長度、耐沖擊等性能選擇耐腐蝕的輸送帶材質，分段距離長或抗沖擊要求高的輸送機選用ST鋼絲繩芯輸送帶，中短分段距離或抗沖擊要求不高的輸送機選用EP輸送帶。

為保證輸送帶具有足夠張力，使皮帶輸送機正常運行，在每段皮帶輸送機機頭下設置拉緊裝置，根據分段長度與安裝高度選擇拉緊裝置類型，行程較短的輸送機采用螺旋拉緊方式，中長距離且高度不受限的輸送機采用重力式拉緊方式，高度受限或長距離輸送機采用液壓拉緊方式。

經綜合考慮，為滿足外運效率需求，皮帶輸送機設計運轉速率為3.15m/s，整體輸送帶寬1.2m，為確保裝篩料順利施工，起始段帶寬1.4m。

結合本工程特點，對皮帶輸送機中輸送帶的選型、拉緊形式及電機等主要組成構件進行優化選擇，如表1所示。

6.3 防跑偏技術

長距離輸送系統中，為避免土石方裝料不均勻和托輥轉動不靈等導致皮帶嚴重跑偏，每隔10組托輥設置1道上、下調心托輥組，以自動糾正皮帶方向，皮帶輸送機每隔20m設置1對輸送帶跑偏報警器，成對安裝于皮帶兩側，并與皮帶距離約5cm，跑偏開關帶地址編碼功能，可反饋相應位置至中控系統。

皮帶輸送機豎向凹弧段易過度松弛，造成運輸土石方灑落或輸送帶跑偏，通過在輸送帶兩側增設壓帶輪，每個凹弧段設置≥3組，保證輸送帶緊貼在托輥上。凸弧段易拋出土石方，應在凸弧下落段安裝導料槽或封閉護罩進行過渡調整。

6.4 安裝流程

長距離皮帶輸送機安裝流程如下：工廠加工構件→現場測量定位放點→輸送機基礎(含埋件)施工→安裝機架鋼結構與動力裝置(既有基礎上采用后置錨栓固定)→安裝中間架(既有基礎上采用后置錨栓固定)→安裝托輥支架→復核位置與尺寸→安裝托輥→測量復核→鋪設與連接輸送帶→安裝糾偏等配套裝置→校核→試車→運行。

6.5 安裝要點

1)通過測量定位放點，確定皮帶輸送機頭輪、尾輪的位置及基礎，再確定輸送機的中心線，以此為基準進行安裝。

2)按照中心線安裝輸送機架(桁架)與中間架，安裝后任意25m長度內的直線度應≤5mm。

3)托輥組主要承托輸送帶和物料，保證輸送帶垂度不超過限定值，托輥安裝質量關系全線輸送帶的運作。在中間架上安裝托輥支架和托輥時，待檢查尺寸偏差均符合要求后再擰緊安裝螺栓。托輥組的安裝要求如下：①在水平或傾斜地形上安裝托輥，輥子上部各表面均應位于同一平面、成排平行，輸送機凹弧段或凸弧段上的托輥應在同一半徑弧面上；②相鄰3組托輥輥子間的高差≤2.0mm，豎向波動幅度每100m不超過5mm；③當測量長度≤10m時，托輥軸線中心偏差分別不超過±5，±9mm。

4)現場使用硫化接頭連接輸送帶，連接接頭施工完成后檢測接頭強度，接頭強度不低于母體強度的90%。輸送帶連接后應保持平順，每10m的直線度應≤20mm。

7 皮帶輸送機卸土裝船施工

7.1 既有碼頭上的卸土輸送架安裝施工

為確保土石方裝船效率和單船裝土量，在既有碼頭上安裝懸臂鋼架至船泊點上方，土石方運輸至懸臂端頭后落入運土船。碼頭水位隨時變化，泥尾布料存在較大的安全風險，懸臂鋼架設計為俯仰式皮帶輸送機絞架形式，可隨時調節高度，避免機架與船體發生碰撞。

在既有碼頭上植入φ16化學錨栓并安裝錨板，再安裝A形改向繩輪塔架。在改向繩輪塔架向陸側安裝固定機架，向海側鉸接安裝可調機架，可調機架頭部伸出位置應略超出運土船中部。在背海側設置固定平臺，并安裝卷揚電機。拉索一端連接卷揚電機，另一端牽引可調機架頭部。通過控制卷揚電機繩索調整可調機架的俯仰角度，以調整至最佳落料點。在可調機架上安裝防墜拉桿以確保輸送機與運土船安全。俯仰式皮帶輸送機頭部安裝落料鋼制護罩，避免不同土質拋物線對土石方落料點的影響。卸土輸送架如圖5所示。

圖5 卸土輸送架

7.2 皮帶輸送機的土石方裝船施工

皮帶輸送機裝船前，首先調整俯仰式皮帶輸送機的可調機架傾角，確定頭部至船中位置的落料點后，開始卸土裝船。卸土裝船時通過調節機架傾角與前后移動運土船，使運土船的裝土量達到最佳效果。

卸土裝船時通過移動運土船達到前后分區、高度分層裝料的效果，避免集中裝料造成船體傾覆。

8 皮帶輸送機土石方運輸的綠色施工系統

皮帶輸送機外運土石方過程中易引起大量揚塵、渣土等，且由于輸送機為臨海布置，土石方運輸過程易受風雨天氣影響，為滿足需求，在輸送機分段處安裝封閉式料斗，并在全線輸送機上安裝防雨罩。

8.1 封閉式料斗

皮帶運輸機上的封閉式料斗結合其頭部構件與使用功能可進行二次設計，具體如下：①封閉料斗除進出料口位置外均為全封閉設置，整體材質主要為Q235鋼，可在土石方拋物線沖擊范圍內提高材質剛度；②土石方運輸時構件損耗較大，封閉料斗內應設置開關檢修口，及皮帶輸送機頭部清掃器更換與安裝孔洞等；③封閉式料斗的出料筒需滿足導料功能，采用螺栓連接方式，拆卸方便，可更換出料筒以適應不同工況下的物料輸送；④入料口設置防塵膠條，防止揚塵從入料口溢出。封閉式料斗如圖6所示。

圖6 封閉式料斗示意

封閉式料斗為工廠化加工，根據鋼架安裝圖，結合輸送機鋼架安裝料斗鋼梁，封閉式料斗在地面進行拼裝，并提前插入皮帶清掃器，安裝完皮帶輸送機后，再吊裝封閉式料斗至輸送機機架上，料斗上的鋼牛腿與鋼梁螺栓孔對準后安裝螺栓進行固定，最終焊接固定輸送機頭部的清掃器。

8.2 可收縮防雨裝置

輸送機上部整體采用彩鋼瓦防雨罩進行防護，在部分經常維保的范圍內安裝可收縮防雨裝置，以便于開展皮帶輸送機的維修工作。可收縮防雨罩由立柱與橫梁組成簡易鋼制框架，鋼制框架間通過銷軸連接調節支桿，在立柱底部設置滑輪、導槽形成可收縮移動的整體支架體系，防雨罩罩面采用柔性防水的韌性布料。維修使用時通過推動框架達到防雨罩開閉效果。皮帶式輸送機可收縮防雨罩如圖7所示。

圖7 可收縮防雨罩

8.3 多類型清掃器組合清理輸送帶

皮帶輸送機運輸土石方期間，土石方易粘附于輸送帶上，若不及時清理，附著的土石方易卷入機器部件中損壞機器，且污染周邊環境。因此，需在皮帶末端設置有效的清理裝置以保護機器。

為適應各類土質的清理，采用多類型清掃器結合方式，安裝要求如下：①H，P形清掃器分別安裝于頭部驅動滾筒中心水平線下5°切點和中心正下方5°切點位置(見圖8)；②硬質合金清掃器安裝于輸送帶回程段工作面下方，安裝多道于沖水裝置前后端；③V形清掃器安裝于輸送帶回程段非工作面上方，V字頭需指向輸送帶運行的反方向。

圖8 H形與P形清掃器安裝

H，P形清掃器作為輸送機的第1,2道清掃器，對輸送帶上附著黏土的清理作用十分關鍵。H，P形清掃器安裝時需調整橡膠刮刀與輸送帶面平行，清掃長度不低于帶寬90%，利用橡膠刮刀的彈性，施加接觸壓力100～150N，可保證在不損壞輸送帶前提下，滿足素填土、可塑狀黏土、可塑狀砂質黏土及可塑～軟塑狀淤泥的清理。

8.4 水循環皮帶清理裝置

輸送帶上部分附著的土石方需通過沖水清理，但易產生泥漿，污染周邊環境。水循環皮帶清理裝置中，在輸送機機架上焊接固定多噴頭的高壓沖水管與合金清掃器，高壓沖水方向與回程帶輸送帶夾角為45°～60°，可在高壓沖水位置前后端分別設置1道或多道合金清掃器(見圖9)。粘附在回程段輸送帶下的泥土通過前端合金清掃器進行初步刮除，利用高壓水進一步沖洗輸送帶和軟化泥土，最終利用后端合金清掃器刮除仍粘附在輸送帶上的泥漿與軟化泥土。通過封閉式集水漏斗匯集污水，引流至三級沉淀箱，經沉淀后的清水連通抽水泵與高壓泵后，形成閉合水回路，達到水循環作用。

圖9 水循環皮帶清理裝置

9 應用效果及效益分析

9.1 應用效果

臨海大體量土石方長距離皮帶輸送系統已在該項工程中獲得成功應用。多個出土點可同時采用泥頭車轉運至土石方中轉場，利用本系統輸送外運土石方至碼頭上船，并通過輸送機上的計量裝置與中控系統了解每日出土質量，根據地質勘察資料測算日均出土量最高可達10 000余m3，有效解決泥頭車土石方外運受限問題，保證土石方外運順利進行，降低對周邊及城市道路交通路況的依賴，降低泥頭車交通限制對工期的制約影響，為關鍵線路爭取93d工期。

9.2 效益分析

根據皮帶輸送機運輸土石方的使用情況，皮帶輸送系統比常規泥頭車外運單價低，在合理布置設計下，具有極高的創效潛能。目前共76萬m3土石方利用皮帶輸送機進行外運，采用電力驅動運輸的水電費用約8.4元/m3，綜合考慮船運費用、設備投入費用與其他運維費用后，約比泥頭車外運費用節省6 000萬元。

10 臨海大體量土石方長距離皮帶輸送系統特點

10.1 縮短運距

皮帶輸送機土石方外運系統可在非行車通道或場地，甚至在出土、棄土點間的直線距離上進行合理布置，因地制宜減少運輸距離。

10.2 土質適應性強

本系統對干性、砂質或松散土質尤為適用，通過對土石方裝篩料、長距離運輸、裝船和清理保養等系統組成進行研究與改良，可滿足大部分土質，甚至軟塑狀淤泥質土的外運需求。

10.3 綠色施工

該技術可大量減少城市道路上的遺土、揚塵、噪聲、汽車尾氣等污染，同時節約清洗水。

10.4 高效穩定

皮帶輸送機外運土石方對城市道路的依賴性低，運輸效率不受道路擁堵等路況制約，每日最高運輸方量可達萬余立方米。在封閉式皮帶運輸條件下，土石方運輸施工不受風雨天氣影響。

10.5 經濟合理

皮帶輸送系統的一次性投入高，達(400～600)萬元/km，故運輸線路和場地選擇需謹慎，必須通過多次優化與論證后才可實施。相比泥頭車運輸土石方長距離皮帶輸送系統極大降低外運單價，在均攤設備等一次投入后，本系統顯得尤為經濟適用。

11 結語

隨著城市對泥頭車的管制日益嚴格，大型土石方工程外運工作難以高效開展。深圳寶安國際機場衛星廳及配套工程創新提出并成功應用臨海大體量土石方長距離皮帶輸送系統及應用技術，不僅為工期履約打下基礎，也為臨海大體量土石方外運工程提出新思路。