香爐山隧道 25 km 長距離連續帶式輸送機設計

曹彥斌，趙飛云，于春麗

香 爐山隧道地處滇西高原，位于云南省大理州鶴慶縣松桂鎮，距離中緬邊界約 140 km，海拔為 2 100 m。從洞口經 1.6 km 支洞到達主隧洞，與主隧洞連成一體，總長為 25 km。用帶式輸送機平面轉彎技術在主隧洞和支洞線路上設 1 臺 25 km 超長距離連續輸送機，用于輸送渣土，避免了轉載點的漏渣、掉渣。隧道斷面為φ9 800 mm，全斷面 TBM 最小掘進速度不低于 30 mm/min，最大掘進速度可達 120 mm/min，年掘進量 5～8 km，4～5 a 可貫穿該隧道。

1 帶式輸送機總體布置

帶式輸送機主要技術參數如表 1 所列。為降低輸送帶張力，該帶式輸送機采用多點驅動方式，頭部 2套，中部 7 套，尾部 1 套，共 10 套 315 kW 變頻軟啟動驅動裝置，帶式輸送機的布置簡圖如圖 1 所示。

表1 帶式輸送機主要技術參數

圖1 帶式輸送機布置簡圖

2 主體構造設計

2.1 軟啟制動設計

為減少長距離帶式輸送機啟動、停機產生的動態效應，降低其動態張力，采用變頻調速軟啟制動裝置，加減速度控制在a≤0.05 m/s2。

2.2 設備各段結構

2.2.1 頭部段

頭部段包括卸載改向滾筒、卸載溜槽、高分子刮板清掃器、高壓水沖洗裝置。由于物料水分大且含泥多，用高分子刮板清掃器無法清掃干凈，故頭部設高壓水沖洗裝置，將沖洗的泥水及渣土通過溜槽收集裝運到下游設備處理，如圖 2 所示。

圖2 頭部段

2.2.2 儲帶裝置

硫化平臺后方設有儲帶裝置，可儲存長 800 m 的輸送帶，在儲帶倉的固定端和移動端各設 5 組改向滾筒，將輸送帶來回折返 10 層，中間設若干組托帶裝置，保證儲帶倉內輸送帶的垂度，如圖 3 所示。儲帶裝置長度為 120 m，高度為 3.5 m，寬度為 2.4 m。采用變頻絞車張緊裝置，移動端在張緊力的作用下可沿軌道來回移動，實現輸送帶的存儲和延伸。

圖3 儲帶裝置

2.2.3 支洞段

支洞采用爆破法施工，隧洞斷面如圖 4 所示。支洞斷面尺寸較大，適合在支洞洞口設置儲帶裝置，既便于維護設備，又充分利用有效空間。支洞與主隧道成一定角度，該段為平面轉彎結構。

圖4 支洞斷面圖

2.2.4 主隧道段

主隧道段中部機架采用方管，每組長為 4 000 mm，兩端用鋼板套接，用螺栓固定；縱梁安裝在側墻上，由三角架支撐，三角架支撐間距為 4 000 mm；上托輥采用槽形前傾托輥，間距為 2 000 mm，下托輥采用 V 形前傾托輥，間距為 4 000 mm，托輥直徑為108 mm，形成 4 000 mm 的中部安裝單元，如圖 5 所示。

圖5 主隧道斷面圖

2.2.5 中部驅動段

由于帶式輸送機長度為 25 km，運行阻力大，為減少輸送帶張力，帶式輸送機應采用多點驅動，如圖6 所示。帶式輸送機共設 3 處中部驅動裝置[1]，可有效降低輸送帶張力，降低設備投資成本。

圖6 中部驅動結構圖

2.2.6 機架和托輥安裝延伸段

該帶式輸送機的延伸段設在 TBM 后部，延伸段的上托輥組及其支撐架將上輸送帶帶面適當抬高，下輸送帶帶面由 4 組改向滾筒導入轉向下穿延伸操作平臺，如圖 7 所示。在該平臺上安裝延伸縱梁和上托輥，延伸縱梁下托輥和支腿安裝在左側的小平臺上。

圖7 機架和托輥安裝延伸段結構

2.2.7 尾部段

尾部段固定在 TBM 臺車上，與臺車同步掘進移動，承接 TBM 配套的帶式輸送機的來料。尾部段由尾部滾筒、尾部支架、尾部驅動裝置、緩沖床和導料裝置等組成，如圖 8 所示。尾部段結構緊湊，防止與隧道內行駛的電瓶機車干涉，接料導料槽的密封性能良好，可防止泥漿形物料溢出。

圖8 尾部段結構

2.2.8 平面轉彎結構

隧道線路有多處曲線段，故曲線段的輸送機應設計為平面轉彎結構。鑒于該帶式輸送機的隧道壁支架結構不便于人工調整，采用一種可自動調整內曲線的轉彎托輥，如圖 9 所示。當輸送帶向曲線內側跑偏時，內側輸送帶接觸并推動擋輥帶動內側托輥自動抬高，形成內曲線抬高，從而使輸送帶復位[2]。

圖9 平面轉彎結構

2.2.9 輸送帶延伸平臺

輸送帶延伸平臺由硫化平臺 (2 組)、夾帶裝置 (2組)、硫化機 (2 組)、疊帶車或卷帶車等組成，如圖 10所示。待儲帶倉內輸送帶延伸使用完畢，夾帶裝置將輸送帶固定，在硫化平臺處截斷輸送帶，將疊放或卷放好的輸送帶 (接頭外露) 推至 2 組硫化平臺間，在平臺上同時硫化好 2 個輸送帶接頭，啟動儲帶張緊裝置，將疊放或卷放好的輸送帶慢慢儲入儲帶倉。

圖10 輸送帶延伸段布置

3 電氣控制系統

控制系統具有遠程控制和就地控制 2 種模式。

3.1 遠程控制模式

轉換按鈕選擇遠程位置時，輸送機控制權限處于 TBM 控制室觸摸屏按鈕控制狀態，所有保護均投入。控制系統連鎖按鈕選擇連鎖狀態時，按下“啟動系統”按鈕，輸送系統按照逆料流方向依次啟動每臺輸送機。按下“停止系統”按鈕，控制系統根據當前輸送機的帶速，自動清空輸送機上的物料，順料流方向依次停止每臺輸送機。

3.2 就地控制模式

轉換按鈕選擇就地位置時，輸送機控制權限處于控制柜面板按鈕控制狀態，所有保護均投入。該模式適用于帶式輸送機調試和低速驗帶。

3.3 故障復位

控制柜面板故障復位按鈕與觸摸屏上故障復位按鈕具有相同的功能，現場設備故障排除后，按下故障復位按鈕方可解除故障鎖定。

連續輸送機采用多點驅動方式，若某臺電動機出現故障但不影響輸送系統正常運行，將該故障電動機視為未投入即可。

3.4 輸送機輔助設備啟動流程

首先啟動帶式輸送機沿線聲光報警器、音響報警器 (持續 15 s)，10 s 后啟動變頻電動機風扇 (防止電動機受潮)，控制分站收到變頻電動機風扇運行信號后，啟動變頻器，利用變頻器零赫茲制動功能將輸送機“抱死”(電動機與變頻器組成速度閉環，提高電動機機械特性)，以防制動器松閘時帶式輸送機自行下滑。控制分站接收到變頻器運行信號后，啟動制動器，制動器打開后，變頻器按照控制分站給定的優化S 型速度曲線輸出頻率，帶式輸送機平穩啟動。帶式輸送機運行速度達到給定速度時，控制分站控制柜上系統運行指示燈亮起，系統啟動完成。

在輸送機啟動過程中，各個附屬設備運行指示燈按照啟動順序依次亮起，以便操作員觀察輸送機的啟動進程。

4 結語

該設備已安全運行 6 個月，運行狀況良好，配套 TBM 掘進機單班可掘進 15.8 m，平均單日掘進28.5 m，單日最大掘進距離達 38.5 m，連續輸送渣土效率得以充分體現。隨著隧道長度的延伸，相對于傳統的隧道輸渣設備 (如電瓶車牽引有軌運輸系統、架線式電力機車有軌運輸系統、大型自卸汽車運輸系統、內燃機有軌運輸系統等)，該設備隧道輸送渣土效率更具優勢[3]。若不采用長距離連續帶式輸送機運輸渣土，則該項目的施工周期得延長至 8 a 以上，至少還得增加 2～ 3 個支洞工程，施工周期和施工成本會顯著增加。近幾年，國內幾個重大水利工程，如山西引黃、引漢濟渭、引綽濟遼、榕江引水、珠江引水等隧道工程均采用長距離連續帶式輸送機運輸隧道渣土，且均取得了較好的效果。