連續(xù)皮帶機在深埋盾構隧道施工中的應用研究

呂勇方

（中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司，北京 101100）

0 引言

連續(xù)皮帶機具有運距長、運量大、速度快、污染小等特點[1]，國內主要應用在煤礦、大型露天礦山、散裝港口、TBM長距離隧道施工中。連續(xù)皮帶機是隧道開挖出渣的連續(xù)性物料運輸設備，可適應大坡度、實現(xiàn)不停機掘進，具有出渣速度快、施工效率高、操作維護簡單、無污染等優(yōu)點。在我國，皮帶運輸機最早運用于采礦業(yè)，2002年遼寧大伙房水庫輸水工程首次引進了連續(xù)皮帶機與配套出渣的皮帶機連續(xù)出渣系統(tǒng)[2]。我國對于這種連續(xù)出渣技術的研究起步較晚，設備和技術比較落后。

近年來，隨著連續(xù)皮帶機在采礦業(yè)和隧道施工中的廣泛應用，國內從各個方面對連續(xù)皮帶機做了大量研究。王可強[2]分析了連續(xù)皮帶機的皮帶特性，研究皮帶的張力分布形式，并使用仿真軟件RecurDyn進行仿真模擬。曾文宇[3]以神華新街煤礦斜井隧道工程為背景，研究了盾構法隧道施工配套連續(xù)皮帶機的關鍵技術，分析了驅動方案和糾偏方案，并計算出連續(xù)皮帶機最后的設計參數(shù)。

連續(xù)皮帶機的連續(xù)、穩(wěn)定工作是保證施工生產高效的關鍵因素[4]。本文以莫斯科地鐵第三換乘環(huán)線東段大直徑盾構項目為背景，針對該盾構隧道埋深大、坡度陡、轉彎半徑小的特點，提出盾構隧道出渣采用連續(xù)皮帶輸送系統(tǒng)，介紹該系統(tǒng)結構的基本組成，分析該系統(tǒng)在隧道施工時試運行出現(xiàn)的主要問題，并針對該深埋盾構隧道的特點提出解決方法以及盾構機出渣渣土改良方案，可為連續(xù)皮帶機在同類深埋盾構隧道施工的應用提供技術參考。

1 工程概況

莫斯科地鐵第三換乘環(huán)線東段大直徑盾構項目總長2.947km，區(qū)間隧道覆土深度11.9～23.4m，主要穿越地層為黏土層、砂質黏土層、砂層、富水細砂層。區(qū)間最小轉彎半徑400m，最大縱坡40‰。由于盾構隧道埋深大、坡度陡、隧道與車站結構同步施工，采用“塔吊+雙頭膠輪機車+連續(xù)皮帶機”的渣土輸送方式。

2 連續(xù)皮帶輸送系統(tǒng)的基本組成

該項目采用的連續(xù)皮帶輸送系統(tǒng)由橫移皮帶機、連續(xù)皮帶機、折返皮帶機、轉渣皮帶機四部分構成，如圖1所示。主驅動電機為2個200kW電機，井口段傾斜角度為12°，最大出碴能力為1200t/h。

圖1 連續(xù)皮帶出渣系統(tǒng)基本結構

橫移皮帶機將盾構機上皮帶機輸送的渣土橫移到連續(xù)皮帶機上，其帶寬為1000mm，主要由機架、皮帶、托輥、驅動裝置、張緊裝置、改向滾筒和卸料斗等組成。

連續(xù)皮帶機將隧道內的渣土連續(xù)輸送到井口，由驅動裝置、儲帶倉、張緊裝置、張緊移動架、硫化平臺、卸料裝置、托輥、托輥架、隧道支架、洞口抬升架、中間卸料裝置、人行通道、延伸裝置、車站支腿、輸送帶等組成。

折返皮帶機將連續(xù)皮帶機輸送的渣土折返到車站端頭，由驅動裝置、拉緊裝置、卸載裝置、托輥、托輥架、接料段、輸送帶等組成。

轉渣皮帶機將折返皮帶機輸送的渣土轉到車站側面的渣土坑，由驅動裝置、拉緊裝置、卸載裝置、托輥、托輥架、接料段、輸送帶等組成。

3 主要問題及防治措施

在連續(xù)皮帶輸送系統(tǒng)試運行期間，主要出現(xiàn)了以下問題：

1)皮帶跑偏。造成輸送帶跑偏現(xiàn)象的主要原因可以從初始安裝和運輸過程兩個角度考慮[5]。皮帶跑偏是最常出現(xiàn)的故障，主要有驅動滾筒或卸載滾筒處跑偏、改向滾筒處跑偏、中間皮帶架處跑偏等。調整方法依次是調節(jié)固定滾筒軸的絲桿螺栓、調節(jié)固定滾筒軸承座的螺栓、調節(jié)托輥角度，如圖2所示。

圖2 不同部位皮帶跑偏情況

以調節(jié)皮帶架上的皮帶跑偏為例。正常情況下托輥按水平擺放，與皮帶運動方向成垂直角度。若皮帶向左跑偏，想讓皮帶向右調整，需調節(jié)托輥與皮帶運動方向右側形成小夾角；反之，向相反的方向調整托輥。

在調偏時，先調整托輥角度，且需在跑偏的皮帶架之前的托輥處開始調整，根據(jù)皮帶跑偏距離選擇調整托輥的數(shù)量，這樣效果較好，節(jié)約工作時間。若調整托輥沒有達到調偏效果，可調節(jié)托輥支架，增大調整角度。若仍不見效，可調整皮帶支架水平度，讓皮帶支架朝需調整的方向傾斜。

此外，采用擋邊棍代替托輥，加裝在皮帶進入驅動滾筒、改向滾筒的前方，更可有效防止皮帶跑偏，如圖3所示。在現(xiàn)場改裝了多組擋邊棍，效果顯著，保障了皮帶在儲帶倉中的平穩(wěn)運行。

圖3 現(xiàn)場加裝的擋邊棍

2)濺泥、掉渣。渣土由螺旋機出土口排出后，經(jīng)過橫移皮帶機、隧道中間卸料裝置、折返皮帶、轉渣皮帶多次傳遞，在卸料斗處，因為高差，泥巴極易四濺。為保持隧道與設備的清潔，減少清理工作量，在每個卸料斗處針對性加裝了擋泥板、防塵簾，防止濺泥。皮帶跑偏時，會造成皮帶架上皮帶一邊高、一邊低，渣土容易從低的一側掉落，需及時調偏。在中間卸料裝置與主驅動滾筒處，因為渣土易堆積，針對性加大了接料斗。

3)卸料斗堵塞。盾構機在黏土地層中掘進時，經(jīng)常出現(xiàn)大土塊堵塞卸料口的情況，需停機人工清理疏通，快則15分鐘，慢則1-2小時，影響進度，見圖4。通過觀察與分析，卸料斗堵塞的主要原因如下：渣土太干，在卸料裝置處不易被皮帶帶走，造成堆積堵塞；卸料斗出口太小，出現(xiàn)大土塊時，卡在出土口，后續(xù)渣土無法通過，造成堵塞。

圖4 不同部位堵塞情況

針對以上問題采取如下措施：在卸料裝置處增加水管噴水，濕潤渣土、潤滑皮帶，提升渣土流動性；在斗壁上貼膠皮，減小渣土與斗壁的摩擦系數(shù)。有針對性地對折返皮帶驅動端、中間卸料裝置與橫移皮帶機的卸料斗進行改造、加大，改造前后的構造如圖5所示。

圖5 卸料斗堵塞問題處理

4)皮帶打滑。其間出現(xiàn)了折返皮帶打滑停機與主驅動滾筒驅動轉矩相差過大停機。折返皮帶運行一段時間后，下托輥沾上泥巴，皮帶運行速度減小，當運行速度與電機輸出速度相差大于0.5m/s并超過10s時，便會造成皮帶機停機。此外，為增加驅動滾筒與皮帶的摩擦力，滾筒上鑲嵌了一道道陶瓷片，下皮帶上的泥巴會殘留在陶瓷片間；當上驅動滾筒陶瓷片間積攢了泥，與皮帶間摩擦力會減?。ù蚧?，為保持皮帶轉速，驅動滾筒輸出轉矩會增大；當上下兩個驅動滾筒輸出轉矩相差超過30%時，系統(tǒng)會報錯，從而導致停機。

針對以上問題采取如下措施：拉緊皮帶，沖洗下托輥、滾筒。在上驅動滾筒與皮帶間增加一根固定沖洗水管，皮帶運行時自動沖洗滾筒；在隧道內中間卸料裝置底部皮帶處增加一條刮泥板，清除下皮帶的泥巴；當上驅動滾筒轉矩較正常情況下增加約20%時，人工沖洗一遍上下驅動滾筒。

4 盾構機出渣渣土的改良

卸料斗堵塞是黏土地層中影響連續(xù)皮帶機運行、造成施工生產停滯的最大因素。在增大皮帶機各卸料斗出口、增加大土塊通過率、完善連續(xù)皮帶機性能的同時，需積極改良渣土。通過限制掘進速度，調整掘進參數(shù)，保證渣土均勻、連續(xù)排出，避免堵塞掉渣，從而發(fā)揮連續(xù)皮帶機的最大性能。在皮帶機試運行期間，針對黏土地層與連續(xù)皮帶機結構特性，總結如下盾構機掘進參數(shù)和方法：

1)總推力控制在34000kN左右；速度控制在35mm/min以內；推進時刀盤轉速2.2r/min。

2)泡沫原液比例由2%調整為3%；泡沫注入量加到最大，同時打開土倉兩路注水閥。

3)停機前以3.0r/min轉速高速轉刀盤增加對土倉渣土的攪拌；停機拼管片時，多往土倉注水。

4)將刀盤中心兩路泡沫管改用兩個膨潤土泵分別注水。

5)合理使用分散型泡沫劑，增加渣土改良效果。

通過對卸料斗的改造、渣土的改良，有效根治了卸料斗堵塞現(xiàn)象，大大減少了盾構機停機時間，每個工班掘進環(huán)數(shù)由開始的2-3環(huán)增加至4-5環(huán)，提升了施工生產效率。

5 結論

連續(xù)皮帶輸送系統(tǒng)是國產連續(xù)皮帶機在莫斯科地鐵大直徑盾構隧道施工中的首次運用。結合施工現(xiàn)場工況，針對皮帶機皮帶跑偏、濺泥、掉渣、卸料斗堵塞以及皮帶打滑等問題進行分析，有效提高了連續(xù)皮帶機運行的穩(wěn)定性；通過調整盾構機掘進參數(shù)、渣土改良劑的參數(shù)及卸料裝置、泡沫管、膨潤土泵等輔助設備的施工工藝，整體提升了施工生產效率和經(jīng)濟效益。