車站施工皮帶機垂直提升出渣技術(shù)研究

張彬彬

(中鐵十二局集團第二工程有限公司 山西太原 030000)

隧道施工研究中，任吉濤等人[1]指出連續(xù)皮帶機用于運送TBM掘進產(chǎn)生的棄渣，能夠保證掘進施工的連續(xù)性。同樣在車站施工過程中，前期土方工程是影響施工進度的重要因素之一，而出渣效率顯得尤為重要，尤其是在深度較大的大型車站施工，多段垂直皮帶機垂直提升出渣既解決了傳統(tǒng)伸縮臂挖掘機出渣效率低的缺點，還釋放了站外空間，使得站外道路得到優(yōu)化，緩解了地面出渣車擁堵現(xiàn)象。王逢松等人[2]指出帶式輸送機具有出渣效率高、運行安全的特點。皮帶輸送機在國內(nèi)隧道施工較為常見，普遍代替了早期低效的出渣車，呂勇方[3]指出連續(xù)皮帶機出土技術(shù)在深埋盾構(gòu)隧道施工中的應(yīng)用，改善了傳統(tǒng)出渣運輸方式的不足。但垂直皮帶機在車站施工中作為出渣工具在國內(nèi)少有耳聞，解決了普通運輸機所不能達(dá)到的輸送高度。油新華等人[4]指出與國際相比，我國是地下空間開發(fā)利用需求與規(guī)模最大的國家，處于地下空間開發(fā)利用迅速發(fā)展階段，隨著車站項目的激增，越來越多專業(yè)人士將如何快速開挖、出渣的重心放到了優(yōu)化施工組織設(shè)計、適當(dāng)調(diào)整施工工序、尋求高效的機械、力求做到快速開挖、迅速出渣，忽略了出渣工藝本身是影響開挖出渣的決定性因素之一。孫亞婷等人指出由于皮帶機連續(xù)輸送方式具有輸送能力大、速度快、承載能力強等特點，只要提高裝碴能力，就可快速完成出碴作業(yè)、提高工效。安宏斌等人[5]指出在促進工程進度、縮短工期方面，連續(xù)皮帶機體現(xiàn)出經(jīng)濟適用性強，性價比高。多段垂直皮帶機出渣與傳統(tǒng)機械出渣相比優(yōu)點鮮明，在復(fù)雜的多層鋼圍檁或混凝土支撐形成較小的空間內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)作業(yè)、集中化控制，且運行平穩(wěn)可靠從而在保證高效的前提下取得良好的綜合經(jīng)濟效益。

該文以以色列特拉維夫卡里巴赫車站（Carlebach）項目施工為例，對多段垂直皮帶機垂直提升出渣技術(shù)應(yīng)用在車站施工中的適用性、可行性，以及優(yōu)越性進行了討論。

1 工程概況

卡利巴車站位于Menachem Begin 街下，是以色列目前規(guī)劃中最大、最復(fù)雜的紅線、綠線換乘車站，北接紅線yehudit 車站，南至Allenby 車站，南端豎井預(yù)留盾構(gòu)吊出豎井。該站為三層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主體建筑結(jié)構(gòu)外圍總長294 m（南端豎井29 m，車站200 m，交叉口65 m)，寬25 m，深30 m 左右。采用明挖法施工為主，其中地下通道采用蓋挖逆作法施工。卡里巴赫車站平面圖如圖1所示。

圖1 卡里巴赫車站平面圖

卡里巴赫車站土質(zhì)主要為庫卡（Kukar）中的K1和K2，伴有黃色細(xì)沙。Kukar 指以色列特有的鈣化的砂巖，一種少部分膠結(jié)的顆粒土。

2 皮帶機應(yīng)用

2.1 皮帶輸送機的基本組成

該項目使用的是多段皮帶機傳輸系統(tǒng)，由進料斗、3臺垂直輸送機、2個支撐平臺、振動篩分器、皮帶傳輸帶共同組成，各個部分均由不同組件組裝結(jié)合而成形成整個皮帶運輸體系完成車站項目出渣作業(yè)。

（1）進料斗主要由料斗、預(yù)篩網(wǎng)、和帶式給料機組成，位于車站土方開挖面，裝載機等將渣土倒入進料斗經(jīng)其篩分過濾掉大粒徑渣土或庫卡砂石，由帶式給料機將剩余渣土移運至皮帶機。帶式給料機主要由機架、皮帶、電子調(diào)節(jié)設(shè)備（通過電子變頻器控制變速驅(qū)動調(diào)節(jié)給料機流量）、托輥、驅(qū)動裝置、張緊裝置組成，冉建西等人[6]指出驅(qū)動轉(zhuǎn)速是反映連續(xù)皮帶機出渣速度的重要指標(biāo)。

（2）垂直皮帶機。垂直皮帶機主要由槽型帶式皮帶、滾筒、支架、檢修平臺、進料口、出料口組成，具體參數(shù)如表1所示。

表1 垂直皮帶機參數(shù)

（3）支撐平臺主要由熱軋鋼型材、防滑地板和護欄構(gòu)成，通過焊接固定在現(xiàn)有鋼支撐和鋼圍檁之間的支柱上。

（4）振動篩分器如圖2 所示，主要由金屬網(wǎng)、支撐結(jié)構(gòu)、移動分配箱、細(xì)料斗、350 mm×300 mm 通道、內(nèi)襯組成。移動分配器由6 mm寬的S-235-JR結(jié)構(gòu)鋼制成，用于收集振動篩每層的材料，并將其分配到出口管道。

圖2 振動篩分器

細(xì)料斗的作用為收集通過金屬篩網(wǎng)下層的材料，由5 mm寬的熱型鋼板制成，擰到平臺上。

（5）皮帶傳輸機由皮帶、電動滾筒、尾部托輥、防夾托輥、承載托輥、張緊裝置、沖擊桿、兩條首部刮刀、一條尾部刮刀組成。

2.2 皮帶機的安裝

（1）站土方的開挖伴隨著皮帶機系統(tǒng)與鋼支撐的安裝，前期開挖工作難度較小，在場地交通允許的情況下采用大量的機械作業(yè)，并合理安排出渣自卸式卡車，以滿足計劃工期。皮帶機安裝效果圖如圖3所示。

圖3 車站斷面圖和皮帶機安裝效果圖

（2）N1-N3 階段將使用大中型挖掘機例如伸縮臂挖掘機進行出渣，由出渣車運走，如圖4 所示，當(dāng)車站內(nèi)土方開挖至第二層鋼支撐N2 標(biāo)高，即+15.55 時，在第一部分垂直皮帶機底部安裝位置施作混凝土臨時支撐板，沿鋼支撐方向長5.5 m，寬2.37 m，厚度0.4 m；混凝土板達(dá)到強度后安裝第一部分垂直皮帶機，將平臺支撐架通過螺栓和焊接固定到鋼支撐和鋼圍檁，兩個鋼支撐距離5 m，并安裝好走道板支架、檢修梯等附屬設(shè)施，如圖5所示。

圖4 伸縮臂挖掘機出渣

圖5 皮帶機安裝

（3）繼續(xù)開挖至N3標(biāo)高即+9.40，兩根鋼支撐寬度范圍內(nèi)向下放坡開挖至標(biāo)高+4.731，施作混凝土臨時支撐板，板面標(biāo)高+5.131，如圖6所示，安裝第二部分垂直皮帶機如圖7 所示，將皮帶機通過豎向鋼結(jié)構(gòu)通過焊接、螺栓固定，并安裝帶式給料機和篩分過濾網(wǎng)，調(diào)試后投入使用，通過調(diào)節(jié)給料機的傾斜角度來實現(xiàn)不同深度開挖面的渣土由給料機運輸至垂直皮帶機入口端。

圖6 開挖斷面圖

圖7 皮帶機安裝側(cè)面圖

（4）N3～N4階段將使用普通挖掘機進行土方開挖，有限區(qū)域內(nèi)伴有如山貓、小型挖掘機的配合使用，渣土由已安裝好的第一、第二部分垂直皮帶機輸送至現(xiàn)有道路層，根據(jù)現(xiàn)場實時渣土土質(zhì)的實際情況選擇，在道路層加裝篩分器和皮帶傳輸機，旨在將庫卡中的細(xì)砂和顆粒分類堆放，如圖8所示。

圖8 車站分類出渣

（5）N4至車站底板底標(biāo)高的土方由三部分垂直皮帶機輸送，車站內(nèi)土方開挖至第四層鋼支撐N4 標(biāo)高，即+1.30 時，同上安裝第三部分垂直皮帶機，如圖9 所示，重新放置帶式給料機，直至出渣結(jié)束。

圖9 皮帶機作業(yè)

3 皮帶機輔助措施

3.1 擋渣版和下料斗

在垂直皮帶機運行過程中，為防止渣土上升過程中掉落，在垂直皮帶機背部安裝擋渣板，可以采用安放木板或現(xiàn)場加工5 mm 厚鐵板并焊接在渣土掉落軌跡上的鋼圍檁或者鋼支撐上；另外，采取在垂直皮帶機各個出料口位置加裝橡膠下料口以防止渣土下落過程中飛濺，具體見圖10。

圖10 擋渣板和下料斗

3.2 清洗機

清洗機放置在垂直皮帶機底部，根據(jù)車站出渣時皮帶槽內(nèi)渣土的粘連情況制定沖洗計劃表，平均沖洗頻率為每天一次，不僅避免了皮帶機電機超負(fù)荷作業(yè)、減少了非必要的保養(yǎng)次數(shù)、增加了皮帶機的使用壽命，還提高了皮帶機出渣效率，一定意義上縮短了土方工程的工期。

4 垂直皮帶機出渣技術(shù)分析

國內(nèi)車站傳統(tǒng)的出渣方式大多為裝載機、伸縮臂挖掘機，隨著開挖出渣深度的增加，傳統(tǒng)的機械設(shè)備出渣會暴露出多種問題，出渣效率低、安全穩(wěn)定性降低、出渣區(qū)域內(nèi)不可進行交叉作業(yè)等弊端突顯，以卡里巴赫車站為背景闡述皮帶機出渣的連續(xù)性、高效性、安全性和經(jīng)濟環(huán)保性。

4.1 皮帶機出渣連續(xù)性

垂直皮帶機出渣可以實現(xiàn)24 h 連續(xù)作業(yè)，設(shè)備故障率較低，不受人為因素影響，且隨著開挖面深度的增加依然保持良好的工作性，卡里巴赫車站皮帶機最長連續(xù)工作時間達(dá)到16 d，真正實現(xiàn)了連續(xù)出渣。

4.2 皮帶機出渣高效性

卡里巴赫車站土方工程前期由于施工作業(yè)面較淺，大量的機械設(shè)備如裝載機、挖掘機聯(lián)合作業(yè)出渣效率達(dá)到600 m3/d，但受限制因素較多，如場地作業(yè)空間限制、交叉作業(yè)等，使得成本激增但經(jīng)濟效益較低，當(dāng)開挖出渣作業(yè)面距地面深度大于16 m時，挖掘機出渣效率只有350 m3/d，且隨著深度的增加呈急劇降低狀態(tài)，反之垂直皮帶機的出渣效率達(dá)到450 m3/d，且隨出渣深度的增加出渣效率基本保持穩(wěn)定，具體見圖11。

圖11 出渣對比分析

車站站體、交叉口土方開挖計劃工期為20 個月，總土方量約為240 000 m3，月平均出渣量為12 000 m3。我方車站管理團隊在車站土方工程實際施工中發(fā)現(xiàn)采取傳統(tǒng)的機械設(shè)備出渣在土方工程后半段的施工效率將會大打折扣，遠(yuǎn)低于預(yù)期出渣效率，實際需要的土方工程總工期達(dá)到24個月，超出計劃工期4個月，從而決定從西班牙公司Miningland 引進垂直皮帶機，使出渣效果得到顯著提升，最后卡里巴赫車站土方工程較計劃工期提前一個月，為后續(xù)分部工程奠定了基礎(chǔ)。

4.3 安全穩(wěn)定性與經(jīng)濟環(huán)保性

車站施工中，垂直皮帶機出渣與傳統(tǒng)機械出渣技術(shù)相比，皮帶機能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)出渣，并且受空間限制程度較小，整個出渣過程中速度適中、運行平穩(wěn)，垂直皮帶機位置相對穩(wěn)定不必頻繁更換位置，底部挖掘機械保證持續(xù)有渣土供應(yīng)至喂料機上即可實現(xiàn)其出渣連續(xù)性。垂直皮帶機可以重復(fù)使用，在保證功效的基礎(chǔ)上節(jié)約了項目開支，避免了高峰期多臺機械受空間、人員等因素影響無法平行作業(yè)而導(dǎo)致機械租賃費、進場費、退場費、運輸費。同時，皮垂直帶機作業(yè)為電機驅(qū)動，與傳統(tǒng)機械作業(yè)相比沒有尾氣排放、柴油機油泄漏等情況，環(huán)保性較高。

5 結(jié)語

（1）垂直皮帶機出渣技術(shù)是皮帶機垂直提升出渣技術(shù)在以色列車站施工中的首次應(yīng)用，在車站施工中能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)平穩(wěn)出渣，能夠釋放地面空間，有利于地面交通的疏導(dǎo)以及其他工序的提前規(guī)劃以及進行，垂直皮帶機系統(tǒng)完備，機械化程度高，運行流暢度好，且車站深度越大，垂直皮帶機出渣更能體現(xiàn)出高效性、連續(xù)性等優(yōu)勢，真正意義上實現(xiàn)了高效低耗。

（2）在深度大的車站施工中，隨著開挖面的加深，垂直皮帶機出渣技術(shù)體現(xiàn)了較強的經(jīng)濟性，性價比高，與傳統(tǒng)出渣技術(shù)相比，在加快施工進度的前提下能夠有效地控制成本。

（3）垂直皮帶機具有環(huán)保性，響應(yīng)了國家綠色文明施工的號召，向文明施工走近了一大步。