裙邊皮帶在富水硬巖盾構掘進中的應用

曹麥林，馮曉偉，惠鵬飛，王春強

（中鐵七局集團西安鐵路工程有限公司，陜西 西安 710000）

大連某地鐵項目區(qū)間右線全長812.009m，左線全長795.787m，區(qū)間采用盾構法施工。本項目盾構掘進圍巖屬于富水、硬巖、大下坡段，在盾構掘進中，由于渣土含水量大，皮帶坡度大，造成排渣困難，使盾構掘進效率下降，成本增加。本項目采用多種措施比較并經(jīng)過實際效果檢驗，使用改良運輸方法即采用裙邊皮帶運輸方法效果最佳，裙邊皮帶的輔助排渣效果良好，加快了盾構掘進速度，減少了盾構刀具損耗及其他輔材消耗，使得盾構施工整體工效提高。

1 工程概況

區(qū)間隧道范圍內(nèi)主要巖層為中風化石灰?guī)r，盾構穿越的地層巖性變化較小，巖體較完整，巖體基本質(zhì)量等級Ⅲ～Ⅳ級，屬較硬巖。地下水類型為第四系松散的孔隙水和巖溶水，地下水埋深0.5～19.0m。孔隙水主要賦存在素填土和雜填土層中，滲透性各項差異大，貫通性好，水量中等。巖溶水主要賦存于強、中風化石灰?guī)r層溶蝕裂隙及溶洞中，溶洞連通性強，儲水性強，巖溶水賦存量較大，徑流條件較好，水量豐富～極豐富，由于巖溶溶蝕裂隙的不規(guī)則性，形成脈狀巖溶水，局部可呈現(xiàn)承壓性。

隧道平面左右線轉(zhuǎn)彎半徑分別為320m 和350m，單向縱坡，坡率 28‰和21‰兩種。

2 現(xiàn)場施工存在的問題

總體施工順序為先左線、后右線。在左線施工過程中，盾構掘進至260 環(huán)時，進入全斷面硬巖，基巖裂隙發(fā)育，地下水豐富，推進速度緩慢。該區(qū)段盾構掘進過程中，左線未加裝裙邊皮帶時，排出的渣土在螺旋機口附近的皮帶上打轉(zhuǎn)、掉落，排渣能力減弱，無法正常帶走排出的渣土。通過統(tǒng)計左線360～550 環(huán)的推進數(shù)據(jù)，平均每環(huán)推進時間約12h，總推力18 000T 左右，刀盤轉(zhuǎn)速1.8～2.5r/min，推進速度為0～6mm/min，倉內(nèi)左上土壓為0.7～1.2bar，螺機轉(zhuǎn)速最大為0.5r/min 左右，環(huán)出渣量6 車（18m3渣斗車），期間清理刀盤泥餅3 次，更換刀具60 把，盾尾油脂用量1 環(huán)/桶。

綜合以上盾構推進數(shù)據(jù)分析得知，出渣效率低導致推進速度緩慢，同時刀盤工作時間長，刀具損壞嚴重，需頻繁更換刀具，各種耗材消耗嚴重，導致施工成本顯著增加。

3 原因分析

1）在富水、硬巖、大下坡區(qū)段盾構掘進時，隧道縱坡和盾構機皮帶輸送機縱坡坡度疊加，導致皮帶帶渣爬坡坡度更大，在排渣過程中，經(jīng)常出現(xiàn)排出的渣土在螺旋機口附近的皮帶上打轉(zhuǎn)、掉落，排渣能力減弱，無法正常帶走排出的渣土。

2）由于地下水補給及時，為了減少排渣過程中盾尾的掉渣量，縮短人工清渣時間，排渣過程中未能及時轉(zhuǎn)動螺旋機，有效排渣，只是在開關螺旋機閘門，靠倉內(nèi)水壓帶出少部分渣土。

3）土倉內(nèi)渣土未及時排出，在推進過程中，將倉內(nèi)石渣與掌子面、刀盤等進行持續(xù)性摩擦，導致倉內(nèi)渣溫持續(xù)升高，經(jīng)現(xiàn)場測量渣溫最高達到60℃左右，造成刀盤出現(xiàn)結泥餅現(xiàn)象，從而造成刀具磨損嚴重，更換刀具頻繁。

4）在推進過程中土倉內(nèi)渣土未及時排除，導致土倉壓力增大，部分推力被土倉壓力抵消，傳遞到掌子面的推力不足。

4 處治措施

4.1 渣土改良

經(jīng)過研究分析，針對盾構皮帶機排渣不暢，導致倉內(nèi)渣土未能及時排出，造成的一系列問題，現(xiàn)場研究進行渣土改良，改善倉內(nèi)渣土的和易性，便于皮帶輸送機有效排渣，現(xiàn)場分別采用膨潤土和高分子聚合物（聚丙烯酰胺）進行渣土改良，經(jīng)過現(xiàn)場嘗試，由于地下水補給量大，利用膨潤土和高分子聚合物進行渣土改良有一定的效果，但未能徹底解決排渣困難問題。

4.2 裙邊皮帶的應用

針對盾構排渣困難、掘進緩慢的實際情況，結合通過渣土改良來改善皮帶輸送機的排渣效果分析，借鑒其他工程攪拌站大傾角皮帶上料機相關成熟案例，決定采取最直接的方法，在盾構原有皮帶上方增加一條裙邊皮帶，在根本上解決皮帶輸送渣土問題。

采用裙邊皮帶運輸方法，效果好且具有較好的操作性。先在現(xiàn)場對各種尺寸測量及校核，再對裙邊皮帶的各種參數(shù)進行市場調(diào)查，最終確定裙邊皮帶加隔板改造后，爬坡運輸能力顯著增強，可攜帶各種類型的物料，具有大傾角提升物料適應性強、經(jīng)濟性好、出渣效率高等特點。

裙邊皮帶采用8mm 厚裙邊擋板輸送帶，總長度15m，寬度500mm，裙邊高60mm，擋板高50mm；皮帶驅(qū)動采用11kW 變頻電機配合減速比為1∶5 的減速機帶動主動輪工作，主動輪直徑250mm，長度650mm；從動輪采用直徑100mm橡膠輥，長度為600mm；托輥采用直徑70mm 鐵質(zhì)托輥和導向輥；皮帶控制裝置采用變頻器接入盾構PLC 控制系統(tǒng)，將控制系統(tǒng)接入盾構機操作室，由盾構司機進行統(tǒng)一控制，確保構推進過程中各系統(tǒng)有效匹配使用。

裙邊皮帶可采用一次加工成型無接頭的整條皮帶，亦可采用加工成型皮帶，現(xiàn)場根據(jù)需要長度進行搭接鉚釘接頭。安裝時先固定螺機出渣口的皮帶從動輪，再裝入皮帶，然后固定另一端的皮帶主動輪，主動輪與從動輪中間采用焊接安裝托輥進行加固，調(diào)整皮帶高度和平整度，在皮帶兩側(cè)焊接安裝導向托輥，保證皮帶轉(zhuǎn)動過程中不跑偏，通過對托輥的調(diào)節(jié)可使裙邊皮帶適應曲線掘進的要求。通過皮帶兩端的拉緊裝置可以調(diào)整皮帶的松緊。

5 使用效果

通過對左線施工技術總結，右線安裝裙邊皮帶后，裙邊皮帶輔助盾構原裝皮帶帶渣爬坡，排渣順暢。經(jīng)統(tǒng)計分析右線360～550 環(huán)掘進數(shù)據(jù)，加裝裙邊皮帶后，在總推力和刀盤轉(zhuǎn)速相同的情況下，平均每環(huán)推進時間約2h，推進速度為10～20mm/min，倉內(nèi)左上土壓為0～0.5bar，螺機平均轉(zhuǎn)速為1.5～3.5r/min，環(huán)出渣量3～4 車（18m3渣斗車），期間清理刀盤泥餅1 次，更換刀具42 把，盾尾油脂用量4 環(huán)/桶，推進速度明顯加快，右線較左線提高功效31%。

綜上所述，通過裙邊皮帶安裝，在富水、硬巖、大下坡工況下掘進，能有效提高施工效率，減少或規(guī)避了由于出渣問題導致的其他次生影響，提高了工效，縮短了工期，能夠從安全、質(zhì)量、文明施工等多個方面對項目施工起到積極的作用，可以在相似地質(zhì)和施工環(huán)境下的工程中推廣使用。O