敞開式TBM長距離連續皮帶機轉彎技術研究與應用

摘 要：敞開式TBM掘進施工隧洞中多采用連續皮帶機方式出渣，連續皮帶機運行穩定，出渣效率高，然而連續皮帶機運行過程中皮帶跑偏現象時常發生。皮帶跑偏輕則出現洞渣料灑落、皮帶邊緣磨損、劃破現象，重則造成皮帶翻帶、掉落、甚至撕裂斷帶等事故。而糾偏裝置能主動進行糾偏，尤其在轉彎洞段使用顯著效果，能有效解決皮帶跑偏、翻帶、掉落的難題。

關鍵詞：連續皮帶機；TBM轉彎洞段；糾偏裝置

中圖分類號：TV672" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " "文章編號：2096-6903（2023）09-0034-03

0 引言

新疆某引水工程隧洞全長38.253 km，TBM開挖洞徑7.03 m，采用連續皮帶機和固定皮帶機方式進行出渣。其中上游TBM和下游TBM共用一條支洞皮帶機出渣至洞外，洞外設轉載皮帶機，由20 t自卸汽車接料運至棄渣場。其中下游掘進施工段樁號173+618～193+253長度19.635 km，中間設計一段轉彎段施工，轉彎段施工樁號181+193.883～181+741.339，長度547.5 m，轉彎半徑1 000 m，轉彎角度31.367°，轉彎段平面示意如圖1所示。

1 TBM連續皮帶機設計

本工程中采用的連續皮帶機系統[1]主要由驅動裝置、皮帶儲存倉、機架、皮帶機移動尾部、皮帶、控制裝置、張緊裝置、硫化臺、緊急拉線開關等組成。連續皮帶機采用頭部加中間驅動的驅動方式，采用PLC控制，變頻驅動，頭部驅動加中間驅動的方式，中間驅動位于距離頭部10.9 km和18.9 km處，總功率2 205 kW。連續皮帶機、支洞皮帶機、隧洞掘進機相互之間具有連鎖和互鎖邏輯控制，防止誤操作，技術參數見表1。配備完整的皮帶機保護系統，監控皮帶機速度、跑偏、撕裂、轉矩、張力、行程等關鍵參數，以對皮帶機狀態的有效監控。

1.1 連續皮帶機水平皮帶存儲倉與張緊裝置

儲帶倉在連續皮帶機[2]運轉過程中能起到雙重作用：第一個作用是隨著皮帶機尾部跟隨TBM掘進延伸時供給皮帶，第二個作用是在皮帶機啟動或出現大載荷時提供緩沖張緊力。

儲帶倉采用框架式結構，可以存儲10層皮帶，儲帶長度600 m，TBM每掘進300 m需進行連續皮帶硫化。足夠長的儲帶長度，減少了整體硫化次數，節省了施工時間。

儲帶倉內部設計有張緊移動小車，皮帶有序纏繞在張緊移動小車上的改向滾筒和儲帶倉固定端的改向滾筒上，儲帶倉中部滑動小車與張緊小車隨動，拖住皮帶，防止皮帶下垂過大。連續皮帶機水平皮帶存儲倉與張緊裝置如圖2所示。

連續皮帶機張緊裝置的鋼絲繩，通過儲帶倉定滑輪和張緊移動小車動滑輪，將張緊力傳遞到張緊移動小車上，以此維持連續皮帶機合適的皮帶張力。隨著TBM的掘進，張緊移動小車可以通過張緊裝置保證恒定的拉緊力，并在儲帶倉支架的V形軌道上緩慢行走，實現不變張力釋放皮帶的功能。皮帶機張緊裝置采用恒扭矩變頻電機卷揚機構，具有可設置恒扭矩功能，恒扭矩高低速運行穩定，配合拉力傳感器，實時監測保護，能夠實現皮帶拉力過大、過小的報警或停機功能。

1.2 連續皮帶機延伸裝置

采用液壓式延伸裝置，該裝置具有多自由度姿態可調、延伸操作快捷、結構穩定、延伸與接料段一體的特點。連續皮帶機延伸裝置安裝在TBM拖車尾部，并與TBM隨動，如圖3所示。連續皮帶機三角支架、橫梁先固定安裝在延伸裝置前部區域洞壁，經過延伸裝置時，可實現連續皮帶機不停機安裝托輥支架、托輥組的功能。延伸裝置能夠將操作人員與高速運行的皮帶完全阻隔，保證延伸操作的安全性、高效率、人性化。

2 TBM隧洞連續皮帶機皮帶跑偏原因分析

在TBM隧洞實際施工中，連續皮帶安裝完成之后，由于長期運轉，皮帶往往會出現跑偏、磨損、斷裂等現象。經統計分析具體原因可能有以下8點：①安裝軸線偏差波動，調偏托輥架及中間皮帶支撐架安裝位置尺寸偏差，安裝后托輥軸線與輸送帶中心軸線不垂直[3]。②皮帶延伸對接硫化時接頭處搭接有偏差、錯位。③托輥軸承異常損壞，導致運轉卡滯。④托輥滾筒磨損不一致。⑤滾筒與皮帶間夾巖渣。⑥連續皮帶三角支架軸線左右兩側不在同一水平面。⑦TBM操作手調向糾偏幅度過大，隧洞軸線成鋸齒型波動。⑧TBM轉彎洞段連續皮帶機糾偏措施不當。

3 糾偏裝置的研究應用

3.1 研究背景

采用的連續皮帶機上層三連托輥架間距1.8 m，皮帶寬800 mm，常規擋偏托輥尺寸?63×110 mm，安裝在上部三連托輥架的兩側。在敞開式TBM掘進施工過程中，該工程設計TBM隧洞軸線水平偏差±100 mm、垂直偏差±50 mm，針對常規偏差間隔安裝擋偏托輥。在轉彎段轉彎施工過程中，前進里程1.8 m范圍內前端、后端皮帶的軸線相對最大偏移量達到935 mm，對糾偏工作是一項重大考驗。

該工程施工過程中，在轉彎段前期采用常規方案安裝擋偏托輥，并在轉彎開始前設置150 m調偏過渡段，嚴格按照轉彎曲率安裝皮帶支撐架，皮帶跑偏問題仍沒有得到有效控制。運行期間皮帶跑偏問題時常發生，造成大量巖渣掉落和托輥損壞，嚴重時皮帶超出上擋偏托輥邊界，形成翻帶、掉落事故。轉彎段運行初期先后出現兩次皮帶掉落事故：第一次皮帶掉落150 m長，進行復位、硫化皮帶，調整皮帶支架，共停工3 d。第二次皮帶掉落230 m長、停工處理5 d。兩次事故均造成了較大工期和成本損失。轉彎段皮帶運行狀況如圖4所示。

經項目技術人員團隊進行現場調查，分析原因如下：①敞開式TBM在轉彎段掘進過程中，連續皮帶機頭部驅動固定不變，連續皮帶機移動尾端滾筒隨TBM掘進向前移動，按趨向角逐漸轉彎偏離原中心線。②連續皮帶移動尾端滾筒受TBM向前掘進拉力的作用，使皮帶產生較大離心力，皮帶偏移量大。③常規擋偏托輥尺寸小，皮帶偏移量超出常規擋偏托輥糾偏控制范圍。④連續皮帶機三角支架安裝時，軸線左右兩側高差不滿足皮帶運行離心力要求。

分析認為，選擇使用常規擋偏托輥糾偏在遇到連續皮帶機偏移量較大段時糾偏能力存在一定的局限性，不能滿足使用要求，且擋偏托輥安裝量大，安裝工作冗雜，跑偏現象也不能解決。

3.2 糾偏措施

針對以上問題，項目技術團隊研究出了一種糾偏裝置進行糾偏，該裝置間隔分布在連續皮帶機固定支架橫梁上，如圖5所示。

結構設計形式為：托輥支架下端安裝在橫梁，向內傾斜在10～15°范圍，并可根據需要調整，施工中實際使用中托輥支架向內傾斜角度為10°。托輥支架為左右側對稱分部，通過上部連接組成一個整體，結構強度、穩定性高，將整個皮帶包在其中。糾偏托輥尺寸?108×1 050 mm，安裝到該裝置支架上下端的兩個卡扣上，卡扣A上布置檔板和卡槽，具備托輥拆卸、維護、更換功能。轉彎段期間連續皮帶機三角支架橫梁安裝時內側比外側墊高5 cm，保證皮帶在支架中間托輥上保持水平運轉。

3.3 應用效果

在該工程下游TBM隧洞轉彎段施工中，連續皮帶機運轉期間，皮帶在糾偏裝置兩側托輥中間空檔內運轉。當出現向一側偏移時，皮帶與相應托輥接觸運轉，外力作用使皮帶向另一側隨轉動偏移，實現糾偏功能。

當糾偏托輥長期運轉出現故障損壞時，可直接拆卸托輥上下軸端部卡扣螺栓將托輥推出，更換新托輥，安裝就位，調整緊固上下端卡扣螺栓，更換完成。整個過程操作簡單，方便快捷。該裝置支架為左右側對稱分部，整體結構穩定，強度高，從理論和實際上杜絕皮帶翻帶、皮帶掉落的可能。

該裝置使用有效解決了敞開式TBM掘進通過轉彎段時連續皮帶機皮帶跑偏、翻帶、皮帶掉落難題，連續皮帶機運行穩定，未出現翻帶、掉落事故，保證了連續皮帶機運轉的可靠性，確保TBM連續掘進作業，顯著提高了TBM掘進效率。

4 結束語

該糾偏裝置在新疆某工程下游TBM隧洞轉彎段掘進施工期間研究使用，使用期間連續皮帶機運行穩定，效果顯著，未出現皮帶跑偏、翻帶、掉落現象，保障了TBM掘進施工的順利進行。

該連續皮帶機轉彎技術成熟，效果理想，適用于敞開式TBM轉彎段施工中，也可推廣使用到其他類似采用連續皮帶機系統出渣運輸的工程中。

參考文獻

[1] 張力勛，孫偉.連續皮帶機控制系統的設計及應用[J].隧道建設，2017（6）：768-774.

[2] 曹小平，宋文學，李偉偉.TBM施工連續皮帶機出渣關鍵技術[J].水利水電施工，2014（5）：38-42.

[3] 李非.TBM出渣皮帶跑偏原因分析及防治措施[J].黑龍江水利科技，2019（3）：77-79.