張忠東 趙力 席雅娟

摘要：分析研究了引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞TBM施工段長距離連續(xù)皮帶機(jī)的布置、設(shè)備選型和支架性能，并對連續(xù)皮帶機(jī)安裝和運(yùn)行過程中的問題及處理措施進(jìn)行了闡述和介紹。為滿足要求，TBM施工段嶺南工程連續(xù)皮帶機(jī)采用三托輥輸送帶，皮帶機(jī)帶寬914mm，厚度15mm，帶速2～3m/s，采用ST2000鋼絲皮帶，皮帶支架滿足受力和穩(wěn)定性要求，針對安裝運(yùn)行中存在的問題，采取了分渣器氣動(dòng)改液壓、移動(dòng)尾端改造等處理措施，取得了良好效果。

關(guān)鍵詞：連續(xù)皮帶機(jī);設(shè)備選型;皮帶跑偏;皮帶撕裂;支架受力;秦嶺隧洞

中圖分類號：TV53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

現(xiàn)代長大隧洞施工經(jīng)常面臨特長、大埋深、大斷面、復(fù)雜地質(zhì)等挑戰(zhàn)，開挖速度、質(zhì)量、安全、環(huán)保等日益受到重視，隨著隧洞施工技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，TBM施工逐漸得到應(yīng)用[1-2]。連續(xù)皮帶機(jī)出渣是常見的一種TBM施工出渣方式，其安裝及運(yùn)行狀況會(huì)對TBM施工的掘進(jìn)效率、施工工期等產(chǎn)生至關(guān)重要的影響[3-4]，因此開展TBM施工連續(xù)皮帶系統(tǒng)的選型及運(yùn)行研究具有重要的實(shí)際意義。

近年來，許多學(xué)者結(jié)合工程實(shí)際在連續(xù)皮帶機(jī)出渣方面進(jìn)行了不少有益的探索。王智遠(yuǎn)等[5]以遼寧大伙房水庫輸水一期工程TBM 2標(biāo)為例，對連續(xù)皮帶機(jī)系統(tǒng)組成、工作原理、結(jié)構(gòu)型式及使用方法等進(jìn)行了介紹。曹曉平等[6]結(jié)合連續(xù)皮帶機(jī)出渣方式在東北某引水隧洞工程中的應(yīng)用，對連續(xù)皮帶機(jī)出渣關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了論述。楊志先等[7]對成都軌道交通18號世一海區(qū)間連續(xù)皮帶機(jī)配套盾構(gòu)出渣技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)討論。張立勛等[8]以蒙華鐵路白城隧道出渣皮帶機(jī)為背景，對連續(xù)皮帶機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用進(jìn)行了闡述。韓兵[9]針對新街煤礦斜井隧道深埋、超長、連續(xù)下坡的工程特點(diǎn)，分析了連續(xù)皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)的選型配置。

筆者以引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞TBM施工段嶺南工程為例，對TBM配套的連續(xù)皮帶系統(tǒng)選型、安裝及運(yùn)行階段進(jìn)行了分析。

1 皮帶機(jī)布置及設(shè)備選型

1.1 皮帶機(jī)布置

引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞TBM施工段嶺南工程位于陜西省寧陜縣四畝地鎮(zhèn)境內(nèi)，全長18.275km，設(shè)計(jì)流量70m³/s，多年平均輸水量15.0億m³/a，隧洞平均坡降為1/2500，采用羅賓斯公司的Φ8.02m敞開式隧道掘進(jìn)機(jī)施工。

TBM施工段嶺南工程采用主洞連續(xù)皮帶機(jī)和支洞皮帶機(jī)配合出渣，石渣運(yùn)輸系統(tǒng)如圖1所示。

運(yùn)輸皮帶機(jī)采用電力驅(qū)動(dòng)，可自動(dòng)張緊，基于數(shù)據(jù)通信，在主控室可以實(shí)現(xiàn)對各階段皮帶運(yùn)行的統(tǒng)一控制，并可借助視頻監(jiān)控系統(tǒng)對運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

由于設(shè)有貯存裝置，因此隨著TBM向前掘進(jìn)，連續(xù)皮帶機(jī)的皮帶可自動(dòng)釋放延展，同時(shí)人工安裝支架，即實(shí)現(xiàn)連續(xù)出渣。

支洞皮帶機(jī)布置如圖2所示。

1.2 設(shè)備選型

根據(jù)主洞開挖斷面和圍巖情況分析連續(xù)皮帶機(jī)合理的參數(shù)取值，以實(shí)現(xiàn)TBM與連續(xù)皮帶機(jī)配套出渣的有序銜接，從而滿足出渣能力的要求。石渣參數(shù)及TBM設(shè)計(jì)掘進(jìn)速度見表1。

結(jié)合表1中渣土及TBM掘進(jìn)參數(shù)分析，正常掘進(jìn)時(shí)連續(xù)皮帶機(jī)的輸送能力為246t/h，最大速率掘進(jìn)時(shí)其輸送能力為492t/h。

帶速對皮帶機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益會(huì)產(chǎn)生重要影響，一般應(yīng)依據(jù)其工作和環(huán)境條件、安裝地點(diǎn)、物料粒度組成等因素確定，根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，皮帶機(jī)帶速一般不超過3m/s，帶速過大容易損壞托輥，而帶速過小會(huì)對出渣的效率造成影響。因此，該工程中皮帶機(jī)帶速選定為2～3m/s[5]，可根據(jù)實(shí)際情況在這一范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。

該工程連續(xù)皮帶機(jī)采用三托輥輸送帶，皮帶機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下，石渣在皮帶機(jī)上呈倒梯形，如圖3所示，以最大掘進(jìn)速度考慮，結(jié)合隧洞斷面面積和渣土松散系數(shù)（取1.4），并在皮帶機(jī)兩側(cè)預(yù)留一定的富余空間，因此該工程選用皮帶機(jī)帶寬為914mm，能夠滿足施工要求。

引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞TBM施工段嶺南工程位于秦嶺嶺脊高中山區(qū)及嶺南中低山區(qū)，地形起伏。高程范圍1050～2420m，洞室最大埋深約2000m，穿越石英巖、花崗巖及閃長巖，占圍巖總量75%以上，圍巖強(qiáng)度高，完整性好，巖爆頻發(fā)，輸送石渣顆粒較大，多為不規(guī)則塊狀結(jié)構(gòu)物，因此對皮帶質(zhì)量要求相對較高，主要體現(xiàn)在耐磨性和彈性兩個(gè)方面。

工程采用ST2000鋼絲皮帶，由上蓋膠、芯膠（含邊膠）、鋼絲繩、下蓋膠4部分組成。上蓋膠主要承受耐磨和荷載沖擊，鋼絲繩主要作用是保持皮帶的整體性和剛度、減小皮帶受拉后的伸長率，下蓋膠主要配合上蓋膠提供足夠抗拉強(qiáng)度，結(jié)合類似工程項(xiàng)目施工經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)規(guī)范，三者厚度皆選取5mm，因此皮帶厚度為15mm。

上托輥采用槽型托輥，托輥間距1.2m;下托輥采用平型托輥，托輥間距3m。物料堆積角度θ取30°，膠帶選取鋼絲繩心膠帶，則ST2000張力為1826N/mm，安全系數(shù)為10.6，滿足要求。

帶式輸送機(jī)功率計(jì)算式為式中：N為傳動(dòng)滾筒軸功率;L_h為皮帶機(jī)水平投影長度;v為皮帶機(jī)帶速;Q為最大輸送量;H為垂直提升高度;N'為附加功率;k₁、k₂、k₃、k₄為功率系數(shù)。

由式（1）可得：第一階段擬定主洞皮帶機(jī)電機(jī)功率為1200kW;第一階段擬定3號支洞皮帶機(jī)采用主驅(qū)動(dòng)+輔助驅(qū)動(dòng)，電機(jī)功率為1500kW;第二階段擬定4號支洞皮帶機(jī)采用主驅(qū)動(dòng)+輔助驅(qū)動(dòng)，電機(jī)功率為2100kW。

2 皮帶機(jī)安裝問題及處理措施

2.1 皮帶跑偏

采用連續(xù)皮帶機(jī)進(jìn)行長距離出渣難以避免皮帶跑偏問題[10]。引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞TBM施工段嶺南工程皮帶機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行中，皮帶跑偏主要有以下5種形式：①皮帶支架、托輥或滾筒安裝傾斜;②清掃器刮渣不凈;③給料位置不正;④皮帶縱向撕裂;⑤皮帶存在破損、邊部缺失或老化變質(zhì)。

針對上述頻繁出現(xiàn)的問題，通過不斷摸索，采用以下方法進(jìn)行糾偏：①采用激光測量皮帶架中心位置進(jìn)行定位，確保支架安裝精準(zhǔn);②每隔50m安裝1套出料和回程皮帶的調(diào)心托輥糾偏裝置，每隔200m安裝1套自制豎滾并采用4個(gè)/組的皮帶糾偏輪進(jìn)行強(qiáng)力糾偏;③在TBM對接支架的移動(dòng)尾端采用液壓控制的操作手柄，調(diào)節(jié)滾筒兩端前后移動(dòng)進(jìn)行調(diào)偏;④調(diào)節(jié)皮帶尾端調(diào)整絲桿進(jìn)行調(diào)偏;⑤通過調(diào)整數(shù)組卡扣或松動(dòng)長、短L型螺栓及門型支架進(jìn)行調(diào)偏;⑥調(diào)節(jié)托輥組兩側(cè)的長形安裝孔，使托輥橫向中心線與帶式輸送機(jī)縱向中心線的不重合度值控制在3mm以內(nèi);⑦調(diào)整頭、尾機(jī)架安裝軸承座的兩個(gè)平面偏差值，使其在1mm以內(nèi);⑧調(diào)整溜槽長度來修正落料位置，確保落料點(diǎn)盡可能位于皮帶中部。此外，制作安裝細(xì)渣分渣裝置，該裝置將細(xì)渣和粗渣分開后分別經(jīng)應(yīng)急皮帶和二級分渣器配合接料渣車運(yùn)出，大幅提高了裝載機(jī)裝車效率。

2.2 皮帶倉儲(chǔ)存

皮帶倉系統(tǒng)由四部分組成，分別為牽引設(shè)備（卷揚(yáng)機(jī)）、皮帶存儲(chǔ)裝置（皮帶倉）、硫化裝置、皮帶收放裝置。皮帶倉存儲(chǔ)技術(shù)的應(yīng)用，是連續(xù)皮帶進(jìn)行延伸的基礎(chǔ)，而皮帶倉存儲(chǔ)皮帶長度可根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行調(diào)整。隨著變頻技術(shù)的應(yīng)用并調(diào)整鋼絲繩及卷揚(yáng)機(jī)配置，可實(shí)現(xiàn)更大存儲(chǔ)皮帶倉的使用，引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞嶺南TBM項(xiàng)目可存儲(chǔ)500m皮帶。

2.3 皮帶硫化及修補(bǔ)

皮帶硫化工藝一般分為8步：接頭準(zhǔn)備→準(zhǔn)備輸送帶尾→組裝蓋膠→底部蓋膠就位→匹配和放置鋼絲繩→放置頂部蓋膠→硫化接頭→拆除并檢查。硫化接頭按照2級連接方式進(jìn)行硫化，硫化接頭形式如圖4所示。

引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞TBM施工段嶺南工程采用的皮帶修補(bǔ)技術(shù)有T2膠槍熱硫化修復(fù)技術(shù)、修補(bǔ)條冷補(bǔ)技術(shù)、菱形補(bǔ)片處理技術(shù)及雙管膠處理蓋膠脫落等。T2膠槍熱硫化修復(fù)技術(shù)主要修補(bǔ)輸送帶受損的承載面和運(yùn)行面，例如：由物料沖擊和裙板造成的帶面損壞局部填充及小段縱向撕裂;當(dāng)傳送帶出現(xiàn)邊緣磨損、長距離劃傷或局部橡膠層損傷等現(xiàn)象，宜采用修補(bǔ)條冷補(bǔ)技術(shù)進(jìn)行修復(fù)，此方法也適用于皮帶冷無縫搭接的封口等;對于皮帶的孔洞或坑穴，以及長距離的縱向撕裂，可采用菱形補(bǔ)片進(jìn)行處理;對于皮帶蓋膠脫落的，也可采用雙管膠槍配合雙管膠進(jìn)行覆蓋，并待其冷卻后，使用鎢鋼打磨碟進(jìn)行打磨處理。

3 皮帶支架性能分析

連續(xù)皮帶機(jī)在隧道內(nèi)部采用支架進(jìn)行固定，支架由托梁、托架、托輥和滾筒組成，托梁端頭帶有螺栓孔，連續(xù)皮帶長度需要延伸時(shí)采用螺栓連接。

TBM掘進(jìn)過程中，由于皮帶機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中勻速前進(jìn)，轉(zhuǎn)速為2.8m/s，因此以均布荷載來計(jì)算，取兩個(gè)支架間距為4 572mm，皮帶支架材料參數(shù)見表2。

TBM主洞圍巖巖性類別見表3。

3.1 皮帶機(jī)支架受力分析

經(jīng)實(shí)際測量可知，洞內(nèi)支架受力結(jié)構(gòu)呈三角形，如圖5所示，橫梁支撐角鋼長度為2020mm，斜梁支撐角鋼長度為1960mm，其余值可由三角函數(shù)相關(guān)定理求出。

皮帶機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中受到的作用力有：皮帶機(jī)支架、皮帶和棄渣自重，膨脹螺栓切應(yīng)力，鋼筋屈服力，膨脹螺栓拉應(yīng)力。由于棄渣隨著皮帶勻速前進(jìn)且滾輪為勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，因此不考慮摩擦力，其受力如圖6所示，其中：G為皮帶機(jī)支架、皮帶和棄渣自重，F(xiàn)_屈為等邊角鋼所受屈服力，F(xiàn)切為膨脹螺栓1受到的切應(yīng)力，F(xiàn)_切2為膨脹螺栓2受到的切應(yīng)力，F(xiàn)_拉為膨脹螺栓所受拉應(yīng)力。

豎直方向膨脹螺栓能提供的支持力F₀為

考慮等邊角鋼在洞內(nèi)的損耗及自身懸空的影響，取折減系數(shù)為0.6，則提供支持力為

F=0.6F₀（3）

聯(lián)立式（2）和式（3），可得F>G。

因此，皮帶能夠處于勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，由牛頓運(yùn)動(dòng)定律可得

3.2 皮帶機(jī)支架穩(wěn)定性分析

皮帶支架采用三角形布置，對于結(jié)構(gòu)整體來說，寬高比是影響其破壞形式的關(guān)鍵因素，寬高比越大水平面抗彎剛度越大，抗扭剛度也隨之增大，則穩(wěn)定承載能力越大。該工程橫梁寬度b為2.02m，高度h為1.76m，則寬高比b/h=1.15，同理得出另外兩個(gè)寬高比分別為1.08和1.25。

通過查閱資料可知，當(dāng)三角支架寬高比在0.4～1.5范圍內(nèi)時(shí)，隨著寬高比的增大，抗彎剛度增大;當(dāng)寬高比繼續(xù)增大時(shí)，可以提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，但可能會(huì)導(dǎo)致整體性變差，極限承載能力反而降低，甚至導(dǎo)致整體失穩(wěn)。因此，采用的支架在滿足荷載的同時(shí)也要符合穩(wěn)定性要求。

綜上所述，皮帶支架使用的等角邊鋼承受荷載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于皮帶支架、棄渣和皮帶自身的重力，并且膨脹螺栓的抗拉強(qiáng)度可以滿足等邊角鋼的固定強(qiáng)度要求，皮帶自身所能承受的破壞力和拉伸力亦滿足標(biāo)準(zhǔn)，且穩(wěn)定性方面達(dá)到了規(guī)范要求。因此，皮帶支架在材料和受力各方面都可以滿足施工要求。

4 皮帶機(jī)運(yùn)行問題及處理措施

引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞TBM施工段嶺南工程運(yùn)輸距離長，連續(xù)皮帶在運(yùn)行過程中不可避免會(huì)出現(xiàn)一些問題，因此需要采取針對性的處理措施。

（1）分渣器氣動(dòng)改液壓。分渣器最初設(shè)計(jì)為氣動(dòng)方式，在分渣器旁放置一個(gè)1.5m³的空壓機(jī)作為動(dòng)力，通過電動(dòng)機(jī)控制電磁閥活動(dòng)，從而帶動(dòng)8個(gè)SC80×400氣缸伸縮，推動(dòng)翻板左右翻動(dòng)，讓渣進(jìn)入相應(yīng)的溜槽內(nèi)出料。實(shí)際運(yùn)行過程中，容易出現(xiàn)氣管內(nèi)含水不足導(dǎo)致氣缸失靈，氣缸動(dòng)力不足導(dǎo)致翻版僅推開一半而引起堵料，使用頻率較高導(dǎo)致氣管接頭及電磁閥更換頻繁等問題。經(jīng)過大膽嘗試，將氣動(dòng)改為液壓模式，由液壓泵+手動(dòng)閥+液壓缸代替原來的空壓機(jī)+電磁閥+氣缸的模式推動(dòng)翻板進(jìn)行控制，有效解決了上述問題。

（2）皮帶卷入滾筒。硫化前皮帶倉留存皮帶較多，皮帶倉張緊后滑車滑出皮帶倉約30cm，張緊、啟動(dòng)后皮帶正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但停機(jī)再啟動(dòng)時(shí)，皮帶太松，滑車跳到急停后，皮帶受慣性作用，滾筒緩慢停止過程中主驅(qū)右側(cè)滾筒內(nèi)夾入2層皮帶，導(dǎo)致滾筒、皮帶同時(shí)卡死。解決這一問題，首先應(yīng)取出變速箱內(nèi)防逆行鎖片，然后調(diào)正電機(jī)轉(zhuǎn)向，手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)滾筒，夾入滾筒內(nèi)部的2層皮帶將自動(dòng)掉落，待防逆行鎖片安裝后，卷揚(yáng)機(jī)張緊皮帶，調(diào)整托輥組，皮帶即恢復(fù)正常。為避免上述問題，硫化皮帶前，必須計(jì)算皮帶倉內(nèi)皮帶是否到達(dá)極限位置，確保皮帶倉內(nèi)能夠置放新皮帶加留存皮帶的長度。

（3）移動(dòng)尾端改造。連續(xù)皮帶機(jī)無法完美對接現(xiàn)有TBM，導(dǎo)致移動(dòng)尾端無法安裝，進(jìn)而造成延伸支架時(shí)停機(jī)等待，并且在對接位置距離支架較遠(yuǎn)時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)出料皮帶傾斜掉渣的情況，而距離較近時(shí)又因渣料太重吊起皮帶延伸支架困難，故出料槽型托輥支架變形嚴(yán)重，減緩了施工進(jìn)度。

根據(jù)現(xiàn)場情況，在TBM對接架下部加設(shè)Φ300mm×1320mm滾筒一個(gè)，緊固在底部支架上。之后在上部繼續(xù)安裝一個(gè)帶Φ300mm×1320mm滾筒的支架，作為回程皮帶支架。在支架旁邊，再焊固一個(gè)支架，將門型支架及槽型托輥組支架焊固在上部，作為槽型出料皮帶支架。經(jīng)過改造后，實(shí)現(xiàn)了不停機(jī)安裝延伸支架的目的。

（4）皮帶縱向撕裂。皮帶運(yùn)行過程中，皮帶支架安裝傾斜引起皮帶跑偏，邊部皮帶夾入S型卡扣，引起皮帶縱向撕裂，極易造成重大經(jīng)濟(jì)損失。對于距離較短的中部縱向撕裂皮帶，可采用硫化膠槍夾入中墊膠+修補(bǔ)條雙面粘貼的方式進(jìn)行修補(bǔ);對于邊部縱向撕裂較窄的皮帶，可采用角磨機(jī)將其割除，并將錯(cuò)臺(tái)處進(jìn)行打磨，防止該處再跑偏至支架或s型卡扣處發(fā)生二次損傷事故。此外，購置皮帶縱向撕裂開關(guān)安裝在皮帶滾筒刮板附近，一旦出現(xiàn)皮帶中部縱向撕裂，即傳遞信號至啟動(dòng)柜，自動(dòng)啟動(dòng)急停程序，可有效防止皮帶縱向撕裂引發(fā)重大損失;在關(guān)鍵部位的皮帶，如TBM橋架皮帶及轉(zhuǎn)渣皮帶，采用高強(qiáng)度的網(wǎng)格皮帶，增大耐磨和耐沖擊強(qiáng)度，可以避免縱向撕裂事故的發(fā)生。

5 結(jié)語

（1）考慮引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞TBM施工段嶺南工程的出渣要求，采用主洞連續(xù)皮帶機(jī)和支洞皮帶機(jī)配合出渣，分析選取了連續(xù)皮帶機(jī)合理的參數(shù)取值，其中帶速為2～3m/s，帶寬為914mm，ST2000鋼絲皮帶厚度為15mm，皮帶機(jī)支架滿足荷載和穩(wěn)定性要求。

（2）結(jié)合工程實(shí)踐分析了連續(xù)皮帶機(jī)安裝及運(yùn)行中出現(xiàn)的皮帶跑偏、皮帶倉儲(chǔ)存、皮帶修補(bǔ)、分渣器氣動(dòng)、皮帶卷入滾筒等問題，并提出了分渣器氣動(dòng)改液壓、移動(dòng)尾端改造等處理措施，取得了良好的效果。隨著連續(xù)皮帶機(jī)出渣技術(shù)的不斷發(fā)展，長大隧洞的開挖出渣將更為高效、環(huán)保和便利。

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