輸水隧洞長(zhǎng)距離皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

毛 漸

(新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 新疆 烏魯木齊 830000)

XE二期輸水工程線路總長(zhǎng)約148.246 km，其中包含5條隧洞，總長(zhǎng)140.771 km。該工程共分為8個(gè)標(biāo)段，本文結(jié)合第Ⅷ標(biāo)段具體情況，進(jìn)行主洞與支洞出渣系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究。該標(biāo)段樁號(hào)范圍為112+215—148+211 m，總長(zhǎng)35.996 km，其中隧洞進(jìn)口50 m為明挖段、34.751 km的主洞段(包括TBM5洞挖段和鉆爆段)，其斷面型式為圓形，開(kāi)挖洞徑為7.8 m，采用TBM法施工，主要是掘進(jìn)、支護(hù)、出渣三大作業(yè)，以及皮帶、軌道、通風(fēng)、供電、照明、供水、排水等延伸及其他輔助作業(yè)，一切作業(yè)以掘進(jìn)作業(yè)為核心。該標(biāo)段隧洞沿線布設(shè)5條施工支洞，支洞總長(zhǎng)2.283 km。縱斷面設(shè)計(jì)為200 m長(zhǎng)12.9%的陡坡+20 m長(zhǎng)3%的緩坡，綜合縱坡12%。支洞斷面型式為城門(mén)洞型，陡坡段斷面凈尺寸7.0 m×6.59 m(寬×高)，緩坡段設(shè)置錯(cuò)車(chē)道，斷面凈尺寸8.8 m×6.59 m(寬×高)，主要采用鉆爆法施工，Ⅱ、Ⅲ類(lèi)圍巖采用全斷面法，Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖采用臺(tái)階法。該標(biāo)段整體平面布置圖見(jiàn)圖1。

1 出渣方案選擇

目前，國(guó)內(nèi)外TBM施工出渣方式主要有三類(lèi)：有軌運(yùn)輸、無(wú)軌運(yùn)輸以及連續(xù)皮帶運(yùn)輸[1-6]。

(1) 有軌運(yùn)輸一般指機(jī)車(chē)牽引礦車(chē)(或梭車(chē)或斗車(chē))出渣，牽引機(jī)車(chē)有軌內(nèi)燃機(jī)車(chē)、電瓶車(chē)及架線式電力機(jī)車(chē)等。國(guó)內(nèi)早期TBM施工中多采用機(jī)車(chē)牽引礦車(chē)出渣，如山西引黃入晉工程、西康線秦嶺鐵路隧道、桃花鋪等工程。電瓶車(chē)具有使用靈活無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，但其電瓶使用壽命短、故障率高、用電效率低、運(yùn)輸成本高、牽引能力不足；架線式電力機(jī)車(chē)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、維護(hù)力方便、無(wú)污染，但需架線，對(duì)作業(yè)空間和人員通行有一定影響，且易產(chǎn)生火花，存在安全隱患。上述兩種有軌運(yùn)輸，對(duì)于長(zhǎng)隧洞工程不宜采用。窄軌內(nèi)燃機(jī)車(chē)具有牽引力大、運(yùn)輸量大等特點(diǎn)，但污染大、相對(duì)其他有軌運(yùn)輸通風(fēng)費(fèi)用有所增加，對(duì)長(zhǎng)隧洞工程而言，它是有軌運(yùn)輸中的首選。

圖1本標(biāo)段平面布置示意圖

(2) 無(wú)軌運(yùn)輸指裝巖設(shè)備(如后卸式裝渣機(jī)、立爪式裝渣機(jī)、鉸接式輪胎裝載機(jī)、短臂液壓挖掘機(jī)等)裝渣，輪胎式運(yùn)輸機(jī)械(如自卸汽車(chē)、裝運(yùn)機(jī)、輪胎式梭車(chē)等)出渣。由于無(wú)軌運(yùn)輸系統(tǒng)污染嚴(yán)重，通風(fēng)費(fèi)用高、裝載、回車(chē)、會(huì)車(chē)、避車(chē)等附加洞室工程量大，出渣能力有限。

(3) 皮帶運(yùn)輸是指連續(xù)膠帶機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是出渣效率快，污染少、所需的通風(fēng)費(fèi)用低，出渣和材料運(yùn)輸為兩條線，施工干擾小，缺點(diǎn)是一旦出現(xiàn)故障，出渣系統(tǒng)將失去作用，因此檢修、維護(hù)時(shí)間長(zhǎng)。隨著近年來(lái)連續(xù)皮帶機(jī)技術(shù)的發(fā)展及其在工程中的成功應(yīng)用，近期項(xiàng)目如大伙房、蘭渝鐵路西秦嶺線、遼西北等工程，逐漸開(kāi)始使用連續(xù)皮帶機(jī)出渣。連續(xù)皮帶機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)相對(duì)機(jī)車(chē)牽引礦車(chē)系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：① 無(wú)需等待渣車(chē)，使TBM獲得較高的利用率，掘進(jìn)速度更快；② 對(duì)環(huán)境無(wú)污染，通風(fēng)費(fèi)用相對(duì)減少，且可以獲得較好的工作環(huán)境；③ 出渣線路與材料運(yùn)輸分離，相互干擾?。虎?施工管理簡(jiǎn)單，減少施工人員數(shù)量，降低工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度；⑤ 可以減少道岔設(shè)置；⑥ 洞外不需要翻車(chē)卸渣機(jī)；⑦ 廣泛適應(yīng)于不同洞徑的隧道工程，可再利用性更高。

本工程TBM施工段落較長(zhǎng)，斷面大，平均進(jìn)尺3.15 m/h，掘進(jìn)速度快，出渣量大，通過(guò)以上分析對(duì)比：(1) 有軌、無(wú)軌出渣方式與TBM掘進(jìn)速度不相匹配，影響掘進(jìn)效率；(2) 從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、安全角度上看，連續(xù)皮帶機(jī)具有運(yùn)送量大、運(yùn)距長(zhǎng)、安全、環(huán)保、效率高、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)參照國(guó)內(nèi)近年來(lái)皮帶機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)成功應(yīng)用的實(shí)例，本工程選擇連續(xù)皮帶機(jī)出渣。

2 皮帶輸送機(jī)出渣設(shè)備的選擇

2.1 TBM施工段落劃分

本標(biāo)段主洞采用1臺(tái)直徑Φ7.83 m敞開(kāi)式硬巖TBM掘進(jìn)機(jī)施工，設(shè)備編號(hào)TBM5。根據(jù)地形地質(zhì)及施工分段規(guī)劃，TBM5有三個(gè)施工段：

第一階段(TBM5-1)：設(shè)備從3#勘探試驗(yàn)洞運(yùn)輸至安裝洞，完成組裝、調(diào)試，掘進(jìn)8 886 m至10#支洞。

第二階段(TBM5-2)：掘進(jìn)至10#施工支洞后，出渣、運(yùn)輸、通風(fēng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)場(chǎng)至10#支洞，繼續(xù)掘進(jìn)至9#施工支洞，間距8 670 m。

第三階段(TBM5-3)：掘進(jìn)至9#施工支洞后，拆除TBM邊塊等大件，拆除部分分別通過(guò)9#施工支洞、6#施工支洞運(yùn)輸至TBM第三階段檢修洞室，未拆除部分滑行通過(guò)隧洞6.7 km軟巖段，至6#施工支洞檢修洞室進(jìn)行檢修組裝，出渣、運(yùn)輸、通風(fēng)轉(zhuǎn)場(chǎng)至6#支洞，掘進(jìn)總長(zhǎng)8 505 m。

根據(jù)掘進(jìn)階段劃分，第一、第二和第三階段連續(xù)皮帶機(jī)出渣長(zhǎng)度分別為10.226 km、9.000 km和8.835 km。

2.2 皮帶機(jī)設(shè)備選型

皮帶輸送系統(tǒng)的輸送能力應(yīng)滿足TBM最大出渣量的需要。TBM開(kāi)挖直徑按7.8 m計(jì)，開(kāi)挖斷面為47.76 m2，按照最大掘進(jìn)速度6 m/h計(jì)算，每小時(shí)出渣286.56 m3，巖石密度取2.8 t/m3時(shí)，每小時(shí)最大出渣量約為802.3 t，選取額定輸送能力約在963 t/h，可滿足工程需要。

TBM5連續(xù)皮帶機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1，支洞皮帶機(jī)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 連續(xù)皮帶機(jī)參數(shù)

表2 支洞皮帶機(jī)參數(shù)

2.3 皮帶機(jī)性能要求

TBM施工皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)(含隧洞連續(xù)皮帶機(jī)、支洞皮帶機(jī))選用具有在TBM長(zhǎng)距離施工中應(yīng)用的國(guó)際知名品牌的全新產(chǎn)品，關(guān)鍵部件和設(shè)備(包含但不限于變頻器[7]、電機(jī)、減速器、PLC[8]、滾筒等)采用國(guó)際知名品牌產(chǎn)品并且是在皮帶輸送機(jī)行業(yè)中廣泛應(yīng)用成熟的規(guī)格。

(1) 皮帶機(jī)的輸送能力應(yīng)滿足最高掘進(jìn)速度的需要，并留有余量，以應(yīng)對(duì)突變荷載。

(2) 皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)能與掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)互相連接、接口匹配、程序兼容。

(3) 皮帶儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)應(yīng)該在不影響皮帶正常運(yùn)行的同時(shí)盡量擴(kuò)大儲(chǔ)存容量，以擴(kuò)大掘進(jìn)機(jī)連續(xù)掘進(jìn)的長(zhǎng)度。皮帶儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)有效儲(chǔ)存能力不小于500 m。

(4) 皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)具有調(diào)速、調(diào)向、自動(dòng)清理、刮渣、防跑偏[9]、耐磨、防滑等功能。膠帶機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)有故障自動(dòng)診斷、顯示、報(bào)警功能。

(5) 選用高強(qiáng)度的膠帶，在正常使用情況下，應(yīng)能夠完成全部TBM掘進(jìn)洞段施工的巖渣輸送。

(6) 硫化設(shè)備、材料與工藝必須先進(jìn)，既保證接頭質(zhì)量又省時(shí)。采用雙頭硫化，硫化時(shí)間控制在10 h以內(nèi)。硫化需要?jiǎng)澗€、膠帶與鋼絲繩剝離、鋪生膠皮、排列鋼絲繩、涂生膠水、覆蓋生膠皮、扣壓、加熱硫化、保溫、切邊等工藝過(guò)程。

(7) 皮帶耐磨性能必須絕對(duì)可靠，抗劃傷且拉伸率低。

(8) 在施工期間，要求皮帶輸送系統(tǒng)必須滿足長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)轉(zhuǎn)的要求。

(9) 連續(xù)皮帶機(jī)、支洞皮帶機(jī)的相關(guān)配件應(yīng)保持一致、通用。

(10) 張緊裝置可根據(jù)皮帶載荷實(shí)時(shí)調(diào)整張緊力，保持皮帶始終處于最佳張緊狀態(tài)。

(11) 連續(xù)皮帶機(jī)要與TBM良好銜接，便于出渣及皮帶架延伸。

(12) 每施工段皮帶機(jī)輸送系統(tǒng)由連續(xù)皮帶機(jī)和支洞固定皮帶機(jī)兩部分構(gòu)成；其中支洞固定皮帶機(jī)坡度較大(綜合縱坡12.9%)，各級(jí)皮帶機(jī)都需要設(shè)置急停開(kāi)關(guān)，防止皮帶反轉(zhuǎn)，應(yīng)對(duì)突發(fā)情況[10]。

連續(xù)皮帶機(jī)長(zhǎng)度為10.226 km，采用“首尾驅(qū)動(dòng)”方式，中間無(wú)加力站；6#支洞皮帶機(jī)長(zhǎng)度0.56 km，10#支洞皮帶機(jī)長(zhǎng)度0.71 km，采用首部驅(qū)動(dòng)方式。連續(xù)皮帶機(jī)機(jī)頭部分設(shè)置有驅(qū)動(dòng)裝置、清理裝置、皮帶清洗箱、卸料裝置及其他安全檢測(cè)和感應(yīng)裝置等；連續(xù)皮帶機(jī)機(jī)尾部分位于TBM后配套上，設(shè)置有回程驅(qū)動(dòng)裝置、接料裝置、皮帶延伸站等，緊隨TBM出渣皮帶機(jī)卸料口。在連續(xù)皮帶機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾附近各布置一個(gè)電氣控制柜。

3 出渣系統(tǒng)布置

皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)流程如下：TBM開(kāi)挖石渣料→TBM主機(jī)皮帶機(jī)→后配套皮帶機(jī)→連續(xù)皮帶機(jī)→支洞固定皮帶機(jī)→裝至自卸汽車(chē)棄置至指定地點(diǎn)[11]。

3.1 輸送系統(tǒng)整體布置

根據(jù)本工程項(xiàng)目的實(shí)際情況，計(jì)劃采用一套連續(xù)皮帶機(jī)和一套固定皮帶機(jī)完成TBM5的掘進(jìn)及出渣任務(wù)，即：TBM5-1段施工時(shí)，主洞采用連續(xù)皮帶機(jī)，連續(xù)皮帶倉(cāng)布置在TBM組裝擴(kuò)大洞室；當(dāng)TBM掘進(jìn)至10#支洞控制區(qū)后，在轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)將整個(gè)皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)全部轉(zhuǎn)移至10#支洞施工段，在10#支洞安裝一套固定皮帶機(jī)，繼續(xù)完成TBM5-2段的出渣任務(wù)；TBM5-2段完成后，在轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)將整個(gè)皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)全部轉(zhuǎn)移至6#支洞施工段，將10#支洞段的固定皮帶機(jī)安裝至6#支洞，繼續(xù)完成TBM5-3段的出渣任務(wù)。連續(xù)皮帶儲(chǔ)存?zhèn)}安裝在檢修擴(kuò)大洞室，在主支洞交叉口設(shè)置轉(zhuǎn)渣器，連續(xù)皮帶安裝在主洞區(qū)域。出渣皮帶機(jī)固定支架布置示意圖，如圖2、圖3所示。固定支架采用Q345邊寬×邊寬×邊厚=75 mm×50 mm×10 mm角鋼材料制作，其屈服點(diǎn)為345 MPa，抗拉強(qiáng)度約490 MPa～620 MPa；主洞連續(xù)皮帶支架尺寸(豎向×水平)：圓形洞段1.2 m×1.5 m(見(jiàn)圖2)，馬蹄形段1.5 m×1.8 m(見(jiàn)圖3)；支架布置間距：圓形洞段4.572 m(圖2)；馬蹄形段4 m～5 m(見(jiàn)圖3)。

圖2 主洞連續(xù)皮帶支架布置

圖3固定皮帶機(jī)支架布置

主洞內(nèi)連續(xù)皮帶機(jī)及固定皮帶機(jī)位于隧洞右側(cè)，皮帶機(jī)系統(tǒng)的布置不會(huì)影響TBM及其他項(xiàng)目的施工布局、安裝和正常工作運(yùn)行。

轉(zhuǎn)渣固定皮帶機(jī)接料口位于連續(xù)皮帶機(jī)卸料口下方，在落料點(diǎn)布置有緩沖裝置和保護(hù)裝置等，機(jī)頭部分設(shè)置有驅(qū)動(dòng)裝置、清理裝置、卸料裝置及其他安全監(jiān)測(cè)和感應(yīng)裝置，機(jī)尾部分設(shè)置有回程站、接料裝置及其他安全監(jiān)測(cè)和感應(yīng)裝置；機(jī)尾部分設(shè)置有回程滾筒、接料裝置、緩沖裝置等。在洞外固定皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)站附近布置一個(gè)總電氣控制柜。

連續(xù)皮帶機(jī)的張緊裝置設(shè)置在驅(qū)動(dòng)站附近，為變頻控制的卷?yè)P(yáng)機(jī)+液壓張緊形式，支洞皮帶機(jī)的張緊裝置布置在洞口附近，為變頻控制的卷?yè)P(yáng)機(jī)形式；皮帶倉(cāng)設(shè)置在主洞洞內(nèi)，長(zhǎng)寬高約為100 m×2.5 m×3 m，為8層布置方式，儲(chǔ)存能力不小于500 m；皮帶硫化臺(tái)設(shè)置在皮帶倉(cāng)后方約20 m范圍內(nèi)。

3.2 TBM5-1段皮帶布置

TBM5-1段連續(xù)皮帶機(jī)儲(chǔ)存?zhèn)}、皮帶張緊裝置和皮帶機(jī)主驅(qū)動(dòng)裝置布置在安裝間右側(cè)，主驅(qū)動(dòng)裝置布置在儲(chǔ)存?zhèn)}后部，皮帶張緊裝置布置在皮帶倉(cāng)前方。TBM5-1段皮帶機(jī)布置示意圖見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 組裝洞皮帶機(jī)平面布置示意圖

圖5組裝洞皮帶機(jī)側(cè)面布置示意圖

3.3 TBM5-2段皮帶布置

TBM5-2段連續(xù)皮帶機(jī)與支洞固定皮帶機(jī)的轉(zhuǎn)渣處布置在10#支洞與過(guò)渡段交匯處。皮帶張緊裝置、皮帶驅(qū)動(dòng)裝置和皮帶儲(chǔ)存?zhèn)}布置在檢修洞內(nèi)。TBM5-2段皮帶機(jī)布置示意圖見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 檢修洞皮帶機(jī)平面布置示意圖

圖7檢修洞皮帶機(jī)側(cè)面布置示意圖

連續(xù)皮帶機(jī)自主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)后部開(kāi)始逐步抬升，皮帶機(jī)下部高度從3 m提升到5 m，抬升高度2 m，抬升段距離25 m。在10#支洞和TBM檢修洞交匯設(shè)轉(zhuǎn)渣處。

支洞皮帶機(jī)布置在10#支洞右側(cè)，支洞皮帶架距洞底4.5 m，滿足無(wú)軌運(yùn)輸限高4.5 m要求，布置方式與3#勘探試驗(yàn)洞基本相同。

10#支洞同樣存在實(shí)際施工過(guò)程中，皮帶機(jī)需要保持順直布置問(wèn)題。在出渣設(shè)計(jì)角度前提下，通過(guò)兩大措施保證輸送面平穩(wěn)順暢出渣：(1) 皮帶下支架與支架的緊密焊接以及螺栓錨固或者由支架長(zhǎng)度調(diào)整支架豎向高度；(2) 支架與受拉錨桿、受拉鏈條組合裝配并固定在支洞頂部，固定角鋼與支洞直墻上的水平固定錨桿接插，水平橫撐靠固定螺栓配合調(diào)整皮帶輸送面。因此，皮帶機(jī)相對(duì)支洞底面的高差是不斷變化的，但皮帶機(jī)出渣面平順，遇到緩坡、陡坡銜接處仍順接，避免掉帶、掉渣。

3.4 TBM5-3段皮帶布置

TBM5-3段連續(xù)皮帶機(jī)的布置與TBM5-2段布置方式類(lèi)似。連續(xù)皮帶機(jī)與支洞固定皮帶機(jī)的轉(zhuǎn)渣處布置在6#支洞與過(guò)渡段交匯處。皮帶張緊裝置、皮帶驅(qū)動(dòng)裝置和皮帶儲(chǔ)存?zhèn)}布置在檢修洞內(nèi)。

連續(xù)皮帶機(jī)自主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)后部開(kāi)始逐步抬升，皮帶機(jī)下部高度從3 m提升到5 m，抬升高度2 m，抬升段距離25 m。在6#支洞和TBM檢修洞交匯設(shè)轉(zhuǎn)渣處。

支洞皮帶機(jī)布置在6#支洞右側(cè)，無(wú)軌運(yùn)輸要求及實(shí)際施工過(guò)程中皮帶機(jī)處理類(lèi)似于10#支洞。

4 結(jié) 論

綜上所述，長(zhǎng)距離隧洞出渣系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

(1) 根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)分析后選擇皮帶機(jī)數(shù)量。

(2) 皮帶機(jī)的布置不能影響其他項(xiàng)目的布局、安裝施工和正常運(yùn)行。

(3) 利用組裝洞室、檢修洞室布置皮帶機(jī)儲(chǔ)存?zhèn)}、皮帶張緊裝置和皮帶機(jī)主驅(qū)動(dòng)裝置；驅(qū)動(dòng)裝置位置(首尾或單頭或頭中尾)應(yīng)根據(jù)計(jì)算確定。

(4) 按開(kāi)挖斷面型式、最大掘進(jìn)速度、巖石類(lèi)別等推算出渣量，根據(jù)渣料粒徑、粒度、傳送傾角、提升高度等計(jì)算確定輸送參數(shù)和設(shè)備選型。

(5) 保證皮帶硫化效果良好；系統(tǒng)性能、維護(hù)保養(yǎng)及安全保護(hù)均保障到位。