復(fù)合式波紋擋邊皮帶機(jī)在盾構(gòu)施工中的應(yīng)用

楊永剛

(中鐵十九局集團(tuán)軌道交通工程有限公司 北京 315010)

1 引言

盾構(gòu)法隧道施工在我國(guó)城市地鐵建設(shè)工程中已被普遍應(yīng)用[1]。隨著國(guó)內(nèi)城市軌道交通的快速發(fā)展，大直徑盾構(gòu)隧道日趨增多[2]，出渣量增大，采用傳統(tǒng)的門(mén)式起重機(jī)提升出渣方式已不能滿足盾構(gòu)施工連續(xù)作業(yè)的要求，需要研究一種快速、連續(xù)、安全的垂直出渣方式。

在煤炭、化工、電力、建材、冶金、輕工、糧食、港口、船舶等行業(yè)都有應(yīng)用皮帶機(jī)連續(xù)運(yùn)輸?shù)陌咐齕3]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，皮帶機(jī)運(yùn)輸也開(kāi)始被應(yīng)用在隧洞施工中[4]。

2 工程概況

廣州市軌道交通22號(hào)線工程祈福站-祈廣中間風(fēng)井 -廣州南站區(qū)間盾構(gòu)法施工，采用4臺(tái)φ8.84 m土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，從長(zhǎng)130 m的祈廣中間風(fēng)井分別向東西方向背向始發(fā)。其中，祈廣中間風(fēng)井-祈福站區(qū)間沿興業(yè)大道西向東掘進(jìn)，先后下穿勝石涌、鐘二涌、鐘二村民宅建筑群、廣明高速祈福隧道、市廣路，到達(dá)祈福站大里程端。整條區(qū)間全長(zhǎng)達(dá)4 040 m，隧道埋深11.3～26.9 m，區(qū)間線路最大縱坡15‰。線路平面設(shè)2個(gè)曲線段，曲線半徑分別為1 800 m、3 500 m。

祈廣中間風(fēng)井-祈福站區(qū)間隧道洞身主要穿越＜5Z-2＞殘積土層、＜6Z＞全風(fēng)化花崗巖、＜7Z＞強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、＜6＞全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、＜7-1、2、3＞強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、＜8-1、2、3＞中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、＜9-1、2、3＞ 微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。

勘察范圍內(nèi)的地下水按賦存方式劃分為第四系土層孔隙水及層狀基巖裂隙水、塊狀基巖裂隙水?？辈熨Y料顯示，線路沿線大部分地段地下水水位埋藏較淺，初見(jiàn)水位埋深1.1～6.2 m，初見(jiàn)水位標(biāo)高6.33～27.45 m；穩(wěn)定水位埋深1.5～3.5 m，穩(wěn)定水位標(biāo)高5.53～7.53 m。地下水位的變化與地下水的賦存、補(bǔ)給及排泄關(guān)系密切，每年5～10月為雨季，大氣降雨充沛，水位上升明顯，而在冬季因降水減少，地下水位隨之下降，水位年變化幅度為1.0～1.5 m。

3 國(guó)內(nèi)皮帶機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)皮帶機(jī)提升方式有4種：波紋擋邊皮帶機(jī)、折返式皮帶機(jī)、斗式提升機(jī)、夾帶式皮帶機(jī)[5]。

波紋擋邊提升皮帶機(jī)其結(jié)構(gòu)是在基帶兩側(cè)固定可自由伸展的橡膠波紋擋邊，在裙邊之間固定一定強(qiáng)度的橫隔板組成匣形斗，使物料在料斗中進(jìn)行連續(xù)輸送[6-7]。通常“Z”字形布置，其具體分為水平受料段、提升段、水平卸料段三個(gè)部分。將皮帶機(jī)受料段布置在井口底部，卸料段布置在地面土坑，提升段可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況在0～90°范圍傾斜，完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物料從洞口到地面進(jìn)行垂直輸送。目前，主要被用于輸送小顆粒渣石(干料)等[8]，但很少被用于城市地鐵施工，主要因?yàn)榈罔F施工中渣土黏性大且含水量大存在粘斗、回程漏渣嚴(yán)重、現(xiàn)場(chǎng)文明施工差等問(wèn)題，因此未能取得成功應(yīng)用。

折返式皮帶機(jī)提升出渣，是目前在盾構(gòu)法施工中皮帶機(jī)出渣比較常見(jiàn)的一種形式。這種方式通過(guò)普通皮帶機(jī)多次來(lái)回折返，以達(dá)到提升高度。為保證運(yùn)輸過(guò)程不溜渣，需將每節(jié)皮帶機(jī)傾斜角度控制在9°以內(nèi)，從而導(dǎo)致皮帶機(jī)占用空間大，轉(zhuǎn)渣次數(shù)多，很難在狹小空間的站內(nèi)使用，因此也未能廣泛應(yīng)用。

斗式提升機(jī)由斗提機(jī)機(jī)頭、驅(qū)動(dòng)單元、鋼繩芯膠帶、提料斗、膠帶鎖緊連接、輔助皮帶、改向滾筒、溜渣皮帶等組成，與水平方向呈90°傾角“U”字形布置在盾構(gòu)井口。其工作原理主要運(yùn)用水車原型制造的膠帶斗提，使斗提受重力與驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行接渣、卸料[9]。其與波紋擋邊皮帶機(jī)的弊端相似，有一定的局限性。

夾帶式皮帶機(jī)主要原理為采用兩條普通皮帶通過(guò)沿垂直方向受機(jī)械外力擠壓產(chǎn)生夾持力，在夾持力的作用下，物料與皮帶之間的摩擦力大于物料自重時(shí)，實(shí)現(xiàn)物料提升[10]。該皮帶機(jī)僅用于顆粒比較均勻、含水量不大的渣土。當(dāng)顆粒大小差異較大時(shí)，容易損傷皮帶也會(huì)產(chǎn)生一定的空腔；當(dāng)含水量較大時(shí)，摩擦力小于物料自重會(huì)造成泥水流出、濺落，很難保證現(xiàn)場(chǎng)的文明施工要求。

4 皮帶機(jī)選型分析

(1)皮帶機(jī)出渣方案選擇

本工程所用盾構(gòu)機(jī)直徑為8.84 m，環(huán)寬1.6 m，每環(huán)出土量達(dá)150 m3，采用70 t門(mén)式起重機(jī)提升25 m3渣土箱，每環(huán)吊運(yùn)渣土及管片等需要2 h的時(shí)間，超長(zhǎng)的吊裝時(shí)間嚴(yán)重制約盾構(gòu)機(jī)的施工效率。因此，需要采用皮帶機(jī)出渣方式。

根據(jù)本區(qū)間水文地質(zhì)情況，并結(jié)合國(guó)內(nèi)現(xiàn)有幾種皮帶機(jī)出渣的現(xiàn)狀，前述皮帶機(jī)很難滿足本工程需求。為更好地解決目前存在的問(wèn)題，研發(fā)了一種復(fù)合式波紋擋邊提升皮帶機(jī)。將常規(guī)波紋擋邊皮帶中的一條輸送帶，替換為鏤空式波紋擋邊提升皮帶和輔助皮帶兩條，并通過(guò)磁吸裝置使其在受料時(shí)貼合，形成有底的料斗，在卸料時(shí)分離，解決普通波紋擋邊皮帶粘斗、回程漏料等問(wèn)題。

綜合考慮，最終確定皮帶機(jī)提升出渣方式采用復(fù)合式波紋擋邊提升皮帶機(jī)。

(2)提升皮帶機(jī)布置方式

考慮到盾構(gòu)始發(fā)井場(chǎng)地空間受限，復(fù)合式波紋擋邊提升皮帶機(jī)布置方式與普通波紋擋邊皮帶機(jī)相同，為“Z”字形布置(見(jiàn)圖1)。為減少掉泥量并提高運(yùn)渣能力，提升段與水平成80°傾斜。

圖1 復(fù)合式波紋擋邊提升皮帶機(jī)構(gòu)造示意

(3)復(fù)合式皮帶機(jī)工作原理

復(fù)合式波紋擋邊提升皮帶機(jī)由機(jī)架、輸送帶、磁吸裝置、改向滾筒、壓帶滾筒、托輥等部件組成。輸送帶為其核心部件，由鏤空式波紋擋邊提升皮帶和輔助皮帶組成。鏤空式波紋擋邊皮帶由基帶、波紋擋邊、橫隔板組成[11]，使皮帶形成若干個(gè)鏤空的料斗。其中，基帶為鋼絲繩芯皮帶，皮帶中環(huán)形方向布置強(qiáng)磁性鋼絲繩，易被磁化[12]。輔助皮帶是一條普通的閉環(huán)纖維芯膠帶，輔助皮帶嵌套在波紋擋邊提升皮帶內(nèi)形成環(huán)形，即“大環(huán)套小環(huán)”。波紋擋邊皮帶和輔助皮帶分別有獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在變頻調(diào)速裝置控制下波紋擋邊皮帶和輔助皮帶做等速同步運(yùn)動(dòng)。

為保證輔助皮帶與波紋擋邊提升皮帶的基帶完全貼合，在波紋擋邊皮帶與輔助皮帶貼合的另一面安裝磁吸裝置，磁吸裝置產(chǎn)生的磁場(chǎng)力透過(guò)輔助皮帶作用在波紋擋邊提升皮帶中基帶的鋼絲繩上(見(jiàn)圖2)。受料前在磁吸力的作用下，波紋擋邊提升皮帶與輔助皮帶緊密貼合在一起，使鏤空的波紋擋邊提升皮帶形成一個(gè)個(gè)有底的料斗(見(jiàn)圖3)，通過(guò)波紋擋邊提升皮帶和輔助皮帶同步運(yùn)動(dòng)將渣土從地下輸送到地面渣土坑。到達(dá)渣土坑卸渣點(diǎn)后開(kāi)始卸渣，這時(shí)輔助皮帶先行通過(guò)驅(qū)動(dòng)滾筒后開(kāi)始返回，而波紋擋邊提升皮帶繼續(xù)向前運(yùn)行，二者分離。波紋擋邊提升皮帶料斗失去了輔助皮帶在底部的支撐，渣土受到重力作用，直接卸落至渣土坑內(nèi)。

圖2 復(fù)合式波紋擋邊提升皮帶機(jī)斷面

在整個(gè)皮帶機(jī)系統(tǒng)中，提升皮帶與輔助皮帶共用一套機(jī)架。

(4)技術(shù)參數(shù)的確定

根據(jù)祈廣中間風(fēng)井-祈福站區(qū)間施工的具體情況，每環(huán)出渣 150 m3·1.6 t/m3=240 t，掘進(jìn)時(shí)間約30 min，則每小時(shí)運(yùn)輸需求480 t，充裕系數(shù)取1.5，則輸送能力為800 t/h，可以滿足施工需求。其他參數(shù)按照輸送能力計(jì)算得出。

圖3 復(fù)合式波紋擋邊皮帶機(jī)料斗

提升最大速度：2.5 m/s；

提升皮帶規(guī)格：S400 mm，基帶強(qiáng)度：st1600；

輔助皮帶寬度：1 600 mm，輔助皮帶強(qiáng)度：EP150×4；

提升皮帶機(jī)功率：132 kW；

輔助皮帶機(jī)功率：30 kW；

皮帶機(jī)傾角：80°；

垂直提升高度：23 m。

5 復(fù)合式波紋擋邊提升皮帶機(jī)的應(yīng)用

本工程中，復(fù)合式波紋擋邊提升皮帶機(jī)布置在盾構(gòu)井口位置，傾角按照與水平夾角80°布置。通過(guò)連續(xù)皮帶機(jī)將盾構(gòu)渣土運(yùn)輸至復(fù)合式波紋擋邊提升皮帶機(jī)，再由提升皮帶機(jī)直接運(yùn)輸至地面渣土坑(見(jiàn)圖4)。

圖4 復(fù)合式波紋擋邊皮帶機(jī)施工現(xiàn)場(chǎng)

盾構(gòu)在此區(qū)間地層施工，渣土黏性大、含水量豐富，并且在盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)注入了大量泡沫劑等渣土改良材料，增加了渣土的水分，給垂直提升增加了困難。復(fù)合式波紋擋邊提升皮帶機(jī)的提升皮帶與輔助皮帶在受料時(shí)貼合，形成有底的料斗，卸料時(shí)，分離成為獨(dú)立的輔助皮帶和鏤空波紋擋邊皮帶。這樣，避免了在輔助皮帶與隔板、輔助皮帶與波紋擋邊皮帶存在死角導(dǎo)致的渣土殘留。同時(shí)，為保證皮帶干凈，分別清洗輔助皮帶與波紋擋邊皮帶，使整個(gè)回程皮帶無(wú)泥漬殘留。在輔助皮帶的尾部回程段設(shè)置清洗箱，其中包含一套水清洗裝置及刮板裝置。當(dāng)輔助皮帶通過(guò)清洗箱時(shí)，噴灑具有一定壓力的水來(lái)沖洗皮帶上殘存的渣土，達(dá)到?jīng)_落或松動(dòng)粘結(jié)在輔助皮帶上的渣土的目的，并通過(guò)一道硬質(zhì)合金刮板和毛刷清掃器清除殘存的水和泥渣。最后，通過(guò)硬質(zhì)聚氨酯刮板刮干皮帶，使回程皮帶保持整潔干凈，不存水跡。同時(shí)，在其頭部設(shè)置刮板清掃器和水清洗系統(tǒng)，確保波紋擋邊提升皮帶與輔助皮帶貼合面清潔。

在波紋擋邊提升皮帶機(jī)卸料后，通過(guò)振動(dòng)清掃器機(jī)械或拍打方式清潔波紋擋邊。另外，在水平回程段采用大壓力、小流量水氣結(jié)合的矩陣式?jīng)_洗模式(見(jiàn)圖5)，清理殘留在提升皮帶橫隔板與波紋擋板上的泥渣。

圖5 矩陣式多面沖洗皮帶

復(fù)合式波紋擋邊皮帶機(jī)在項(xiàng)目應(yīng)用中具有出渣效率高、占用空間小、輸送能力強(qiáng)、環(huán)保效果好等特點(diǎn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

復(fù)合式波紋擋邊提升皮帶機(jī)于2018年12月開(kāi)始運(yùn)行，出渣順利，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)效率明顯提高，日掘進(jìn)速度最快達(dá)16環(huán)(25.6 m)。

首例成功應(yīng)用復(fù)合式波紋擋邊提升皮帶機(jī)垂直運(yùn)輸渣土技術(shù)，在盾構(gòu)施工中取得了非常好的效果，突破了門(mén)式起重機(jī)出渣的傳統(tǒng)模式，規(guī)避了門(mén)式起重機(jī)在垂直運(yùn)輸中的風(fēng)險(xiǎn)，解決了其他提升皮帶機(jī)粘斗、文明施工差、掉渣嚴(yán)重的難題，開(kāi)辟了盾構(gòu)掘進(jìn)出渣的新模式，充分發(fā)揮盾構(gòu)連續(xù)施工的能力，有重要的推廣應(yīng)用前景。