連續(xù)皮帶機(jī)在深埋盾構(gòu)隧道施工中的應(yīng)用研究

呂勇方

（中鐵十六局集團(tuán)北京軌道交通工程建設(shè)有限公司，北京 101100）

0 引言

連續(xù)皮帶機(jī)具有運(yùn)距長(zhǎng)、運(yùn)量大、速度快、污染小等特點(diǎn)[1]，國內(nèi)主要應(yīng)用在煤礦、大型露天礦山、散裝港口、TBM長(zhǎng)距離隧道施工中。連續(xù)皮帶機(jī)是隧道開挖出渣的連續(xù)性物料運(yùn)輸設(shè)備，可適應(yīng)大坡度、實(shí)現(xiàn)不停機(jī)掘進(jìn)，具有出渣速度快、施工效率高、操作維護(hù)簡(jiǎn)單、無污染等優(yōu)點(diǎn)。在我國，皮帶運(yùn)輸機(jī)最早運(yùn)用于采礦業(yè)，2002年遼寧大伙房水庫輸水工程首次引進(jìn)了連續(xù)皮帶機(jī)與配套出渣的皮帶機(jī)連續(xù)出渣系統(tǒng)[2]。我國對(duì)于這種連續(xù)出渣技術(shù)的研究起步較晚，設(shè)備和技術(shù)比較落后。

近年來，隨著連續(xù)皮帶機(jī)在采礦業(yè)和隧道施工中的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)從各個(gè)方面對(duì)連續(xù)皮帶機(jī)做了大量研究。王可強(qiáng)[2]分析了連續(xù)皮帶機(jī)的皮帶特性，研究皮帶的張力分布形式，并使用仿真軟件RecurDyn進(jìn)行仿真模擬。曾文宇[3]以神華新街煤礦斜井隧道工程為背景，研究了盾構(gòu)法隧道施工配套連續(xù)皮帶機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，分析了驅(qū)動(dòng)方案和糾偏方案，并計(jì)算出連續(xù)皮帶機(jī)最后的設(shè)計(jì)參數(shù)。

連續(xù)皮帶機(jī)的連續(xù)、穩(wěn)定工作是保證施工生產(chǎn)高效的關(guān)鍵因素[4]。本文以莫斯科地鐵第三換乘環(huán)線東段大直徑盾構(gòu)項(xiàng)目為背景，針對(duì)該盾構(gòu)隧道埋深大、坡度陡、轉(zhuǎn)彎半徑小的特點(diǎn)，提出盾構(gòu)隧道出渣采用連續(xù)皮帶輸送系統(tǒng)，介紹該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本組成，分析該系統(tǒng)在隧道施工時(shí)試運(yùn)行出現(xiàn)的主要問題，并針對(duì)該深埋盾構(gòu)隧道的特點(diǎn)提出解決方法以及盾構(gòu)機(jī)出渣渣土改良方案，可為連續(xù)皮帶機(jī)在同類深埋盾構(gòu)隧道施工的應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 工程概況

莫斯科地鐵第三換乘環(huán)線東段大直徑盾構(gòu)項(xiàng)目總長(zhǎng)2.947km，區(qū)間隧道覆土深度11.9～23.4m，主要穿越地層為黏土層、砂質(zhì)黏土層、砂層、富水細(xì)砂層。區(qū)間最小轉(zhuǎn)彎半徑400m，最大縱坡40‰。由于盾構(gòu)隧道埋深大、坡度陡、隧道與車站結(jié)構(gòu)同步施工，采用“塔吊+雙頭膠輪機(jī)車+連續(xù)皮帶機(jī)”的渣土輸送方式。

2 連續(xù)皮帶輸送系統(tǒng)的基本組成

該項(xiàng)目采用的連續(xù)皮帶輸送系統(tǒng)由橫移皮帶機(jī)、連續(xù)皮帶機(jī)、折返皮帶機(jī)、轉(zhuǎn)渣皮帶機(jī)四部分構(gòu)成，如圖1所示。主驅(qū)動(dòng)電機(jī)為2個(gè)200kW電機(jī)，井口段傾斜角度為12°，最大出碴能力為1200t/h。

圖1 連續(xù)皮帶出渣系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

橫移皮帶機(jī)將盾構(gòu)機(jī)上皮帶機(jī)輸送的渣土橫移到連續(xù)皮帶機(jī)上，其帶寬為1000mm，主要由機(jī)架、皮帶、托輥、驅(qū)動(dòng)裝置、張緊裝置、改向滾筒和卸料斗等組成。

連續(xù)皮帶機(jī)將隧道內(nèi)的渣土連續(xù)輸送到井口，由驅(qū)動(dòng)裝置、儲(chǔ)帶倉、張緊裝置、張緊移動(dòng)架、硫化平臺(tái)、卸料裝置、托輥、托輥架、隧道支架、洞口抬升架、中間卸料裝置、人行通道、延伸裝置、車站支腿、輸送帶等組成。

折返皮帶機(jī)將連續(xù)皮帶機(jī)輸送的渣土折返到車站端頭，由驅(qū)動(dòng)裝置、拉緊裝置、卸載裝置、托輥、托輥架、接料段、輸送帶等組成。

轉(zhuǎn)渣皮帶機(jī)將折返皮帶機(jī)輸送的渣土轉(zhuǎn)到車站側(cè)面的渣土坑，由驅(qū)動(dòng)裝置、拉緊裝置、卸載裝置、托輥、托輥架、接料段、輸送帶等組成。

3 主要問題及防治措施

在連續(xù)皮帶輸送系統(tǒng)試運(yùn)行期間，主要出現(xiàn)了以下問題：

1)皮帶跑偏。造成輸送帶跑偏現(xiàn)象的主要原因可以從初始安裝和運(yùn)輸過程兩個(gè)角度考慮[5]。皮帶跑偏是最常出現(xiàn)的故障，主要有驅(qū)動(dòng)滾筒或卸載滾筒處跑偏、改向滾筒處跑偏、中間皮帶架處跑偏等。調(diào)整方法依次是調(diào)節(jié)固定滾筒軸的絲桿螺栓、調(diào)節(jié)固定滾筒軸承座的螺栓、調(diào)節(jié)托輥角度，如圖2所示。

圖2 不同部位皮帶跑偏情況

以調(diào)節(jié)皮帶架上的皮帶跑偏為例。正常情況下托輥按水平擺放，與皮帶運(yùn)動(dòng)方向成垂直角度。若皮帶向左跑偏，想讓皮帶向右調(diào)整，需調(diào)節(jié)托輥與皮帶運(yùn)動(dòng)方向右側(cè)形成小夾角；反之，向相反的方向調(diào)整托輥。

在調(diào)偏時(shí)，先調(diào)整托輥角度，且需在跑偏的皮帶架之前的托輥處開始調(diào)整，根據(jù)皮帶跑偏距離選擇調(diào)整托輥的數(shù)量，這樣效果較好，節(jié)約工作時(shí)間。若調(diào)整托輥沒有達(dá)到調(diào)偏效果，可調(diào)節(jié)托輥支架，增大調(diào)整角度。若仍不見效，可調(diào)整皮帶支架水平度，讓皮帶支架朝需調(diào)整的方向傾斜。

此外，采用擋邊棍代替托輥，加裝在皮帶進(jìn)入驅(qū)動(dòng)滾筒、改向滾筒的前方，更可有效防止皮帶跑偏，如圖3所示。在現(xiàn)場(chǎng)改裝了多組擋邊棍，效果顯著，保障了皮帶在儲(chǔ)帶倉中的平穩(wěn)運(yùn)行。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)加裝的擋邊棍

2)濺泥、掉渣。渣土由螺旋機(jī)出土口排出后，經(jīng)過橫移皮帶機(jī)、隧道中間卸料裝置、折返皮帶、轉(zhuǎn)渣皮帶多次傳遞，在卸料斗處，因?yàn)楦卟?，泥巴極易四濺。為保持隧道與設(shè)備的清潔，減少清理工作量，在每個(gè)卸料斗處針對(duì)性加裝了擋泥板、防塵簾，防止濺泥。皮帶跑偏時(shí)，會(huì)造成皮帶架上皮帶一邊高、一邊低，渣土容易從低的一側(cè)掉落，需及時(shí)調(diào)偏。在中間卸料裝置與主驅(qū)動(dòng)滾筒處，因?yàn)樵烈锥逊e，針對(duì)性加大了接料斗。

3)卸料斗堵塞。盾構(gòu)機(jī)在黏土地層中掘進(jìn)時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)大土塊堵塞卸料口的情況，需停機(jī)人工清理疏通，快則15分鐘，慢則1-2小時(shí)，影響進(jìn)度，見圖4。通過觀察與分析，卸料斗堵塞的主要原因如下：渣土太干，在卸料裝置處不易被皮帶帶走，造成堆積堵塞；卸料斗出口太小，出現(xiàn)大土塊時(shí)，卡在出土口，后續(xù)渣土無法通過，造成堵塞。

圖4 不同部位堵塞情況

針對(duì)以上問題采取如下措施：在卸料裝置處增加水管噴水，濕潤(rùn)渣土、潤(rùn)滑皮帶，提升渣土流動(dòng)性；在斗壁上貼膠皮，減小渣土與斗壁的摩擦系數(shù)。有針對(duì)性地對(duì)折返皮帶驅(qū)動(dòng)端、中間卸料裝置與橫移皮帶機(jī)的卸料斗進(jìn)行改造、加大，改造前后的構(gòu)造如圖5所示。

圖5 卸料斗堵塞問題處理

4)皮帶打滑。其間出現(xiàn)了折返皮帶打滑停機(jī)與主驅(qū)動(dòng)滾筒驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩相差過大停機(jī)。折返皮帶運(yùn)行一段時(shí)間后，下托輥沾上泥巴，皮帶運(yùn)行速度減小，當(dāng)運(yùn)行速度與電機(jī)輸出速度相差大于0.5m/s并超過10s時(shí)，便會(huì)造成皮帶機(jī)停機(jī)。此外，為增加驅(qū)動(dòng)滾筒與皮帶的摩擦力，滾筒上鑲嵌了一道道陶瓷片，下皮帶上的泥巴會(huì)殘留在陶瓷片間；當(dāng)上驅(qū)動(dòng)滾筒陶瓷片間積攢了泥，與皮帶間摩擦力會(huì)減?。ù蚧?，為保持皮帶轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)滾筒輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)增大；當(dāng)上下兩個(gè)驅(qū)動(dòng)滾筒輸出轉(zhuǎn)矩相差超過30%時(shí)，系統(tǒng)會(huì)報(bào)錯(cuò)，從而導(dǎo)致停機(jī)。

針對(duì)以上問題采取如下措施：拉緊皮帶，沖洗下托輥、滾筒。在上驅(qū)動(dòng)滾筒與皮帶間增加一根固定沖洗水管，皮帶運(yùn)行時(shí)自動(dòng)沖洗滾筒；在隧道內(nèi)中間卸料裝置底部皮帶處增加一條刮泥板，清除下皮帶的泥巴；當(dāng)上驅(qū)動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)矩較正常情況下增加約20%時(shí)，人工沖洗一遍上下驅(qū)動(dòng)滾筒。

4 盾構(gòu)機(jī)出渣渣土的改良

卸料斗堵塞是黏土地層中影響連續(xù)皮帶機(jī)運(yùn)行、造成施工生產(chǎn)停滯的最大因素。在增大皮帶機(jī)各卸料斗出口、增加大土塊通過率、完善連續(xù)皮帶機(jī)性能的同時(shí)，需積極改良渣土。通過限制掘進(jìn)速度，調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，保證渣土均勻、連續(xù)排出，避免堵塞掉渣，從而發(fā)揮連續(xù)皮帶機(jī)的最大性能。在皮帶機(jī)試運(yùn)行期間，針對(duì)黏土地層與連續(xù)皮帶機(jī)結(jié)構(gòu)特性，總結(jié)如下盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)和方法：

1)總推力控制在34000kN左右；速度控制在35mm/min以內(nèi)；推進(jìn)時(shí)刀盤轉(zhuǎn)速2.2r/min。

2)泡沫原液比例由2%調(diào)整為3%；泡沫注入量加到最大，同時(shí)打開土倉兩路注水閥。

3)停機(jī)前以3.0r/min轉(zhuǎn)速高速轉(zhuǎn)刀盤增加對(duì)土倉渣土的攪拌；停機(jī)拼管片時(shí)，多往土倉注水。

4)將刀盤中心兩路泡沫管改用兩個(gè)膨潤(rùn)土泵分別注水。

5)合理使用分散型泡沫劑，增加渣土改良效果。

通過對(duì)卸料斗的改造、渣土的改良，有效根治了卸料斗堵塞現(xiàn)象，大大減少了盾構(gòu)機(jī)停機(jī)時(shí)間，每個(gè)工班掘進(jìn)環(huán)數(shù)由開始的2-3環(huán)增加至4-5環(huán)，提升了施工生產(chǎn)效率。

5 結(jié)論

連續(xù)皮帶輸送系統(tǒng)是國產(chǎn)連續(xù)皮帶機(jī)在莫斯科地鐵大直徑盾構(gòu)隧道施工中的首次運(yùn)用。結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)工況，針對(duì)皮帶機(jī)皮帶跑偏、濺泥、掉渣、卸料斗堵塞以及皮帶打滑等問題進(jìn)行分析，有效提高了連續(xù)皮帶機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性；通過調(diào)整盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)、渣土改良劑的參數(shù)及卸料裝置、泡沫管、膨潤(rùn)土泵等輔助設(shè)備的施工工藝，整體提升了施工生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。