山地城市大縱坡水平連續(xù)傳送帶關(guān)鍵參數(shù)研究

曹亞奇，歐陽(yáng)天一，羅桂軍，馮科軍，肖 超，汪 來，王樹英

（1.中建五局土木工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075）

山地城市軌道交通往往存在較大坡度且距離較長(zhǎng)，采用傳統(tǒng)有軌機(jī)車出渣方式進(jìn)行物料運(yùn)輸不能滿足大坡度長(zhǎng)距離隧道的施工要求。大縱坡水平連續(xù)皮帶機(jī)具備同步延伸功能，可與TBM掘進(jìn)配套使用，連續(xù)、快捷地完成隧道出渣，實(shí)現(xiàn)隧道工程高效、安全、環(huán)保的施工建設(shè)，同時(shí)，皮帶機(jī)出渣作為相對(duì)經(jīng)濟(jì)、便捷和高效的一種方式，是未來掘進(jìn)機(jī)施工隧道出渣的主要發(fā)展趨勢(shì)。

呂勇方[1]介紹連續(xù)皮帶機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、組裝要點(diǎn)，并提出黏土地層中盾構(gòu)渣土的改良方法和主要問題的防治措施。班寶旺[2]從產(chǎn)生跑偏的主要原因入手，有針對(duì)性地提出相應(yīng)解決問題的方法。安宏斌等[3]探討了長(zhǎng)距離隧道盾構(gòu)施工輔以后配套皮帶機(jī)運(yùn)輸渣土，提高施工機(jī)械化程度，進(jìn)而提高工程效益。賈丁等[4]針對(duì)連續(xù)皮帶機(jī)水平運(yùn)輸系統(tǒng)分析介紹其結(jié)構(gòu)組成及運(yùn)行流程，并計(jì)算其基本參數(shù)與最大圓周力。張忠東等[5]采用了集渣土改良、出渣量控制和與掘進(jìn)同步進(jìn)行的渣土篩分改良及連續(xù)皮帶出渣系統(tǒng)，得到了適合大直徑、長(zhǎng)距離土壓平衡盾構(gòu)隧道施工的出渣系統(tǒng)。劉杰[6]分析研究了連續(xù)皮帶機(jī)安裝和運(yùn)行過程中的問題及處理措施。許金林等[7]介紹了連續(xù)皮帶機(jī)出碴體系與同步襯砌體系的矛盾并提出解決方案。佟建中[8]研究確定了膠帶強(qiáng)度、中間驅(qū)動(dòng)位置及拉緊力等技術(shù)參數(shù)。王智遠(yuǎn)和伍智勇[9]以遼寧省大伙房水庫(kù)輸水一期工程TBM2 標(biāo)為例，通過經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、出碴效率等方面綜合對(duì)比，進(jìn)行TBM 施工配套出碴方式的選擇，并就皮帶的帶寬、材質(zhì)等參數(shù)選擇進(jìn)行詳細(xì)介紹。

針對(duì)山地城市軌道交通大縱坡渣土運(yùn)輸特點(diǎn)，本文介紹重慶地區(qū)水平皮帶機(jī)隧道內(nèi)布置形式，研究與皮帶機(jī)設(shè)計(jì)相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)，提出提高山地城市大縱坡水平連續(xù)傳送帶出渣效率的具體工程措施。

1 工程概況

重慶軌道交通5 號(hào)線北延伸段（悅港北路-園博中心）工程位于渝北區(qū)空港新城和兩江新區(qū)悅來組團(tuán)，線路為南北走向，主要沿秋成大道設(shè)計(jì)，5 號(hào)線北延伸段工程線路全長(zhǎng)8.95km。重慶軌道交通五號(hào)線北延伸段工程土建2 標(biāo)TBM 區(qū)間包括魯家溝站-中央公園西站區(qū)間和中央公園西站-椿萱大道站區(qū)間。

魯家溝站-中央公園西站區(qū)間全長(zhǎng)為1 029.583m。魯-中區(qū)間最小曲線半徑500m，區(qū)間最大縱坡38.82‰，長(zhǎng)270m，占比26.42%，其余坡度為2‰～12‰；覆土厚度3.3～31.2m，區(qū)間左右線各74m 隧道洞身位于青崗溪大橋段回填土中，占比8%。其余地段均位于砂質(zhì)泥巖和砂巖中。左線盾構(gòu)984.834m，右線盾構(gòu)951.442m。

中央公園西站-椿萱大道站區(qū)間掘進(jìn)長(zhǎng)度為1 110.711m，最小曲線半徑2 000m，最大縱坡38.07‰，長(zhǎng)270m，占比24.21%。頂部覆土19.1～33.2m，區(qū)間約401m 位于回填土地層中。左右線隧道均下穿十號(hào)線車站，隧道頂部距離10號(hào)線車站結(jié)構(gòu)底部最小間距約7.5m。左線盾構(gòu)1 095.304m，右線盾構(gòu)1 095.304m。

魯-中區(qū)間和中-椿區(qū)間最大縱坡均大于38‰，TBM 掘進(jìn)過程容易栽頭，電瓶車運(yùn)輸渣土容易溜車，不控制好存在很大可能造成嚴(yán)重事故。

2 皮帶機(jī)概況

本項(xiàng)目涉及水平連續(xù)皮帶機(jī)這一典型系統(tǒng)工程，連續(xù)皮帶機(jī)與普通皮帶機(jī)相同之處在于：都是通過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的帶動(dòng)和改向滾筒的改向來實(shí)現(xiàn)膠帶的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到將渣土從落料端運(yùn)輸至出料端的目的。不同之處在于：連續(xù)皮帶機(jī)能同步跟進(jìn)TBM 掘進(jìn)，隨TBM 的掘進(jìn)不斷延伸以適應(yīng)掘進(jìn)速度要求，將掌子面開挖的渣土連續(xù)、快捷地運(yùn)送至洞外，可實(shí)現(xiàn)皮帶的存儲(chǔ)和掘進(jìn)過程中皮帶的硫化，皮帶機(jī)架安裝快速方便。與傳統(tǒng)有軌運(yùn)輸相比，連續(xù)皮帶機(jī)機(jī)械化程度高，安全性好，占用空間少，污染性小，適用于不同坡度運(yùn)輸，是長(zhǎng)距離大縱坡隧道出渣的首選方案。

采用連續(xù)皮帶機(jī)出渣的基本過程是：TBM開挖渣料從后配套連續(xù)皮帶機(jī)尾部轉(zhuǎn)運(yùn)到隧道長(zhǎng)距離連續(xù)皮帶機(jī)上，通過該長(zhǎng)距離連續(xù)皮帶機(jī)將石渣運(yùn)輸?shù)蕉赐獾脑鼒?chǎng)。隨著TBM 向前掘進(jìn)，皮帶架被不斷安裝在管片側(cè)墻上并由固定在洞頂?shù)逆湕l懸掛支撐在洞內(nèi)，這樣皮帶機(jī)不斷向前延伸。隧道皮帶機(jī)尾站安裝在后配套臺(tái)車上，隨后配套向前移動(dòng)，尾站裝有上下、左右和傾斜調(diào)整油缸，以方便皮帶機(jī)的調(diào)偏。

水平連續(xù)皮帶機(jī)在隧道內(nèi)通過三角支架與隧道內(nèi)下部管片螺栓進(jìn)行安裝固定，水平連續(xù)皮帶機(jī)在隧道內(nèi)布置形式如圖1 所示，皮帶機(jī)在隧道內(nèi)的布置形式具有以下特點(diǎn)：①皮帶支撐架結(jié)構(gòu)固定在管片上，保證皮帶機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；②支架布置在管片中心線以下，以便于設(shè)備檢修、維護(hù)等作業(yè)；③皮帶機(jī)內(nèi)側(cè)增設(shè)限位滾筒，避免皮帶與車架發(fā)生硬性摩擦而造成損傷。

圖1 TBM隧道內(nèi)水平連續(xù)皮帶機(jī)布置示意圖

連續(xù)皮帶機(jī)包含機(jī)尾、延伸裝置、延伸支架、輸送帶、托輥、改向滾筒、張緊裝置、儲(chǔ)帶倉(cāng)、驅(qū)動(dòng)裝置、卸料端和電氣部分等部件。主要配置和參數(shù)如表1 所示。

表1 皮帶機(jī)配件參數(shù)表

3 皮帶機(jī)參數(shù)

3.1 輸送量

掘進(jìn)開挖出土速率Q1max（m3/h）為

式中D——開挖直徑，m；

v1——開挖速率，m/h；

ξ——松方系數(shù)。

重慶地鐵五號(hào)線北延伸段工程TBM 區(qū)間隧道開挖直徑D為6.885m，開挖速率按照推進(jìn)速度60mm/min 計(jì)算，即每小時(shí)掘進(jìn)3.6m，松方系數(shù)為實(shí)際出土體積與原狀土體積之比，一般軟土的松方系數(shù)取1.2，泥巖為1.5，對(duì)于本工程渣土，松方系數(shù)取1.3，則掘進(jìn)開挖出土速率Q1max=175m2/h。

水平連續(xù)皮帶機(jī)理論出渣能力Q2max（m3/h）為

式中A——輸送帶承載物料的理論橫截面積，m2；

v2——額定功率下帶速，m/s；

ζ——由于傾斜導(dǎo)致的斷面折損系數(shù)。

輸送帶承載物料的理論橫截面積A應(yīng)根據(jù)輸送帶承載物料的有效寬度b、承載托輥的數(shù)量n、托輥長(zhǎng)度l、托輥槽角θ及物料的動(dòng)堆積角δ等確定。水平輸送時(shí)，輸送帶承載物料的理論橫截面積A應(yīng)按下式計(jì)算。

式中A1——輸送帶承載物料的上部橫截面積，m2；

A2——輸送帶承載物料的下部橫截面積，m2。

對(duì)于3 托輥輸送帶，其承載物料的上、下部橫截面積（圖2）可按下式分別計(jì)算。

圖2 皮帶機(jī)輸送物料的理論橫截面積

式中l(wèi)——承載托輥組中間輥的長(zhǎng)度，m；

θ——托輥槽角，°；

b——輸送帶承載物料的有效寬度，m；

δ——物料的動(dòng)堆積角，與物料的特性、皮帶機(jī)帶速及長(zhǎng)度等有關(guān)，宜比靜堆積角小5°～20°，無動(dòng)堆積角實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，可按物料靜堆積角的50%～75%近似計(jì)算，高帶速、長(zhǎng)距離的帶式輸送機(jī)宜取小值。

輸送帶承載物料的有效寬度b為

當(dāng)B≤2m 時(shí)：b=0.9B-0.05

當(dāng)B>2m 時(shí)：b=B-0.25

其中，B為皮帶帶寬 。

對(duì)于重慶地鐵5 號(hào)線北延伸段工程，采用DSJ-800-2200 型號(hào)皮帶機(jī)，皮帶帶寬B=0.8m<2m，故皮帶機(jī)承載物料的有效寬度b=0.67m。

皮帶機(jī)中間托輥長(zhǎng)度l為0.3m，托輥槽角θ為35°，區(qū)間開挖渣土作為不規(guī)則、顆粒狀或塊狀且流動(dòng)性一般的物料，動(dòng)堆積角δ取20°，則輸送帶承載物料上、下部橫截面積A1、A2分別為A1=0.0221m2，A2=0.0479m2。

由輸送帶承載物料的上、下部橫截面積A1、A2可得輸送帶承載物料的理論橫截面積A為

皮帶機(jī)傾斜段承載物料的上部橫截面積相較水平段承載物料的上部橫截面積要小，因此，在計(jì)算皮帶機(jī)傾斜段理論輸送量時(shí)應(yīng)計(jì)入斷面折損系數(shù)ζ，詳見表2 傾斜輸送機(jī)斷面折減系數(shù)ζ取值表。由于皮帶機(jī)傾斜段的皮帶傾角為10°，故ζ應(yīng)取0.95，實(shí)際工程中，為保證皮帶機(jī)運(yùn)行安全，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)預(yù)留一定的安全儲(chǔ)備，因此，本工程中ζ實(shí)際取值為0.91。

表2 傾斜輸送機(jī)斷面折減系數(shù)ζ取值表

則水平連續(xù)皮帶機(jī)理論出渣能力Q2max為

在進(jìn)行皮帶機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，由于工程的工藝、物料特性等因素，皮帶機(jī)的理論出渣能力存在一定的損失，皮帶機(jī)設(shè)計(jì)出渣能力可按下式計(jì)算。

式中κ——理論輸送量的利用率，取值范圍宜為0.7～1.0，當(dāng)輸送渣土連續(xù)、均勻，可取較大值，當(dāng)輸送渣土量波動(dòng)較大時(shí)，宜取小值。

重慶地鐵5 號(hào)線北延伸段項(xiàng)目皮帶機(jī)運(yùn)輸渣土較不均勻，計(jì)算皮帶機(jī)設(shè)計(jì)出渣能力時(shí)應(yīng)取較小值，本工程中取值為0.8，則皮帶機(jī)設(shè)計(jì)出渣能力

根據(jù)皮帶機(jī)設(shè)計(jì)出渣能力Q3max與開挖出渣能力Q1max的相對(duì)大小可對(duì)皮帶機(jī)出渣能力進(jìn)行校驗(yàn)。若Q3max>Q1max，則皮帶機(jī)設(shè)計(jì)出渣能力大于開挖出土速率，皮帶機(jī)輸送能力滿足開挖出渣要求；若Q3max

根據(jù)上述分析計(jì)算，重慶地鐵5 號(hào)線北延伸段項(xiàng)目皮帶機(jī)設(shè)計(jì)出渣能力458.64m3/h 遠(yuǎn)大于開挖出渣速率175m3/h，即Q3max>>Q1max，故皮帶輸送能力完全滿足開挖出渣要求。

3.2 最大傾角

由于TBM 施工中開挖的石渣表面狀態(tài)具有不確定性，特別是泥質(zhì)砂巖在經(jīng)過刀盤噴水口噴水降塵后往往塑性軟化，細(xì)粒徑和粉狀渣料遇水即成為泥狀，具有較大黏性。為保證物料在皮帶機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)因坡度太大而滑落，要求皮帶傾角能夠滿足物料在皮帶上的切向分力不大于物料與皮帶之間的最大靜摩擦力，即

式中W——物料自身重力；

?——皮帶傾角；

f——皮帶與物料之間的最大摩擦力；

μ——物料與輸送帶之間的摩擦系數(shù)，本項(xiàng)目中摩擦系數(shù)μ取值為0.2；

N——輸送帶對(duì)物料的法向支撐力。

聯(lián)立公式（7)、（8），計(jì)算得到輸送帶的傾角應(yīng)滿足以下條件

根據(jù)上式計(jì)算得到輸送帶的傾角?須不大于11°，在對(duì)輸送帶上物料進(jìn)行受力分析時(shí)，并未考慮水平段物料對(duì)傾斜段物料的支撐作用，使得計(jì)算結(jié)果偏于保守。實(shí)際進(jìn)行皮帶機(jī)線形設(shè)計(jì)時(shí)，取最大坡度為10°。物料在輸送帶上的受力如圖3所示。

圖3 物料受力示意圖

3.3 皮帶類型、帶寬

選用的皮帶需要具有高強(qiáng)度抗撕裂性能且成槽性、耐曲撓性好，適合長(zhǎng)距離大運(yùn)量物料輸送。高強(qiáng)度/輕體化/低伸長(zhǎng)的優(yōu)異質(zhì)量是當(dāng)今世界輸送帶骨架材料的前沿技術(shù)，在保證鋼絲繩特高強(qiáng)度的同時(shí)，需降低繩經(jīng)，增強(qiáng)膠帶耐屈撓性能，并大幅減輕膠帶自重。重慶地鐵五號(hào)線北延伸段項(xiàng)目皮帶如圖4 所示。

圖4 皮帶實(shí)物照片

根據(jù)最大出渣量，可進(jìn)行帶寬選型。目前，連續(xù)皮帶機(jī)的帶速范圍一般在2.5～3.15m/s 之間，不同材質(zhì)、構(gòu)造和質(zhì)量的皮帶其工作帶速范圍有所不同，如采用國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的650mm 帶寬，出渣能力不滿足，若采用鄰近的800mm 帶寬，出渣能力有富余，累積2.2km 的長(zhǎng)度并未增加大量開支。因此，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化組合角度比較選擇帶寬及儲(chǔ)帶長(zhǎng)度，確定項(xiàng)目采用皮帶帶寬為800mm。

3.4 托輥槽角

托輥組主要由托輥與托輥架組成，可使水平連續(xù)皮帶表面形成一個(gè)凹槽狀的渣土運(yùn)輸空間，可滿足干渣或者稀渣狀態(tài)下的渣土水平運(yùn)輸。托輥為免維護(hù)式，為了使其達(dá)到免維護(hù)效果，在其密封上采用了迷宮密封，在軸承座內(nèi)充滿潤(rùn)滑脂。托輥軸頭采用凹槽型，以防脫出。托輥架采用35°槽形托輥架，考慮到TBM 施工現(xiàn)場(chǎng)安裝困難且需要不斷新增機(jī)身，所以可以考慮采用彎頭螺栓將托輥架固定在三角支架上。

4 討論

對(duì)于采用主機(jī)皮帶機(jī)模式出渣的隧道工程，需針對(duì)性考慮以下問題：①主機(jī)皮帶機(jī)輸送能力與掘進(jìn)速度、后配套皮帶機(jī)能力匹配；②主機(jī)皮帶機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)正反轉(zhuǎn)；③出渣量自動(dòng)計(jì)量裝置，并將數(shù)據(jù)上傳至TBM 監(jiān)控平臺(tái)。

針對(duì)以上問題，在以下3 個(gè)方面給出針對(duì)性措施，具體措施如表3 所示。

表3 主機(jī)皮帶機(jī)針對(duì)性措施表

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)重慶地區(qū)山地城市軌道交通大縱坡渣土運(yùn)輸特點(diǎn)，本文介紹水平皮帶機(jī)在隧道內(nèi)的布置形式，研究皮帶機(jī)設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)，包括皮帶機(jī)輸送量、最大傾角、皮帶類型與帶寬、托輥槽角，提出提高山地城市大縱坡水平連續(xù)傳送帶出渣效率的具體工程措施，主要結(jié)論如下。

1）皮帶機(jī)在隧道內(nèi)的布置需滿足：①皮帶支撐架固定在管片上，保證皮帶機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；②支架布置在管片中心線以下，以便于設(shè)備檢修、維護(hù)等作業(yè)；③皮帶機(jī)內(nèi)側(cè)增設(shè)限位滾筒，避免皮帶發(fā)生損傷。

2）為實(shí)現(xiàn)連續(xù)皮帶運(yùn)輸和TBM 掘進(jìn)速度的匹配，需要根據(jù)洞徑及圍巖情況選擇合理的連續(xù)皮帶機(jī)的參數(shù)，主要包括皮帶機(jī)輸送能力、最大傾角、皮帶類型與帶寬、托輥槽角的選擇和計(jì)算。

3）提高水平連續(xù)傳送帶出渣效率的工程措施包括：①選取合適的皮帶機(jī)帶寬；②采用液壓滾筒驅(qū)動(dòng)皮帶，實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和無級(jí)變速；③安裝皮帶渣土稱重和體積掃描系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)出渣量。