長距離輸水隧洞單洞雙機TBM皮帶機出渣系統(tǒng)設計

韓 強

（新疆額爾齊斯河投資開發(fā)（集團）有限公司,新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

北疆某供水工程由5 條隧洞組成,總長140.771 km,平均埋深207 m,最大埋深720 m,為無壓輸水隧洞。洞身主要穿越地層巖性為華力西晚期變質黑云母花崗巖、泥盆系黑云母片麻巖、石炭系凝灰質砂巖、奧陶系黑云母片麻巖,均為中硬～堅硬巖。本標段樁號29+187～72+940,線路長43.753 km。該隧洞主要采用TBM2 與TBM3-1 兩臺TBM 設備開挖施工。單洞雙機施工方案,即一個支洞進入主洞,左右兩側各采用一臺TBM 掘進機施工。其中TBM2 是連續(xù)掘進超過15.15 km,TBM3-1 掘進11.8 km。

TBM 施工過程中,出渣系統(tǒng)設計對施工效率起著至關重要的作用。在TBM 施工出渣設計中,通常采用較多的三種方式是無軌運輸、有軌運輸以及連續(xù)皮帶運輸。針對隧洞不同的施工條件,合理的采用施工出渣方式至關重要。連續(xù)皮帶出渣方式相比較其它兩種方式需要著重考慮支洞斷面空間布置。合理的皮帶機出渣方案具有高出渣效率、低機器故障率、低隧洞污染及低成本等優(yōu)點[1-2]。

針對隧洞工程超長距離的施工,由于“單洞雙機”隧洞布置條件有限,只能采用一條支洞皮帶機運輸兩臺TBM 渣土。若要提高出渣系統(tǒng)的運輸效率,就需要從驅動功率配置、輔助驅動與主驅布置、同步驅動控制、洞內布置、渣土清掃等方面著手,同時要考慮施工效率、成本、可靠性等綜合評判指標,滿足TBM 主機布置的要求,最終可實現(xiàn)隧洞內物料高效運輸。因此,開展對單洞雙機TBM 皮帶機出渣系統(tǒng)設計研究極為重要。

2 皮帶機出渣系統(tǒng)方案設計

根據(jù)本工程的作業(yè)需求及施工條件,4#支洞、主洞鉆爆段、出口鉆爆段出渣采用無軌運輸,材料運輸也采用無軌運輸。主洞TBM 施工出渣采用皮帶機出渣方式,轉渣皮帶設置在支洞與主洞交叉處,臨時轉渣場設置在支洞口處,自卸車無軌運輸至棄渣場。主洞施工材料采用有軌運輸方式,支洞采用無軌運輸,轉料平臺則設置在支洞與主洞交叉處。

交通規(guī)劃平面布置見圖1,支洞與主洞交叉轉渣皮帶布置圖見2。

圖1 洞內交通規(guī)劃平面布置圖

TBM 掘進分為兩個階段,皮帶機出渣系統(tǒng)的布局設計也分兩個階段。

圖2 支洞與主洞交叉轉渣皮帶布置圖

第一階段：TBM2 與TBM3-1 掘進施工階段。其中TBM2掘進15.15 km,連續(xù)皮帶機出渣長度15500 m（15150 m 掘進段+350 m 始發(fā)安裝段）；TBM3-1 掘進11.8 km,連續(xù)皮帶機出渣長度12160 m（11800 m 掘進段+360 m 始發(fā)安裝段）。在主洞的一側布置連續(xù)皮帶機,在支洞與主洞交叉口設置轉渣點,在3#支洞設置約2.5 km 支洞皮帶機,支洞洞口設置臨時棄渣場。最終由自卸車將渣石運至棄渣場,第一階段的出渣任務完成。

第二階段：TBM3-2 由檢修間步進到始發(fā)洞,掘進施工開始。TBM3-1 的皮帶機等設備由第一階段轉場到通過洞,并在4#支洞安裝支洞皮帶機。TBM3-2 掘進11.75 km,連續(xù)皮帶機出渣長度13090 m（11750 m 掘進段+1340 m 始發(fā)安裝段及爆破段）。轉渣點布置在4#支洞與主洞的交叉口處,支洞皮帶機長度約1.2 km。臨時棄渣場布置于支洞口,并由自卸車轉運。最終將渣石運至棄渣場,第二階段的出渣任務完成。

3 皮帶機輸送系統(tǒng)設計

3.1 皮帶機輸送系統(tǒng)整體布置

根據(jù)本工程項目的特點及布局情況,為完成TBM 的掘進出渣任務,本項目設計采用兩套連續(xù)皮帶機和兩套支洞皮帶[3-5]。

洞內連續(xù)皮帶機的張緊裝置為變頻控制的卷揚機形式,需設置在皮帶倉附近；皮帶倉設置在支洞與主洞交叉點附近,長寬高約為87 m×2.4 m×3 m,為8 層布置方式,儲存能力500 m；皮帶硫化臺設置在皮帶倉后方約20 m 處。支洞皮帶機的張緊裝置設置在驅動站附近,為卷揚機+張緊小車的形式,皮帶硫化平臺布置在洞外,距驅動站約20 m 處。

由于TBM 主機上的出渣皮帶設計在主機的左側,因此主洞內連續(xù)皮帶機及轉渣支洞皮帶機位于隧洞中部右側,為懸掛式布置方式。本工程項目皮帶機系統(tǒng)的空間布置合理,可以滿足TBM 機器及其他項目的正常施工運行。

3.2 TBM2、TBM3-1 段皮帶布置

TBM2、TBM3-1 段連續(xù)皮帶機儲存?zhèn)}、皮帶張緊系統(tǒng)和皮帶機主驅動系統(tǒng)分別布置在組裝洞室、后配套洞室,在儲存?zhèn)}后部和皮帶倉前方分別布置主驅動系統(tǒng)與皮帶張緊系。主洞支洞交叉口布置連續(xù)皮帶機與支洞皮帶轉渣處。TBM2、TBM3-1 段皮帶機布置見圖3。

圖3 TBM2、TBM3-1 段皮帶機布置示意圖

連續(xù)皮帶機卸渣,需將尾端皮帶架底部高度抬升才能滿足支洞皮帶機布置要求。連續(xù)皮帶機自主驅動系統(tǒng)后部根據(jù)設計要求需要逐步抬升,皮帶運輸高度從3 m 提升到6 m～8 m,以方便工程渣土的有效運輸。

3.3 TBM3-2 段皮帶布置

TBM3-2 段連續(xù)皮帶與支洞皮帶轉渣處布置在4#支洞與通過洞段交匯處,在通過洞內合理布置了皮帶張緊系統(tǒng)、皮帶儲存?zhèn)}和皮帶驅動裝置。為符合支洞皮帶機接渣需要,連續(xù)皮帶從驅動裝置后部開始抬升。TBM3-2 段皮帶機布置見圖4。

圖4 TBM3-2 段皮帶機布置示意圖

支洞皮帶機布置在4#支洞左側（進洞方向為前方）,皮帶機需要保持順直布置,皮帶機相對支洞底面的高差,將根據(jù)施工圖設計制定詳細的布置方案。

3.4 皮帶輸送系統(tǒng)的性能要求

根據(jù)本工程項目TBM 皮帶機出渣系統(tǒng)布置,合理選擇TBM 長距離施工條件下的品牌產品,如馬蒂、雷伊、羅賓斯、鐵建重工、上?？拼笾毓ぜ瘓F或等同品牌,關鍵部件和設備是在皮帶輸送機行業(yè)中廣泛成熟應用的規(guī)格[6-7]。

（1）TBM 皮帶機輸送系統(tǒng)能夠滿足長時間工作的要求。本標段皮帶輸送系統(tǒng)設置多級皮帶,在施工期間,皮帶要避免出現(xiàn)故障,否者將會降低輸送效率,嚴重阻礙施工進度。

（2）皮帶輸送系統(tǒng)應滿足最高掘進速度的需要,同時具有一定的余量,遭遇圍巖坍塌、出渣量急劇增加時皮帶機不會經常因超載停機。

（3）TBM 兩個掘進段有共用一套皮帶機系統(tǒng)的情況,各級皮帶機長度滿足兩個階段施工時出渣要求。

（4）皮帶機出渣系統(tǒng)能與掘進機控制系統(tǒng)互相連接、接口匹配、程序兼容,具有控制室遠程控制功能和安全連鎖功能。

（5）連續(xù)皮帶機、支洞皮帶機的相關配件需要一致,便于皮帶機維修和保養(yǎng)。

（6）連續(xù)皮帶機和支洞皮帶機驅動系統(tǒng)能夠根據(jù)載荷自動調整輸出功率。

（7）張緊裝置可根據(jù)皮帶載荷實時調整張緊力,保持皮帶始終處于最佳張緊狀態(tài),及時調整皮帶機剛啟動時的張緊力。

（8）驅動裝置、張緊裝置的壽命必須滿足20 km 掘進的需要。

（9）皮帶儲存機構應該在不影響皮帶正常運行的同時盡量擴大儲存容量,以擴大掘進機連續(xù)掘進的長度。連續(xù)皮帶機皮帶儲存機構有效儲存能力應不小于500 m。

（10）皮帶耐磨性能可靠,能夠滿足物料運輸需要。

（11）采用先進的硫化設備、材料與工藝,既能夠保證接頭質量,又利于節(jié)省時間。

（12）托滾與滾筒質量可靠,始終保持良好的潤滑,如有損壞,維修更換簡便。

（13）連續(xù)皮帶機要與TBM 能夠很好協(xié)同工作,便于出渣及皮帶架延伸。

（14）支洞皮帶輸送系統(tǒng)應具有防止石渣在皮帶上滾落。

（15）皮帶輸送系統(tǒng)應具有分級自鎖的功能,任何一條皮帶出現(xiàn)問題停止運轉時,其前一級的皮帶都須立即自動停機。

（16）各級皮帶機都需要設置急停開關,便于有突發(fā)情況時及時停止所有皮帶機運轉,包括TBM 掘進機皮帶。支洞固定皮帶機具有防止皮帶反轉的措施。

（17）各級皮帶的運轉由PLC 系統(tǒng)控制啟動和停止的先后順序及時間間隔。

（18）皮帶機出渣系統(tǒng)應具有調速、調向、自動清理、刮渣、防跑偏和耐磨等功能。

4 皮帶機出渣與物料運輸

4.1 皮帶機出渣技術措施

（1）支洞坡度大,而且有500 m 的轉彎,同時支洞皮帶機要承擔兩臺TBM 出渣,主洞連續(xù)皮帶機最大輸送距離長15500 m,無論從設計選型還是后期使用維護都是關鍵點。為此,連續(xù)皮帶機采購選擇全新產品,并選用在TBM 長距離施工中有應用業(yè)績的國內、國際知名品牌,如馬蒂、雷依、羅賓斯或同等品牌。初步考慮選用馬蒂作為皮帶機供應商（計算說明、應用業(yè)績見本投標文件第八章第四節(jié)）,最終通過招標程序進行確定。

（2）皮帶機出渣能力能夠滿足工程項目最大出渣要求。

（3）施工中加強維護保養(yǎng),確保皮帶機出渣系統(tǒng)的正常運行。

（4）轉彎段設置防跑偏的托輥、限位輪等,防止皮帶跑偏；采用45°大槽角托輥組,增大的側托輥槽角給膠帶以較大的指向皮帶機中心線方向的壓力,可以有效地限制膠帶沿此方向的左右漂移,有效地防止膠帶的跑偏；采用自動糾偏托輥組,將糾偏力作用到跑偏的膠帶之上,使膠帶恢復到正常位置；設置花盆式擋輥,利用擋輥對膠帶邊緣的作用力,使之恢復到正常位置。

4.2 物料運輸技術措施

（1）軌道采用單線布置,每隔4 km 設置一個會車道岔。

（2）TBM 尾部設置加利福尼亞道岔,便于TBM 區(qū)域機車調度。

（3）軌道鋪設質量需要保障機車運行速度及安全性。

（4）加強線路的維護保養(yǎng),安排專人巡查軌道,定期緊固軌道螺栓。

（5）牽引機車選擇國際知名廠家的高性能隧洞內燃牽引機車,適合在洞內長期連續(xù)運轉；柴油機排放標準不低于歐III,減少洞內空氣污染,數(shù)量配置充足；初步選擇德國小馬機車,最終通過招標程序進行確定。

（6）機車配置安全運行裝置,包括防瞌睡裝置、前后大燈、閃燈、攝像頭,操作人員培訓后,持證上崗。

（7）調度員選擇經驗豐富、熟悉本段TBM施工運輸特點、思路清晰、工作責任心強、組織能力強的人員擔任。所有運輸參與人員必須聽從調度員指揮,調度員要聽取相關人員正確的建議。

（8）加強設備維修人員的工作責任心,選取經驗豐富、技術水平高、組織能力強的人員擔任維修主管,配備充足的合格維修人員[8-10]。

5 結語

本文以北疆某供水項目為背景,針對工程隧洞超長距離施工和“單洞雙機”隧洞布置條件有限等問題,設計了一種“單洞雙機”TBM 設備長距離皮帶機出渣系統(tǒng),該系統(tǒng)布置不影響其它項目的布局、安裝施工和正常運行,滿足TBM 主機布置要求,并綜合考慮了施工效率、成本、可靠性,實現(xiàn)了快速、安全延伸、自動糾偏、高效皮帶硫化,可有效提高長距離輸水隧洞物料的運輸效率。