廣州地鐵13號線連續(xù)皮帶機節(jié)點轉(zhuǎn)換技術(shù)研究

吳聲宇 尚輝 王敏 郭宏霞 肖斌

（中鐵五局集團電務(wù)工程有限責(zé)任公司）

0 引言

隨著我國隧道建設(shè)的不斷發(fā)展，連續(xù)皮帶機因具有速度快、運量大等特點[1-3]，國內(nèi)主要應(yīng)用在煤礦、TBM長距離隧道施工中。連續(xù)皮帶機是隧道開挖出渣的連續(xù)性物料運輸設(shè)備，能夠較好的適應(yīng)隧道連續(xù)不停機掘進施工。在我國，自遼寧大伙房水庫工程首次引進了連續(xù)皮帶機與連續(xù)出渣系統(tǒng)[4]之后，在大量隧道工程中得以運用。

近些年，隨著連續(xù)皮帶機在地下工程中的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)已有大量學(xué)者從各個方面對連續(xù)皮帶機進行相關(guān)研究。曾文宇[5]通過神華新街煤礦斜井隧道工程項目，對盾構(gòu)法隧道施工采用的連續(xù)皮帶機的關(guān)鍵問題進行了研究，對連續(xù)皮帶機的設(shè)計參數(shù)進行了計算，并對分析了糾偏方案和驅(qū)動方案進行了分析。王可強[6]利用仿真軟件RecurDyn 進行隧道連續(xù)出渣系統(tǒng)進行仿真模擬，分析了連續(xù)皮帶機的皮帶特性，并對皮帶的張力分布形式進行了研究。

隨著地鐵不斷發(fā)展，連續(xù)皮帶機節(jié)點轉(zhuǎn)換問題已成為現(xiàn)有工程避免的問題[7-10]。韓強[11]依托北疆某供水工程,針對隧洞單洞雙機施工,超長距離出渣問題,從洞內(nèi)布置、驅(qū)動功率配置、輔助驅(qū)動與主驅(qū)布置、同步驅(qū)動控制、渣土清掃等方面考慮,設(shè)計皮帶機出渣系統(tǒng)的方案以及對輸送系統(tǒng)進行整體布置,并總結(jié)該系統(tǒng)的出渣和物料運輸相關(guān)技術(shù)措施,其經(jīng)驗可為類似工程出渣系統(tǒng)設(shè)計提供一定的參考。研究以廣州地鐵13 號線二期工程E43盾構(gòu)井-珠村站-E44盾構(gòu)狹小出渣井工程為背景，研究了連續(xù)皮帶機節(jié)點轉(zhuǎn)換技術(shù)，分析了傳統(tǒng)受料裝置與傳統(tǒng)導(dǎo)料槽存在的問題，針對兩者問題提出了改進方案，為盾構(gòu)隧道渣土快速外運提供了更優(yōu)方案，對類似工程具有參考和借鑒價值。

1 工程概況

廣州地鐵13號線二期工程E43盾構(gòu)井～珠村站～E44盾構(gòu)井區(qū)間左線起止里程為：ZCK37+420.6565～ZCK35+611.200，長1809.0885m（其中ZCK37+100.000=ZCK37+100.368 短鏈0.368m）。右線起止里程為：YCK37+400.000～YCK35+611.200，長1788.8m。魚珠站里程為YCK37+400.000（ZCK37+420.6565），9#盾構(gòu)井1 期設(shè)計為盾構(gòu)接收井，因工程需求現(xiàn)改為始發(fā)井，設(shè)計采用明挖法設(shè)置20m 盾構(gòu)井以便進行盾構(gòu)始發(fā)，現(xiàn)因管線遷移問題改為暗挖12m 作為盾構(gòu)始發(fā)導(dǎo)洞進行盾構(gòu)始發(fā)。本區(qū)間在YCK36+165.000 設(shè)置處設(shè)置1#聯(lián)絡(luò)通道兼廢水泵房，YCK36+577.500 設(shè)置2#聯(lián)絡(luò)通道，YCK36+860.000處設(shè)置3#聯(lián)絡(luò)通道。區(qū)間采用盾構(gòu)法施工。

工程左、右線洞內(nèi)各設(shè)置一條水平連續(xù)皮帶機，井口設(shè)置一條左右線轉(zhuǎn)載皮帶機及左線井口設(shè)置一套垂直提升機。洞內(nèi)水平連續(xù)皮帶機主要組成部分為洞內(nèi)水平連續(xù)皮帶、機架、皮帶智能張緊裝置、儲帶倉、硫化平臺機驅(qū)動系統(tǒng)；垂直提升系統(tǒng)主要組成部分為機架、驅(qū)動系統(tǒng)、波紋擋邊式皮帶，如圖1。整套出渣輸送系統(tǒng)共包含4 條皮帶機，分別是左線連續(xù)皮帶機（3.4km）、右線連續(xù)皮帶機（3.4km）、轉(zhuǎn)載皮帶機（10m）和垂直提升皮帶機。

圖1 皮帶運輸出渣系統(tǒng)圖

2 節(jié)點轉(zhuǎn)換接落點分析

在帶式輸送機散料輸送過程中，會因渣土的物理狀態(tài)變化、硬件設(shè)施精度誤差、輸送參數(shù)的變化等諸多原因，會導(dǎo)致上一級水平運輸?shù)膸捷斔蜋C向垂直帶式輸送機卸載、轉(zhuǎn)運物料無法準(zhǔn)確集中滑落本級皮帶運輸槽中間位置，從而造成輸送帶偏載運行，皮帶偏向，渣土掉落，運載量減少等不良問題，嚴(yán)重時還會因跑偏而引起輸送帶被金屬部件劃傷甚至撕裂，嚴(yán)重影響運輸效率和施工安全。管狀帶式輸送機，發(fā)生偏載后，其對正常施工影響更為嚴(yán)重，若運輸皮帶發(fā)生翻轉(zhuǎn)引發(fā)的潛在隱患更大。

皮帶機在裝換過程中巖碴落點是重要的研究內(nèi)容，為保證皮帶機連續(xù)共工作，巖碴在經(jīng)過漏斗后必須確保落點在皮帶中心位置，且?guī)r碴均勻的分布在皮帶機中心位置。皮帶機運轉(zhuǎn)過程中巖碴以圖中線進行落點。為防止皮帶機跑偏，必須保證導(dǎo)料槽的位置準(zhǔn)確，并控制料斗的位置關(guān)系。防止因巖渣落點不正導(dǎo)致的皮帶機跑偏。

3 節(jié)點轉(zhuǎn)換設(shè)備及技術(shù)優(yōu)化

3.1 傳統(tǒng)受料裝置存在的問題

帶式機運輸是長距隧洞開挖剝離物體向外運輸?shù)闹匾O(shè)備，進行長運距輸送機運輸時，通常加裝多組緩沖托輥，但其存在維護成本高、使用壽命短、安全能較差，對物料的轉(zhuǎn)載運輸起到了不利影響。具體問題如下：

3.1.1使用壽命短、成本高

開展體驗式學(xué)習(xí)時借助網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)一個虛擬的學(xué)習(xí)情境，讓學(xué)生在虛擬現(xiàn)實中去體驗、感悟，從而調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。如在學(xué)習(xí)《生活和生產(chǎn)中的流程》中“時序”概念時，為了讓學(xué)生更加深刻理解時序有可顛倒和不可顛倒之分，教師借助網(wǎng)絡(luò)中的“3D拆積木”小游戲，讓學(xué)生借助手機分小組嘗試拆解1-2個的積木，并與大家分享游戲心得。這時，學(xué)生在輕松的體驗中理解概念，積極參與率明顯提高，這是傳統(tǒng)的說教所不能比擬的。

在隧道渣土運輸過程中，運輸皮帶下部配置的緩沖托輥受料裝置成本在整套設(shè)備中占比較高，且緩沖托輥使用壽命一般為1 個月。緩沖托輥間連接鐵片受到較大沖擊力，容易造成緩沖托輥被砸斷，會造成經(jīng)常性的性連接固定工作，受空間和設(shè)備構(gòu)造限制更換新緩沖托輥很不方便，工人的操作復(fù)雜、勞動強度加大，頻繁更換會嚴(yán)重影響隧道施工效率。

3.1.2沖擊張力大

緩沖托輥之間的輸送帶既受到滾筒牽引力又受到物料在自重作用及運輸慣性作用下的沖擊張力，因皮帶運輸時要求速度較高，承接皮帶會受到?jīng)_擊力較大，因此易損壞接頭和輸送帶，并會引發(fā)輸送機架子的金屬結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲形變；此外，運輸物體沖擊輸送帶時往往會引發(fā)輸送設(shè)備震動，當(dāng)振幅過大時，易造成托輥跳出托輥槽脫離掉落。

3.1.3輸送帶撕裂風(fēng)險

相鄰兩組托輥由于是剛性體，無法實現(xiàn)輸送帶中間部位連接，因此輸送帶中間部位處于懸空狀態(tài)，當(dāng)輸送帶運行中受到尖銳礦渣沖擊，極有可能刺入輸送帶造成輸送帶撕裂，影響施工效率及安全。

3.2 緩沖耐磨緩沖床改進

緩沖耐磨床安裝在帶式輸送機的機尾處，運送皮帶緩沖床，如圖2。皮帶運輸系統(tǒng)的緩沖床可以替代緩沖托輥，緩沖床主要由緩沖條和支架組建構(gòu)成，緩沖條用彈性性能較好的橡膠層制作，該機構(gòu)可提供了物料緩沖空間，可充分吸收物料下落時的沖擊力，降低輸送帶承受的沖擊，改善物料下落接觸點的受力狀況。采用高分子聚乙烯表面以便于使緩沖條與輸送帶的摩擦系數(shù)得以降低，該材料耐磨性能較好，使用壽命長。緩沖床的使用創(chuàng)造了輸送帶的面與面的接觸的條件，致使輸送帶面上個點受力均勻，規(guī)避了托輥斷裂、脫落造成皮帶撕裂的風(fēng)險，降低了皮帶被尖銳物料擊穿的概率。

圖2 運送皮帶緩沖床

⑴緩沖滑條表面使用高分子聚合物復(fù)合材料，該材料具有高耐磨性、高抗沖擊韌性、摩擦系數(shù)低，同時還具備自潤滑性能，不易對輸送帶接頭造成損害，采用特種橡膠材料制成的緩沖條中間連接部，可通過橡膠拉伸性能好的優(yōu)勢，有效吸收物料下落時的沖擊能量。

⑵采用連續(xù)支撐工作方式，輸送帶受到物料下落引起的巨大沖擊時，沖擊能會被橡膠緩沖滑條的緩沖層削弱。此外，支撐結(jié)構(gòu)硬采用高強度的金屬骨架以抵抗大裝載量的沖擊引發(fā)的結(jié)構(gòu)變形。

⑷梯形半封閉的槽形結(jié)構(gòu)，輸送帶在受到橫向傾斜物料沖擊時滑槽阻擋不會變形伸長，對于預(yù)防輸送帶在運行過程中皮帶跑偏具有積極效果。

3.3 傳統(tǒng)導(dǎo)料槽問題

為了提升運輸帶使用壽命，對工程中失效的運輸帶數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析，分析發(fā)現(xiàn)約80%的損毀是因?qū)Я线\輸帶與槽擋板之間磨損造成。想要延長運輸帶壽命，對導(dǎo)料槽擋板的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化成為問題解決的關(guān)鍵。

導(dǎo)料槽擋板具有對物料起到導(dǎo)料，給物料一個正確的傳輸方向；密封，避免物料溢出，兩個重要作用。傳統(tǒng)的導(dǎo)料槽需要通過運輸帶與擋板之間的相互壓力，實現(xiàn)導(dǎo)料、密封的雙重作用。受制于此，在保證一定壓力作用下，必然會導(dǎo)致導(dǎo)料槽結(jié)構(gòu)上會產(chǎn)生多余的負(fù)荷，運輸帶受到的摩擦力也會隨之增大。

運輸過程中運輸帶承受的外力為：①清掃器、卸料器等固定部件對支撐運輸帶來的阻力；②巖渣和運輸帶的摩擦力；③導(dǎo)料槽摩擦阻力；④巖渣提升所需要的阻尼。通過分析可知導(dǎo)料槽的清掃器、摩擦阻力以及卸料器等固定部件對支撐運輸帶來的阻力非常小，可是為不必要阻力，進行忽略。巖渣提升所需要的阻尼、運輸帶和出物料摩擦力相交上述壓力要大的多，是必須要克服的必要阻力；導(dǎo)料槽的擋板選擇為橡膠料材料，其小變形彈性理論為：

式（1）中：P為輸送到承受的壓力，單位Pa；K為輸送帶體積壓縮模量，單位GPa；V0為壓力初始體積，單位m3；ΔV為橡膠材料收縮體積，單位m3。

橡膠類材料較軟，因此其體積壓縮模量很高，導(dǎo)料槽攔板出現(xiàn)輕微變形會誘發(fā)幾乎接近的阻力，對運輸皮帶產(chǎn)生磨損減小起到良好效果。

3.4 導(dǎo)料槽改進優(yōu)化

針對上述傳統(tǒng)導(dǎo)料存在的問題的分析，進行導(dǎo)料槽擋板優(yōu)化設(shè)計，可利用軟橡膠材料制作擋板結(jié)構(gòu)。通過將原來擋板與輸送帶之間的材質(zhì)進行優(yōu)化，分別設(shè)置了導(dǎo)料裝置和密封裝置，可有效減小兩者接觸的摩擦力，也可以設(shè)置小滾輪，滾動摩擦對于減小摩擦同樣可發(fā)揮積極的效果。

導(dǎo)料槽主要由前壓板、后擋板、壓緊件、支腿、襯板、側(cè)板等組成。導(dǎo)料槽安裝在帶式輸送機的受料處，以保證漏斗下落的輸送物在達到帶速之前輸送帶縱向中間部位，約束物料不往外撒落。對改造后的導(dǎo)料槽進行受力優(yōu)化分析：假設(shè)欄板長度為l，運輸皮帶厚度為h，運輸帶變形內(nèi)徑為r，運輸帶變形處夾角為α，可求得變形狀態(tài)V′體積：

然而改造后擋板軟質(zhì)密封材料，質(zhì)地很輕，經(jīng)計算壓力初始體積增大1/10，橡膠材料收縮體積收縮減小1/4 左右，有設(shè)備上設(shè)置的滾軸作用，摩擦系數(shù)也由改進前的滑動摩擦系數(shù)變?yōu)闈L動摩擦系數(shù)，其減小效果更為明顯，經(jīng)現(xiàn)場測定起摩擦系數(shù)由原來的0.63 減小為0.082，摩擦力平均減小1/15 導(dǎo)料槽對運輸帶的摩擦力得到減少。該導(dǎo)料槽在實際工程運用過程中相比傳統(tǒng)料槽，有效減輕了對運輸帶及擋板的磨損，運輸帶的更換頻率也得以大大較少，提高了運輸帶的服務(wù)壽命；施工效率得以提高，經(jīng)濟性得以增強。

4 結(jié)論

本文以廣州地鐵13號線二期工程E43盾構(gòu)井-珠村站-E44 盾構(gòu)狹小出渣井工程為背景，研究了廣州地鐵13 號線連續(xù)皮帶機節(jié)點轉(zhuǎn)換技術(shù)，分析了傳統(tǒng)受料裝置與傳統(tǒng)導(dǎo)料槽存在的問題等，研究可得以下結(jié)論：

⑴帶式機運輸采用加裝多組緩沖托輥的方式，但其存在維護成本高、使用壽命短、安全能較差，對物料的轉(zhuǎn)載運輸起到了不利影響。

⑵設(shè)計改進采用緩沖條用彈性性能較好的橡膠層制作，該機構(gòu)可提供了物料緩沖空間，可充分吸收物料下落時的沖擊力，降低輸送帶承受的沖擊，改善物料下落接觸點的受力狀況。

⑶針對上述傳統(tǒng)導(dǎo)料存在的問題的分析，進行導(dǎo)料槽擋板優(yōu)化設(shè)計，利用軟橡膠材料制作擋板結(jié)構(gòu)。分別設(shè)置了導(dǎo)料裝置和密封裝置，可有效減小兩者接觸的摩擦力，也可以設(shè)置小滾輪，滾動摩擦對于減小摩擦同樣可發(fā)揮積極的效果。