長距離大埋深盾構(gòu)隧道施工高效出渣施工技術

謝 強，魏國武，王 亞，劉 暢，馬曉斌

（1、中國水利水電第七工程局有限公司 成都 610000；2、中國水利水電第七工程局成都水電建設工程有限公司 成都 611100；3、西南交通大學 成都 610081）

0 引言

近年來，盾構(gòu)法在交通運輸隧道領域中得到廣泛運用，合理的渣土運輸處理技術是盾構(gòu)施工過程中的重要問題［1］。目前與盾構(gòu)施工相配套的輸渣方式主要兩種：機車+龍門吊輸渣和皮帶機輸渣。機車+龍門吊輸渣方式是盾構(gòu)法施工的主要輸渣方式，有著成熟的工藝和設備，至今依然被廣泛使用。隨著國內(nèi)盾構(gòu)隧道的快速發(fā)展，大埋深、長距離、大直徑的盾構(gòu)隧道逐漸增多［2］，傳統(tǒng)的機車+龍門吊輸渣方式不僅滿足不了盾構(gòu)隧道連續(xù)快速施工的需求［3］，還具有很大的安全隱患［4］。因此，探討一種高效、經(jīng)濟且安全的出渣方式成為了國內(nèi)外工程領域研究的熱點。

皮帶機輸渣方式具有連續(xù)高效運輸渣土的特點，在煤礦、建材、冶金等諸多領域都有著廣泛的應用［5］，隨著盾構(gòu)施工技術的進步，皮帶機出渣方式也相繼被應用于國內(nèi)外的盾構(gòu)隧洞施工中［5］。云強［6］、張萬照［7］等人分別介紹了皮帶機出渣方式在廣州地鐵、北京地鐵的應用情況；安宏斌［5］、張彬彬［8］等人以以色列特拉維夫紅線輕軌工程為背景，敘述了連續(xù)皮帶機與垂直皮帶機在長距離、大坡度以及小轉(zhuǎn)彎半徑隧道中應用的工藝流程及使用方法。合理的皮帶機出渣方案不僅可以提高出渣效率，還可以降低施工污染與成本［9］。

1 工程概況

珠江三角洲水資源配置工程某土建標段設計為雙線輸水，長約7.6 km，包括輸水隧洞及線路上的工作井等主要建筑物。其中盾構(gòu)施工包括兩個區(qū)間，施工距離分別為2 667 m 與2 921 m，埋深40～60 m，采用土壓平衡盾構(gòu)機掘進施工。區(qū)間隧道土壓盾構(gòu)具有長距離掘進、局部高水壓，深基坑、長距離出渣等特點。當掘進線路過長時，采取單線行車方式直接影響盾構(gòu)掘進整體工效。

2 技術原理及工藝流程

長距離大埋深盾構(gòu)施工技術采用連續(xù)皮帶機、垂直皮帶機、溜槽、集料皮帶機組合，實現(xiàn)渣土連續(xù)不斷的輸送。

連續(xù)皮帶輸送機是一種專用設備，用于連續(xù)、高效地輸送散狀物料。它的工作原理基于驅(qū)動滾筒和輸送帶的閉環(huán)運動，通過不斷移動的輸送帶將物料從起始端輸送至卸料端。這種輸送機的設計使得機尾滾筒與驅(qū)動滾筒之間的距離逐漸增大，確保物料的平穩(wěn)運輸。垂直皮帶輸送機則采用了不同的結(jié)構(gòu)。它使用平形橡膠運輸帶，兩側(cè)粘有可自由伸縮的橡膠波形立式裙邊，并在裙邊之間粘有強度和彈性適中的橫隔板，形成匣形斗。這種結(jié)構(gòu)允許物料在斗中連續(xù)輸送，有效避免了物料溢出或堆積的問題。

長距離大深埋盾構(gòu)隧道掘進高效出渣施工工藝流程如圖1所示。

圖1 施工工藝流程Fig.1 Construction Process Flow

3 操作要點

3.1 技術準備

3.1.1 施工測量準備

施工前需采用全站儀對建筑物主軸線、皮帶機以及設備安裝的中心基準點進行測量定位，此外還需測量設備基礎的外形尺寸、標高、坑深、地腳螺栓預留孔徑及其中心是否達到《機械設備安裝工程施工及驗收通用規(guī)范：GB 50231—2009》要求。

3.1.2 盾構(gòu)機停機的準備

因皮帶機安裝過程中，受到盾構(gòu)掘進、吊裝、管片運輸?shù)冉徊孀鳂I(yè)的影響。為了確保施工人員安全以及皮帶機安裝高效有序的進行，在安裝皮帶機時盾構(gòu)需停機。為了確保盾構(gòu)土倉壓力正常、掌子面穩(wěn)定以及盾構(gòu)姿態(tài)正常，需采取保壓措施維持土倉壓力穩(wěn)定，并保證盾尾安全，防止盾尾漿液凝固和盾尾涌水，加強監(jiān)控量測。

3.2 連續(xù)皮帶機安裝施工

連續(xù)皮帶機安裝工藝流程如下：施工準備?設備基礎檢查驗收?標注中心標點和標高點?安裝拖車機尾?安裝儲帶倉?安裝連續(xù)皮帶機頭?安裝連續(xù)皮帶機身?安裝井口機尾?安裝電氣系統(tǒng)?安裝皮帶機托輥?安裝皮帶機膠帶?硫化接頭?調(diào)整?整機試車。

3.2.1 拖車機尾組裝

機尾滾筒先與拖車尾部進行預裝，對照圖紙尺寸無誤后，底座與拖車完全焊接，隨后，按照圖紙要求安裝支腿、中間架、緩沖床、導料槽等部件，尺寸核實無誤后，將支腿與拖車焊接。

3.2.2 儲帶倉安裝

將儲帶倉按照圖紙尺寸要求安裝到位，使用龍門吊依次將儲帶倉的鋼結(jié)構(gòu)支架放置于機車編組上，并運輸至洞內(nèi)儲帶倉布置位置，將鋼結(jié)構(gòu)支架依次通過吊具吊裝固定至隧道管片內(nèi)壁的預埋螺栓上，確保儲帶倉結(jié)構(gòu)牢固；將張緊裝置放入儲帶倉框架的內(nèi)側(cè)，并放置儲帶倉框架的底部。儲帶倉向正常機身過渡有一部分為需要安裝在洞壁上的三角架、上下托輥組等。

3.2.3 連續(xù)皮帶機機頭安裝

⑴放帶裝置：將放帶裝置的軌道安裝到位，固定后將放帶裝置放置在軌道上。

將硫化平臺安裝到位。并將驅(qū)動滾筒和驅(qū)動滾筒架（地面進行預裝）安裝到位，固定后再將驅(qū)動裝置（地面進行預裝）與滾筒傳動軸連接。核實尺寸無誤后固定驅(qū)動裝置。將支撐平臺以及走廊的支腿安裝固定，然后將平臺和走廊安裝到支腿上面，焊接支腿與平臺、走廊，最后安裝防護用的護欄、扶梯、斜梯。

⑵傳動滾筒：首先應對傳動機架、底架等裝置進行安裝定位并調(diào)整其位置，然后安裝滾筒并調(diào)整其位置；將驅(qū)動裝置與傳動滾筒組裝，通過浮動支撐與傳動機架相連。

⑶驅(qū)動裝置：裝置安裝如圖2?所示，在安裝時，應保證電機、聯(lián)軸器、減速器三者軸線的同軸度誤差小于0.1 mm；聯(lián)軸器端面跳動0.1 mm，轉(zhuǎn)動要靈活；驅(qū)動裝置整體安裝時，先將傳動滾筒吊起，使減速器輸出軸孔定位止口與傳動滾筒軸定位止口對準，將滾筒輸出軸與減速器空心軸對接；然后安裝浮動支撐，將傳動裝置鉸接座銷孔與支撐軸銷孔對準，穿上銷軸，將驅(qū)動裝置緩慢放下，調(diào)整，安裝完畢。

圖2 驅(qū)動與卸載裝置Fig.2 Drive Unit and Unloading Device

⑷機頭傳動、卸載裝置：安裝過程同傳動滾筒，卸載裝置整體如圖2?所示。

3.2.4 安裝連續(xù)皮帶機身

機身部分包括門式框架、上下托輥組、中間架、支撐座、連接座、三角支撐，如圖3所示。

圖3 機身段安裝Fig.3 Fuselage Segment Installation

⑴已開挖隧洞內(nèi)機身的安裝機身安裝嚴格按安裝要求進行找正、找平，從機頭開始向后順序安裝固定支撐座、中間架、下托輥組及上托輥組。

⑵拖車上機身安裝前事先在洞壁上固定好支撐座，隨著拖車的前移，順序安裝中間架、上托輥組、下托輥組。

⑶根據(jù)現(xiàn)場情況，先將支撐座用螺栓與管片內(nèi)套管連接，然后才能順序安裝中間架-上托輥組-下托輥組。

3.2.5 井口機尾段安裝

皮帶機井口機尾段的安裝按照圖紙尺寸確定中心線位置，按照中心線進行機尾螺旋張緊裝置及接料裝置的安裝，并用錨栓進行固定，或與底板預埋鋼板焊接固定。

3.2.6 電氣系統(tǒng)安裝

在盾構(gòu)機完成步進前，將機尾PLC 控制分站固定安裝在末端拖車上，低壓出線側(cè)變頻柜的出線連接至機尾的驅(qū)動電機、變電站低壓柜引出AC220電源至機尾PLC 控制分站；將機尾控制分站與盾構(gòu)機操作室觸摸屏用光纖連接。

⑴待驅(qū)機頭驅(qū)動部安裝完成后，連接變頻柜至驅(qū)動部電機以及散熱風機之間的動力電纜連線和變頻器與PLC 控制柜之間的控制電纜連接，若現(xiàn)場地基基礎滿足電機轉(zhuǎn)動條件，可先進行變頻器的初步調(diào)試工作。

⑵待變頻自動張緊裝置電控布置安裝完成后，連接變頻自動張緊控制箱與PLC控制柜之間的控制電纜。

⑶待皮帶機機尾部安裝完成后，可將機尾PLC控制分站與固定于拖車上機尾的皮帶機保護傳感器安裝并連接。

⑷待機頭至機尾沿途皮帶機安裝完成，將皮帶機各個保護和通訊系統(tǒng)安裝固定并將控制電纜連接至PLC 控制柜，將通訊用光纖沿途布置至機尾并進行熱熔連接。

3.2.7 安裝托輥、皮帶機膠帶

安裝上下托輥組，將膠帶鋪設于已安裝好的機頭部分，隧道內(nèi)膠帶用牽引車通過鋼絲繩向機頭方向拉伸膠帶，每100 m拉伸一次，直至將隧道內(nèi)所需膠帶鋪設完成。儲帶倉膠帶的纏繞用機車編組進行膠帶鋪設，直至將儲帶倉內(nèi)的膠帶拉滿為止。

3.2.8 硫化接頭

在硫化平臺上進行水平帶與垂直帶硫化接頭，如圖4所示。

圖4 皮帶接頭硫化Fig.4 Vulcanization of Belt Joints

3.2.9 調(diào)整

⑴機頭傳動部分

在安裝連續(xù)皮帶輸送機的機頭傳動部分時，需要特別注意滾筒的安裝和調(diào)整。首先，要檢查滾筒的安裝是否符合標準要求。然后，調(diào)整卸載滾筒與輸送機中心線的垂直度，以及與傳動滾筒的平行度。調(diào)整傳動滾筒的方法是通過調(diào)整螺絲進行，可以使用墊片、調(diào)節(jié)螺釘?shù)确绞絹碚{(diào)整滾筒的位置。為了確保滾筒軸線與中心線符合要求，安裝過程中需注意以下參數(shù)：滾筒軸線與水平面的平行度、滾筒軸線對輸送機機架中心線的垂直度、筒中心線對輸送機機架中心線的對稱度以及兩個傳動滾筒軸線的平行度。此外，對于采用脹套的傳動滾筒和改向滾筒，安裝使用后應定期進行檢查，包括檢查每個螺釘?shù)逆i緊力矩是否符合要求。這些步驟和要求的目的是確保連續(xù)皮帶輸送機能夠穩(wěn)定運行并高效地輸送物料。

⑵儲帶部分

安裝完畢后，需根據(jù)膠帶的運行情況，調(diào)整滾筒軸座，使膠帶不跑偏。

⑶膠帶張緊

為確保帶式輸送機的正常運轉(zhuǎn)，必須對輸送帶的初張力進行調(diào)整。調(diào)整的目標是滿足滾筒不打滑和膠帶的垂度條件，同時避免過大或過小的張力對輸送帶造成損壞或打滑。這樣可以保證輸送帶在工作中穩(wěn)定、可靠地傳遞物料。

⑷機身

①通過調(diào)整中間架支腿，使機身調(diào)平或使機身傾斜逐漸過渡，傾角應小于3°，此外，托輥輥子的上表面應位于同一平面上，特別是在凸弧段，要求托輥輥子的高低差不得超過5 mm，且應在一個公共半徑的弧面上。

②運行過程中如果出現(xiàn)膠帶跑偏現(xiàn)象，需通過空載運行時調(diào)整托輥組的位置來糾正膠帶的偏移。

③膠帶在改向滾筒處發(fā)生跑偏時，可以通過調(diào)整滾筒位置的螺栓來進行調(diào)整。如果膠帶在輸送機的各個點上都發(fā)生跑偏，通常是由于膠帶彎曲成弓形或接頭不正引起的。對于輕微的彎曲，可以通過滿載張緊膠帶來進行校正，但對于嚴重彎曲的部分，需要進行更換。如果是由于接頭不正引起的跑偏，必須確保將接頭對準膠帶的中心線。

⑸機尾

①機尾部分安裝完畢后，檢查各滾筒安裝是否符合標準安裝要求，用伸出架前端插口（安裝機尾滾筒）處的調(diào)整頂絲，調(diào)整機尾滾筒與輸送機中心線的垂直度。

②機尾承載段安裝完畢后，根據(jù)落料點的實際位置，調(diào)整導料槽、及溜槽的安裝位置，避免物料灑落到臺車上。

③在盾構(gòu)機臺車的安裝平臺段，通過調(diào)整改向裝置中改向滾筒的調(diào)整螺栓，調(diào)整膠帶的跑偏。

3.3 垂直皮帶機安裝施工

垂直皮帶機是目前提高豎井出渣效率的有效裝備［10］，安裝施工工藝流程如下：施工準備?設備基礎檢查驗收?標注中心標點和標高點?安裝皮帶機頭部水平段?安裝底部水平段?安裝垂直段?安裝膠帶?安裝電氣系統(tǒng)?安裝皮帶機滾筒、托輥?調(diào)整?整機試車?鑒定驗收。

3.3.1 水平卸載段安裝

水平卸載段現(xiàn)場示意如圖5 所示，包括水平卸載段鋼結(jié)構(gòu)平臺、傳動裝置、凸弧段、縱梁支腿、集料皮帶機、噴淋裝置、振打清掃器等。

圖5 水平卸載段安裝Fig.5 Horizontal Uninstallation of Segments

①首先安裝水平卸載段鋼結(jié)構(gòu)平臺、走道、爬梯；

②安裝傳動裝置，安裝過程同連續(xù)皮帶機安裝，其中凸弧段安裝需提前將復式改向輪安裝于凸弧段上，后吊入水平卸載段，利用斜撐固定；

③安裝集料皮帶機及噴淋裝置、縱梁支腿。

3.3.2 井底水平段安裝

井底水平段安裝如圖6所示，安裝流程如下：

圖6 水平井底段安裝Fig.6 Installation of Horizontal Well Bottom Section

①安裝縱梁及回程段托輥組，尾部拉緊滾筒；

②滾筒安裝要求同水平輸送皮帶機滾筒安裝需求；

③托輥組（過渡托輥組除外）上表面位于同一平面上（水平、傾斜或圓?。湎噜徣M托輥輥子上表面的高低差不得超過2 mm，每100 m長度范圍內(nèi)不得超過5 mm，托輥中心線與皮帶機中心線偏差不大于3 mm。橫梁兩端可以加墊片調(diào)整。

3.3.3 安裝垂直段檢修平臺

垂直段分為三段，如圖7 所示，自下而上安裝，垂直段機架首先與凹弧段固定，而后在工作墻面打斜撐用于支撐垂直段，隨后逐段安裝垂直段，利用斜撐支撐，每兩垂直段之間利用螺栓連接。垂直段端頭與水平卸載段固定。

3.3.4 安裝垂直膠帶

垂直膠帶放帶需利用門吊、2臺100 t汽車吊配合。

3.3.5 安裝承載段各剩余部件

承載段剩余件包括平行上托輥組、凸弧段托輥組、振打清掃器、緩沖托輥、空段清掃器等；綜保裝置包括速度傳感器、跑偏傳感器等。

3.3.6 電氣系統(tǒng)安裝

同連續(xù)皮帶機安裝過程。

4 調(diào)試

皮帶機系統(tǒng)安裝完畢，需要進行皮帶機各子系統(tǒng)連續(xù)皮帶機及垂直皮帶機的單機調(diào)試工作，單機調(diào)試包含電機啟停、調(diào)速及安全聯(lián)鎖功能的調(diào)試、綜合保護系統(tǒng)的調(diào)試、視頻監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)試、稱重系統(tǒng)空載零點調(diào)試。單機調(diào)試完成后，再進行整機聯(lián)調(diào)。聯(lián)調(diào)包含連續(xù)皮帶機與盾構(gòu)機、連續(xù)皮帶及與垂直皮帶機的啟停聯(lián)鎖等功能的調(diào)試。

4.1 啟停順序

正常啟動：垂直皮帶機啟動（延秒）?連續(xù)皮帶機啟動（延秒）?盾構(gòu)機后配套皮帶機啟動（延秒）?盾構(gòu)機啟動，在盾構(gòu)機啟動前保證整個皮帶機系統(tǒng)空載。

正常停機：盾構(gòu)機停機?盾構(gòu)機后配套皮帶機停機（延秒）?連續(xù)皮帶機停機（延秒）?垂直皮帶機停機（延秒），避免盾構(gòu)機或上游皮帶給下游皮帶輸送超載渣土。

故障停機：故障發(fā)生時，皮帶機系與盾構(gòu)機系統(tǒng)需同步停機，待排除故障后，按正常程序啟動。

維修和維護：盾構(gòu)機系統(tǒng)與帶式輸送系統(tǒng)二者相互獨立，可分別進行獨立調(diào)試、運行和維護。

4.2 空載試運轉(zhuǎn)

設備各部件安裝完畢后，需進行至少2 h 的空載試運行。運行過程中對各部件進行觀察，檢驗并調(diào)整，為后續(xù)設備負載試運轉(zhuǎn)做準備。

4.3 空載試運轉(zhuǎn)前的準備工作

⑴檢查設備的基礎和各部件的聯(lián)接螺栓是否緊固，并檢查焊接的焊縫是否存在漏焊情況等；并檢查各部件安裝是否符合安全規(guī)程，對不符合要求的部件進行整改；

⑵檢查電動機、軸承座等潤滑部位是否按規(guī)定添加了足夠的潤滑油；

⑶檢查電氣信號、電氣控制保護等是否符合電氣說明書的要求，確保設備電氣部分正常工作；

⑷驗證電機的運行情況，并確保其轉(zhuǎn)動方向與設備要求一致。

4.4 空載試運轉(zhuǎn)中的觀察內(nèi)容及設備調(diào)整

在設備試運轉(zhuǎn)過程中，需仔細檢查設備各部分運轉(zhuǎn)情況，發(fā)現(xiàn)問題并及時調(diào)整。

⑴ 需觀察各個運轉(zhuǎn)部件之間是否存在干涉現(xiàn)象，特別是輸送帶與機架；

⑵檢查輸送帶的跑偏量是否超過帶寬的5%，若超限需要進行調(diào)整；

⑶檢查各部件是否有異常聲音和異常振動的情況；

⑷檢查減速器及其它部件潤滑部位，確保沒有漏油現(xiàn)象；

⑸檢查潤滑油、軸承等處溫升情況是否正常；

⑹確認各限位開關、保護裝置是否靈敏可靠；

⑺檢查清掃器與輸送帶的接觸情況，確保清掃器能夠有效地清理輸送帶；

⑻檢查張緊裝置的運行情況，確保其良好運轉(zhuǎn)，避免卡阻等問題；

⑼ 檢查基礎和各部件聯(lián)接螺栓是否有松動現(xiàn)象，確保設備穩(wěn)定性和安全性。

4.5 負載試運轉(zhuǎn)

為檢查有關技術參數(shù)是否滿足設計要求，及時對設備問題進行調(diào)整，在設備進行空載試運行后，應進行負載試運行。

4.6 加載方式

調(diào)試過程中，加載應緩慢進行，首先以20%額定荷載試運行，通過后再逐級按50%、80%、100%進行試運轉(zhuǎn)，在逐級荷載的運行時間不得少于2 h。

4.7 試運轉(zhuǎn)中可能出現(xiàn)的故障及排除方法

⑴檢查驅(qū)動單元是否有異常聲音，并確保軸承和潤滑油的溫升符合要求；

⑵檢查滾筒、托輥等旋轉(zhuǎn)部件是否有異常聲音，同時確保滾動軸承的溫升正常。如果有不轉(zhuǎn)動的托輥，及時進行調(diào)整或更換；

⑶在啟動過程中，要檢查輸送帶與傳動滾筒之間是否出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。如果有打滑，逐漸增加張緊裝置的張緊力，但不得超過額定值，直到不再出現(xiàn)打滑為止；

⑷在負載試運轉(zhuǎn)過程中，如果輸送帶的跑偏量超過帶寬的5%，則需要進行調(diào)整。具體的調(diào)整方法可以參考前述機身部分調(diào)整方法。

5 結(jié)語

長距離大埋深盾構(gòu)隧道施工高效出渣方式相較于常規(guī)電瓶車水平運輸+龍門吊垂直調(diào)運出渣方式，盾構(gòu)掘進效率由平均6 環(huán)/d 提高至平均12 環(huán)/d，掘進效率提高1 倍左右。綜合比較為工程現(xiàn)場4臺土壓盾構(gòu)掘進區(qū)間貫通節(jié)省工期2 個月，可直接節(jié)約管理成本460余萬元。

通過“水平+垂直”皮帶機與盾構(gòu)機聯(lián)機的智能化控制及管理系統(tǒng)，可以及時預警，保障設備運行安全。同時，運行期間沿洞內(nèi)水平段均設有安全監(jiān)控及緊急制動系統(tǒng)，在隧洞單日掘進最大記錄28.5 m 情況下，仍能安全連續(xù)運轉(zhuǎn)，規(guī)避了傳統(tǒng)電瓶車出渣易出現(xiàn)溜車、跳道等安全風險極高的風險源，為盾構(gòu)施工創(chuàng)造了較大的安全生產(chǎn)效益。