关角隧道皮带机出砟系统设计

吉艳雷

(中铁第一勘察设计院集团有限公司桥隧处，西安 710043)

关角隧道皮带机出砟系统设计

吉艳雷

(中铁第一勘察设计院集团有限公司桥隧处，西安 710043)

关角隧道属高原隧道，高寒缺氧，环境恶劣，传统出砟运输困难，皮带机出砟具有良好的进度、环保、安全效益，结合关角隧道9号斜井皮带机出砟的设计，系统介绍皮带机出砟在山岭隧道中的应用。

铁路隧道;皮带运输;破碎站;出砟;设计

1 概述

皮带运输机在欧美等国已被广泛采用，目前国内在煤炭行业皮带运输机比较完善和成熟，在盾构和TBM掘进机系统中也采用过，钻爆法施工的隧道采用皮带机出砟方式尚无先例，结合关角隧道9号斜井皮带运输机的设计，系统地介绍皮带运输出砟在山岭隧道中的应用［1-2］。

关角隧道全长32.645 km，设计为2座平行的单线隧道，线间距40 m，钻爆法施工，共有10座辅助施工斜井。其地处青藏高原东北缘，各洞(井)口海拔3 400～3 800 m，属于高原隧道。该地区自然环境及其恶劣，空气稀薄，高寒缺氧，氧气量只有平原地区的60%左右。在此条件下，人员、设备效率低，冬季施工时间长是施工组织的三大难点。

9号斜井长度1 125.89 m，综合坡度为9.83%，建井期间采用无轨运输汽车出砟。9号斜井正洞工区采用“正洞无轨+斜井皮带机+洞外汽车转运”三部分出砟运输方案。9号斜井正洞工区对应里程范围:Ⅰ线隧道:DK303+400～DK305+260，长1 860 m;Ⅱ线隧道:DyK303+230～DyK305+895，长2 665 m。9号斜井工区平面布置如图1所示。

2 斜井皮带机设计

2.1 皮带机的优点［2-6］

(1)进度效益。在高海拔低气压环境下，电力设备的使用效率不受影响，运输能力提高，降低劳动力需求，加快施工进度。经测算，9号斜井每延米出砟可节约0.5 h，累计可节约2.7个月。此外利用皮带机出砟还避免了斜井井身出现堵车现象，有较大的潜在时间效益。

(2)环保效益。系统多采用电力设备，减少了内燃汽车的使用数量，缩短了内燃汽车的工作时间和强度，从而大大减少了尾气排放，有利于洞内空气的稀释净化，降低了通风能耗。电力设备取代燃油设备，不但在节能减排方面取得了巨大效益，对保护高原高寒地区的草原生态环境也起到了积极作用。见表1。

(3)增加安全系数。占用斜井空间面积小，避免了斜井出砟与进料的相互干扰，减少自卸汽车运行数量，降低了安全风险。

图1 9号斜井工区平面布置(单位:m)

表1 使用皮带机前后斜井井身内空气质量检测情况

(4)皮带机是一个非常成熟的技术，其设备的维修保养、零部件较为方便，间接进度效益明显。

2.2 皮带机设备选型

皮带运输机系统依据实际施工中所需的出砟能力和场地环境设计，9号斜井每天最快掘进15 m，出砟990 m3，折合2 723 t，按每天工作15 h，皮带机输送能力182 t/h，综合分析取9号斜井皮带机长度1.2 km，带宽650 mm，带速2.5 m/s，工作能力最大200 t/h，功率 400 kW［1］。

2.3 皮带机安装总体设计

9号斜井皮带机出砟运输系统的井底破碎站设置在Ⅰ线、Ⅱ线之间横通道位置，井身皮带机安装在斜井左侧底板上，靠近边墙，井口设砟石转运装置转运至砟场，其布置见图2。

图2 9号斜井皮带机出砟运输系统布置(单位:m)

3 相关土建工程设计

3.1 斜井底工程地质条件

井底段为华力西期花岗质碎斑岩:青灰色、浅灰绿色，颜色和结构不均匀，全晶质细粒斑状结构，块状构造，岩石受脆韧性应力构造及钙质方解石脉贯入胶结，局部发育小型次级断层，岩体较碎裂松散破碎，碎块状镶嵌结构，局部松散结构，成分为石英、长石、方解石及绿泥石、云母等，岩块间结合力差，围岩完整性差，自稳能力差，易坍塌。地下水不发育，岩体潮湿，Ⅴ级围岩。

3.2 破碎站设计

破碎站由喂料槽、破碎机、出料槽、皮带机组成，设计考虑以下3个方案。

方案1:Ⅱ线破碎站方案，处于交叉口交通要道，对洞内运输形成干扰。

方案2:Ⅰ线破碎站方案，破碎站规模大，出砟能力强，适用于围岩条件好，进度较快地段。

方案3:井底横通道方案。9号斜井围岩较差，井底围岩破碎，选择在Ⅰ、Ⅱ线之间设置横通道布置破碎站。

由于9号斜井承担施工段落围岩较差，井底通过段地层为石炭系板岩，围岩破碎，Ⅴ级围岩，整体进度较慢，不适宜建设大规模破碎站，综合分析采用方案3。破碎站设计如图3所示，现场安装见图4。

3.3 破碎站横通道

横通道岩体破碎，岩质较软，岩块间结合力差，局部有泥质夹层，围岩完整性差，自稳能力差，采用双层支护，拱部120°范围采用φ42 mm超前小导管，小导管长3.5 m，环向间距40 cm，支护参数见表2。破碎站横通道断面如图5所示。

图3 9号斜井井底破碎站布置(单位:cm)

图4 9号斜井井底破碎站现场安装

图5 破碎站横通道断面(单位:cm)

表2 横通道支护结构参数

3.4 斜井皮带机设置

9号斜井皮带机安装和施工共分为斜井井身、井底与正洞交叉口和穿越Ⅱ线3个环节。

(1)斜井井身皮带机架设在左侧底部，占用断面宽度1.7 m(包括安全距离50 cm)，高度120 cm左右。在斜井井身安装皮带机前进行一次系统的井身测量，对边墙鼓包突出、扭曲侵限的部位要重点凿除，确保井身顺直，皮带机紧贴边墙，设计及施工见图6。

(2)由于破碎站设置在横通道，为了使皮带机无折点到达破碎机下料口，同时不影响斜井底部和Ⅱ线正洞的交通运输，对斜井井身与正洞交叉口前20 m范围内左侧底板进行下挖处理，井底段设计及施工见图7。

(3)皮带机下穿Ⅱ线时设置栈桥，栈桥采用密排I32型钢上部铺设钢板形成。将该段范围的仰拱加深，边墙拱脚也相应接长，以保证仰拱能与边墙支护封闭成环，设计及施工见图8。

3.5 洞外转运设备

9号斜井洞外安设卸料装置，将皮带机输出砟石直接卸载到汽车上运至砟场。为了保证出料口石砟能卸载在不间断的汽车上，避免二次装砟，卸料装置设置2个卸料口，能独立开关。装满一辆车后，关闭该出料口，同时开启另一个出料口卸砟到另一车辆，从而形成不间断转砟。采用无轨出砟转运至弃砟场，平均运距0.6 km。见图9。

图6 斜井井身皮带机安装(单位:cm)

图7 斜井井底皮带机安装(单位:cm)

图8 斜井皮带机下穿正洞Ⅱ线设计及施工现场(单位:cm)

图9 9号斜井皮带机洞外卸料装置

4 结语

长大隧道快速安全施工是隧道施工的难题，关角隧道环境恶劣，施工难度大，首次尝试在斜井内设置皮带机，采用“正洞无轨+斜井皮带机+洞外汽车转运”出砟方案，现场运行良好，取得了较好的进度、环境、安全效益，为山岭隧道提供了新的施工模式。

［1］ 职常应，李永生，罗占夫.关角隧道斜井皮带机运输技术研究［J］.隧道建设，2009(6):654-657.

［2］ 陈永辉，李建伟.关角隧道传统出砟方式与皮带运输机出砟方式的比较研究［J］.科技信息，2009(8):632-633.

［3］ 徐双永，陈大军.西秦岭隧道皮带机出砟TBM同步衬砌技术方案研究［J］.隧道建设，2010(2):116-119.

［4］ 李志平，李永生.关角隧道无轨斜井施工方案优化［J］.隧道建设，2010(1):54-57.

［5］ 罗致良.皮带运输系统在盾构隧道建设中的应用［J］.城市道桥与防洪，2004(5):125-130.

［6］ 夏安琳.软弱围岩陡坡长斜井无轨运输快速施工技术［J］.隧道建设，2005(2):32-33.

［7］ 吴慧明，周文波.高效运输系统在盾构法隧道施工中的应用［J］.岩石力学与工程学报，2004(S2):5137-5139.

［8］ 关宝树.隧道工程设计要点集［M］.北京:人民教育出版社，2003.

［9］ 铁道部第二勘测设计院.铁路工程设计技术手册.隧道［M］.北京:中国铁道出版社，1995.

［10］中华人民共和国铁道部.TB10003—2005 铁路隧道设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2010.

［11］王智远，伍智勇.连续皮带机配套TBM出砟技术探讨［J］.隧道建设，2011(1):138-143.

［12］宋伟刚.通用带式输送机设计［M］.北京:机械工业出版社，2006.

Design of Belt Conveyer Mucking-out System Used in Guanjiao Tunnel

JI Yan-lei
(Bridge and Tunnel Design Department，China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.，Xi'an 710043，China)

As a plateau tunnel，the Guanjiao Tunnel is sited in such a poor environment that there is shortage of oxygen with very cold weather.For this reason，it is difficult to do the mucking-out work by traditional method.However，the mucking-out work can be conducted by the belt conveyer thought which the good efficiencies can be achieved in relation to the schedule，environment protection and the safety.In this paper，in combination with the design of the belt conveyer mucking-out system at No.9 inclined shaft of Guanjiao Tunnel，the application of the belt conveyer mucking-out system in mountain tunnel was illustrated systematically.

railway tunnel;belt conveying;crushing station;mucking out;design

U45

A

1004-2954(2013)10-0112-04

2013-02-27;

2013-04-11

吉艳雷(1982—)，男，工程师，2008年毕业于西南交通大学隧道及地下工程专业，工学硕士，E-mail:tumu20011474@163.com。