磁力摩擦式辅助驱动在TBM连续皮带机中的应用

徐虎城， 齐梦学， 王灿林， 车新宁



磁力摩擦式辅助驱动在TBM连续皮带机中的应用

徐虎城1， 齐梦学2， 王灿林3， 车新宁4

(1. 新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局， 新疆 乌鲁木齐 830000；

2. 中铁十八局集团隧道工程有限公司， 重庆 400700； 3. 中铁十八局集团轨道工程有限公司，湖北 武汉 430000; 4. 兖矿集团有限公司， 山东 邹城 273500)

长大隧道TBM(tunnel boring machine)施工大多采用连续皮带机出渣，当运输距离较大时通常需要在中间增设辅助驱动，以降低胶带最大张力，从而降低胶带强度。为了提高辅助驱动的工程适应性，研发了磁力摩擦式辅助驱动系统，具有驱动力大、无二次转载、胶带无二次冲击损伤、结构简单、 故障点少、结构紧凑占用空间小、安装方便和配置灵活等特点。该成果可用于采用钢丝绳芯胶带的TBM连续皮带机、支洞皮带机以及其他需要辅助驱动的胶带输送机，并在山西省中部引黄工程TBM1标段成功应用，具有广阔的推广应用价值。

TBM； 出渣运输； 连续皮带机； 辅助驱动； 磁力摩擦； 钢丝绳芯

0 引言

隧道掘进机(TBM)实现了长大隧道施工的流程化作业，是目前隧道施工最先进的工法之一。广义上讲，隧道掘进机包含全断面掘进机和部分断面掘进机，全断面掘进机包括岩石掘进机和盾构(软土掘进机)。在我国隧道施工领域，通常把全断面硬岩隧道掘进机称为“TBM”[1]。我国大规模的铁路、公路、市政、水利、水电、供气、防洪等工程建设，需要修建大量隧道/隧洞，TBM法具有快速、优质、安全和环保等施工特点，存在着诸多优势，具有广阔的应用空间[2]。

长大隧道TBM施工采用连续皮带机出渣，具有作业效率高、综合成本低、洞内空气污染小、运输组织便利等优势[3]，并逐步取代有轨运输成为长大隧道TBM施工的主流出渣方式。TBM施工中所采用的连续皮带机输送长度通常不小于10 km，其驱动方式除了必备的头部驱动外，大多需要配备尾部驱动。如果输送距离较长、或者运量较大、或者提升高度较高，则需要在皮带机中间部位增加辅助驱动。

国内外关于TBM施工用连续皮带机出渣技术的研究较多，文献[3]对比论证了长大隧道TBM施工有轨运输与连续皮带机出渣方式；文献[4-7]论述了连续皮带机在TBM施工中的成功应用以及在不同工况施工过程中出现的问题和应对措施；文献[8-11]从不同角度论述连续皮带机出渣条件下敞开式TBM的同步衬砌施工技术。目前，关于连续皮带机驱动系统，特别是辅助驱动系统研究的文献很少。

本文总结了目前常用的皮带机中间辅助驱动类型，简要分析其优缺点，结合TBM施工隧道洞内断面空间狭小的特点，提出了磁力摩擦式辅助驱动设计理念，具有性能可靠、驱动力大、配置灵活等特点，并在山西省中部引黄工程中成功应用，可为类似工程或设备提供借鉴。

1 辅助驱动应用现状

目前皮带机中间辅助驱动主要有2种方式： 滚筒转载式和重力摩擦式，TBM施工用连续皮带机主要采用前者。

1.1 滚筒转载式辅助驱动

滚筒转载式辅助驱动是目前连续皮带机最常用的辅助驱动方式，通过驱动滚筒与胶带之间的摩擦力为胶带运行提供辅助动力，主要结构组成为电机、减速机、驱动滚筒、改向滚筒、机架以及控制系统，见图1。陕西省引汉济渭工程秦岭隧洞TBM施工中的连续皮带机即采用该种辅助驱动方式。

1—驱动滚筒； 2—改向滚筒； 3—胶带。

图1 滚筒转载式辅助驱动

Fig. 1 Drum converting typed auxiliary driving

连续皮带机运行过程中，石渣经过辅助驱动位置时，经高位向低位转载运行，胶带将承受石渣落差带来的二次冲击，必要时需要设置缓冲床或者缓冲托辊。转渣点需要设置料斗与裙板，以防止石渣外溢或者落入回程胶带而造成滚筒或者胶带损伤。由于TBM开挖的石渣通常情况下粒径较小、细小颗粒多、岩粉含量大、含水量大，导致石渣中不可避免地存在较多泥浆，对连续皮带机的运行带来一定的安全隐患，需增加清扫装置予以保护，并且要经常维护和维修以确保清扫效果，否则容易损伤胶带。此外，辅助驱动位置的皮带机调整调试工作要求严格，否则容易导致胶带跑偏而影响连续皮带机正常运转。

1.2 重力摩擦式辅助驱动

重力摩擦式辅助驱动是在连续皮带机需要增加辅助驱动的位置，于连续皮带机承载胶带与回程胶带之间设置1台单独的辅助驱动皮带机，承载胶带紧贴辅助驱动胶带，其自身重量及所负荷载全部由辅助驱动胶带承担。两胶带以相同的速度运行，在输送物料重力与连续皮带机胶带自身重力作用下，承载胶带与辅助驱动胶带之间产生较大的静摩擦力，并以此作为连续皮带机的辅助驱动动力，见图2。

1—辅助驱动滚筒； 2—辅助驱动胶带； 3—改向滚筒； 4—承载胶带。

图2 重力摩擦式辅助驱动

Fig. 2 Gravity friction typed auxiliary driving

重力摩擦式辅助驱动大多用于输送量和驱动功率比较大的胶带输送机。辅助驱动动力遵循阿蒙顿-库仑摩擦定律

Fj=fN，

(1)

其中

N=(qB+qG)glj。

(2)

式(1)和式(2)中：f为胶带间的摩擦因数；N为物料、胶带自身重力所形成的正压力；qB为胶带的线密度；qG为物料的线密度；g为重力加速度；lj为辅助驱动胶带长度 。

辅助驱动皮带机长度

lj≥Fj/[f(qB+qG)g]。

(3)

在实际运转过程中，连续皮带机上的石渣并非完全均匀布置，忽多忽少甚至时断时续，并且部分工况条件下在辅助驱动区域并无石渣，而计算辅助驱动的长度时，必须考虑其最不利工况，因而，辅助驱动皮带机长度通常较大；同时，辅助驱动动力也会出现明显跳动，大小变化频繁且变化幅度较大，不利于连续皮带机的平稳运行。

2 磁力摩擦式辅助驱动

鉴于常用的滚筒转载式和重力摩擦式辅助驱动存在的问题，结合TBM连续皮带机安装、运行工况条件及负荷变化特点，笔者的研究团队开发了磁力摩擦式辅助驱动系统[12]。

2.1 工作机制

根据铁磁性物质在磁场中受力的性质，在重力摩擦式辅助驱动的基础上，在辅助驱动胶带下方设置磁钢，磁力穿透辅助驱动胶带作用于连续皮带机承载胶带的钢丝绳，从而使连续皮带机承载胶带与辅助驱动胶带之间保持相对恒定的压力，确保驱动力始终保持在合理范围。

2.2 主要结构

磁力摩擦式辅助驱动设计结构见图3。

(a) 原理图

(b) 布置图

(c) 横断面图

1—辅助驱动滚筒以及电机、减速器等； 2—机架； 3—辅助驱动改向滚筒； 4—连续皮带机承载胶带(钢丝绳芯)； 5—辅助驱动胶带(纤维芯)； 6—钕铁硼磁钢； 7—支架； 8—护板； 9—下托辊； 10—上托辊。

图3 磁力摩擦式辅助驱动设计结构

Fig. 3 Design of magnetic friction typed auxiliary driving

连续皮带机承载胶带为钢丝绳芯胶带，胶带中的钢丝绳为强磁性材料，极易被磁化。辅助驱动胶带为纤维芯胶带，属于不能被磁化的弱磁性材料。钕铁硼磁钢安装在支架上，按照设计的数量排列于机架，辅助驱动胶带布置于磁钢上方，连续皮带机承载胶带紧贴在辅助驱动胶带上方。磁钢所产生的磁场力透过辅助驱动胶带作用于连续皮带机承载胶带中的钢丝绳上。在磁力的作用下，连续皮带机承载胶带与辅助驱动胶带紧密地贴合在一起，具备了摩擦传动的条件。当辅助驱动滚筒运转时，辅助驱动胶带通过静摩擦力(驱动连续皮带机承载胶带运行的辅助动力)带动连续皮带机承载胶带及其运输的石渣同步同向运行。

辅助驱动滚筒以及改向滚筒附近无磁钢，磁钢仅安装于辅助驱动胶带成槽部分，连续皮带机承载胶带运行至滚筒前能够与辅助驱动胶带分离，以保证分离后两胶带沿各自设定的轨迹运行。

磁力摩擦式辅助驱动所能提供的最大摩擦力，遵循阿蒙顿-库仑摩擦定律，则

Fj=f(Fc+N)。

(4)

其中

Fc=ljFci；

(5)

N=(qB+qG)glj。

式(4)和式(5)中：Fj为辅助驱动所能提供的最大摩擦力；Fc为磁场作用于连续皮带机承载胶带的引力；Fci为磁钢单位长度产生的引力。

当主驱动满足设计要求且辅助驱动的摩擦力满足Fj>Fuj(辅助驱动所分担的阻力)时，胶带被正常驱动。若主驱动满足设计要求，但辅助驱动的摩擦力Fj

单个磁钢的磁场强度、磁钢的布置形式和总面积以及磁钢与钢丝绳芯胶带间的距离决定着磁力摩擦式辅助驱动所能产生的驱动力(或拖动力)的大小。

2.3 主要特点

1)驱动力大。磁力摩擦式辅助驱动选用钕铁硼磁钢作为产生正压力的施力源。稀土钕铁硼永磁材料具有剩磁高、矫顽力高、磁性能高的特点，性能优异，号称“磁王”。与传统的重力摩擦式辅助驱动相比，在单位长度上，由磁钢磁场所产生的正压力远大于由物料和胶带自身重力所产生的正压力； 因此，在相同长度下，胶带运行所需的摩擦驱动力，磁力摩擦式也远远大于重力摩擦式。此外，连续皮带机承受荷载大小，对两胶带之间正压力的影响不大，故对摩擦驱动力的影响同样很弱，因而,磁力摩擦式辅助驱动的驱动力是相对恒定的。

2)胶带无二次冲击损伤。磁力摩擦式辅助驱动所提供的驱动力来自于两胶带之间的摩擦力，连续皮带机承载胶带及荷载在运行中通过辅助驱动时，其运动状态基本不发生改变，胶带也避免受到二次冲击，使用寿命得以延长。

3)无二次转载，结构简单，故障点少。磁力摩擦式辅助驱动无需二次转载，因此取消了滚筒转载式辅助驱动的料斗、清扫器、缓冲床、胶带裙板、泥浆收集处理池等部件和结构，减少了故障点，设备运行更加可靠，并且有利于环境保护及现场文明施工。

4)结构紧凑。磁力摩擦式辅助驱动，由于“磁王”材料钕铁硼对连续皮带机钢丝绳芯所产生的巨大吸引力，使得两胶带之间的压力远远大于重力摩擦式辅助驱动的压力，两胶带间单位长度的摩擦力显著提升，从而大大减小了辅助驱动的长度，减少了对隧道有限空间的占用。

5)安装方便。安装滚筒转载式辅助驱动时，首先要在安装位置将连续皮带机承载胶带割断，然后安装辅助驱动，将胶带按照设计路径穿过辅助驱动，再重新硫化连接，费时费力。

安装磁力摩擦式辅助驱动时，只需在安装位置拆除连续皮带机的上托辊，并将承载胶带与回程胶带上下分开适当距离，即可为辅助驱动安装提供足够空间。辅助驱动安装到位后，承载胶带准确贴合在驱动胶带上，固定连续皮带机回程胶带及机架，无需再次硫化，省时省力。

6)配置灵活。使用过程中，可以实时监控辅助驱动负荷变化，适时调整磁钢数量，便捷调整两胶带之间的摩擦力，保持辅助驱动所提供的动力与连续皮带机运行所需动力相匹配。

3 磁力摩擦式辅助驱动的工程应用

针对山西省中部引黄工程TBM1标段连续皮带机安装及运行工况条件，笔者团队设计制造了磁力摩擦式辅助驱动系统并在工程实践中成功应用。

3.1 工程与设备概况

山西省中部引黄工程是山西省“十二五”规划中大水网建设的一项重要工程，供水范围涉及晋中、忻州、吕梁和临汾4市16个县(市)，输水线路由总干线、西干线、东干线、汾孝支线、交汾支线及汾西支线等组成，隧洞总长308.877 km，其中总干线4条隧洞总长194.527 km，3#隧洞长119.17 km，采用2台TBM与钻爆法相结合的施工方法[13-15]。

总干线3#隧洞TBM1标段主洞长21.029 m、纵坡1/2 500，TBM进洞支洞长3 770.69 m、纵坡4.1%，23#通风支洞纵坡36.15%。TBM开挖直径为5.06 m，单循环掘进长度为1.5 m，主驱动功率为6×330 kW，采用六边形管片衬砌，管片外径4.8 m、内径4.3 m。

TBM掘进采用连续皮带机出渣，主要技术参数见表1。

表1 连续皮带机主要技术参数

原设计采用滚筒转载式辅助驱动，后优化修改为磁力摩擦式辅助驱动。

3.2 应用效果

2016年9月23日，TBM累计掘进长度12 km时，连续皮带机长度达到11.7 km，按设计在距离皮带机主驱动10 km处安装磁力摩擦式辅助驱动，见图4。

(a) 驱动滚筒端

(b) 尾部改向滚筒端

连续皮带机承载胶带由辅助驱动的驱动滚筒侧高度逐渐降低直至紧贴辅助驱动胶带并且由辅助驱动胶带承担原托辊功能；接近辅助驱动改向滚筒时，连续皮带机承载胶带逐渐抬升高度直至完全脱离，而后继续由连续皮带机的托辊支撑运行。

磁力摩擦式辅助驱动全长36 m，实际安装时间为3 d。按相同的工况条件，若采用重力摩擦式辅助驱动，其长度约为800 m，安装时间为7～10 d；若采用滚筒转载式辅助驱动，其长度约为25 m，安装时间约10 d。3种驱动方式所占用空间的最大宽度基本相同。

2016年9月底，在安装磁力摩擦式辅助驱动后，连续皮带机运行平稳、工作可靠，设备完好率达到96%以上，为TBM持续快速施工提供了重要保障。截至11月底，TBM继续掘进2.8 km，10月和11月TBM月进尺分别为1 190、1 411 m，最高日进尺76.1 m。如果没有连续皮带机的可靠平稳运行，良好的掘进进尺是无法实现的。

4 结论与讨论

工程实践证明，TBM连续皮带机磁力摩擦式辅助驱动性能可靠、安装便捷，避免了中途卸载转运对胶带的二次冲击，有利于保护胶带，故障风险点大大减少，结构紧凑、安装便捷，在长大隧道TBM施工洞内空间狭小条件下具有重要的推广应用价值。

目前，磁力摩擦式辅助驱动技术在TBM连续皮带机中的应用尚处于起步阶段，下一步仍需在如下方面继续深入研究： 1)稀土钕铁硼永磁材料虽然可通过调整数量、与连续皮带机承载胶带距离的方式调整辅助驱动摩擦力，但操作的便捷性欠佳，可研究加以改善； 2)磁力摩擦式辅助驱动安装空间的最大宽度，主要取决于驱动滚筒、减速器、电机的尺寸，若能够继续研发安装于滚筒内部的永磁电机等新技术，有望大大减小空间占用，更加有利于隧道内狭小空间的综合利用。

[1] 邓勇,齐梦学．硬岩掘进机施工技术及工程实践[M]．天津： 天津大学出版社，2010： 3-11.(DENG Yong, QI Mengxue. Construction technology and engineering practice of hard rock TBMs[M].Tianjin: Tianjin University Press,2010: 3-11.(in Chinese))

[2] 齐梦学.硬岩掘进机(TBM)在我国隧道施工市场的推广应用[J].隧道建设，2014，34(11)： 1019-1023.(QI Mengxue. Promoting TBM in tunnel construction in China[J].Tunnel Construction, 2014, 34(11): 1019-1023.(in Chinese))

[3] 齐梦学,邓勇,王雁军,等.敞开式TBM施工出碴方式对比分析[J].工程机械，2009，40(9)： 52-56.(QI Mengxue, DENG Yong, WANG Yanjun, et al. Comparative analysis of mucking modes for open type TBM construction[J].Construction Machinery and Equipment, 2009, 40(9): 52-56.(in Chinese))

[4] 许金林,徐赞,王艳波.西秦岭特长隧道连续皮带机出碴施工关键技术[J].隧道建设，2011,31(6)： 678-685.(XU Jinlin, XU Zan, WANG Yanbo. Key technology of mucking by continuous conveyor belt：Case study of West Qinling Extra-long Tunnel[J].Tunnel Construction, 2011, 31(6)： 678-685.(in Chinese))

[5] 王智远，伍智勇.连续皮带机配套TBM出碴技术探讨[J].隧道建设，2011,31(1)： 138-143.(WANG Zhiyuan, WU Zhiyong. Technology of mucking by continuous belt conveyors in TBM tunneling[J].Tunnel Construction, 2011, 31(1)： 138-143.(in Chinese))

[6] 张浩.严寒地区TBM皮带机冬季施工的研究与应用[J].隧道建设，2016, 36(5)： 614-618.(ZHANG Hao. Study and application of TBM belt conveyor construction to cold areas in winter[J].Tunnel Construction, 2016, 36(5)： 614-618.(in Chinese))

[7] 刘文亮,张晓伟,董秋艳.连续皮带机胶带跑偏原因与力学分析[J].水利水电技术,2006,37(3): 26-27.(LIU Wenliang, ZHANG Xiaowei, DONG Qiuyan. Causes and dynamic analysis of deviation of belt of belt conveyer[J].Water Resources and Hydropower Engineering,2006,37(3): 26-27.(in Chinese))

[8] 齐梦学.连续皮带机出渣工况下TBM掘进与二次衬砌同步施工技术[J].铁道建筑, 2011(10): 35-38. (QI Mengxue. Belt conveyor mucking technology and synchronous lining technology for open TBM [J].Railway Engineering, 2011(10): 35-38.(in Chinese))

[9] 徐双永,陈大军.西秦岭隧道皮带机出碴TBM同步衬砌技术方案研究[J].隧道建设，2010,30(2)： 115-119.(XU Shuangyong, CHEN Dajun. Belt conveyor mucking technology and synchronous lining technology for West Qinling Tunnel bored by TBMs[J].Tunnel Construction, 2010, 30(2)： 115-119.(in Chinese))

[10] 苏睿,刘晓翔,高文山.西秦岭铁路隧道TBM掘进同步衬砌施工技术探讨[J].隧道建设，2010, 30(2)： 125-127.(SU Rui, LIU Xiaoxiang, GAO Wenshan. Case study of simultaneous lining construction technology for West Qinling Railway Tunnel constructed by TBM[J].Tunnel Construction, 2010, 30(2)：125-127.(in Chinese))

[11] 齐梦学.长大隧道开敞式TBM同步衬砌施工技术应用前景及发展趋势[J].隧道建设，2013,33(8)： 679-683.(QI Mengxue. Application prospect and developing trend of synchronous lining construction technology for long tunnels constructed by open TBMs[J].Tunnel Construction, 2013, 33(8)： 679-683.(in Chinese))

[12] 车新宁,郁清林,李秀云.一种带式输送机用磁力摩擦式加力站: 201610312424.0[P].2016-08-17.(CHE Xinning, YU Qinglin, LI Xiuyun. A booster station by magnetic friction for belt conveyor: 201610312424.0[P].2016-08-17.(in Chinese))

[13] 靳忠财.全断面岩石掘进机在中部引黄工程中的应用[J].山西水利，2015(10)： 36-37.(JIN Zhongcai. Application of full-face rock TBM for the middle Yellow River Diversion Project in Shanxi [J].Shanxi Water Resources, 2015(10)： 36-37.(in Chinese))

[14] 石炎河.全断面岩石隧道掘进机在中部引黄工程中的应用[J].山西水利，2014(7)： 30-31.(SHI Yanhe. Application of full-face rock TBM for the middle Yellow River Diversion Project in Shanxi [J].Shanxi Water Resources, 2014(7)： 30-31.(in Chinese))

[15] 邓娟玲.山西省中部引黄工程深埋长隧洞施工方案的比选[J].山西水利科技，2012(1)： 33-34.(DENG Juanling. Comparison and selection of scheme to construct deep buried and long tunnel for middle Yellow River Diversion Project of Shanxi Province[J].Shanxi Hydrotechnics, 2012(1)： 33-34.(in Chinese))

Application of Magnetic Friction Typed Auxiliary Drivingfor TBM Tunnel Belf Conveyor

XU Hucheng1, QI Mengxue2, WANG Canlin3, CHE Xinning4

(1.XinjiangEerqisiRiverBasinDevelopmentandConstructionManagementBureau,Urumqi830000,Xinjiang,China; 2.TunnelEngineeringCo.,Ltd.,ChinaRailway18thBureauGroup,Chongqing400700,China; 3.TrafficEngineeringCo.,Ltd.,ChinaRailway18thBureauGroup,Wuhan430000,Hubei,China; 4.YankuangGroupCo.,Ltd.,Zoucheng273500,Shandong,China)

The belt conveyors are usually used to muck in long and large tunnel constructed by TBM. The auxiliary driving should be used when the mucking distance is long, so as to reduce the maximum tension and strength of the belt. A more adaptable magnetic friction typed auxiliary driving system, which has advantages of large power, no secondary transportation, no secondary impact damage to the belt, simple structure, less fault, compact structure, easy installation and flexible configuration, is developed. The above-mentioned system can be used in belt conveyors in TBM tunnels, branch tunnels and tunnels which need auxiliary driving. It has been applied to the middle Yellow River Diversion Project in Shanxi successfully; so it is worth popularizing.

TBM; mucking; tunnel belt conveyor; auxiliary driving; magnetic friction; steel belt

2016-12-13;

2017-01-04

徐虎城(1975—)，男，甘肃武威人，2004年毕业于新疆农业大学，水利工程专业，本科，高级工程师，现从事水利工程建设与管理工作。E-mail: 392358191@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.03.018

U 455.3

B

1672-741X(2017)03-0375-05