秦岭隧洞TBM施工皮带系统选型及运行分析

张忠东 赵力 席雅娟

摘要：分析研究了引汉济渭秦岭隧洞TBM施工段长距离连续皮带机的布置、设备选型和支架性能，并对连续皮带机安装和运行过程中的问题及处理措施进行了阐述和介绍。为满足要求，TBM施工段岭南工程连续皮带机采用三托辊输送带，皮带机带宽914mm，厚度15mm，带速2～3m/s，采用ST2000钢丝皮带，皮带支架满足受力和稳定性要求，针对安装运行中存在的问题，采取了分渣器气动改液压、移动尾端改造等处理措施，取得了良好效果。

关键词：连续皮带机;设备选型;皮带跑偏;皮带撕裂;支架受力;秦岭隧洞

中图分类号：TV53 文献标志码：A

现代长大隧洞施工经常面临特长、大埋深、大断面、复杂地质等挑战，开挖速度、质量、安全、环保等日益受到重视，随着隧洞施工技术的不断发展和完善，TBM施工逐渐得到应用[1-2]。连续皮带机出渣是常见的一种TBM施工出渣方式，其安装及运行状况会对TBM施工的掘进效率、施工工期等产生至关重要的影响[3-4]，因此开展TBM施工连续皮带系统的选型及运行研究具有重要的实际意义。

近年来，许多学者结合工程实际在连续皮带机出渣方面进行了不少有益的探索。王智远等[5]以辽宁大伙房水库输水一期工程TBM 2标为例，对连续皮带机系统组成、工作原理、结构型式及使用方法等进行了介绍。曹晓平等[6]结合连续皮带机出渣方式在东北某引水隧洞工程中的应用，对连续皮带机出渣关键技术进行了论述。杨志先等[7]对成都轨道交通18号世一海区间连续皮带机配套盾构出渣技术进行了系统讨论。张立勋等[8]以蒙华铁路白城隧道出渣皮带机为背景，对连续皮带机控制系统的设计及应用进行了阐述。韩兵[9]针对新街煤矿斜井隧道深埋、超长、连续下坡的工程特点，分析了连续皮带机出渣系统的选型配置。

笔者以引汉济渭工程秦岭隧洞TBM施工段岭南工程为例，对TBM配套的連续皮带系统选型、安装及运行阶段进行了分析。

1 皮带机布置及设备选型

1.1 皮带机布置

引汉济渭秦岭隧洞TBM施工段岭南工程位于陕西省宁陕县四亩地镇境内，全长18.275km，设计流量70m³/s，多年平均输水量15.0亿m³/a，隧洞平均坡降为1/2500，采用罗宾斯公司的Φ8.02m敞开式隧道掘进机施工。

TBM施工段岭南工程采用主洞连续皮带机和支洞皮带机配合出渣，石渣运输系统如图1所示。

运输皮带机采用电力驱动，可自动张紧，基于数据通信，在主控室可以实现对各阶段皮带运行的统一控制，并可借助视频监控系统对运行状态进行实时监测。

由于设有贮存装置，因此随着TBM向前掘进，连续皮带机的皮带可自动释放延展，同时人工安装支架，即实现连续出渣。

支洞皮带机布置如图2所示。

1.2 设备选型

根据主洞开挖断面和围岩情况分析连续皮带机合理的参数取值，以实现TBM与连续皮带机配套出渣的有序衔接，从而满足出渣能力的要求。石渣参数及TBM设计掘进速度见表1。

结合表1中渣土及TBM掘进参数分析，正常掘进时连续皮带机的输送能力为246t/h，最大速率掘进时其输送能力为492t/h。

带速对皮带机运行状态和经济效益会产生重要影响，一般应依据其工作和环境条件、安装地点、物料粒度组成等因素确定，根据类似工程经验，皮带机带速一般不超过3m/s，带速过大容易损坏托辊，而带速过小会对出渣的效率造成影响。因此，该工程中皮带机带速选定为2～3m/s[5]，可根据实际情况在这一范围内进行调整。

该工程连续皮带机采用三托辊输送带，皮带机在运行状态下，石渣在皮带机上呈倒梯形，如图3所示，以最大掘进速度考虑，结合隧洞断面面积和渣土松散系数（取1.4），并在皮带机两侧预留一定的富余空间，因此该工程选用皮带机带宽为914mm，能够满足施工要求。

引汉济渭秦岭隧洞TBM施工段岭南工程位于秦岭岭脊高中山区及岭南中低山区，地形起伏。高程范围1050～2420m，洞室最大埋深约2000m，穿越石英岩、花岗岩及闪长岩，占围岩总量75%以上，围岩强度高，完整性好，岩爆频发，输送石渣颗粒较大，多为不规则块状结构物，因此对皮带质量要求相对较高，主要体现在耐磨性和弹性两个方面。

工程采用ST2000钢丝皮带，由上盖胶、芯胶（含边胶）、钢丝绳、下盖胶4部分组成。上盖胶主要承受耐磨和荷载冲击，钢丝绳主要作用是保持皮带的整体性和刚度、减小皮带受拉后的伸长率，下盖胶主要配合上盖胶提供足够抗拉强度，结合类似工程项目施工经验及相关规范，三者厚度皆选取5mm，因此皮带厚度为15mm。

上托辊采用槽型托辊，托辊间距1.2m;下托辊采用平型托辊，托辊间距3m。物料堆积角度θ取30°，胶带选取钢丝绳心胶带，则ST2000张力为1826N/mm，安全系数为10.6，满足要求。

带式输送机功率计算式为式中：N为传动滚筒轴功率;L_h为皮带机水平投影长度;v为皮带机带速;Q为最大输送量;H为垂直提升高度;N'为附加功率;k₁、k₂、k₃、k₄为功率系数。

由式（1）可得：第一阶段拟定主洞皮带机电机功率为1200kW;第一阶段拟定3号支洞皮带机采用主驱动+辅助驱动，电机功率为1500kW;第二阶段拟定4号支洞皮带机采用主驱动+辅助驱动，电机功率为2100kW。

2 皮带机安装问题及处理措施

2.1 皮带跑偏

采用连续皮带机进行长距离出渣难以避免皮带跑偏问题[10]。引汉济渭秦岭隧洞TBM施工段岭南工程皮带机系统运行中，皮带跑偏主要有以下5种形式：①皮带支架、托辊或滚筒安装倾斜;②清扫器刮渣不净;③给料位置不正;④皮带纵向撕裂;⑤皮带存在破损、边部缺失或老化变质。

针对上述频繁出现的问题，通过不断摸索，采用以下方法进行纠偏：①采用激光测量皮带架中心位置进行定位，确保支架安装精准;②每隔50m安装1套出料和回程皮带的调心托辊纠偏装置，每隔200m安装1套自制竖滚并采用4个/组的皮带纠偏轮进行强力纠偏;③在TBM对接支架的移动尾端采用液压控制的操作手柄，调节滚筒两端前后移动进行调偏;④调节皮带尾端调整丝杆进行调偏;⑤通过调整数组卡扣或松动长、短L型螺栓及门型支架进行调偏;⑥调节托辊组两侧的长形安装孔，使托辊横向中心线与带式输送机纵向中心线的不重合度值控制在3mm以内;⑦调整头、尾机架安装轴承座的两个平面偏差值，使其在1mm以内;⑧调整溜槽长度来修正落料位置，确保落料点尽可能位于皮带中部。此外，制作安装细渣分渣装置，该装置将细渣和粗渣分开后分别经应急皮带和二级分渣器配合接料渣车运出，大幅提高了装载机装车效率。

2.2 皮带仓储存

皮带仓系统由四部分组成，分别为牵引设备（卷扬机）、皮带存储装置（皮带仓）、硫化装置、皮带收放装置。皮带仓存储技术的应用，是连续皮带进行延伸的基础，而皮带仓存储皮带长度可根据现场情况进行调整。随着变频技术的应用并调整钢丝绳及卷扬机配置，可实现更大存储皮带仓的使用，引汉济渭秦岭隧洞岭南TBM项目可存储500m皮带。

2.3 皮带硫化及修补

皮带硫化工艺一般分为8步：接头准备→准备输送带尾→组装盖胶→底部盖胶就位→匹配和放置钢丝绳→放置顶部盖胶→硫化接头→拆除并检查。硫化接头按照2级连接方式进行硫化，硫化接头形式如图4所示。

引汉济渭秦岭隧洞TBM施工段岭南工程采用的皮带修补技术有T2胶枪热硫化修复技术、修补条冷补技术、菱形补片处理技术及双管胶处理盖胶脱落等。T2胶枪热硫化修复技术主要修补输送带受损的承载面和运行面，例如：由物料冲击和裙板造成的带面损坏局部填充及小段纵向撕裂;当传送带出现边缘磨损、长距离划伤或局部橡胶层损伤等现象，宜采用修补条冷補技术进行修复，此方法也适用于皮带冷无缝搭接的封口等;对于皮带的孔洞或坑穴，以及长距离的纵向撕裂，可采用菱形补片进行处理;对于皮带盖胶脱落的，也可采用双管胶枪配合双管胶进行覆盖，并待其冷却后，使用钨钢打磨碟进行打磨处理。

3 皮带支架性能分析

连续皮带机在隧道内部采用支架进行固定，支架由托梁、托架、托辊和滚筒组成，托梁端头带有螺栓孔，连续皮带长度需要延伸时采用螺栓连接。

TBM掘进过程中，由于皮带机在运转过程中匀速前进，转速为2.8m/s，因此以均布荷载来计算，取两个支架间距为4 572mm，皮带支架材料参数见表2。

TBM主洞围岩岩性类别见表3。

3.1 皮带机支架受力分析

经实际测量可知，洞内支架受力结构呈三角形，如图5所示，横梁支撑角钢长度为2020mm，斜梁支撑角钢长度为1960mm，其余值可由三角函数相关定理求出。

皮带机运转过程中受到的作用力有：皮带机支架、皮带和弃渣自重，膨胀螺栓切应力，钢筋屈服力，膨胀螺栓拉应力。由于弃渣随着皮带匀速前进且滚轮为匀速转动，因此不考虑摩擦力，其受力如图6所示，其中：G为皮带机支架、皮带和弃渣自重，F_屈为等边角钢所受屈服力，F切为膨胀螺栓1受到的切应力，F_切2为膨胀螺栓2受到的切应力，F_拉为膨胀螺栓所受拉应力。

竖直方向膨胀螺栓能提供的支持力F₀为

考虑等边角钢在洞内的损耗及自身悬空的影响，取折减系数为0.6，则提供支持力为

F=0.6F₀（3）

联立式（2）和式（3），可得F>G。

因此，皮带能够处于匀速运动状态，由牛顿运动定律可得

3.2 皮带机支架稳定性分析

皮带支架采用三角形布置，对于结构整体来说，宽高比是影响其破坏形式的关键因素，宽高比越大水平面抗弯刚度越大，抗扭刚度也随之增大，则稳定承载能力越大。该工程横梁宽度b为2.02m，高度h为1.76m，则宽高比b/h=1.15，同理得出另外两个宽高比分别为1.08和1.25。

通过查阅资料可知，当三角支架宽高比在0.4～1.5范围内时，随着宽高比的增大，抗弯刚度增大;当宽高比继续增大时，可以提高结构的抗扭刚度，但可能会导致整体性变差，极限承载能力反而降低，甚至导致整体失稳。因此，采用的支架在满足荷载的同时也要符合稳定性要求。

综上所述，皮带支架使用的等角边钢承受荷载能力远远大于皮带支架、弃渣和皮带自身的重力，并且膨胀螺栓的抗拉强度可以满足等边角钢的固定强度要求，皮带自身所能承受的破坏力和拉伸力亦满足标准，且稳定性方面达到了规范要求。因此，皮带支架在材料和受力各方面都可以满足施工要求。

4 皮带机运行问题及处理措施

引汉济渭秦岭隧洞TBM施工段岭南工程运输距离长，连续皮带在运行过程中不可避免会出现一些问题，因此需要采取针对性的处理措施。

（1）分渣器气动改液压。分渣器最初设计为气动方式，在分渣器旁放置一个1.5m³的空压机作为动力，通过电动机控制电磁阀活动，从而带动8个SC80×400气缸伸缩，推动翻板左右翻动，让渣进入相应的溜槽内出料。实际运行过程中，容易出现气管内含水不足导致气缸失灵，气缸动力不足导致翻版仅推开一半而引起堵料，使用频率较高导致气管接头及电磁阀更换频繁等问题。经过大胆尝试，将气动改为液压模式，由液压泵+手动阀+液压缸代替原来的空压机+电磁阀+气缸的模式推动翻板进行控制，有效解决了上述问题。

（2）皮带卷入滚筒。硫化前皮带仓留存皮带较多，皮带仓张紧后滑车滑出皮带仓约30cm，张紧、启动后皮带正常运转，但停机再启动时，皮带太松，滑车跳到急停后，皮带受惯性作用，滚筒缓慢停止过程中主驱右侧滚筒内夹入2层皮带，导致滚筒、皮带同时卡死。解决这一问题，首先应取出变速箱内防逆行锁片，然后调正电机转向，手动转动滚筒，夹入滚筒内部的2层皮带将自动掉落，待防逆行锁片安装后，卷扬机张紧皮带，调整托辊组，皮带即恢复正常。为避免上述问题，硫化皮带前，必须计算皮带仓内皮带是否到达极限位置，确保皮带仓内能够置放新皮带加留存皮带的长度。

（3）移动尾端改造。连续皮带机无法完美对接现有TBM，导致移动尾端无法安装，进而造成延伸支架时停机等待，并且在对接位置距离支架较远时经常出现出料皮带倾斜掉渣的情况，而距离较近时又因渣料太重吊起皮带延伸支架困难，故出料槽型托辊支架变形严重，减缓了施工进度。

根据现场情况，在TBM对接架下部加设Φ300mm×1320mm滚筒一个，紧固在底部支架上。之后在上部继续安装一个带Φ300mm×1320mm滚筒的支架，作为回程皮带支架。在支架旁边，再焊固一个支架，将门型支架及槽型托辊组支架焊固在上部，作为槽型出料皮带支架。经过改造后，实现了不停机安装延伸支架的目的。

（4）皮带纵向撕裂。皮带运行过程中，皮带支架安装倾斜引起皮带跑偏，边部皮带夹入S型卡扣，引起皮带纵向撕裂，极易造成重大经济损失。对于距离较短的中部纵向撕裂皮带，可采用硫化胶枪夹入中垫胶+修补条双面粘贴的方式进行修补;对于边部纵向撕裂较窄的皮带，可采用角磨机将其割除，并将错台处进行打磨，防止该处再跑偏至支架或s型卡扣处发生二次损伤事故。此外，购置皮带纵向撕裂开关安装在皮带滚筒刮板附近，一旦出现皮带中部纵向撕裂，即传递信号至启动柜，自动启动急停程序，可有效防止皮带纵向撕裂引发重大损失;在关键部位的皮带，如TBM桥架皮带及转渣皮带，采用高强度的网格皮带，增大耐磨和耐冲击强度，可以避免纵向撕裂事故的发生。

5 结语

（1）考虑引汉济渭工程秦岭隧洞TBM施工段岭南工程的出渣要求，采用主洞连续皮带机和支洞皮带机配合出渣，分析选取了连续皮带机合理的参数取值，其中带速为2～3m/s，带宽为914mm，ST2000钢丝皮带厚度为15mm，皮带机支架满足荷载和稳定性要求。

（2）结合工程实践分析了连续皮带机安装及运行中出现的皮带跑偏、皮带仓储存、皮带修补、分渣器气动、皮带卷入滚筒等问题，并提出了分渣器气动改液压、移动尾端改造等处理措施，取得了良好的效果。随着连续皮带机出渣技术的不断发展，长大隧洞的开挖出渣将更为高效、环保和便利。

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