盾构隧道施工连续皮带机出渣系统设计研究

2019-07-19高鹏兴

四川建筑 2019年3期

贾丁，张文, 高鹏兴

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都 610081)

连续皮带机具有运距长、运量大、速度快、污染小等特点[1]，因此在TBM和盾构隧道出渣系统中得到了广泛应用。在我国，皮带运输机最早运用于采矿业中，2002年的辽宁大伙房水库输水工程才首次引进使用了连续皮带机与配套出渣的皮带机连续出渣系统[2]。我国对于这种连续出渣技术的研究起步较晚，而且目前相较于国外设备和技术都相对落后。

近年来随着连续皮带机在采矿业和隧道施工中的广泛应用，国内学者也从各个方面对连续皮带机做了大量的研究。吴惠明和周文波在2004年对水平与垂直运输系统作了较详细的介绍，并对水平皮带运输机的操作、特殊道岔的应用、垂直皮带运输机的结构作了进一步的阐述[3]。徐道亮介绍了盾构法施工及其出渣方式，并针对连续皮带机渣土流动性过大的问题进行了研究[4]。王可强分析了连续皮带机的皮带特性，研究皮带的张力分布形式并使用仿真软件RecurDyn进行了仿真模拟[5]。中国矿业大学的张振兴等人介绍了煤矿井用长距离、大运量下带式输送机的设计方法、制动力矩、张紧力的计算和输送带的选择[6]。曾文宇以神华新街煤矿斜井隧道工程为背景，研究了盾构法隧道施工配套连续皮带机的关键技术，分析了驱动方案和纠偏方案，并计算出连续皮带机最后的设计参数[2]。

本文就成都地铁18号线世纪城～海昌路区间隧道施工采用的连续皮带机出渣系统进行探讨，分析其基本组成以及进行工程参数计算，通过计算皮带张力分析驱动布置形式和铺设长度对安全系数的影响，最后校核最大铺设长度(即隧道即将贯通时)连续皮带机的皮带张力状态，计算最小安全系数。

1 工程背景

成都轨道交通18号线土建2标施工范围包含两站两区间，具体为锦城广场站、世纪城站、锦城广场站～世纪城站盾构区间、世纪城站～海昌路站(麓山站)盾构区间。其中世纪城站～海昌路站(麓山站)盾构区间起点里程为YDK15+819，终点里程为支YDK22+238，区间长度为6 419m，区间最大坡度为28 ‰。

该区间采用土压盾构法施工，隧道管片外径为8.3m，开挖直径为8.62m，出土量较大。环球中心站～海昌路站拟建区间范围内表层为人工填土，其下为黏土、黏性土、粉土、卵石土夹粉细砂。采用连续皮带机与转载皮带机结合的皮带出渣运输系统，连续皮带机的皮带和托辊布置在机架上，而在隧道中机架通过螺栓布置在拱肩位置的管片上，如图1。表1为本区间连续皮带机出渣的基本参数。

图1 连续皮带机机架布置位置(单位：m)

项目体积松散系数ω渣土密度/(g·cm-3)含水率/%隧洞断面/(m3·m-1)额定掘进速率/(m·h-1)最大掘进速率/(m·h-1)开挖直径/m参数1.41.81058.34.868.62

2 连续皮带机结构

世纪城站～海昌路站盾构区间出渣采用连续皮带机与转载皮带机结合的立体出渣方式。盾构开挖出来的渣料经盾构自带的皮带机卸载到连续皮带机上，经连续皮带机沿隧道输送到海昌路站后卸载到转载皮带机上，由转载皮带机运至地面。

2.1 机头传动装置

机头的传动装置由驱动装置、传动滚筒和传动滚筒架等组成，驱动装置提供皮带机运行的动力，由电动机、减速器、制动器等组成。

2.2 储带仓

储带仓采用框架式结构，10层储带结构形式，如图2，储带长度600m。

图2 储带仓

2.3 皮带延伸装置

随着盾构机不断掘进，与之相应的皮带及皮带支架也要相应延伸，因此皮带机尾部配置一套尾部支架装置，移动尾部支架安装在台车上，随台车一起移动。皮带机尾部作为受料装置，安装在盾构台车上，承受来自盾构施工输出的渣土。

2.4 连续皮带硫化接续

皮带储存区的储存能力有限，每次可存600m的储存区。硫化皮带时将连续皮带的张紧装置放松，在硫化区的某一处将原皮带割断，将新续的皮带与其对接，然后加热硫化使接头结合在一起。

2.5 连续皮带机运行流程

连续皮带机尾部延伸装置固定于盾构台车上，随着盾构机不断向前掘进，尾段前方的输送带支撑装置会不断的安装在洞壁上以保证输送带的延伸，此时输送带就会通过储带张紧装置不断放带。当输送带放完后，采用硫化装置将新硫化后的输送带接入储带仓，可以实现输送带不断向前伸长。在皮带机上同时布置有相应的纠偏装置以防止输送过程中出现撒料、落料的现象。

3 连续皮带机设计计算

3.1 驱动方案

从安装可靠性、是否需要扩挖管片、成本经济性、管理维护方便性、施工可行性等方面考虑，连续皮带机最终的驱动方案布置形式为添加中间驱动形式。

中间驱动装置设置在距连续皮带机机头部约3 500m的2号风井内，采用变频驱动方式，驱动装置由2套250kW驱动系统组成，采用浮动支撑。采用1∶1双滚筒驱动布置，采用PLC控制和变频软启动。中间驱动装置的电机、减速器与连续皮带机头部主驱动装置使用的电机、减速器完全相同。

当掘进长度超过3 500m后，驱动装置整体布置如图3。

图3 连续皮带机

3.2 基本参数计算

在此仅选取皮带机最大负载工况(铺设长度取为区间隧道长度)，按我国带式输送机设计标准以及一些学者提出的方法进行设计计算及校核。

根据表1中掘进速度和渣土的参数按最大掘进速率计算所需运输能力Q(t/h)：

(1)

按下式计算所需带宽值：

(2)

式中：Cst为倾斜系数，取为0.99；K为装料断面系数；等长三托辊组槽形输送机，物料堆积角β为25 °，托辊成槽角取为λ=35°，带宽暂定为1m，K查表取为435。

选用带宽B=1m。

根据带式输送机设计手册，渣土种类为黏土、黏性土、粉土、卵石土夹粉细砂等，带宽为1m，选择带速V=3.15m/s。

圆周力的计算需要计算清扫器摩擦阻力、受料阻力等，部分参数不易获取，因此采用经验公式计算：

F1=CNfLg[qt+(2q0+q)cosβ]+gqH=200981N

(3)

根据计算出的连续皮带机在运行过程中的圆周驱动力，可以计算出传动滚筒的轴功率：

P=10-3FV=633kW

(4)

连续皮带机的前期工作仅有头部驱动，因此除了要计算最长运输距离的工况外，还要计算单驱动的张力分布，验证中间驱动的布置位置是否合理。

3.3 中间驱动位置

在布置中间驱动位置前，仅有头部驱动，可以假设连续皮带机铺设长度为L，使用经验公式计算圆周力：

F=CNfLg[qt+(2q0+q)cosβ]+gqH=31.4L

(5)

仅有头部驱动时有两个驱动滚筒，每个驱动滚筒的圆周牵引力FU为：

(6)

皮带在传动滚筒的松边的最小张力为：

SLmin=CFmax=9.4L

(7)

Fmax=Ka|FU|=18.84L

(8)

最大张力SLmax(即进入机头传动滚筒处)：

SLmax=SLmin+2×FU=25.1L

(9)

皮带在运输过程中由于磨损、工作条件的限制在选用皮带时必须选用具有一定的安全系数和能保证寿命要求的皮带，最大张力应符合以下公式：

(10)

式中：m为皮带安全系数；[m]为皮带许用安全系数，选取为6；σd为皮带带强，取用ST1000，即额定纵向拉伸强度为1 000N/mm。

利用MATLAB绘制m与L的关系曲线(图4)，由图4可以看出，当输送长度超过5 700m时，皮带带强已经不满足要求。而且在实际工程中需要留有一定的安全余量，因此采用机头单驱动的工作模式下连续皮带机的长度不宜超过5 000m。考虑到世纪城站～海昌路站(麓山站)盾构区间的区间长度为6 500m，因此中间驱动装置设置在距连续皮带机机头部约3 500m的2号风井内较为合适。

图4 安全系数与皮带长度关系曲线

3.4 皮带张力校核

当隧道掘进超过3 500m时，需要布置中间驱动装置。由于地铁隧道内空间狭小，因此驱动装置采用单侧布置，且中间驱动采用1∶1双滚筒驱动布置，具体功率为1×250kW∶1×250kW+1×250kW∶1×250kW，共4个驱动单元。按照连续皮带机满负荷即铺设长度6 500m计算皮带张力，每个驱动滚筒的圆周牵引力FU为：

(11)

最小张力(即图3中6点张力)为：

F6=SLmin=CFmax=CKaFU=30087N

(12)

尾部改向滚筒不提供驱动力，因此4、5点皮带张力相等，按照欧拉公式：

F4=F5=F6+CNfL3g(qd+q0cosδ)=69376N

(13)

式中：L3为回程分支段长度，取为6 500m；qd为回程分支托辊组转动部分单位长度质量，取为2.61kg/m。

图3中3点皮带张力为：

F3=F4+CNfL2g[qa+(q+q0)cosδ]=145460N

(14)

式中：L2为承载分支段2的皮带长度(即中间驱动装置后的皮带长度)，取为3 000m；qa为承载分支托辊组转动部分单位长度质量，取为6.98kg/m。