裙边皮带在富水硬岩盾构掘进中的应用

曹麦林，冯晓伟，惠鹏飞，王春强

（中铁七局集团西安铁路工程有限公司，陕西 西安 710000）

大连某地铁项目区间右线全长812.009m，左线全长795.787m，区间采用盾构法施工。本项目盾构掘进围岩属于富水、硬岩、大下坡段，在盾构掘进中，由于渣土含水量大，皮带坡度大，造成排渣困难，使盾构掘进效率下降，成本增加。本项目采用多种措施比较并经过实际效果检验，使用改良运输方法即采用裙边皮带运输方法效果最佳，裙边皮带的辅助排渣效果良好，加快了盾构掘进速度，减少了盾构刀具损耗及其他辅材消耗，使得盾构施工整体工效提高。

1 工程概况

区间隧道范围内主要岩层为中风化石灰岩，盾构穿越的地层岩性变化较小，岩体较完整，岩体基本质量等级Ⅲ～Ⅳ级，属较硬岩。地下水类型为第四系松散的孔隙水和岩溶水，地下水埋深0.5～19.0m。孔隙水主要赋存在素填土和杂填土层中，渗透性各项差异大，贯通性好，水量中等。岩溶水主要赋存于强、中风化石灰岩层溶蚀裂隙及溶洞中，溶洞连通性强，储水性强，岩溶水赋存量较大，径流条件较好，水量丰富～极丰富，由于岩溶溶蚀裂隙的不规则性，形成脉状岩溶水，局部可呈现承压性。

隧道平面左右线转弯半径分别为320m 和350m，单向纵坡，坡率 28‰和21‰两种。

2 现场施工存在的问题

总体施工顺序为先左线、后右线。在左线施工过程中，盾构掘进至260 环时，进入全断面硬岩，基岩裂隙发育，地下水丰富，推进速度缓慢。该区段盾构掘进过程中，左线未加装裙边皮带时，排出的渣土在螺旋机口附近的皮带上打转、掉落，排渣能力减弱，无法正常带走排出的渣土。通过统计左线360～550 环的推进数据，平均每环推进时间约12h，总推力18 000T 左右，刀盘转速1.8～2.5r/min，推进速度为0～6mm/min，仓内左上土压为0.7～1.2bar，螺机转速最大为0.5r/min 左右，环出渣量6 车（18m3渣斗车），期间清理刀盘泥饼3 次，更换刀具60 把，盾尾油脂用量1 环/桶。

综合以上盾构推进数据分析得知，出渣效率低导致推进速度缓慢，同时刀盘工作时间长，刀具损坏严重，需频繁更换刀具，各种耗材消耗严重，导致施工成本显著增加。

3 原因分析

1）在富水、硬岩、大下坡区段盾构掘进时，隧道纵坡和盾构机皮带输送机纵坡坡度叠加，导致皮带带渣爬坡坡度更大，在排渣过程中，经常出现排出的渣土在螺旋机口附近的皮带上打转、掉落，排渣能力减弱，无法正常带走排出的渣土。

2）由于地下水补给及时，为了减少排渣过程中盾尾的掉渣量，缩短人工清渣时间，排渣过程中未能及时转动螺旋机，有效排渣，只是在开关螺旋机闸门，靠仓内水压带出少部分渣土。

3）土仓内渣土未及时排出，在推进过程中，将仓内石渣与掌子面、刀盘等进行持续性摩擦，导致仓内渣温持续升高，经现场测量渣温最高达到60℃左右，造成刀盘出现结泥饼现象，从而造成刀具磨损严重，更换刀具频繁。

4）在推进过程中土仓内渣土未及时排除，导致土仓压力增大，部分推力被土仓压力抵消，传递到掌子面的推力不足。

4 处治措施

4.1 渣土改良

经过研究分析，针对盾构皮带机排渣不畅，导致仓内渣土未能及时排出，造成的一系列问题，现场研究进行渣土改良，改善仓内渣土的和易性，便于皮带输送机有效排渣，现场分别采用膨润土和高分子聚合物（聚丙烯酰胺）进行渣土改良，经过现场尝试，由于地下水补给量大，利用膨润土和高分子聚合物进行渣土改良有一定的效果，但未能彻底解决排渣困难问题。

4.2 裙边皮带的应用

针对盾构排渣困难、掘进缓慢的实际情况，结合通过渣土改良来改善皮带输送机的排渣效果分析，借鉴其他工程搅拌站大倾角皮带上料机相关成熟案例，决定采取最直接的方法，在盾构原有皮带上方增加一条裙边皮带，在根本上解决皮带输送渣土问题。

采用裙边皮带运输方法，效果好且具有较好的操作性。先在现场对各种尺寸测量及校核，再对裙边皮带的各种参数进行市场调查，最终确定裙边皮带加隔板改造后，爬坡运输能力显著增强，可携带各种类型的物料，具有大倾角提升物料适应性强、经济性好、出渣效率高等特点。

裙边皮带采用8mm 厚裙边挡板输送带，总长度15m，宽度500mm，裙边高60mm，挡板高50mm；皮带驱动采用11kW 变频电机配合减速比为1∶5 的减速机带动主动轮工作，主动轮直径250mm，长度650mm；从动轮采用直径100mm橡胶辊，长度为600mm；托辊采用直径70mm 铁质托辊和导向辊；皮带控制装置采用变频器接入盾构PLC 控制系统，将控制系统接入盾构机操作室，由盾构司机进行统一控制，确保构推进过程中各系统有效匹配使用。

裙边皮带可采用一次加工成型无接头的整条皮带，亦可采用加工成型皮带，现场根据需要长度进行搭接铆钉接头。安装时先固定螺机出渣口的皮带从动轮，再装入皮带，然后固定另一端的皮带主动轮，主动轮与从动轮中间采用焊接安装托辊进行加固，调整皮带高度和平整度，在皮带两侧焊接安装导向托辊，保证皮带转动过程中不跑偏，通过对托辊的调节可使裙边皮带适应曲线掘进的要求。通过皮带两端的拉紧装置可以调整皮带的松紧。

5 使用效果

通过对左线施工技术总结，右线安装裙边皮带后，裙边皮带辅助盾构原装皮带带渣爬坡，排渣顺畅。经统计分析右线360～550 环掘进数据，加装裙边皮带后，在总推力和刀盘转速相同的情况下，平均每环推进时间约2h，推进速度为10～20mm/min，仓内左上土压为0～0.5bar，螺机平均转速为1.5～3.5r/min，环出渣量3～4 车（18m3渣斗车），期间清理刀盘泥饼1 次，更换刀具42 把，盾尾油脂用量4 环/桶，推进速度明显加快，右线较左线提高功效31%。

综上所述，通过裙边皮带安装，在富水、硬岩、大下坡工况下掘进，能有效提高施工效率，减少或规避了由于出渣问题导致的其他次生影响，提高了工效，缩短了工期，能够从安全、质量、文明施工等多个方面对项目施工起到积极的作用，可以在相似地质和施工环境下的工程中推广使用。O