西秦嶺隧道洞外上山皮帶設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張學(xué)軍

(中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北 三河 065201)

0 引言

連續(xù)皮帶機(jī)出渣作為一種較為高效、環(huán)保的出渣方式，在我國(guó)長(zhǎng)大隧道施工中取得了較好的施工效果。文獻(xiàn)［1－5］介紹了遼寧大伙房水庫(kù)輸水一期工程及新建蘭渝鐵路西秦嶺隧道工程連續(xù)皮帶機(jī)出渣技術(shù)，表明在隧道內(nèi)通過(guò)連續(xù)皮帶機(jī)系統(tǒng)與TBM設(shè)備的有效結(jié)合，可以在確保良好施工環(huán)境的同時(shí)充分發(fā)揮TBM高效施工的特點(diǎn)。文獻(xiàn)［6－7］介紹了青藏鐵路西格二線關(guān)角隧道長(zhǎng)斜井皮帶機(jī)出渣運(yùn)輸，說(shuō)明連續(xù)皮帶機(jī)在斜井出渣運(yùn)輸中同樣也可以提高出渣效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。當(dāng)采用連續(xù)皮帶機(jī)將洞渣運(yùn)出洞外后，往往是先行儲(chǔ)存在臨時(shí)轉(zhuǎn)渣場(chǎng)地內(nèi)，再將洞渣用汽車轉(zhuǎn)運(yùn)至棄渣場(chǎng)，汽車運(yùn)輸受運(yùn)輸能力不足、便道干擾及惡劣天氣等不確定因素的影響，使得洞內(nèi)、外出渣能力不匹配，影響施工進(jìn)度。洞外出渣能否同樣引入連續(xù)皮帶機(jī)出渣技術(shù)?以西秦嶺隧道TBM第2掘進(jìn)段出渣為例，通過(guò)洞內(nèi)、斜井、洞外皮帶機(jī)聯(lián)調(diào)聯(lián)試，接力出渣，將渣體直接輸送至棄渣場(chǎng)，滿足了TBM掘進(jìn)時(shí)快速連續(xù)出渣的要求。

1 工程概況

蘭渝鐵路西秦嶺隧道位于新建鐵路蘭渝線中段，地處甘肅省隴南市武都區(qū)境內(nèi)，全長(zhǎng)28 236 m，是目前國(guó)內(nèi)鐵路建設(shè)史上第2長(zhǎng)隧道，也是國(guó)內(nèi)TBM施工斷面最大、距離最長(zhǎng)的鐵路隧道。西秦嶺隧道采用鉆爆法和TBM掘進(jìn)聯(lián)合施工，TBM掘進(jìn)分2段，第1掘進(jìn)段長(zhǎng)5 594 m，第2掘進(jìn)段長(zhǎng)7 340 m，2個(gè)掘進(jìn)段之間設(shè)羅家理斜井1座。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，西秦嶺隧道第2掘進(jìn)段洞渣全部通過(guò)羅家理斜井出渣，棄于羅家理斜井洞口斜上方棄渣場(chǎng)內(nèi)，棄渣場(chǎng)距離斜井洞口直線距離約230 m，高差約60 m，山體自然坡度大于30°。如修建運(yùn)輸便道，斜井洞口至棄渣場(chǎng)便道全長(zhǎng)約1 200 m，便道最大坡度為15%，連續(xù)坡長(zhǎng)超過(guò)220 m。經(jīng)過(guò)方案比選并結(jié)合西秦嶺隧道連續(xù)皮帶出渣實(shí)際工程特點(diǎn)，TBM第2掘進(jìn)段在羅家理斜井內(nèi)設(shè)置轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)直接將洞渣轉(zhuǎn)運(yùn)至洞外，再在洞外采用翻山連續(xù)皮帶機(jī)接力將洞渣直接運(yùn)輸至棄渣場(chǎng)。西秦嶺隧道第2掘進(jìn)段出渣施工平面布置如圖1所示。

圖1 TBM第2掘進(jìn)段隧道出渣示意圖Fig.1 Mucking by means of continuous belt conveyor system in the second TBM-driven section of West Qinling tunnel

2 洞外皮帶機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)思路

洞外皮帶機(jī)一次性投入大，皮帶機(jī)線形要求嚴(yán)格，上山皮帶機(jī)需要與TBM主連續(xù)皮帶運(yùn)輸能力匹配。上山皮帶機(jī)的參數(shù)型號(hào)、線形設(shè)計(jì)以及皮帶支架的結(jié)構(gòu)形式是否合理，是本工程能否順利實(shí)施并達(dá)到設(shè)想效果的關(guān)鍵。

1)根據(jù)計(jì)算分析，確定上山皮帶機(jī)的參數(shù)型號(hào);

2)確定上山皮帶機(jī)最大上山坡度，合理設(shè)計(jì)皮帶線形;

3)根據(jù)確定好的皮帶線形，設(shè)計(jì)皮帶支架的結(jié)構(gòu)形式及機(jī)頭、機(jī)尾的基礎(chǔ)形式;

4)設(shè)計(jì)預(yù)留檢修通道，方便皮帶機(jī)日常檢修保養(yǎng)。

2.2 洞外上山皮帶機(jī)布置形式

上山皮帶機(jī)水平投影為直線，豎向根據(jù)山體地形調(diào)整，雙線設(shè)計(jì)，滿足西秦嶺隧道左右線同時(shí)出渣要求。渣體被斜井皮帶機(jī)輸送出洞外后，經(jīng)轉(zhuǎn)渣器落到洞外上山皮帶機(jī)上，上山皮帶機(jī)主驅(qū)動(dòng)安設(shè)在山頂棄渣場(chǎng)外邊緣的混凝土基礎(chǔ)平臺(tái)上，皮帶機(jī)最大爬升坡度20°，翻越山頂后以7%下坡，橫跨河流、便道，總長(zhǎng)約284 m?？绾佣尾捎萌玟撹旒芰盒问?，全長(zhǎng)60.2 m，在皮帶整體約1/2位置處利用便道邊的一處自然平臺(tái)整平后安裝張緊裝置，此處無(wú)寬橋架支腿，張緊裝置重錘箱等總質(zhì)量5.8 t。皮帶機(jī)總體布置情況如圖2所示。

圖2 上山皮帶機(jī)布置圖Fig.2 Layout of mountain-climbing belt conveyor system

為保證上山皮帶機(jī)維護(hù)和檢修期間TBM仍然能夠正常掘進(jìn)出渣，在斜井連續(xù)皮帶機(jī)轉(zhuǎn)渣器位置安裝一臺(tái)小型分渣器，分渣器的一個(gè)分渣口指向上山皮帶機(jī)，另一個(gè)分渣口指向臨時(shí)棄渣場(chǎng)。這樣，在上山皮帶機(jī)維護(hù)和檢修期間，只需要切換分渣器的切換擋板，使渣體落到臨時(shí)棄渣場(chǎng)地上，用轉(zhuǎn)運(yùn)工程車轉(zhuǎn)運(yùn)即可。

上山皮帶機(jī)采用國(guó)產(chǎn)皮帶機(jī)，主驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為200 kW，采用變頻啟動(dòng)技術(shù)，皮帶采用EP200×4× (4.5+1.5)，帶寬1 m，根據(jù)TBM掘進(jìn)速度，要求皮帶機(jī)最大運(yùn)輸能力為700 t/h，帶速為2.5 m/s。皮帶槽由3個(gè)托輥組成槽型，托輥槽角為45°，皮帶托輥形式如圖3所示。

圖3 皮帶托輥布置圖Fig.3 Roller of belt conveyor

2.3 上山皮帶機(jī)主要參數(shù)

2.3.1 上山皮帶機(jī)最大坡度

為保證渣料在上山皮帶機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)因坡度太大而滑落，要求上山皮帶坡度需能夠滿足渣料在皮帶上的切向分力不大于渣料與皮帶之間的最大靜摩擦力，即

式中:α為上山皮帶坡度;μ為渣料與皮帶的摩擦因數(shù)，取值為0.5［8］;G為渣料自身重力;f為皮帶對(duì)渣料的摩擦力;N為皮帶對(duì)渣料的法向支撐力。

皮帶的上山坡度應(yīng)滿足:

根據(jù)上式計(jì)算得出α須不大于26°33'54.18″，實(shí)際進(jìn)行皮帶機(jī)線形設(shè)計(jì)時(shí)，取最大坡度為 20°，即36.4%。

渣料在皮帶的受力如圖4所示。

圖4 渣料受力分析圖Fig.4 Force analysis of mucks

2.3.2 皮帶機(jī)帶寬選定

帶式輸送機(jī)的輸送量受到運(yùn)行輸送帶上的裝料截面面積的影響，裝料截面面積則取決于皮帶的動(dòng)堆積角及裝料條件。渣料在皮帶上堆積成近似多邊形，該多邊形由托輥輪廓線和輸送物料堆積的輪廓線組成。它由托輥的長(zhǎng)度lm、槽角λ、有效寬度b和等效堆積角β來(lái)確定。渣料堆積形狀如圖5所示。

圖5 渣料堆積形狀圖Fig.5 Pile shape of mucks

皮帶橫向長(zhǎng)度為1 m，在托輥中成槽寬度B為0.83 m，因?yàn)門BM的渣料較為細(xì)小，取等效堆積角β為20°。渣料堆積面積由A1和A22部分組成，根據(jù)公式

式中:lm為中間托輥長(zhǎng)度，取0.4 m;λ為托輥槽角，取45°。

計(jì)算可得皮帶的渣料堆積面積為0.086 9 m2，根據(jù)翻山皮帶的運(yùn)輸能力，可知滿足輸送能力的理論所需渣料面積

式中:Qt為皮帶機(jī)輸送能力，取500 t/h;μ為有效裝料系數(shù)，取1;γ為渣料密度，取1 600 kg/m2;v為帶速，取2.5 m/s。

計(jì)算的理論所需渣料面積為0.034 7 m2，考慮到TBM遇掌子面坍方等瞬時(shí)大方量出渣的情況，實(shí)際選用的皮帶安全系數(shù)取2.0，可知帶寬選為1 m能夠滿足輸送能力要求。

2.4 皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)主機(jī)功率

在穩(wěn)定工況運(yùn)行時(shí)需要的驅(qū)動(dòng)力(運(yùn)行阻力)Fw是由皮帶與托輥摩擦力、皮帶重力和渣料質(zhì)量共同作用的。輸送機(jī)的功率消耗Pw是運(yùn)行阻力和運(yùn)行速度的乘積，即

將運(yùn)行阻力劃分為主要阻力FH、附加阻力FN、提升阻力Fst和特種阻力FS，這些阻力的和Fw等于從傳動(dòng)滾筒傳遞到輸送帶上的圓周力Fpu，也就是皮帶張力。

計(jì)算所得各控制點(diǎn)皮帶張力如圖6和表1所示。

圖6 皮帶輸送機(jī)張力分布示意圖Fig.6 Distribution of tension of belt conveyor system

表1 皮帶輸送機(jī)正常運(yùn)行時(shí)各點(diǎn)張力值Table 1 Tensions at different points of belt conveyor system during normal operation N

計(jì)算可得Pw為184.75 kW，最后選擇的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為200 kW，滿足要求。

2.5 皮帶機(jī)機(jī)頭架基礎(chǔ)

皮帶輸送機(jī)的機(jī)頭架受皮帶張力的影響，受力最大，施工時(shí)根據(jù)皮帶張力設(shè)計(jì)機(jī)頭架基礎(chǔ)，以配重抵抗皮帶張力。皮帶機(jī)機(jī)頭架基礎(chǔ)見(jiàn)圖7。將主驅(qū)動(dòng)架與機(jī)頭架設(shè)置在一個(gè)基礎(chǔ)之上，利用基礎(chǔ)自身剛度可以抵抗部分皮帶拉力。

圖7 皮帶機(jī)頭部基礎(chǔ)設(shè)置圖Fig.7 Foundation of head frame of belt conveyor system

根據(jù)表1中皮帶張力數(shù)值，可知輸送機(jī)機(jī)頭架受到皮帶拉力為第1點(diǎn)與第5點(diǎn)張力值之和，為99.57 kN，基礎(chǔ)總質(zhì)量為67.7 t，支架和電機(jī)總質(zhì)量約為2 t，施工時(shí)要求地基承載力不小于50 kPa，各支架通過(guò)基礎(chǔ)上的預(yù)埋鋼板與之相連接。利用基礎(chǔ)與地基的摩擦力以及地基對(duì)基礎(chǔ)的反推力來(lái)抵抗皮帶對(duì)機(jī)頭架的拉力。

2.6 上山皮帶支架設(shè)計(jì)

皮帶支架所受線荷載包括:皮帶上渣料質(zhì)量、皮帶及皮帶支架自重、支架上檢修道質(zhì)量及人行荷載質(zhì)量。根據(jù)皮帶機(jī)最大輸送能力，取渣料質(zhì)量為0.78 kN/m;皮帶及皮帶支架自重為2 kN/m;支架檢修道采用3 mm鋼板鋪設(shè)，皮帶支架兩側(cè)布置50 cm寬，取0.2 kN/m;人行荷載取0.5 kN。對(duì)皮帶支架進(jìn)行驗(yàn)算時(shí)荷載組合取值為3.48 kN/m，根據(jù)力學(xué)計(jì)算，結(jié)合實(shí)際地形，確定支架的結(jié)構(gòu)形式及跨度。

3 上山皮帶機(jī)施工

上山皮帶機(jī)施工遵循“先勘察，后設(shè)計(jì)，再施工”的原則，根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸及參數(shù)要求進(jìn)行選線，對(duì)山體地形地貌進(jìn)行詳細(xì)勘察，結(jié)合勘察結(jié)果，并充分考慮因山體陡峭、植被茂密導(dǎo)致的大型施工機(jī)械無(wú)法上山作業(yè)、皮帶支架轉(zhuǎn)運(yùn)及安裝等必須完全依靠人工的實(shí)際困難，上山皮帶支架設(shè)計(jì)遵循“最大程度依靠自然地形、減少對(duì)自然植被的破壞，在確保安全的情況下最大程度追求輕便易施工”的原則，采取“一升一降一拉一提前”的方式，升高山底皮帶支架，降低山頭高度，拉長(zhǎng)坡距，提前起坡，將皮帶運(yùn)輸坡度控制在安全范圍，最大限度減少開(kāi)挖面積，防止山體植被破壞和水土流失。皮帶支架構(gòu)件在山下加工場(chǎng)按照設(shè)計(jì)尺寸下料加工后，先不進(jìn)行組裝焊接，按照立柱順序編號(hào)標(biāo)識(shí)后人工轉(zhuǎn)運(yùn)上山，現(xiàn)場(chǎng)單根吊裝和拼裝焊接。結(jié)合山體地形，皮帶支架的基本結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖8。

圖8 皮帶支架結(jié)構(gòu)示意圖(單位:cm)Fig.8 Structure of supporting frame of belt conveyor system(cm)

設(shè)計(jì)完成后，根據(jù)圖紙組織施工，主要施工步驟如下:

1)根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸，提前對(duì)皮帶支架各構(gòu)件(不進(jìn)行組裝焊接)下料，并按照立柱順序編號(hào)標(biāo)識(shí);

2)清除地面障礙物后，測(cè)量放樣，確定各皮帶支架的基礎(chǔ)位置，人工開(kāi)挖基礎(chǔ)、澆筑混凝土并預(yù)埋焊接鋼板;

3)皮帶支架各構(gòu)件轉(zhuǎn)運(yùn)上山，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組裝焊接，并根據(jù)皮帶線形糾正組裝偏差;

4)在皮帶支架上施工檢修通道，增大作業(yè)空間，以便于安裝皮帶托輥支架;

5)安設(shè)皮帶機(jī)托輥支架，并安裝托輥;

6)安裝皮帶機(jī)機(jī)頭架、機(jī)尾架、主驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電氣設(shè)備、急停裝置及張緊裝置等;

7)在皮帶托輥上拖放皮帶，硫化皮帶接頭;

8)進(jìn)行皮帶調(diào)試運(yùn)行，調(diào)整張緊裝置，防止皮帶過(guò)緊致使皮帶在凹處懸空或過(guò)松造成打滑;

9)與洞內(nèi)出渣連續(xù)皮帶進(jìn)行聯(lián)調(diào)聯(lián)試，確保上山皮帶與洞內(nèi)連續(xù)皮帶運(yùn)行同步、動(dòng)作匹配。

4 實(shí)用效果

西秦嶺隧道洞外上山皮帶機(jī)通過(guò)與洞內(nèi)、斜井連續(xù)出渣皮帶的聯(lián)調(diào)聯(lián)試，實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一控制、同步動(dòng)作，工作故障率少，能夠滿足TBM快速掘進(jìn)連續(xù)出渣的需求。西秦嶺隧道TBM第2掘進(jìn)段總共出渣方量約為80萬(wàn)m3，洞外上山皮帶工作狀況良好，故障率較少，保證了TBM掘進(jìn)順利完工［9］。上山皮帶機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)如圖9所示。

洞外上山皮帶機(jī)傳送出渣方式與傳統(tǒng)汽車運(yùn)輸出渣方式對(duì)比見(jiàn)表2。

圖9 上山皮帶機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)圖Fig.9 Picture of mountain-climbing belt conveyor system

表2 出渣方式對(duì)比Table 2 Comparison and contrast between different mucking systems

5 結(jié)論與建議

在西秦嶺隧道TBM第2掘進(jìn)段出渣施工中，根據(jù)斜井渣場(chǎng)特殊的地理?xiàng)l件，采用連續(xù)皮帶機(jī)將洞渣直接運(yùn)輸至山上棄渣場(chǎng)內(nèi)部，保證了洞外出渣與洞內(nèi)、斜井皮帶出渣的同步性，簡(jiǎn)化了出渣工序，減少了出渣過(guò)程中故障點(diǎn)及影響因素，實(shí)現(xiàn)了與TBM快速掘進(jìn)施工相配套，符合國(guó)家節(jié)能減排大形勢(shì)的要求。

1)對(duì)于采用皮帶機(jī)出渣、掘進(jìn)速度快、出渣量較大的隧道工程，如果棄渣場(chǎng)距離洞口較近、地形能夠滿足皮帶機(jī)容許作業(yè)坡度的要求，可選用連續(xù)皮帶機(jī)作為出渣方式，能夠取得較好的施工效果和經(jīng)濟(jì)效益。

2)在連續(xù)皮帶機(jī)選型及線路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮出渣能力需求、支架形式和線路地形地貌等因素，同時(shí)考慮施工的簡(jiǎn)易、方便，以順利實(shí)現(xiàn)預(yù)期設(shè)計(jì)和使用效果。

3)洞外采用連續(xù)皮帶機(jī)出渣具有出渣能力強(qiáng)、耗能小、噪聲小、對(duì)地表破壞少、節(jié)能環(huán)保等明顯優(yōu)勢(shì)，雖然設(shè)備采購(gòu)及施工一次性投入較大，但維護(hù)保養(yǎng)方便，故障點(diǎn)少，故障率小，設(shè)備殘值大，分?jǐn)傎M(fèi)用低，可以應(yīng)用到相似的工程中。

4)通過(guò)與汽車出渣方式的對(duì)比，可知采用皮帶機(jī)上山出渣直接為本工程創(chuàng)造效益300萬(wàn)元以上。

5)每一個(gè)工程實(shí)例的成功都有其特殊性，值得類似工程借鑒，但絕不可生搬硬套，如果棄渣場(chǎng)距離洞口較遠(yuǎn)、地勢(shì)復(fù)雜或地形平坦，以及出渣運(yùn)輸距離超過(guò)2 km時(shí)，連續(xù)皮帶機(jī)出渣方式較傳統(tǒng)汽車運(yùn)輸方式的優(yōu)勢(shì)就不再明顯，且對(duì)資金投入、人員素質(zhì)等也會(huì)有更高的要求。因此，洞外皮帶機(jī)出渣方式的選擇需要結(jié)合工程實(shí)際情況綜合分析和比選，以確定科學(xué)合理的出渣方式。

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