鐵路隧道斜井皮帶運(yùn)輸機(jī)出砟方案研究

馬　濤

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢　430063)

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鐵路隧道斜井皮帶運(yùn)輸機(jī)出砟方案研究

馬濤

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢430063)

摘要：為解決鐵路隧道長斜井內(nèi)采用無軌運(yùn)輸所產(chǎn)生的施工通風(fēng)難度大、洞內(nèi)環(huán)境污染大以及能源利用率低等問題,對(duì)斜井內(nèi)采用皮帶運(yùn)輸機(jī)出砟方案進(jìn)行了系統(tǒng)、全面的研究,得出鐵路隧道長斜井內(nèi)采用皮帶運(yùn)輸機(jī)出砟方案是可行的,具有在部分長斜井內(nèi)試點(diǎn)價(jià)值的結(jié)論。同時(shí)給出斜井內(nèi)采用皮帶運(yùn)輸機(jī)出砟方案時(shí)井底結(jié)構(gòu)布置以及皮帶機(jī)、破碎站、給料機(jī)等機(jī)械的詳細(xì)配置。

關(guān)鍵詞：鐵路隧道；長斜井；皮帶運(yùn)輸機(jī)；出砟

1概述

某條鐵路干線隧道工程分布較多，受部分特長、長隧道所處地形、地貌限制斜井選擇困難，多座無軌運(yùn)輸斜井長達(dá)2 000多m。在這些長斜井內(nèi)采用無軌運(yùn)輸施工將會(huì)出現(xiàn)施工通風(fēng)難度大、洞內(nèi)環(huán)境污染大以及能源利用率低等問題。故在項(xiàng)目可行性研究、初步設(shè)計(jì)階段對(duì)隧道長斜井采用皮帶運(yùn)輸機(jī)出砟方案進(jìn)行了研究。

2國、內(nèi)外隧道工程內(nèi)皮帶運(yùn)輸機(jī)出砟現(xiàn)狀

在國內(nèi)礦山法施工的鐵路隧道工程中，很少采用皮帶運(yùn)輸機(jī)出砟方案。目前已知的有秦嶺隧道及關(guān)角隧道的個(gè)別斜井工區(qū)采用皮帶運(yùn)輸機(jī)出砟。

但是國內(nèi)的煤炭行業(yè)所采用的皮帶運(yùn)輸機(jī)出煤技術(shù)經(jīng)過經(jīng)多年的使用與改進(jìn)，已逐漸完善和成熟。

國際上已有數(shù)十項(xiàng)特長隧道工程采用皮帶運(yùn)輸機(jī)出砟方案。例如，美國長達(dá)16 km的波士頓隧道工程就采用了皮帶運(yùn)輸機(jī)出砟方案。

近年來，美國有大約80%的隧道工程采用皮帶運(yùn)輸機(jī)出砟，歐洲的長大隧道也多采用了皮帶運(yùn)輸機(jī)出砟。隧道工程內(nèi)皮帶運(yùn)輸機(jī)出砟技術(shù)在歐美國家逐漸趨于成熟。

3長斜井皮帶運(yùn)輸機(jī)出砟方案研究

3.1總體方案布置

3.1.1皮帶運(yùn)輸機(jī)設(shè)置范圍

皮帶運(yùn)輸機(jī)設(shè)置長度略長于斜井長度，其輸送范圍為斜井井底破碎站至井口臨時(shí)堆砟場。下面以常規(guī)單洞雙線鐵路隧道為例進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

3.1.2皮帶運(yùn)輸機(jī)架立位置設(shè)置

采用一條皮帶運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行輸送，皮帶運(yùn)輸機(jī)靠近斜井側(cè)壁布置，架立高度約1.5 m。

3.1.3破碎站設(shè)置位置

皮帶運(yùn)輸機(jī)輸送粒徑小于15 cm的巖塊時(shí)較為安全、快捷、經(jīng)濟(jì)，而隧道工程爆破開挖產(chǎn)生的巖塊粒徑大小不均，有的巖石粒徑大大超過15 cm。大粒徑巖塊對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)的使用壽命、輸送能力以及運(yùn)輸安全影響較大，所以需要設(shè)置破碎站將粒徑大小不均巖塊破碎至粒徑15 cm以下。

斜井與正洞采用雙聯(lián)方式，破碎站設(shè)置在斜井與正洞相交的緩坡段落。斜井底及破碎站布置詳見圖1。

圖1　斜井底平面布置(單位：cm)

3.2破碎站機(jī)械配置及布置

破碎站由破碎機(jī)、給料槽等組成。

3.2.1隧道出砟量計(jì)算

單洞雙線隧道考慮2個(gè)工作面同時(shí)施工，每個(gè)工作面每天進(jìn)度按6 m計(jì)算，每天隧道開挖量為1 080 m3(90 m3/m×6 m×2=1 080 m3)，松散系數(shù)按照1.4考慮，出砟量為1 512 m3，每天有效出砟時(shí)間按照12 h考慮，要求破碎機(jī)的破碎能力約為126 m3/h。

3.2.2破碎機(jī)的選擇

(1)破碎機(jī)特點(diǎn)

根據(jù)皮帶運(yùn)輸機(jī)對(duì)巖石塊石粒徑的要求以及調(diào)查情況，鄂式破碎機(jī)較為合適。如圖2所示。

圖2　鄂式破碎機(jī)

鄂式破碎機(jī)具有以下特點(diǎn)：

①破碎腔深而且無死區(qū)，提高了進(jìn)料能力與產(chǎn)量;

②其破碎比大，產(chǎn)品粒度均勻;

③墊片式排料口調(diào)整裝置，可靠方便，調(diào)節(jié)范圍大，增加了設(shè)備的靈活性;

④潤滑系統(tǒng)安全可靠，部件更換方便，保養(yǎng)工作量小;

⑤結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，運(yùn)營費(fèi)用低;

⑥設(shè)備節(jié)能，單機(jī)節(jié)能15%～30%，系統(tǒng)節(jié)能1倍以上;

⑧排料口調(diào)整范圍大，可滿足破碎不同粒徑的要求;

⑨噪聲小，粉塵少。

(2)破碎機(jī)工作原理

鄂式破碎機(jī)的主要工作部分是垂直固定在機(jī)體前壁上的固定鄂板和傾斜的活動(dòng)鄂板，2塊鄂板形成破碎腔。通過活動(dòng)鄂板相對(duì)于固定鄂板的往復(fù)性運(yùn)動(dòng)將破碎腔內(nèi)的石料破碎。

(3)鄂式破碎機(jī)型號(hào)與參數(shù)

鄂式破碎機(jī)的型號(hào)與參數(shù)詳見表1。

表1　鄂式破碎機(jī)型號(hào)與技術(shù)參數(shù)匯總

考慮到破碎量要達(dá)到126 m3/h，破碎后粒徑為150 mm左右以及隧道爆破后的巖石粒徑，選擇采用PEF750×1060型鄂式破碎機(jī)。

3.2.3給料機(jī)的選擇

因隧道石砟由運(yùn)輸汽車直接倒入破碎機(jī)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)卡機(jī)問題并有可能損壞破碎機(jī)，故需要給破碎機(jī)配置合適的給料機(jī)(圖3)。給料機(jī)可把隧道石砟均勻、定時(shí)、連續(xù)地給到破碎機(jī)裝置中去。給料機(jī)型號(hào)與技術(shù)參數(shù)匯總見表2。

圖3　給料機(jī)

表2　給料機(jī)型號(hào)與技術(shù)參數(shù)匯總

根據(jù)所選擇破碎機(jī)的技術(shù)參數(shù)，可選擇GZD-1300×5200型給料機(jī)與其匹配。

3.2.4其他配套設(shè)備配備

為防止運(yùn)砟車將隧砟倒入給料機(jī)時(shí)破壞給料機(jī)，現(xiàn)場需要在運(yùn)砟車倒砟處與給料機(jī)之間設(shè)置一段(寬4.4 m，長4 m)導(dǎo)流槽；為讓破碎機(jī)破碎后的隧砟能夠順利流入皮帶輸送機(jī)上，現(xiàn)場需要在破碎機(jī)的出料口設(shè)置可活動(dòng)導(dǎo)流槽。

3.2.5破碎站的布置

破碎站選擇布置在斜井與正洞相交的緩坡段落，沿斜井方向30 m，該段采用雙車道斜井?dāng)嗝?；為達(dá)到運(yùn)砟車輛可直接往給料機(jī)中倒砟的便利，給料機(jī)、破碎機(jī)采用下沉式布置，詳見圖4、圖5。

圖4　破碎站平面結(jié)構(gòu)布置(單位：cm)

圖5　破碎站縱剖面結(jié)構(gòu)布置(單位：cm)

3.3皮帶運(yùn)輸機(jī)機(jī)械配置及布置

皮帶運(yùn)輸機(jī)的機(jī)械配置需要統(tǒng)籌考慮隧道施工進(jìn)度、破碎機(jī)破碎能力等因素以確保皮帶運(yùn)輸機(jī)的出砟能力滿足出砟需要。

3.3.1皮帶運(yùn)輸機(jī)的組成

皮帶輸送機(jī)主要組成有：皮帶、托輥及支架、驅(qū)動(dòng)裝置、皮帶控制系統(tǒng)、皮帶檢修系統(tǒng)等。

3.3.2確定皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)速度

皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)速度過大將會(huì)影響托輥的使用壽命，運(yùn)轉(zhuǎn)速度太小將會(huì)影響出砟的工作效率，所以皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)速度一般確定為2～3 m/s。

3.3.3確定皮帶寬度

根據(jù)隧道開挖斷面面積、施工進(jìn)度以及隧砟松散系數(shù)，得出常規(guī)單洞雙線隧道每小時(shí)最大出砟量為126 m3，折算為每秒的最大出砟量則為0.035 m3。

根據(jù)每秒的最大出砟量以及皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)速度，可計(jì)算出每秒鐘皮帶運(yùn)輸機(jī)上的砟土面積為0.017 5 m2。

皮帶運(yùn)輸機(jī)受運(yùn)行中自身振動(dòng)的影響，其上的砟土堆積形狀呈倒梯形，如圖6所示。

圖6　皮帶運(yùn)輸機(jī)出砟計(jì)算示意 (單位:mm)

假設(shè)皮帶帶寬為L，根據(jù)最大出砟量及幾何原理列計(jì)算式如下

[(L-360-62.5×2)×1.732/2+360+360]×

(L-360-62.5×2)×0.5×0.5×0.5=17 500

解得:L=647 mm，取650 mm。

因此確定在帶寬為650 mm的情況下可以滿足隧道最大施工進(jìn)度時(shí)的出砟要求。

3.3.4確定皮帶帶厚

皮帶因長距離輸送顆粒較大而且不均勻的石砟， 所以皮帶要求有較好的耐磨性和彈性， 一般采用高強(qiáng)度且?guī)т摻z繩的阻燃皮帶。

皮帶主要由鋼絲繩、上蓋膠、下蓋膠構(gòu)成。

鋼絲繩承受較大的負(fù)載的同時(shí)，需要保持皮帶的整體性及“硬度”， 減小皮帶受拉后的伸長率。確定鋼絲繩的直徑主要考慮皮帶總長度及張緊力等因素， 斜井內(nèi)一般選擇直徑6 mm鋼絲繩。

上蓋膠運(yùn)行時(shí)作為工作面， 需要承受耐磨和較大程度的沖擊載荷， 其厚度一般確定為4.5 mm。

下蓋膠不是工作面， 沒有耐磨等要求，其厚度一般確定為1.5 mm。

綜上，皮帶總厚度為12 mm。

3.3.5皮帶運(yùn)輸機(jī)位置布置

斜井側(cè)墻底部設(shè)置混凝土基礎(chǔ)作為皮帶運(yùn)輸機(jī)基礎(chǔ)，基礎(chǔ)高度66 cm，地面寬度100 cm，臺(tái)面寬度115 cm，皮帶運(yùn)輸機(jī)架設(shè)高度為距地面1.5 m，設(shè)置情況詳見圖7。

圖7　斜井內(nèi)皮帶運(yùn)輸機(jī)布置(單位：cm)

3.4皮帶運(yùn)輸機(jī)出砟方案主要設(shè)備配置

根據(jù)以上研究，長斜井內(nèi)采用皮帶運(yùn)輸機(jī)出砟方案時(shí)需要在井底設(shè)置1處破碎站，并配備1臺(tái)PEF750×1060型鄂式破碎機(jī)、1臺(tái)GZD-1300×5200型給料機(jī)、2處導(dǎo)流槽，皮帶運(yùn)輸機(jī)選用長度與斜井基本等長、寬度為650 mm、厚度12 mm輸送皮帶等設(shè)備。

4斜井內(nèi)皮帶運(yùn)輸機(jī)出砟優(yōu)缺點(diǎn)分析

長斜井內(nèi)采用皮帶運(yùn)輸機(jī)出砟與采用無軌運(yùn)輸出砟相比，具有以下優(yōu)缺點(diǎn)。

(1)因皮帶運(yùn)輸機(jī)本身寬度不大，占用斜井內(nèi)的空間相對(duì)較小，提供了優(yōu)化斜井凈空面積的條件，故具有減少斜井土建工程的優(yōu)點(diǎn)；

(2)皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)效率高，可連續(xù)不斷的出砟，故具有節(jié)約出砟時(shí)間，提高工效的優(yōu)點(diǎn)；

(3)采用皮帶運(yùn)輸機(jī)出砟，現(xiàn)場移動(dòng)設(shè)備少，人員少，故具有簡化施工管理，提高施工安全可控性以及降低勞動(dòng)強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)；

(4)皮帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生污染相對(duì)較小的電力驅(qū)動(dòng)，降低了對(duì)施工期間的通風(fēng)要求，故具有改善洞內(nèi)工作環(huán)境、減小施工通風(fēng)難度的優(yōu)點(diǎn)；

(5)破碎機(jī)及皮帶運(yùn)輸機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置均采用電力驅(qū)動(dòng)，目前情況下施工現(xiàn)場電力供應(yīng)往往比燃油可靠且經(jīng)濟(jì)，故具有經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)；

(6)皮帶運(yùn)輸機(jī)及其相關(guān)配套系統(tǒng)需要一次性配齊，故存在一次性設(shè)備投入較大的缺點(diǎn)；

(7)皮帶運(yùn)輸機(jī)出砟需要在井底設(shè)置破碎站，故存在斜井底結(jié)構(gòu)設(shè)置復(fù)雜的缺點(diǎn)。

5研究結(jié)論

(1)鐵路隧道長斜井內(nèi)采用皮帶運(yùn)輸機(jī)出砟方案是可行的；

(2)長斜井內(nèi)采用皮帶運(yùn)輸機(jī)出砟方案具有可減少斜井土建工程、減少施工通風(fēng)難度、改善洞內(nèi)工作環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)，故具有在部分鐵路單洞雙線隧道長斜井內(nèi)試點(diǎn)采用的價(jià)值。

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Case study on Belt Conveyor Mucking in Inclined Shaft of Railway TunnelMA Tao

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, China)

Abstract：To solve such problems as construction ventilation, high pollution and low energy efficiency due to trackless transportation, a systematic and comprehensive study is carried out on the proposal to use belt-conveyor system inside the inclined shaft. It is concluded that the application of belt-conveyor in a long inclined shaft of railway tunnel is feasible and informative for trails in some long inclined shafts. Detailed configurations of belt conveyor, crusher and feeder are provided to use the belt-conveyor system inside the inclined tunnel.

Key words：Railway tunnel; Long inclined shaft; Belt conveyor; Mucking

中圖分類號(hào)：U455.3+3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.031

文章編號(hào)：1004-2954(2015)05-0138-04

作者簡介：馬濤(1983—)，男，工程師，2005年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院地下工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：tsymt@qq.com。

收稿日期：2015-01-23； 修回日期：2015-02-02