賈 丁， 張 文, 高鵬興

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川成都 610081)

連續(xù)皮帶機(jī)具有運(yùn)距長(zhǎng)、運(yùn)量大、速度快、污染小等特點(diǎn)[1]，因此在TBM和盾構(gòu)隧道出渣系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。在我國(guó)，皮帶運(yùn)輸機(jī)最早運(yùn)用于采礦業(yè)中，2002年的遼寧大伙房水庫(kù)輸水工程才首次引進(jìn)使用了連續(xù)皮帶機(jī)與配套出渣的皮帶機(jī)連續(xù)出渣系統(tǒng)[2]。我國(guó)對(duì)于這種連續(xù)出渣技術(shù)的研究起步較晚，而且目前相較于國(guó)外設(shè)備和技術(shù)都相對(duì)落后。

近年來(lái)隨著連續(xù)皮帶機(jī)在采礦業(yè)和隧道施工中的廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)學(xué)者也從各個(gè)方面對(duì)連續(xù)皮帶機(jī)做了大量的研究。吳惠明和周文波在2004年對(duì)水平與垂直運(yùn)輸系統(tǒng)作了較詳細(xì)的介紹，并對(duì)水平皮帶運(yùn)輸機(jī)的操作、特殊道岔的應(yīng)用、垂直皮帶運(yùn)輸機(jī)的結(jié)構(gòu)作了進(jìn)一步的闡述[3]。徐道亮介紹了盾構(gòu)法施工及其出渣方式，并針對(duì)連續(xù)皮帶機(jī)渣土流動(dòng)性過(guò)大的問(wèn)題進(jìn)行了研究[4]。王可強(qiáng)分析了連續(xù)皮帶機(jī)的皮帶特性，研究皮帶的張力分布形式并使用仿真軟件RecurDyn進(jìn)行了仿真模擬[5]。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的張振興等人介紹了煤礦井用長(zhǎng)距離、大運(yùn)量下帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)方法、制動(dòng)力矩、張緊力的計(jì)算和輸送帶的選擇[6]。曾文宇以神華新街煤礦斜井隧道工程為背景，研究了盾構(gòu)法隧道施工配套連續(xù)皮帶機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，分析了驅(qū)動(dòng)方案和糾偏方案，并計(jì)算出連續(xù)皮帶機(jī)最后的設(shè)計(jì)參數(shù)[2]。

本文就成都地鐵18號(hào)線世紀(jì)城～海昌路區(qū)間隧道施工采用的連續(xù)皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)進(jìn)行探討，分析其基本組成以及進(jìn)行工程參數(shù)計(jì)算，通過(guò)計(jì)算皮帶張力分析驅(qū)動(dòng)布置形式和鋪設(shè)長(zhǎng)度對(duì)安全系數(shù)的影響，最后校核最大鋪設(shè)長(zhǎng)度(即隧道即將貫通時(shí))連續(xù)皮帶機(jī)的皮帶張力狀態(tài)，計(jì)算最小安全系數(shù)。

1 工程背景

成都軌道交通18號(hào)線土建2標(biāo)施工范圍包含兩站兩區(qū)間，具體為錦城廣場(chǎng)站、世紀(jì)城站、錦城廣場(chǎng)站～世紀(jì)城站盾構(gòu)區(qū)間、世紀(jì)城站～海昌路站(麓山站)盾構(gòu)區(qū)間。其中世紀(jì)城站～海昌路站(麓山站)盾構(gòu)區(qū)間起點(diǎn)里程為YDK15+819，終點(diǎn)里程為支YDK22+238，區(qū)間長(zhǎng)度為6 419m，區(qū)間最大坡度為28 ‰。

該區(qū)間采用土壓盾構(gòu)法施工，隧道管片外徑為8.3m，開(kāi)挖直徑為8.62m，出土量較大。環(huán)球中心站～海昌路站擬建區(qū)間范圍內(nèi)表層為人工填土，其下為黏土、黏性土、粉土、卵石土夾粉細(xì)砂。采用連續(xù)皮帶機(jī)與轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)結(jié)合的皮帶出渣運(yùn)輸系統(tǒng)，連續(xù)皮帶機(jī)的皮帶和托輥布置在機(jī)架上，而在隧道中機(jī)架通過(guò)螺栓布置在拱肩位置的管片上，如圖1。表1為本區(qū)間連續(xù)皮帶機(jī)出渣的基本參數(shù)。

圖1 連續(xù)皮帶機(jī)機(jī)架布置位置(單位：m)

項(xiàng)目體積松散系數(shù)ω渣土密度/(g·cm-3)含水率/%隧洞斷面/(m3·m-1)額定掘進(jìn)速率/(m·h-1)最大掘進(jìn)速率/(m·h-1)開(kāi)挖直徑/m參數(shù)1.41.81058.34.868.62

2 連續(xù)皮帶機(jī)結(jié)構(gòu)

世紀(jì)城站～海昌路站盾構(gòu)區(qū)間出渣采用連續(xù)皮帶機(jī)與轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)結(jié)合的立體出渣方式。盾構(gòu)開(kāi)挖出來(lái)的渣料經(jīng)盾構(gòu)自帶的皮帶機(jī)卸載到連續(xù)皮帶機(jī)上，經(jīng)連續(xù)皮帶機(jī)沿隧道輸送到海昌路站后卸載到轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)上，由轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)運(yùn)至地面。

2.1 機(jī)頭傳動(dòng)裝置

機(jī)頭的傳動(dòng)裝置由驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)滾筒和傳動(dòng)滾筒架等組成，驅(qū)動(dòng)裝置提供皮帶機(jī)運(yùn)行的動(dòng)力，由電動(dòng)機(jī)、減速器、制動(dòng)器等組成。

2.2 儲(chǔ)帶倉(cāng)

儲(chǔ)帶倉(cāng)采用框架式結(jié)構(gòu)，10層儲(chǔ)帶結(jié)構(gòu)形式，如圖2，儲(chǔ)帶長(zhǎng)度600m。

圖2 儲(chǔ)帶倉(cāng)

2.3 皮帶延伸裝置

隨著盾構(gòu)機(jī)不斷掘進(jìn)，與之相應(yīng)的皮帶及皮帶支架也要相應(yīng)延伸，因此皮帶機(jī)尾部配置一套尾部支架裝置，移動(dòng)尾部支架安裝在臺(tái)車上，隨臺(tái)車一起移動(dòng)。皮帶機(jī)尾部作為受料裝置，安裝在盾構(gòu)臺(tái)車上，承受來(lái)自盾構(gòu)施工輸出的渣土。

2.4 連續(xù)皮帶硫化接續(xù)

皮帶儲(chǔ)存區(qū)的儲(chǔ)存能力有限，每次可存600m的儲(chǔ)存區(qū)。硫化皮帶時(shí)將連續(xù)皮帶的張緊裝置放松，在硫化區(qū)的某一處將原皮帶割斷，將新續(xù)的皮帶與其對(duì)接，然后加熱硫化使接頭結(jié)合在一起。

2.5 連續(xù)皮帶機(jī)運(yùn)行流程

連續(xù)皮帶機(jī)尾部延伸裝置固定于盾構(gòu)臺(tái)車上，隨著盾構(gòu)機(jī)不斷向前掘進(jìn)，尾段前方的輸送帶支撐裝置會(huì)不斷的安裝在洞壁上以保證輸送帶的延伸，此時(shí)輸送帶就會(huì)通過(guò)儲(chǔ)帶張緊裝置不斷放帶。當(dāng)輸送帶放完后，采用硫化裝置將新硫化后的輸送帶接入儲(chǔ)帶倉(cāng)，可以實(shí)現(xiàn)輸送帶不斷向前伸長(zhǎng)。在皮帶機(jī)上同時(shí)布置有相應(yīng)的糾偏裝置以防止輸送過(guò)程中出現(xiàn)撒料、落料的現(xiàn)象。

3 連續(xù)皮帶機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 驅(qū)動(dòng)方案

從安裝可靠性、是否需要擴(kuò)挖管片、成本經(jīng)濟(jì)性、管理維護(hù)方便性、施工可行性等方面考慮，連續(xù)皮帶機(jī)最終的驅(qū)動(dòng)方案布置形式為添加中間驅(qū)動(dòng)形式。

中間驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)置在距連續(xù)皮帶機(jī)機(jī)頭部約3 500m的2號(hào)風(fēng)井內(nèi)，采用變頻驅(qū)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)裝置由2套250kW驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成，采用浮動(dòng)支撐。采用1∶1雙滾筒驅(qū)動(dòng)布置，采用PLC控制和變頻軟啟動(dòng)。中間驅(qū)動(dòng)裝置的電機(jī)、減速器與連續(xù)皮帶機(jī)頭部主驅(qū)動(dòng)裝置使用的電機(jī)、減速器完全相同。

當(dāng)掘進(jìn)長(zhǎng)度超過(guò)3 500m后，驅(qū)動(dòng)裝置整體布置如圖3。

圖3 連續(xù)皮帶機(jī)

3.2 基本參數(shù)計(jì)算

在此僅選取皮帶機(jī)最大負(fù)載工況(鋪設(shè)長(zhǎng)度取為區(qū)間隧道長(zhǎng)度)，按我國(guó)帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及一些學(xué)者提出的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算及校核。

根據(jù)表1中掘進(jìn)速度和渣土的參數(shù)按最大掘進(jìn)速率計(jì)算所需運(yùn)輸能力Q(t/h)：

(1)

按下式計(jì)算所需帶寬值：

(2)

式中：Cst為傾斜系數(shù)，取為0.99；K為裝料斷面系數(shù)；等長(zhǎng)三托輥組槽形輸送機(jī)，物料堆積角β為25 °，托輥成槽角取為λ=35°，帶寬暫定為1m，K查表取為435。

選用帶寬B=1m。

根據(jù)帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，渣土種類為黏土、黏性土、粉土、卵石土夾粉細(xì)砂等，帶寬為1m，選擇帶速V=3.15m/s。

圓周力的計(jì)算需要計(jì)算清掃器摩擦阻力、受料阻力等，部分參數(shù)不易獲取，因此采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

F1=CNfLg[qt+(2q0+q)cosβ]+gqH=200981N

(3)

根據(jù)計(jì)算出的連續(xù)皮帶機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的圓周驅(qū)動(dòng)力，可以計(jì)算出傳動(dòng)滾筒的軸功率：

P=10-3FV=633kW

(4)

連續(xù)皮帶機(jī)的前期工作僅有頭部驅(qū)動(dòng)，因此除了要計(jì)算最長(zhǎng)運(yùn)輸距離的工況外，還要計(jì)算單驅(qū)動(dòng)的張力分布，驗(yàn)證中間驅(qū)動(dòng)的布置位置是否合理。

3.3 中間驅(qū)動(dòng)位置

在布置中間驅(qū)動(dòng)位置前，僅有頭部驅(qū)動(dòng)，可以假設(shè)連續(xù)皮帶機(jī)鋪設(shè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)，使用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算圓周力：

F=CNfLg[qt+(2q0+q)cosβ]+gqH=31.4L

(5)

僅有頭部驅(qū)動(dòng)時(shí)有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)滾筒，每個(gè)驅(qū)動(dòng)滾筒的圓周牽引力FU為：

(6)

皮帶在傳動(dòng)滾筒的松邊的最小張力為：

SLmin=CFmax=9.4L

(7)

Fmax=Ka|FU|=18.84L

(8)

最大張力SLmax(即進(jìn)入機(jī)頭傳動(dòng)滾筒處)：

SLmax=SLmin+2×FU=25.1L

(9)

皮帶在運(yùn)輸過(guò)程中由于磨損、工作條件的限制在選用皮帶時(shí)必須選用具有一定的安全系數(shù)和能保證壽命要求的皮帶，最大張力應(yīng)符合以下公式：

(10)

式中：m為皮帶安全系數(shù)；[m]為皮帶許用安全系數(shù)，選取為6；σd為皮帶帶強(qiáng)，取用ST1000，即額定縱向拉伸強(qiáng)度為1 000N/mm。

利用MATLAB繪制m與L的關(guān)系曲線(圖4)，由圖4可以看出，當(dāng)輸送長(zhǎng)度超過(guò)5 700m時(shí)，皮帶帶強(qiáng)已經(jīng)不滿足要求。而且在實(shí)際工程中需要留有一定的安全余量，因此采用機(jī)頭單驅(qū)動(dòng)的工作模式下連續(xù)皮帶機(jī)的長(zhǎng)度不宜超過(guò)5 000m?？紤]到世紀(jì)城站～海昌路站(麓山站)盾構(gòu)區(qū)間的區(qū)間長(zhǎng)度為6 500m，因此中間驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)置在距連續(xù)皮帶機(jī)機(jī)頭部約3 500m的2號(hào)風(fēng)井內(nèi)較為合適。

圖4 安全系數(shù)與皮帶長(zhǎng)度關(guān)系曲線

3.4 皮帶張力校核

當(dāng)隧道掘進(jìn)超過(guò)3 500m時(shí)，需要布置中間驅(qū)動(dòng)裝置。由于地鐵隧道內(nèi)空間狹小，因此驅(qū)動(dòng)裝置采用單側(cè)布置，且中間驅(qū)動(dòng)采用1∶1雙滾筒驅(qū)動(dòng)布置，具體功率為1×250kW∶1×250kW+1×250kW∶1×250kW，共4個(gè)驅(qū)動(dòng)單元。按照連續(xù)皮帶機(jī)滿負(fù)荷即鋪設(shè)長(zhǎng)度6 500m計(jì)算皮帶張力，每個(gè)驅(qū)動(dòng)滾筒的圓周牽引力FU為：

(11)

最小張力(即圖3中6點(diǎn)張力)為：

F6=SLmin=CFmax=CKaFU=30087N

(12)

尾部改向滾筒不提供驅(qū)動(dòng)力，因此4、5點(diǎn)皮帶張力相等，按照歐拉公式：

F4=F5=F6+CNfL3g(qd+q0cosδ)=69376N

(13)

式中：L3為回程分支段長(zhǎng)度，取為6 500m；qd為回程分支托輥組轉(zhuǎn)動(dòng)部分單位長(zhǎng)度質(zhì)量，取為2.61kg/m。

圖3中3點(diǎn)皮帶張力為：

F3=F4+CNfL2g[qa+(q+q0)cosδ]=145460N

(14)

式中：L2為承載分支段2的皮帶長(zhǎng)度(即中間驅(qū)動(dòng)裝置后的皮帶長(zhǎng)度)，取為3 000m；qa為承載分支托輥組轉(zhuǎn)動(dòng)部分單位長(zhǎng)度質(zhì)量，取為6.98kg/m。

圖3中2點(diǎn)皮帶張力為：

F2=F3-2FU=44970N

(15)

圖3中1點(diǎn)皮帶張力為：

F1=F2+CNfL1g[qa+(q+q0)cosδ]=133735N

(16)

式中：L1為承載分支段1的皮帶長(zhǎng)度(頭部驅(qū)動(dòng)與中間驅(qū)動(dòng)之間)，取為3 500m。皮帶機(jī)張力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 連續(xù)皮帶機(jī)特征點(diǎn)張力 kN

皮帶機(jī)各點(diǎn)的皮帶張力值都是以表2中的特征點(diǎn)張力值線性插值得到，其分布情況如圖5。

皮帶機(jī)最大張力出現(xiàn)在中間驅(qū)動(dòng)裝置處，與機(jī)頭驅(qū)動(dòng)裝置相比，相差不到10 %，證明中間驅(qū)動(dòng)裝置位置布置合理，有效地減小了皮帶最大張力，提高了皮帶安全系數(shù)。最大張力對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)為：

(17)

圖5 連續(xù)皮帶機(jī)張力分布

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)研究為參考，分析了成都地鐵18號(hào)線區(qū)間隧道工程的連續(xù)皮帶機(jī)水平出渣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和運(yùn)行過(guò)程，同時(shí)對(duì)其運(yùn)輸過(guò)程進(jìn)行分析計(jì)算和主要參數(shù)設(shè)計(jì)。

經(jīng)分析可得：(1)皮帶鋪設(shè)長(zhǎng)度增長(zhǎng)會(huì)顯著減小皮帶張力安全系數(shù)，因此有必要安裝中間驅(qū)動(dòng)裝置，中間驅(qū)動(dòng)的安裝位置布置在距機(jī)頭3 500m處可以使皮帶張力合理分布。(2)連續(xù)皮帶機(jī)達(dá)到最大鋪設(shè)長(zhǎng)度時(shí)最大張力約為146kN，對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)約為6.9，滿足規(guī)范要求。

本文的分析計(jì)算驗(yàn)證了連續(xù)皮帶機(jī)布置方式和結(jié)構(gòu)選型的合理性，可以為長(zhǎng)距離、大斷面的盾構(gòu)隧道工程水平皮帶出渣系統(tǒng)提供一定的參考價(jià)值。