任吉濤，簡(jiǎn)江濤，趙翔元

(陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710010)

1 工程背景

1.1 引漢濟(jì)渭工程概況

陜西省引漢濟(jì)渭工程是從漢江流域調(diào)水到渭河流域的水資源調(diào)配工程，針對(duì)關(guān)中地區(qū)缺水問(wèn)題實(shí)施的省內(nèi)南水北調(diào)工程。工程分為調(diào)水工程和輸水工程，調(diào)水工程包括黃金峽水利樞紐、三河口水利樞紐和98.3km的秦嶺輸水隧洞，設(shè)計(jì)流量70m3/s，縱坡1/2530，輸水隧洞最大埋深2012m。穿越秦嶺主脊段全長(zhǎng)約35千米，分為嶺南施工段(18275m)和嶺北施工段(16690m)，是引漢濟(jì)渭調(diào)水工程總工期的控制性項(xiàng)目。嶺南和嶺北段均采用TBM法施工，由2臺(tái)TBM相向掘進(jìn)。

1.2 嶺北TBM概況

嶺北TBM施工段全長(zhǎng)16.7km，包括秦嶺5號(hào)支洞、TBM配套洞室和TBM施工段。其中，TBM施工段第一階段掘進(jìn)任務(wù)為6788m，第二階段掘進(jìn)任務(wù)為8427m均已完成，現(xiàn)進(jìn)行設(shè)備改造，將繼續(xù)向嶺南方向掘進(jìn)3000m的任務(wù)。

項(xiàng)目采用從德國(guó)引進(jìn)的敞開(kāi)式TBM(海瑞克S-795)進(jìn)行施工，其刀盤(pán)開(kāi)挖直徑8060mm，整機(jī)全長(zhǎng)210m，裝機(jī)功率為6800kVA。TBM設(shè)計(jì)的掘進(jìn)速度最大為100mm/min，單日實(shí)際掘進(jìn)速度測(cè)試為80mm/min。此TBM可同時(shí)完成初期支護(hù)、通風(fēng)除塵、掘進(jìn)施工、測(cè)量導(dǎo)向等工序，并配備有C1、C2、C3三條連續(xù)皮帶，可將掌子面的石渣直接運(yùn)轉(zhuǎn)至隧道出口。

2 連續(xù)皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)介紹

2.1 出渣系統(tǒng)綜述

連續(xù)皮帶機(jī)用于運(yùn)送TBM掘進(jìn)產(chǎn)生的棄渣，保證掘進(jìn)施工的連續(xù)性。連續(xù)皮帶出渣較礦車(chē)出渣具有運(yùn)量大、污染小、速度快、連續(xù)性等優(yōu)點(diǎn)，是TBM出渣系統(tǒng)發(fā)展的主流方向。

TBM連續(xù)皮帶在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，要求其方向要順直，位置和姿態(tài)基本保持不變。一旦皮帶位置發(fā)生偏移或者姿態(tài)變化較大，都將導(dǎo)致漏渣、皮帶劃傷等事故，嚴(yán)重影響TBM的連續(xù)施工，導(dǎo)致停機(jī)停工。

2.2 C1皮帶出渣系統(tǒng)概況

本項(xiàng)目使用的連續(xù)皮帶機(jī)由德國(guó)海瑞克公司設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，2014年投入使用。配備有C1皮帶(主洞)、C2皮帶(支洞)、C3皮帶(洞外)，可實(shí)現(xiàn)石渣直接輸送至洞口，再由自卸載重車(chē)運(yùn)至指定棄渣場(chǎng)，保證TBM的連續(xù)施工。

C1皮帶位于主洞內(nèi)，采用鏈條懸掛于洞壁，主要構(gòu)件包含有皮帶、驅(qū)動(dòng)總成(主驅(qū)動(dòng)+輔助驅(qū)動(dòng))、儲(chǔ)帶倉(cāng)、張緊絞車(chē)、滾筒、刮渣裝置、皮帶支架及鏈條、電氣系統(tǒng)等。其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 C1皮帶主要技術(shù)參數(shù)

C1皮帶設(shè)計(jì)輸送長(zhǎng)度最大為10000m，目前C1皮帶長(zhǎng)度已達(dá)到8920m。

3 C1接應(yīng)掘進(jìn)的數(shù)據(jù)校核

3.1 驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算

根據(jù)接應(yīng)需求，本標(biāo)段TBM第二階段最終掘進(jìn)至11920m。此距離已嚴(yán)重超過(guò)設(shè)計(jì)最大長(zhǎng)度，需對(duì)C1皮帶當(dāng)前裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)校核，計(jì)算是否滿(mǎn)足接應(yīng)需求。目前已知的參數(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 TBM原始參數(shù)

由此計(jì)算得知：運(yùn)輸能力Q=(πD2/4)v1tγ=536.950509t/h，考慮到一定的裕度，取Q=550t/h，滿(mǎn)足實(shí)際運(yùn)行速度要求。C1皮帶主要規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 C1皮帶主要規(guī)格參數(shù)

取上下膠帶模擬阻力系數(shù)ω=0.0220，計(jì)算得到輸送帶阻力如下：

(1)膠帶及物料產(chǎn)生的運(yùn)行阻力

F1=cLωg(2q0+q+q1+q2)=319735.12N

(其中：下分支阻力F7=cLωg(q0+q2)=74739.49N，上分支阻力F8=cLωg(q0+q+q1)=244995.64N)

(2)物料提升阻力F2=Hqg=0.00N

(3)卸載部清掃器對(duì)膠帶阻力F3=1000.00N

(4)空段清掃器對(duì)膠帶阻力F4=3×20Bg=470.88N，(式中B=0.80，g=9.81)

(5)導(dǎo)料槽阻力F5=400.00N

(6)儲(chǔ)帶倉(cāng)部分阻力F6=10000N

由以上數(shù)據(jù)可計(jì)算得到

驅(qū)動(dòng)滾筒圓周驅(qū)動(dòng)力Fu=F1+F2+F3+F4+F5+F6=332006N

傳動(dòng)滾筒軸功率P0=FuV=1079.02kW

取減速器效率η1=0.94，電機(jī)效率η2=0.95，聯(lián)軸器效率η3=0.98，電機(jī)功率備用系數(shù)為10%。

在C1皮帶長(zhǎng)度為13800m時(shí)，電動(dòng)機(jī)所需最低功率Pe=P0/η1η2η3(1+10%)=1356.2kW。

3.2 驅(qū)動(dòng)力校核

皮帶的驅(qū)動(dòng)力由驅(qū)動(dòng)總成進(jìn)行供給，通常由變頻電機(jī)通過(guò)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒，帶動(dòng)整條皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)總成包括有變頻電機(jī)、減速器、驅(qū)動(dòng)滾筒、電氣控制系統(tǒng)組成。

當(dāng)前皮帶驅(qū)動(dòng)功率Pd=355×3+160=1225kW。

因Pd(1225kW)

3.3 張緊力校核

在皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，皮帶張緊裝置會(huì)自動(dòng)調(diào)整皮帶的松緊度，確保皮帶始終有一個(gè)合適的預(yù)緊力。張緊裝置還會(huì)通過(guò)張緊鋼索的釋放來(lái)補(bǔ)償儲(chǔ)帶倉(cāng)中皮帶的釋放。計(jì)算張緊力已知參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 計(jì)算張緊力已知參數(shù)

膠帶在允許最大下垂度時(shí)輸送帶張力如圖1所示。

(1)重載段允許最小張力

S2min≥a0(q+q0)g/8(h/a)max=6070.72N

(2)空載段允許最小張力

Skmin≥auq0g/8(h/a)max=3494.81N

圖1 膠帶張力示意圖

(3)輸送帶各點(diǎn)張力計(jì)算

按滾筒不打滑條件，計(jì)算TBM第二傳動(dòng)滾筒奔離點(diǎn)張力：

S1min≥KAFu/4(eμФ2-1)KA=1.05=33519.84N>Skmin，滿(mǎn)足膠帶垂度條件。

取S1=33519.84N

機(jī)尾傳動(dòng)滾筒趨入點(diǎn)張力：

S2=S1+F6+F7+F9+F4=118730.20N，滿(mǎn)足垂度條件。

機(jī)尾傳動(dòng)滾筒奔離點(diǎn)張力：

S3=S2-Fu/4=35728.70N>S3min，滿(mǎn)足垂度條件和滾筒不打滑條件。

按滾筒不打滑條件，機(jī)尾滾筒奔離點(diǎn)張力：

S3min≥KAFuz/4(eμФ2-1)=33519.84N

計(jì)算C1皮帶卸載滾筒趨入點(diǎn)張力：

S4=S3+F8+F2+F9+F3=281724.34N

計(jì)算C1皮帶第一傳動(dòng)滾筒趨入點(diǎn)張力：

S5=1.04S4=292993.31N，滿(mǎn)足垂度和不打滑條件

計(jì)算C1皮帶第二傳動(dòng)滾筒奔離點(diǎn)張力：

S1=S5-3Fu/4=43988.81N>33519.8N，滿(mǎn)足垂度和滾筒不打滑條件。

(4)滾筒校核計(jì)算

C1皮帶儲(chǔ)帶倉(cāng)滾筒合力：

Scdc=2S1=87977.62N

機(jī)尾傳動(dòng)滾筒合力：

Sjw=S2+S3=154458.91N

卸載滾筒合力：

Sxz=S4+S5=574717.65N

C1皮帶第一傳動(dòng)滾筒合力：

Stc=S5+S5-2Fu/4=419983.62N

根據(jù)滾筒合力選擇合適的滾筒軸承。

正常運(yùn)行時(shí)8股鋼絲繩拉緊力：

Sj=10KbS1=615843.34N

單股鋼絲繩(變頻絞車(chē))張力：

SG>Sj/8=76980.42N

由以上數(shù)據(jù)得知，皮帶現(xiàn)有的張緊裝置滿(mǎn)足接應(yīng)要求。

3.4 皮帶強(qiáng)度校核

C1皮帶的強(qiáng)度薄弱地方為硫化接頭處，其強(qiáng)度取皮帶強(qiáng)度的90%，即n=0.90。

正常膠帶處的安全系數(shù)：m=σB/S5=5.46

硫化接頭處的安全系數(shù)：mmin=nm=0.9×5.46=4.91

由此可知，皮帶強(qiáng)度滿(mǎn)足接應(yīng)需求。

3.5 爬坡度校核

隧道主洞坡度為1/2530，C1皮帶出渣方向?yàn)橛筛咧恋?。?dāng)C1單向長(zhǎng)度為13800m時(shí)，C1高差HC1=13800×1/2530=5.45m。

因C1皮帶運(yùn)渣為下坡運(yùn)渣，故爬坡度滿(mǎn)足接應(yīng)需求。

4 接應(yīng)掘進(jìn)存在問(wèn)題分析

C1連續(xù)皮帶機(jī)需應(yīng)按接應(yīng)最大長(zhǎng)度11920m重新進(jìn)行設(shè)計(jì)校核，并確認(rèn)通過(guò)。設(shè)計(jì)校核包括驅(qū)動(dòng)功率校核、膠帶強(qiáng)度校核、拉緊力校核、滾筒和托輥的強(qiáng)度校核等。

4.1 驅(qū)動(dòng)力

根據(jù)以上校核結(jié)果，在接應(yīng)米時(shí)，皮帶的驅(qū)動(dòng)力已無(wú)法滿(mǎn)足需求。驅(qū)動(dòng)力的降低會(huì)導(dǎo)致皮帶打滑、滾筒包膠剝落等現(xiàn)象。在輔助驅(qū)動(dòng)安裝前，曾多次出現(xiàn)滾筒包膠剝落、滾筒軸承損壞、皮帶驅(qū)動(dòng)力不足等現(xiàn)象。

4.2 張緊力

因長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，在第二階段施工中多次因張緊裝置的故障而停機(jī)。其出現(xiàn)的故障有鋼絲繩斷裂、剎車(chē)失靈、變頻器報(bào)錯(cuò)、軸承失效等。

4.3 皮帶強(qiáng)度

根據(jù)以上計(jì)算，C1皮帶強(qiáng)度能滿(mǎn)足接應(yīng)需求。但是皮帶在長(zhǎng)期的大石塊沖擊下，很多部位已經(jīng)出現(xiàn)坑洞、劃傷、接頭開(kāi)膠等現(xiàn)象。在第二階段施工中，C1硫化接頭斷裂多次，嚴(yán)重的制約了TBM施工生產(chǎn)。

4.4 爬坡度

由以上的爬坡度校核可知，皮帶爬坡度滿(mǎn)足接應(yīng)需求。

5 解決措施

為了解決接應(yīng)施工對(duì)C1的需求，需對(duì)C1主要部件進(jìn)行改造。改造要求如下：

(1)本標(biāo)段TBM最終掘進(jìn)至13800m，C1連續(xù)皮帶機(jī)應(yīng)按此長(zhǎng)度重新進(jìn)行設(shè)計(jì)校核，并確認(rèn)校核通過(guò)。設(shè)計(jì)校核包括：驅(qū)動(dòng)功率校核、膠帶強(qiáng)度校核、拉緊力校核、滾筒、托輥等主要部件的強(qiáng)度校核等。

(2)所提出的改造方案應(yīng)在滿(mǎn)足C1連續(xù)皮帶機(jī)主要性能的前提下，盡量采用原型機(jī)的配置和部件，使驅(qū)動(dòng)單元的配置最簡(jiǎn)單、控制系統(tǒng)最簡(jiǎn)單、性能價(jià)格比最合理。

(3)改造方案應(yīng)盡可能地避免或減少模板襯砌臺(tái)車(chē)和皮帶機(jī)之間的互相影響，應(yīng)盡可能地避免淋水對(duì)皮帶機(jī)正常運(yùn)行的影響等

(4)改造方案須經(jīng)過(guò)方案對(duì)比和論證。

5.1 驅(qū)動(dòng)方案

經(jīng)過(guò)方案對(duì)比論證，驅(qū)動(dòng)方案采用方案頭部驅(qū)動(dòng)+尾部驅(qū)動(dòng)。

具體的改造方式如下：

增加一套機(jī)尾驅(qū)動(dòng)(包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)1個(gè)、減速器1個(gè)、驅(qū)動(dòng)滾筒1個(gè)、輔助滾筒3個(gè)、電氣柜一套、控制系統(tǒng)一套)。

電機(jī)總功率Pf為(3×355+355)kW或(3×355+2×160)kW。因Pf(1420kW或1385kW)>Pe(1356.2kW)，故改造后的驅(qū)動(dòng)滿(mǎn)足接應(yīng)的11920m需求。

在TBM尾部增加一節(jié)臺(tái)車(chē)用于安放C1機(jī)尾驅(qū)動(dòng)(當(dāng)前TBM6號(hào)臺(tái)車(chē)已無(wú)空間安裝C1尾部驅(qū)動(dòng))。

5.2 張緊裝置方案

因當(dāng)前C1皮帶的張緊裝置故障頻繁(鋼絲繩斷裂、剎車(chē)失靈、變頻器報(bào)錯(cuò)、軸承失效、控制系統(tǒng)老化等)，嚴(yán)重制約了TBM的施工生產(chǎn)。在接應(yīng)施工前，需將現(xiàn)有的張緊裝置進(jìn)行整體更換。

5.3 緩沖床方案

緩沖床位于皮帶倉(cāng)上層皮帶下方，其作用是緩解落渣對(duì)皮帶的沖擊。C1皮帶的緩沖床因設(shè)計(jì)、長(zhǎng)期運(yùn)行等原因，已經(jīng)損壞嚴(yán)重。接應(yīng)施工前，需對(duì)C1的緩沖床進(jìn)行整體改造(包括緩沖床更換、底座設(shè)計(jì)及改造等)。

5.4 刮渣系統(tǒng)方案

刮渣裝置負(fù)責(zé)將皮帶上的殘?jiān)稳肫}(cāng)，保證皮帶的清潔。目前刮渣系統(tǒng)損壞較多，導(dǎo)致皮帶底部落渣嚴(yán)重。在接應(yīng)施工前，需對(duì)現(xiàn)有的刮渣系統(tǒng)進(jìn)行改造。為了節(jié)約成本和廢物利用，建議刮渣清掃器采用廢舊膠帶自行制作。

6 結(jié)語(yǔ)

嶺北TBM連續(xù)皮帶機(jī)經(jīng)過(guò)秦嶺隧洞掘進(jìn)15865m的生產(chǎn)應(yīng)用，對(duì)其進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，決定對(duì)其進(jìn)行設(shè)備改造及研究。過(guò)程重點(diǎn)分析技術(shù)參數(shù)和受力計(jì)算、校驗(yàn)，對(duì)其C1段增加一套機(jī)尾驅(qū)動(dòng)和附屬設(shè)備，使其滿(mǎn)足3000m掘進(jìn)任務(wù)的輸送能力，此次設(shè)備改造增加成本較低，工作量較小，維護(hù)費(fèi)用低，使用壽命滿(mǎn)足工期要求，達(dá)到運(yùn)行穩(wěn)定，性能可靠的效果，保證引漢濟(jì)渭工程嶺脊掘進(jìn)段任務(wù)的順利完成。設(shè)備改造的技術(shù)方案和效果在連續(xù)皮帶機(jī)輸料行業(yè)具有借鑒作用和指導(dǎo)意義。