复合式大倾角皮带机在地铁施工中的应用

齐梦学， 车新宁， 李秀云

(1. 中铁十八局集团隧道工程有限公司， 重庆 400700; 2. 兖矿集团有限公司， 山东 邹城 273500; 3. 上海科大重工集团有限公司， 上海 201708)

0 引言

地下空间的开发利用日益得到重视，地下空间已经成为一种新的国土资源，被称为“地下产业”。21世纪对人类来说是“地下空间”的世纪，大量的利用地下空间可以改善环境状况，提升居民生活品质，节约能耗、保护环境[1]。城市地铁是地下空间开发的重要部分。城市交通越来越拥挤,中国城市化的发展必然带动城市地铁的发展,目前很多城市开始修建地铁，以拓展城市交通运输网，缓解城市交通压力[2-3]。地铁区间隧道大多采用盾构法施工，其中，土压平衡盾构(以下简称EPB)的应用比例最大，EPB施工渣土需要从地下提升至地面，再运离施工现场[4-6]。

关于出渣方式方面的研究已有很多，文献[7]介绍了地铁盾构施工龙门吊垂直运输、隧道内轨道运输及设备选型；文献[8]介绍了盾构施工配套龙门吊及列车编组设备选型与主要技术参数；文献[9]结合广州地铁盾构施工特点从人和物2个方面研究了运输系统的安全管理；文献[10]介绍了盾构施工配套龙门吊和列车编组设备选型原则；文献[11]以青岛地铁2号线为工程背景研究并提出了应用于地铁TBM施工的连续皮带机+垂直皮带机出渣方案；文献[12]从技术、经济和工期3个方面分析了龙门吊与垂直皮带机出渣的差异，认为地铁双护盾及敞开式 TBM 施工采用垂直皮带机出渣效率高、综合成本低，更有利于充分发挥TBM的掘进效率；文献[13]从设备配置、设备采购成本、运行成本、维修保养成本和对施工进度影响等方面对TBM施工连续胶带机和有轨运输2种出渣方式进行对比分析，认为长大隧道采用连续皮带机出渣具有显著优势；文献[14]研究了多功能胶轮车(MSV)在TBM施工运输中的适应性；文献[15]介绍了一种渣土立式提升系统(即常规波状挡边垂直皮带机)，详细阐述了其结构特点、性能参数、结构性能，并介绍了其与水平掘进运输系统的匹配性，分析了设备配置；文献[16]以北京地铁区间隧道矿山法施工为背景，介绍了一种以带式输送机为出渣施工设备的新型出渣技术，在导洞内使用小型渣车将渣土丢弃到竖井处，在竖井内使用带式输送机将渣土输送到地面的临时渣场，提高了软岩隧道出渣施工的效率和安全性，所用设备为常规波状挡边大倾角皮带机。

EPB施工产生的渣土具有较大的黏度和含水量，采用垂直皮带机提升容易发生黏结、洒落等问题，附着在胶带上的渣土难以清理。为了解决上述问题，创新研发了复合式大倾角皮带机，其由牵引皮带机与支撑皮带机组成，可分离的牵引胶带与支撑胶带在井底受料端组合，形成提升渣土的框斗，地面卸渣后两胶带分离，分别清洗。该研究成功解决了采用大倾角皮带机提升渣土胶带难清理的问题，实践证明，设备运行可靠、效率高，为充分发挥EPB施工效率提供了保障，以期为类似工程提供借鉴。

1 提升皮带机现状

EPB施工过程中，将渣土由井底提升至地面，除了已经成熟应用的龙门吊外，可供选用的提升方式主要是折返皮带机和大倾角皮带机。

折返皮带机输渣方式是从井底到地面由若干条相互搭接、与水平面成一定倾角布置的普通皮带机组合而成的输渣系统；大倾角皮带机采用特殊的胶带结构，可以与水平面呈大倾角甚至直角安装运行，布置倾角一般为70°～90°。折返皮带机结构简单，但对场地条件(井的深度、长度等)的要求比较苛刻，占用空间较大，当不能满足渣土的动安息角要求时，无法实现有效地输送；渣土含水量较大时，容易在皮带机尾部产生渣水后溢，不同程度地影响输送效率和现场文明施工。采用折返皮带机输渣系统进行EPB施工时，应尽量减小每一条皮带机的布置倾角。

大倾角皮带机由于其独特的结构设计，既能保证渣土的提升，又适用于小空间。因此，大倾角皮带机可用于场地条件无法满足折返皮带机安装运行的情况。从胶带结构形式上来说，大倾角皮带机通常有3种形式，分别为波状挡边皮带机、斗式皮带机、夹带式皮带机。

1.1 波状挡边皮带机

波状挡边皮带机的胶带是由1条平面基带、2条平行排列的波状挡边条和隔板组成，三者形成了容纳物料的框斗，如图1所示。

(a) 波状挡边皮带机 (b) 胶带

图1波状挡边皮带机

Fig. 1 Corrugated sidewall belt conveyor

波状挡边皮带机的工作原理： 驱动滚筒通过摩擦力带动承载物料的波状挡边输送带做闭环运动，经过机头转向时利用物料的重力和离心力将物料从输送带的框斗中抛离。波状挡边皮带机主要适用于散装(无黏性)物料的输送。

1.2 斗式皮带机

斗式提升皮带机与波状挡边皮带机的差异在于前者的输送带是由2条平行的平面基带和若干个固定于其上的框斗组成，各个独立的框斗是输送物料的容器，如图2所示。

(a) 斗式皮带机 (b) 输送带

图2斗式皮带机

Fig. 2 Bucket belt conveyor

斗式皮带机的工作原理与波状挡边皮带机类似，输送带在机头传动滚筒折返处卸渣。适用范围同波状挡边皮带机。

1.3 夹带式皮带机

夹带式皮带机由2条自带动力的皮带机组成，主要布置形式为“S”型。2条皮带机从底部的受料区段到地面的卸渣区段由相互靠近的覆盖带和承载带形成两侧闭合的腔室，在皮带机头部2条输送带相互分离、各自折返，如图3所示。

(a) 夹带式皮带机 (b) 输送带

图3夹带式皮带机

Fig. 3 Sandwich belt conveyor

夹带式提升皮带机的工作原理： 通过2条皮带机相互靠近的覆盖带和承载带对进入其腔室的物料施以夹持力，当夹持力使输送带和物料之间产生的摩擦力大于物料自身的重力时，物料便在输送带的夹持下实现输送。夹带式皮带机适用于输送块度均匀、含水量小的物料。

1.4 现有技术用于EPB渣土提升存在的问题

对于波状挡边皮带机和斗式皮带机，在输送的渣土通过卸渣段时，若渣土的重力和离心力不足以克服渣土的内摩擦力及与框斗的黏附力，部分渣土则粘附在输送带的框斗中；残留的渣土随输送带进入回程区域，运行过程中沿途撒落、损伤胶带、损坏托辊甚至滚筒，特别是现有的框斗残渣清除措施效果较差，加剧了落渣及对胶带、托辊、滚筒的损伤。据统计，带回到井底的渣土可达到总输送量的20%以上。因此，当这2类皮带机应用于输送EPB施工的渣土时，生产效率大大降低。

夹带式大倾角皮带机用于EPB施工渣土的提升时，必须要求渣土的块度均匀。当含有较大的石块时，容易划伤输送带；当渣土含水量较大时，内摩擦力明显降低，输送带的夹持力不足以产生足够的摩擦力，导致渣土难以顺利提升。

2 EPB渣土及其对大倾角皮带机的要求

2.1 弃渣及渣土分析

大倾角皮带机用于TBM弃渣提升已是成熟技术。TBM通常在岩石地层中施工，弃渣状态如图4所示，通常情况下弃渣尺寸小，以块状和颗粒状居多，含水量较小且黏性小，适合采用挡边皮带机运输。

图4 TBM施工弃渣

EPB掘进中的渣土是由刀盘上的刮刀切削土体产生的。为了防止刀盘出现黏结硬的“泥饼”、增加渣土的流塑性、降低透水性，便于建立平衡压力，需要向土舱内注入泡沫剂、膨润土泥浆等改良剂。EPB施工渣土具有黏性大、含水量大的特点，如图5所示。

图5 EPB施工渣土

2.2 对大倾角皮带机的性能要求

输送介质的不同，对皮带机的要求也同样存在差异。根据EPB施工特点及其渣土特性，大倾角皮带机需满足如下要求。

1)连续运行。采用大倾角皮带机提升渣土时，通常会同步配置隧道连续皮带机，EPB掘进过程中，渣土经螺旋输送机、皮带机、隧道连续皮带机持续输送到大倾角皮带机受料端，因而大倾角皮带机需要具备连续提升渣土的能力。

2)提升渣土的能力与EPB掘进出土速度相匹配。只有二者性能相匹配，才能在保证EPB连续掘进的同时大倾角皮带机不至于过高配置而造成资源浪费。

3)提升渣土的容器或者空间相对密闭，渣土含水量略大时不漏水、不洒落。

4)提升渣土的容器或者空间尺寸合适，允许渣土中存在较大粒径的块状石渣。

5)装卸方便、顺畅，清渣便捷。渣土装载是否顺畅主要取决于隧道皮带机的卸载能力。顺畅卸渣需要克服EPB渣土黏度较大、附着性较强的问题，胶带上残留的渣土需要及时、彻底清理。

以上是大倾角皮带机用于EPB渣土提升需要重点解决的难题，也是上述3种类型大倾角皮带机的最大弱点。

3 复合式大倾角皮带机

由上述分析可知，胶带的结构形式决定了大倾角皮带机的类型，能否实现高效输渣、顺畅卸渣、便捷清渣很大程度上取决于胶带的结构形式。在现有技术的基础上需要重点解决渣土装卸、清理问题。

3.1 复合式胶带

为了解决上述问题，研发了可分离的复合式胶带，如图6所示。复合式胶带由牵引胶带和支撑胶带组合而成。牵引胶带是由2条平行布置的波状挡边、横向连接于其间的隔板以及基带组成，形成一系列镂空的四面框架结构，并且总体成环；支撑胶带是环形板式胶带。二者在进入大倾角皮带机受料端之前合二为一，支撑胶带嵌套于牵引胶带内环，为牵引胶带的镂空框架提供封底，形成容纳渣土的框斗；渣土装载后，随着复合式胶带向上运行，到达卸料端时，牵引胶带和支撑胶带迅速分离，无底的框斗再次恢复镂空结构，渣土在重力作用下自然坠落。如此，解决了渣土装载、提升、卸料3个环节的问题。

(a) 实物 (b) 示意图

1—支撑胶带； 2—牵引胶带； 3—隔板。

图6可分离的复合式胶带

Fig. 6 Detachable composite belt

可分离的复合式胶带，在卸料端分离卸料后，根据各自的特点，分别采用适宜的清渣方式。

3.2 复合式大倾角皮带机结构设计

复合式大倾角皮带机呈“Z”型布置。其井下底部水平段为受料端，地面上的水平段为卸料端，中间段与水平面呈大倾角布设，甚至可以垂直于水平面，如图7所示。如果空间条件允许，中间段的布置倾角应略小，以防撒料。

1,7—传动滚筒； 2—牵引输送带； 3—上托辊； 4—激振器； 5—卸渣漏斗； 6—刮板； 8—支撑输送带； 9—机架； 10—垂直段机架； 11—挡辊； 12,13—回程滚筒； 14—压轮； 15—承载段； 16,18—机尾滚筒； 17,19—张紧装置； 20—驱动装置。

图7复合式大倾角皮带机总体布置图

Fig. 7 General layout of composite high-angle belt conveyor

与可分离的复合式胶带相对应，复合式大倾角皮带机由牵引皮带机和支撑皮带机2大部分复合而成。

牵引胶带和支撑胶带缠绕各自的机尾滚筒后，在进入受料端之前组成一条完整的、带框斗的输送带如图8所示。牵引胶带绕经牵引皮带机的机尾滚筒后，沿水平方向运行；支撑胶带绕经支撑皮带机的机尾滚筒后，亦沿水平方向运行；当牵引胶带运行至支撑皮带机的机尾滚筒后，与支撑胶带重合，复合而成一个完整的框斗，用来容纳从连续皮带机上卸下的渣料。

1—牵引胶带运行方向； 2—支撑胶带运行方向。

图8牵引胶带与支撑胶带在井底复合

Fig. 8 Traction belt and support belt composited at shaft bottom

大倾角皮带机的中间提升段沿洞壁布置如图9所示。在胶带背面设置平托辊、正面设置压辊，以保证牵引胶带和支撑胶带紧密贴合而不漏渣。

图9 大倾角皮带机的中间提升段沿洞壁布置图

牵引皮带机的头部滚筒布置在支撑皮带机的头部滚筒(胶带运行方向)的前方，复合式胶带进入卸料端时，牵引胶带沿原运动方向继续运行，而支撑胶带则提前转向，2条胶带立即分离，由2条胶带复合而成的框斗便瞬间失去了底板，渣土在重力的作用下自然下落卸渣，如图10所示。

1—牵引胶带运行方向； 2—支撑胶带运行方向； 3—落渣方向。

图10大倾角皮带机卸料端

Fig. 10 Unloading terminal of high-angle belt conveyor

安装调试时，需特别注意支撑皮带机和牵引皮带机的中线重合、安装姿态满足设计要求，并严格控制空载调试质量，以保证运行过程中不会发生影响运行质量的跑偏或分离问题。类似于其他皮带机，该设备同样具有调偏功能，以便于运行过程中必要的状态调整。

卸掉渣土后，牵引皮带机与支撑皮带机的胶带经各自的头部滚筒转向继续运行。支撑胶带采用隧道连续皮带机常用的刮板清扫器与清洗箱组合清理模式，技术成熟、效果良好。清洗箱如图11所示。 牵引胶带采用激振器振动清理附着的渣土，残留泥浆等采用矩阵式高压喷水二次清理。矩阵式高压水喷嘴如图12所示。

图11 清洗箱

图12 矩阵式高压水喷嘴

4 工程应用

4.1 工程概况

广州市轨道交通22号线祈福站—中间风井—广州南站段，线路全长6 524 m，隧道埋深11.3～23 m，区间线路最大纵坡15‰，线路平面设2个曲线段，曲线半径分别为1 800 m和3 500 m。区间隧道平面布置图如图13所示。

图13 区间隧道平面布置图

区间隧道采用EPB施工，沿兴业大道西向东掘进，先后下穿胜石涌、钟二涌、钟二村民宅建筑群、广明高速祈福隧道、市广路，在祈福站大里程端解体吊出。中间风井长130 m，宽31.8 m，基坑埋深20 m，地下2层。其中，在风井中设置的1号、2号盾构始发井长15 m、宽10.5 m、深20 m，供卸渣使用的2个渣土坑长40 m、宽13 m、深5 m。

洞身穿越多种淤泥层、多种风化泥质粉砂岩层等，掘出的渣土黏度(40～60 kPa·s)大、含水量(50%)大。

祈福站—中间风井区间采用隧道连续皮带机、大倾角皮带机出渣，复合式大倾角皮带机呈“Z”型布置。考虑到本工程井口空间较大，皮带机提升段倾角设计为80°，受料端安装在始发井的底板，机身安装在始发井的井壁上，卸料端和驱动装置固定安装在地面渣土坑上方，如图14所示。在支撑皮带机的返程起始段布置刮板清扫器和水清洗箱，在牵引皮带机卸渣段布置激振器，在返程起始端设置矩阵式高压喷水嘴。

(a) 示意图

(b) 现场图

4.2 EPB及复合式大倾角皮带机主要技术参数

EPB主要技术参数见表1。复合式大倾角皮带机主要技术参数见表2。

表1 EPB主要技术参数

表2复合式大倾角皮带机主要技术参数

Table 2 Main technical parameters of composite high-angle belt conveyor

4.3 应用效果

复合式大倾角皮带机于2018年12月初投入重载运行，截至2019年3月底累计掘进约1 300 m，EPB掘进效率约为龙门吊提升出渣的1.3倍，单台设备相关人工由5人减少为3人。

卸渣后，支撑胶带在支撑皮带机的头部滚筒折返，设置在头部滚筒下方的刮板清扫器与支撑胶带紧密接触，可刮除大部分粘附在胶带上的渣土，再经清洗箱二次清刮和冲洗，残存渣土进一步被刮落。牵引胶带首先通过设置在回程段的激震器振动清除粘附在胶带上的大块渣土，再经矩阵式高压水喷嘴冲刷。经过上述清洗(扫)后，清渣效率达到约95%。

5 结论与讨论

实践证明，研发的复合式大倾角皮带机适用于地铁施工渣土垂直提升，为EPB施工提供了一种高效、环保的输渣方式和输送设备，结合隧道连续皮带机实现渣土连续输送，为EPB连续掘进创造了有利条件，掘进效率可提升约30%，同时节约了人工成本。复合式大倾角皮带机是针对EPB施工渣土研究设计的，具有很好的适用性，同时也适用于岩石掘进机施工弃渣的提升，使用过程中需要关注胶带性能的适应性，并经常检查胶带状态，避免胶带过度磨损。复合式大倾角皮带机可靠性高、操作便捷、效率高，具有很好的推广应用价值。

应用过程中，需要注意以下几点： 1)要加强维护保养，提高设备完好率； 2)要注重胶带清理，清洁后的胶带可以大幅提高胶带可靠性和耐久性； 3)要适当增大托辊的规格以提高其使用寿命； 4)要确保胶带清理效果的前提下节约清洗用水，保护环境； 5)除非空间不允许，大倾角皮带机中间段尽量避免完全竖直布置，以利于提高渣土提升效率、减少落渣。