山地城市大纵坡水平连续传送带关键参数研究

曹亚奇，欧阳天一，罗桂军，冯科军，肖 超，汪 来，王树英

（1.中建五局土木工程有限公司，湖南 长沙 410004；2.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075）

山地城市轨道交通往往存在较大坡度且距离较长，采用传统有轨机车出渣方式进行物料运输不能满足大坡度长距离隧道的施工要求。大纵坡水平连续皮带机具备同步延伸功能，可与TBM掘进配套使用，连续、快捷地完成隧道出渣，实现隧道工程高效、安全、环保的施工建设，同时，皮带机出渣作为相对经济、便捷和高效的一种方式，是未来掘进机施工隧道出渣的主要发展趋势。

吕勇方[1]介绍连续皮带机的基本结构、组装要点，并提出黏土地层中盾构渣土的改良方法和主要问题的防治措施。班宝旺[2]从产生跑偏的主要原因入手，有针对性地提出相应解决问题的方法。安宏斌等[3]探讨了长距离隧道盾构施工辅以后配套皮带机运输渣土，提高施工机械化程度，进而提高工程效益。贾丁等[4]针对连续皮带机水平运输系统分析介绍其结构组成及运行流程，并计算其基本参数与最大圆周力。张忠东等[5]采用了集渣土改良、出渣量控制和与掘进同步进行的渣土筛分改良及连续皮带出渣系统，得到了适合大直径、长距离土压平衡盾构隧道施工的出渣系统。刘杰[6]分析研究了连续皮带机安装和运行过程中的问题及处理措施。许金林等[7]介绍了连续皮带机出碴体系与同步衬砌体系的矛盾并提出解决方案。佟建中[8]研究确定了胶带强度、中间驱动位置及拉紧力等技术参数。王智远和伍智勇[9]以辽宁省大伙房水库输水一期工程TBM2 标为例，通过经济性、环保性、出碴效率等方面综合对比，进行TBM 施工配套出碴方式的选择，并就皮带的带宽、材质等参数选择进行详细介绍。

针对山地城市轨道交通大纵坡渣土运输特点，本文介绍重庆地区水平皮带机隧道内布置形式，研究与皮带机设计相关的关键参数，提出提高山地城市大纵坡水平连续传送带出渣效率的具体工程措施。

1 工程概况

重庆轨道交通5 号线北延伸段（悦港北路-园博中心）工程位于渝北区空港新城和两江新区悦来组团，线路为南北走向，主要沿秋成大道设计，5 号线北延伸段工程线路全长8.95km。重庆轨道交通五号线北延伸段工程土建2 标TBM 区间包括鲁家沟站-中央公园西站区间和中央公园西站-椿萱大道站区间。

鲁家沟站-中央公园西站区间全长为1 029.583m。鲁-中区间最小曲线半径500m，区间最大纵坡38.82‰，长270m，占比26.42%，其余坡度为2‰～12‰；覆土厚度3.3～31.2m，区间左右线各74m 隧道洞身位于青岗溪大桥段回填土中，占比8%。其余地段均位于砂质泥岩和砂岩中。左线盾构984.834m，右线盾构951.442m。

中央公园西站-椿萱大道站区间掘进长度为1 110.711m，最小曲线半径2 000m，最大纵坡38.07‰，长270m，占比24.21%。顶部覆土19.1～33.2m，区间约401m 位于回填土地层中。左右线隧道均下穿十号线车站，隧道顶部距离10号线车站结构底部最小间距约7.5m。左线盾构1 095.304m，右线盾构1 095.304m。

鲁-中区间和中-椿区间最大纵坡均大于38‰，TBM 掘进过程容易栽头，电瓶车运输渣土容易溜车，不控制好存在很大可能造成严重事故。

2 皮带机概况

本项目涉及水平连续皮带机这一典型系统工程，连续皮带机与普通皮带机相同之处在于：都是通过驱动系统的带动和改向滚筒的改向来实现胶带的连续运转，达到将渣土从落料端运输至出料端的目的。不同之处在于：连续皮带机能同步跟进TBM 掘进，随TBM 的掘进不断延伸以适应掘进速度要求，将掌子面开挖的渣土连续、快捷地运送至洞外，可实现皮带的存储和掘进过程中皮带的硫化，皮带机架安装快速方便。与传统有轨运输相比，连续皮带机机械化程度高，安全性好，占用空间少，污染性小，适用于不同坡度运输，是长距离大纵坡隧道出渣的首选方案。

采用连续皮带机出渣的基本过程是：TBM开挖渣料从后配套连续皮带机尾部转运到隧道长距离连续皮带机上，通过该长距离连续皮带机将石渣运输到洞外的渣场。随着TBM 向前掘进，皮带架被不断安装在管片侧墙上并由固定在洞顶的链条悬挂支撑在洞内，这样皮带机不断向前延伸。隧道皮带机尾站安装在后配套台车上，随后配套向前移动，尾站装有上下、左右和倾斜调整油缸，以方便皮带机的调偏。

水平连续皮带机在隧道内通过三角支架与隧道内下部管片螺栓进行安装固定，水平连续皮带机在隧道内布置形式如图1 所示，皮带机在隧道内的布置形式具有以下特点：①皮带支撑架结构固定在管片上，保证皮带机结构稳定；②支架布置在管片中心线以下，以便于设备检修、维护等作业；③皮带机内侧增设限位滚筒，避免皮带与车架发生硬性摩擦而造成损伤。

图1 TBM隧道内水平连续皮带机布置示意图

连续皮带机包含机尾、延伸装置、延伸支架、输送带、托辊、改向滚筒、张紧装置、储带仓、驱动装置、卸料端和电气部分等部件。主要配置和参数如表1 所示。

表1 皮带机配件参数表

3 皮带机参数

3.1 输送量

掘进开挖出土速率Q1max（m3/h）为

式中D——开挖直径，m；

v1——开挖速率，m/h；

ξ——松方系数。

重庆地铁五号线北延伸段工程TBM 区间隧道开挖直径D为6.885m，开挖速率按照推进速度60mm/min 计算，即每小时掘进3.6m，松方系数为实际出土体积与原状土体积之比，一般软土的松方系数取1.2，泥岩为1.5，对于本工程渣土，松方系数取1.3，则掘进开挖出土速率Q1max=175m2/h。

水平连续皮带机理论出渣能力Q2max（m3/h）为

式中A——输送带承载物料的理论横截面积，m2；

v2——额定功率下带速，m/s；

ζ——由于倾斜导致的断面折损系数。

输送带承载物料的理论横截面积A应根据输送带承载物料的有效宽度b、承载托辊的数量n、托辊长度l、托辊槽角θ及物料的动堆积角δ等确定。水平输送时，输送带承载物料的理论横截面积A应按下式计算。

式中A1——输送带承载物料的上部横截面积，m2；

A2——输送带承载物料的下部横截面积，m2。

对于3 托辊输送带，其承载物料的上、下部横截面积（图2）可按下式分别计算。

图2 皮带机输送物料的理论横截面积

式中l——承载托辊组中间辊的长度，m；

θ——托辊槽角，°；

b——输送带承载物料的有效宽度，m；

δ——物料的动堆积角，与物料的特性、皮带机带速及长度等有关，宜比静堆积角小5°～20°，无动堆积角实测数据时，可按物料静堆积角的50%～75%近似计算，高带速、长距离的带式输送机宜取小值。

输送带承载物料的有效宽度b为

当B≤2m 时：b=0.9B-0.05

当B>2m 时：b=B-0.25

其中，B为皮带带宽 。

对于重庆地铁5 号线北延伸段工程，采用DSJ-800-2200 型号皮带机，皮带带宽B=0.8m<2m，故皮带机承载物料的有效宽度b=0.67m。

皮带机中间托辊长度l为0.3m，托辊槽角θ为35°，区间开挖渣土作为不规则、颗粒状或块状且流动性一般的物料，动堆积角δ取20°，则输送带承载物料上、下部横截面积A1、A2分别为A1=0.0221m2，A2=0.0479m2。

由输送带承载物料的上、下部横截面积A1、A2可得输送带承载物料的理论横截面积A为

皮带机倾斜段承载物料的上部横截面积相较水平段承载物料的上部横截面积要小，因此，在计算皮带机倾斜段理论输送量时应计入断面折损系数ζ，详见表2 倾斜输送机断面折减系数ζ取值表。由于皮带机倾斜段的皮带倾角为10°，故ζ应取0.95，实际工程中，为保证皮带机运行安全，设计时应预留一定的安全储备，因此，本工程中ζ实际取值为0.91。

表2 倾斜输送机断面折减系数ζ取值表

则水平连续皮带机理论出渣能力Q2max为

在进行皮带机设计时，由于工程的工艺、物料特性等因素，皮带机的理论出渣能力存在一定的损失，皮带机设计出渣能力可按下式计算。

式中κ——理论输送量的利用率，取值范围宜为0.7～1.0，当输送渣土连续、均匀，可取较大值，当输送渣土量波动较大时，宜取小值。

重庆地铁5 号线北延伸段项目皮带机运输渣土较不均匀，计算皮带机设计出渣能力时应取较小值，本工程中取值为0.8，则皮带机设计出渣能力

根据皮带机设计出渣能力Q3max与开挖出渣能力Q1max的相对大小可对皮带机出渣能力进行校验。若Q3max>Q1max，则皮带机设计出渣能力大于开挖出土速率，皮带机输送能力满足开挖出渣要求；若Q3max

根据上述分析计算，重庆地铁5 号线北延伸段项目皮带机设计出渣能力458.64m3/h 远大于开挖出渣速率175m3/h，即Q3max>>Q1max，故皮带输送能力完全满足开挖出渣要求。

3.2 最大倾角

由于TBM 施工中开挖的石渣表面状态具有不确定性，特别是泥质砂岩在经过刀盘喷水口喷水降尘后往往塑性软化，细粒径和粉状渣料遇水即成为泥状，具有较大黏性。为保证物料在皮带机运转时不会因坡度太大而滑落，要求皮带倾角能够满足物料在皮带上的切向分力不大于物料与皮带之间的最大静摩擦力，即

式中W——物料自身重力；

ϵ——皮带倾角；

f——皮带与物料之间的最大摩擦力；

μ——物料与输送带之间的摩擦系数，本项目中摩擦系数μ取值为0.2；

N——输送带对物料的法向支撑力。

联立公式（7)、（8），计算得到输送带的倾角应满足以下条件

根据上式计算得到输送带的倾角ϵ须不大于11°，在对输送带上物料进行受力分析时，并未考虑水平段物料对倾斜段物料的支撑作用，使得计算结果偏于保守。实际进行皮带机线形设计时，取最大坡度为10°。物料在输送带上的受力如图3所示。

图3 物料受力示意图

3.3 皮带类型、带宽

选用的皮带需要具有高强度抗撕裂性能且成槽性、耐曲挠性好，适合长距离大运量物料输送。高强度/轻体化/低伸长的优异质量是当今世界输送带骨架材料的前沿技术，在保证钢丝绳特高强度的同时，需降低绳经，增强胶带耐屈挠性能，并大幅减轻胶带自重。重庆地铁五号线北延伸段项目皮带如图4 所示。

图4 皮带实物照片

根据最大出渣量，可进行带宽选型。目前，连续皮带机的带速范围一般在2.5～3.15m/s 之间，不同材质、构造和质量的皮带其工作带速范围有所不同，如采用国标标准的650mm 带宽，出渣能力不满足，若采用邻近的800mm 带宽，出渣能力有富余，累积2.2km 的长度并未增加大量开支。因此，从技术和经济性优化组合角度比较选择带宽及储带长度，确定项目采用皮带带宽为800mm。

3.4 托辊槽角

托辊组主要由托辊与托辊架组成，可使水平连续皮带表面形成一个凹槽状的渣土运输空间，可满足干渣或者稀渣状态下的渣土水平运输。托辊为免维护式，为了使其达到免维护效果，在其密封上采用了迷宫密封，在轴承座内充满润滑脂。托辊轴头采用凹槽型，以防脱出。托辊架采用35°槽形托辊架，考虑到TBM 施工现场安装困难且需要不断新增机身，所以可以考虑采用弯头螺栓将托辊架固定在三角支架上。

4 讨论

对于采用主机皮带机模式出渣的隧道工程，需针对性考虑以下问题：①主机皮带机输送能力与掘进速度、后配套皮带机能力匹配；②主机皮带机能够实现正反转；③出渣量自动计量装置，并将数据上传至TBM 监控平台。

针对以上问题，在以下3 个方面给出针对性措施，具体措施如表3 所示。

表3 主机皮带机针对性措施表

5 结语

针对重庆地区山地城市轨道交通大纵坡渣土运输特点，本文介绍水平皮带机在隧道内的布置形式，研究皮带机设计关键参数，包括皮带机输送量、最大倾角、皮带类型与带宽、托辊槽角，提出提高山地城市大纵坡水平连续传送带出渣效率的具体工程措施，主要结论如下。

1）皮带机在隧道内的布置需满足：①皮带支撑架固定在管片上，保证皮带机结构稳定；②支架布置在管片中心线以下，以便于设备检修、维护等作业；③皮带机内侧增设限位滚筒，避免皮带发生损伤。

2）为实现连续皮带运输和TBM 掘进速度的匹配，需要根据洞径及围岩情况选择合理的连续皮带机的参数，主要包括皮带机输送能力、最大倾角、皮带类型与带宽、托辊槽角的选择和计算。

3）提高水平连续传送带出渣效率的工程措施包括：①选取合适的皮带机带宽；②采用液压滚筒驱动皮带，实现正反转和无级变速；③安装皮带渣土称重和体积扫描系统，实时监测出渣量。