长距离输水隧洞单洞双机TBM皮带机出渣系统设计

韩 强

（新疆额尔齐斯河投资开发（集团）有限公司,新疆 乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

北疆某供水工程由5 条隧洞组成,总长140.771 km,平均埋深207 m,最大埋深720 m,为无压输水隧洞。洞身主要穿越地层岩性为华力西晚期变质黑云母花岗岩、泥盆系黑云母片麻岩、石炭系凝灰质砂岩、奥陶系黑云母片麻岩,均为中硬～坚硬岩。本标段桩号29+187～72+940,线路长43.753 km。该隧洞主要采用TBM2 与TBM3-1 两台TBM 设备开挖施工。单洞双机施工方案,即一个支洞进入主洞,左右两侧各采用一台TBM 掘进机施工。其中TBM2 是连续掘进超过15.15 km,TBM3-1 掘进11.8 km。

TBM 施工过程中,出渣系统设计对施工效率起着至关重要的作用。在TBM 施工出渣设计中,通常采用较多的三种方式是无轨运输、有轨运输以及连续皮带运输。针对隧洞不同的施工条件,合理的采用施工出渣方式至关重要。连续皮带出渣方式相比较其它两种方式需要着重考虑支洞断面空间布置。合理的皮带机出渣方案具有高出渣效率、低机器故障率、低隧洞污染及低成本等优点[1-2]。

针对隧洞工程超长距离的施工,由于“单洞双机”隧洞布置条件有限,只能采用一条支洞皮带机运输两台TBM 渣土。若要提高出渣系统的运输效率,就需要从驱动功率配置、辅助驱动与主驱布置、同步驱动控制、洞内布置、渣土清扫等方面着手,同时要考虑施工效率、成本、可靠性等综合评判指标,满足TBM 主机布置的要求,最终可实现隧洞内物料高效运输。因此,开展对单洞双机TBM 皮带机出渣系统设计研究极为重要。

2 皮带机出渣系统方案设计

根据本工程的作业需求及施工条件,4#支洞、主洞钻爆段、出口钻爆段出渣采用无轨运输,材料运输也采用无轨运输。主洞TBM 施工出渣采用皮带机出渣方式,转渣皮带设置在支洞与主洞交叉处,临时转渣场设置在支洞口处,自卸车无轨运输至弃渣场。主洞施工材料采用有轨运输方式,支洞采用无轨运输,转料平台则设置在支洞与主洞交叉处。

交通规划平面布置见图1,支洞与主洞交叉转渣皮带布置图见2。

图1 洞内交通规划平面布置图

TBM 掘进分为两个阶段,皮带机出渣系统的布局设计也分两个阶段。

图2 支洞与主洞交叉转渣皮带布置图

第一阶段：TBM2 与TBM3-1 掘进施工阶段。其中TBM2掘进15.15 km,连续皮带机出渣长度15500 m（15150 m 掘进段+350 m 始发安装段）；TBM3-1 掘进11.8 km,连续皮带机出渣长度12160 m（11800 m 掘进段+360 m 始发安装段）。在主洞的一侧布置连续皮带机,在支洞与主洞交叉口设置转渣点,在3#支洞设置约2.5 km 支洞皮带机,支洞洞口设置临时弃渣场。最终由自卸车将渣石运至弃渣场,第一阶段的出渣任务完成。

第二阶段：TBM3-2 由检修间步进到始发洞,掘进施工开始。TBM3-1 的皮带机等设备由第一阶段转场到通过洞,并在4#支洞安装支洞皮带机。TBM3-2 掘进11.75 km,连续皮带机出渣长度13090 m（11750 m 掘进段+1340 m 始发安装段及爆破段）。转渣点布置在4#支洞与主洞的交叉口处,支洞皮带机长度约1.2 km。临时弃渣场布置于支洞口,并由自卸车转运。最终将渣石运至弃渣场,第二阶段的出渣任务完成。

3 皮带机输送系统设计

3.1 皮带机输送系统整体布置

根据本工程项目的特点及布局情况,为完成TBM 的掘进出渣任务,本项目设计采用两套连续皮带机和两套支洞皮带[3-5]。

洞内连续皮带机的张紧装置为变频控制的卷扬机形式,需设置在皮带仓附近；皮带仓设置在支洞与主洞交叉点附近,长宽高约为87 m×2.4 m×3 m,为8 层布置方式,储存能力500 m；皮带硫化台设置在皮带仓后方约20 m 处。支洞皮带机的张紧装置设置在驱动站附近,为卷扬机+张紧小车的形式,皮带硫化平台布置在洞外,距驱动站约20 m 处。

由于TBM 主机上的出渣皮带设计在主机的左侧,因此主洞内连续皮带机及转渣支洞皮带机位于隧洞中部右侧,为悬挂式布置方式。本工程项目皮带机系统的空间布置合理,可以满足TBM 机器及其他项目的正常施工运行。

3.2 TBM2、TBM3-1 段皮带布置

TBM2、TBM3-1 段连续皮带机储存仓、皮带张紧系统和皮带机主驱动系统分别布置在组装洞室、后配套洞室,在储存仓后部和皮带仓前方分别布置主驱动系统与皮带张紧系。主洞支洞交叉口布置连续皮带机与支洞皮带转渣处。TBM2、TBM3-1 段皮带机布置见图3。

图3 TBM2、TBM3-1 段皮带机布置示意图

连续皮带机卸渣,需将尾端皮带架底部高度抬升才能满足支洞皮带机布置要求。连续皮带机自主驱动系统后部根据设计要求需要逐步抬升,皮带运输高度从3 m 提升到6 m～8 m,以方便工程渣土的有效运输。

3.3 TBM3-2 段皮带布置

TBM3-2 段连续皮带与支洞皮带转渣处布置在4#支洞与通过洞段交汇处,在通过洞内合理布置了皮带张紧系统、皮带储存仓和皮带驱动装置。为符合支洞皮带机接渣需要,连续皮带从驱动装置后部开始抬升。TBM3-2 段皮带机布置见图4。

图4 TBM3-2 段皮带机布置示意图

支洞皮带机布置在4#支洞左侧（进洞方向为前方）,皮带机需要保持顺直布置,皮带机相对支洞底面的高差,将根据施工图设计制定详细的布置方案。

3.4 皮带输送系统的性能要求

根据本工程项目TBM 皮带机出渣系统布置,合理选择TBM 长距离施工条件下的品牌产品,如马蒂、雷伊、罗宾斯、铁建重工、上海科大重工集团或等同品牌,关键部件和设备是在皮带输送机行业中广泛成熟应用的规格[6-7]。

（1）TBM 皮带机输送系统能够满足长时间工作的要求。本标段皮带输送系统设置多级皮带,在施工期间,皮带要避免出现故障,否者将会降低输送效率,严重阻碍施工进度。

（2）皮带输送系统应满足最高掘进速度的需要,同时具有一定的余量,遭遇围岩坍塌、出渣量急剧增加时皮带机不会经常因超载停机。

（3）TBM 两个掘进段有共用一套皮带机系统的情况,各级皮带机长度满足两个阶段施工时出渣要求。

（4）皮带机出渣系统能与掘进机控制系统互相连接、接口匹配、程序兼容,具有控制室远程控制功能和安全连锁功能。

（5）连续皮带机、支洞皮带机的相关配件需要一致,便于皮带机维修和保养。

（6）连续皮带机和支洞皮带机驱动系统能够根据载荷自动调整输出功率。

（7）张紧装置可根据皮带载荷实时调整张紧力,保持皮带始终处于最佳张紧状态,及时调整皮带机刚启动时的张紧力。

（8）驱动装置、张紧装置的寿命必须满足20 km 掘进的需要。

（9）皮带储存机构应该在不影响皮带正常运行的同时尽量扩大储存容量,以扩大掘进机连续掘进的长度。连续皮带机皮带储存机构有效储存能力应不小于500 m。

（10）皮带耐磨性能可靠,能够满足物料运输需要。

（11）采用先进的硫化设备、材料与工艺,既能够保证接头质量,又利于节省时间。

（12）托滚与滚筒质量可靠,始终保持良好的润滑,如有损坏,维修更换简便。

（13）连续皮带机要与TBM 能够很好协同工作,便于出渣及皮带架延伸。

（14）支洞皮带输送系统应具有防止石渣在皮带上滚落。

（15）皮带输送系统应具有分级自锁的功能,任何一条皮带出现问题停止运转时,其前一级的皮带都须立即自动停机。

（16）各级皮带机都需要设置急停开关,便于有突发情况时及时停止所有皮带机运转,包括TBM 掘进机皮带。支洞固定皮带机具有防止皮带反转的措施。

（17）各级皮带的运转由PLC 系统控制启动和停止的先后顺序及时间间隔。

（18）皮带机出渣系统应具有调速、调向、自动清理、刮渣、防跑偏和耐磨等功能。

4 皮带机出渣与物料运输

4.1 皮带机出渣技术措施

（1）支洞坡度大,而且有500 m 的转弯,同时支洞皮带机要承担两台TBM 出渣,主洞连续皮带机最大输送距离长15500 m,无论从设计选型还是后期使用维护都是关键点。为此,连续皮带机采购选择全新产品,并选用在TBM 长距离施工中有应用业绩的国内、国际知名品牌,如马蒂、雷依、罗宾斯或同等品牌。初步考虑选用马蒂作为皮带机供应商（计算说明、应用业绩见本投标文件第八章第四节）,最终通过招标程序进行确定。

（2）皮带机出渣能力能够满足工程项目最大出渣要求。

（3）施工中加强维护保养,确保皮带机出渣系统的正常运行。

（4）转弯段设置防跑偏的托辊、限位轮等,防止皮带跑偏；采用45°大槽角托辊组,增大的侧托辊槽角给胶带以较大的指向皮带机中心线方向的压力,可以有效地限制胶带沿此方向的左右漂移,有效地防止胶带的跑偏；采用自动纠偏托辊组,将纠偏力作用到跑偏的胶带之上,使胶带恢复到正常位置；设置花盆式挡辊,利用挡辊对胶带边缘的作用力,使之恢复到正常位置。

4.2 物料运输技术措施

（1）轨道采用单线布置,每隔4 km 设置一个会车道岔。

（2）TBM 尾部设置加利福尼亚道岔,便于TBM 区域机车调度。

（3）轨道铺设质量需要保障机车运行速度及安全性。

（4）加强线路的维护保养,安排专人巡查轨道,定期紧固轨道螺栓。

（5）牵引机车选择国际知名厂家的高性能隧洞内燃牵引机车,适合在洞内长期连续运转；柴油机排放标准不低于欧III,减少洞内空气污染,数量配置充足；初步选择德国小马机车,最终通过招标程序进行确定。

（6）机车配置安全运行装置,包括防瞌睡装置、前后大灯、闪灯、摄像头,操作人员培训后,持证上岗。

（7）调度员选择经验丰富、熟悉本段TBM施工运输特点、思路清晰、工作责任心强、组织能力强的人员担任。所有运输参与人员必须听从调度员指挥,调度员要听取相关人员正确的建议。

（8）加强设备维修人员的工作责任心,选取经验丰富、技术水平高、组织能力强的人员担任维修主管,配备充足的合格维修人员[8-10]。

5 结语

本文以北疆某供水项目为背景,针对工程隧洞超长距离施工和“单洞双机”隧洞布置条件有限等问题,设计了一种“单洞双机”TBM 设备长距离皮带机出渣系统,该系统布置不影响其它项目的布局、安装施工和正常运行,满足TBM 主机布置要求,并综合考虑了施工效率、成本、可靠性,实现了快速、安全延伸、自动纠偏、高效皮带硫化,可有效提高长距离输水隧洞物料的运输效率。