韓 強(qiáng)

（新疆額爾齊斯河投資開發(fā)（集團(tuán)）有限公司,新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

北疆某供水工程由5 條隧洞組成,總長140.771 km,平均埋深207 m,最大埋深720 m,為無壓輸水隧洞。洞身主要穿越地層巖性為華力西晚期變質(zhì)黑云母花崗巖、泥盆系黑云母片麻巖、石炭系凝灰質(zhì)砂巖、奧陶系黑云母片麻巖,均為中硬～堅硬巖。本標(biāo)段樁號29+187～72+940,線路長43.753 km。該隧洞主要采用TBM2 與TBM3-1 兩臺TBM 設(shè)備開挖施工。單洞雙機(jī)施工方案,即一個支洞進(jìn)入主洞,左右兩側(cè)各采用一臺TBM 掘進(jìn)機(jī)施工。其中TBM2 是連續(xù)掘進(jìn)超過15.15 km,TBM3-1 掘進(jìn)11.8 km。

TBM 施工過程中,出渣系統(tǒng)設(shè)計對施工效率起著至關(guān)重要的作用。在TBM 施工出渣設(shè)計中,通常采用較多的三種方式是無軌運(yùn)輸、有軌運(yùn)輸以及連續(xù)皮帶運(yùn)輸。針對隧洞不同的施工條件,合理的采用施工出渣方式至關(guān)重要。連續(xù)皮帶出渣方式相比較其它兩種方式需要著重考慮支洞斷面空間布置。合理的皮帶機(jī)出渣方案具有高出渣效率、低機(jī)器故障率、低隧洞污染及低成本等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。

針對隧洞工程超長距離的施工,由于“單洞雙機(jī)”隧洞布置條件有限,只能采用一條支洞皮帶機(jī)運(yùn)輸兩臺TBM 渣土。若要提高出渣系統(tǒng)的運(yùn)輸效率,就需要從驅(qū)動功率配置、輔助驅(qū)動與主驅(qū)布置、同步驅(qū)動控制、洞內(nèi)布置、渣土清掃等方面著手,同時要考慮施工效率、成本、可靠性等綜合評判指標(biāo),滿足TBM 主機(jī)布置的要求,最終可實現(xiàn)隧洞內(nèi)物料高效運(yùn)輸。因此,開展對單洞雙機(jī)TBM 皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)設(shè)計研究極為重要。

2 皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)方案設(shè)計

根據(jù)本工程的作業(yè)需求及施工條件,4#支洞、主洞鉆爆段、出口鉆爆段出渣采用無軌運(yùn)輸,材料運(yùn)輸也采用無軌運(yùn)輸。主洞TBM 施工出渣采用皮帶機(jī)出渣方式,轉(zhuǎn)渣皮帶設(shè)置在支洞與主洞交叉處,臨時轉(zhuǎn)渣場設(shè)置在支洞口處,自卸車無軌運(yùn)輸至棄渣場。主洞施工材料采用有軌運(yùn)輸方式,支洞采用無軌運(yùn)輸,轉(zhuǎn)料平臺則設(shè)置在支洞與主洞交叉處。

交通規(guī)劃平面布置見圖1,支洞與主洞交叉轉(zhuǎn)渣皮帶布置圖見2。

圖1 洞內(nèi)交通規(guī)劃平面布置圖

TBM 掘進(jìn)分為兩個階段,皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)的布局設(shè)計也分兩個階段。

圖2 支洞與主洞交叉轉(zhuǎn)渣皮帶布置圖

第一階段：TBM2 與TBM3-1 掘進(jìn)施工階段。其中TBM2掘進(jìn)15.15 km,連續(xù)皮帶機(jī)出渣長度15500 m（15150 m 掘進(jìn)段+350 m 始發(fā)安裝段）；TBM3-1 掘進(jìn)11.8 km,連續(xù)皮帶機(jī)出渣長度12160 m（11800 m 掘進(jìn)段+360 m 始發(fā)安裝段）。在主洞的一側(cè)布置連續(xù)皮帶機(jī),在支洞與主洞交叉口設(shè)置轉(zhuǎn)渣點(diǎn),在3#支洞設(shè)置約2.5 km 支洞皮帶機(jī),支洞洞口設(shè)置臨時棄渣場。最終由自卸車將渣石運(yùn)至棄渣場,第一階段的出渣任務(wù)完成。

第二階段：TBM3-2 由檢修間步進(jìn)到始發(fā)洞,掘進(jìn)施工開始。TBM3-1 的皮帶機(jī)等設(shè)備由第一階段轉(zhuǎn)場到通過洞,并在4#支洞安裝支洞皮帶機(jī)。TBM3-2 掘進(jìn)11.75 km,連續(xù)皮帶機(jī)出渣長度13090 m（11750 m 掘進(jìn)段+1340 m 始發(fā)安裝段及爆破段）。轉(zhuǎn)渣點(diǎn)布置在4#支洞與主洞的交叉口處,支洞皮帶機(jī)長度約1.2 km。臨時棄渣場布置于支洞口,并由自卸車轉(zhuǎn)運(yùn)。最終將渣石運(yùn)至棄渣場,第二階段的出渣任務(wù)完成。

3 皮帶機(jī)輸送系統(tǒng)設(shè)計

3.1 皮帶機(jī)輸送系統(tǒng)整體布置

根據(jù)本工程項目的特點(diǎn)及布局情況,為完成TBM 的掘進(jìn)出渣任務(wù),本項目設(shè)計采用兩套連續(xù)皮帶機(jī)和兩套支洞皮帶[3-5]。

洞內(nèi)連續(xù)皮帶機(jī)的張緊裝置為變頻控制的卷揚(yáng)機(jī)形式,需設(shè)置在皮帶倉附近；皮帶倉設(shè)置在支洞與主洞交叉點(diǎn)附近,長寬高約為87 m×2.4 m×3 m,為8 層布置方式,儲存能力500 m；皮帶硫化臺設(shè)置在皮帶倉后方約20 m 處。支洞皮帶機(jī)的張緊裝置設(shè)置在驅(qū)動站附近,為卷揚(yáng)機(jī)+張緊小車的形式,皮帶硫化平臺布置在洞外,距驅(qū)動站約20 m 處。

由于TBM 主機(jī)上的出渣皮帶設(shè)計在主機(jī)的左側(cè),因此主洞內(nèi)連續(xù)皮帶機(jī)及轉(zhuǎn)渣支洞皮帶機(jī)位于隧洞中部右側(cè),為懸掛式布置方式。本工程項目皮帶機(jī)系統(tǒng)的空間布置合理,可以滿足TBM 機(jī)器及其他項目的正常施工運(yùn)行。

3.2 TBM2、TBM3-1 段皮帶布置

TBM2、TBM3-1 段連續(xù)皮帶機(jī)儲存?zhèn)}、皮帶張緊系統(tǒng)和皮帶機(jī)主驅(qū)動系統(tǒng)分別布置在組裝洞室、后配套洞室,在儲存?zhèn)}后部和皮帶倉前方分別布置主驅(qū)動系統(tǒng)與皮帶張緊系。主洞支洞交叉口布置連續(xù)皮帶機(jī)與支洞皮帶轉(zhuǎn)渣處。TBM2、TBM3-1 段皮帶機(jī)布置見圖3。

圖3 TBM2、TBM3-1 段皮帶機(jī)布置示意圖

連續(xù)皮帶機(jī)卸渣,需將尾端皮帶架底部高度抬升才能滿足支洞皮帶機(jī)布置要求。連續(xù)皮帶機(jī)自主驅(qū)動系統(tǒng)后部根據(jù)設(shè)計要求需要逐步抬升,皮帶運(yùn)輸高度從3 m 提升到6 m～8 m,以方便工程渣土的有效運(yùn)輸。

3.3 TBM3-2 段皮帶布置

TBM3-2 段連續(xù)皮帶與支洞皮帶轉(zhuǎn)渣處布置在4#支洞與通過洞段交匯處,在通過洞內(nèi)合理布置了皮帶張緊系統(tǒng)、皮帶儲存?zhèn)}和皮帶驅(qū)動裝置。為符合支洞皮帶機(jī)接渣需要,連續(xù)皮帶從驅(qū)動裝置后部開始抬升。TBM3-2 段皮帶機(jī)布置見圖4。

圖4 TBM3-2 段皮帶機(jī)布置示意圖

支洞皮帶機(jī)布置在4#支洞左側(cè)（進(jìn)洞方向為前方）,皮帶機(jī)需要保持順直布置,皮帶機(jī)相對支洞底面的高差,將根據(jù)施工圖設(shè)計制定詳細(xì)的布置方案。

3.4 皮帶輸送系統(tǒng)的性能要求

根據(jù)本工程項目TBM 皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)布置,合理選擇TBM 長距離施工條件下的品牌產(chǎn)品,如馬蒂、雷伊、羅賓斯、鐵建重工、上?？拼笾毓ぜ瘓F(tuán)或等同品牌,關(guān)鍵部件和設(shè)備是在皮帶輸送機(jī)行業(yè)中廣泛成熟應(yīng)用的規(guī)格[6-7]。

（1）TBM 皮帶機(jī)輸送系統(tǒng)能夠滿足長時間工作的要求。本標(biāo)段皮帶輸送系統(tǒng)設(shè)置多級皮帶,在施工期間,皮帶要避免出現(xiàn)故障,否者將會降低輸送效率,嚴(yán)重阻礙施工進(jìn)度。

（2）皮帶輸送系統(tǒng)應(yīng)滿足最高掘進(jìn)速度的需要,同時具有一定的余量,遭遇圍巖坍塌、出渣量急劇增加時皮帶機(jī)不會經(jīng)常因超載停機(jī)。

（3）TBM 兩個掘進(jìn)段有共用一套皮帶機(jī)系統(tǒng)的情況,各級皮帶機(jī)長度滿足兩個階段施工時出渣要求。

（4）皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)能與掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)互相連接、接口匹配、程序兼容,具有控制室遠(yuǎn)程控制功能和安全連鎖功能。

（5）連續(xù)皮帶機(jī)、支洞皮帶機(jī)的相關(guān)配件需要一致,便于皮帶機(jī)維修和保養(yǎng)。

（6）連續(xù)皮帶機(jī)和支洞皮帶機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)能夠根據(jù)載荷自動調(diào)整輸出功率。

（7）張緊裝置可根據(jù)皮帶載荷實時調(diào)整張緊力,保持皮帶始終處于最佳張緊狀態(tài),及時調(diào)整皮帶機(jī)剛啟動時的張緊力。

（8）驅(qū)動裝置、張緊裝置的壽命必須滿足20 km 掘進(jìn)的需要。

（9）皮帶儲存機(jī)構(gòu)應(yīng)該在不影響皮帶正常運(yùn)行的同時盡量擴(kuò)大儲存容量,以擴(kuò)大掘進(jìn)機(jī)連續(xù)掘進(jìn)的長度。連續(xù)皮帶機(jī)皮帶儲存機(jī)構(gòu)有效儲存能力應(yīng)不小于500 m。

（10）皮帶耐磨性能可靠,能夠滿足物料運(yùn)輸需要。

（11）采用先進(jìn)的硫化設(shè)備、材料與工藝,既能夠保證接頭質(zhì)量,又利于節(jié)省時間。

（12）托滾與滾筒質(zhì)量可靠,始終保持良好的潤滑,如有損壞,維修更換簡便。

（13）連續(xù)皮帶機(jī)要與TBM 能夠很好協(xié)同工作,便于出渣及皮帶架延伸。

（14）支洞皮帶輸送系統(tǒng)應(yīng)具有防止石渣在皮帶上滾落。

（15）皮帶輸送系統(tǒng)應(yīng)具有分級自鎖的功能,任何一條皮帶出現(xiàn)問題停止運(yùn)轉(zhuǎn)時,其前一級的皮帶都須立即自動停機(jī)。

（16）各級皮帶機(jī)都需要設(shè)置急停開關(guān),便于有突發(fā)情況時及時停止所有皮帶機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),包括TBM 掘進(jìn)機(jī)皮帶。支洞固定皮帶機(jī)具有防止皮帶反轉(zhuǎn)的措施。

（17）各級皮帶的運(yùn)轉(zhuǎn)由PLC 系統(tǒng)控制啟動和停止的先后順序及時間間隔。

（18）皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)應(yīng)具有調(diào)速、調(diào)向、自動清理、刮渣、防跑偏和耐磨等功能。

4 皮帶機(jī)出渣與物料運(yùn)輸

4.1 皮帶機(jī)出渣技術(shù)措施

（1）支洞坡度大,而且有500 m 的轉(zhuǎn)彎,同時支洞皮帶機(jī)要承擔(dān)兩臺TBM 出渣,主洞連續(xù)皮帶機(jī)最大輸送距離長15500 m,無論從設(shè)計選型還是后期使用維護(hù)都是關(guān)鍵點(diǎn)。為此,連續(xù)皮帶機(jī)采購選擇全新產(chǎn)品,并選用在TBM 長距離施工中有應(yīng)用業(yè)績的國內(nèi)、國際知名品牌,如馬蒂、雷依、羅賓斯或同等品牌。初步考慮選用馬蒂作為皮帶機(jī)供應(yīng)商（計算說明、應(yīng)用業(yè)績見本投標(biāo)文件第八章第四節(jié)）,最終通過招標(biāo)程序進(jìn)行確定。

（2）皮帶機(jī)出渣能力能夠滿足工程項目最大出渣要求。

（3）施工中加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng),確保皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

（4）轉(zhuǎn)彎段設(shè)置防跑偏的托輥、限位輪等,防止皮帶跑偏；采用45°大槽角托輥組,增大的側(cè)托輥槽角給膠帶以較大的指向皮帶機(jī)中心線方向的壓力,可以有效地限制膠帶沿此方向的左右漂移,有效地防止膠帶的跑偏；采用自動糾偏托輥組,將糾偏力作用到跑偏的膠帶之上,使膠帶恢復(fù)到正常位置；設(shè)置花盆式擋輥,利用擋輥對膠帶邊緣的作用力,使之恢復(fù)到正常位置。

4.2 物料運(yùn)輸技術(shù)措施

（1）軌道采用單線布置,每隔4 km 設(shè)置一個會車道岔。

（2）TBM 尾部設(shè)置加利福尼亞道岔,便于TBM 區(qū)域機(jī)車調(diào)度。

（3）軌道鋪設(shè)質(zhì)量需要保障機(jī)車運(yùn)行速度及安全性。

（4）加強(qiáng)線路的維護(hù)保養(yǎng),安排專人巡查軌道,定期緊固軌道螺栓。

（5）牽引機(jī)車選擇國際知名廠家的高性能隧洞內(nèi)燃牽引機(jī)車,適合在洞內(nèi)長期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)不低于歐III,減少洞內(nèi)空氣污染,數(shù)量配置充足；初步選擇德國小馬機(jī)車,最終通過招標(biāo)程序進(jìn)行確定。

（6）機(jī)車配置安全運(yùn)行裝置,包括防瞌睡裝置、前后大燈、閃燈、攝像頭,操作人員培訓(xùn)后,持證上崗。

（7）調(diào)度員選擇經(jīng)驗豐富、熟悉本段TBM施工運(yùn)輸特點(diǎn)、思路清晰、工作責(zé)任心強(qiáng)、組織能力強(qiáng)的人員擔(dān)任。所有運(yùn)輸參與人員必須聽從調(diào)度員指揮,調(diào)度員要聽取相關(guān)人員正確的建議。

（8）加強(qiáng)設(shè)備維修人員的工作責(zé)任心,選取經(jīng)驗豐富、技術(shù)水平高、組織能力強(qiáng)的人員擔(dān)任維修主管,配備充足的合格維修人員[8-10]。

5 結(jié)語

本文以北疆某供水項目為背景,針對工程隧洞超長距離施工和“單洞雙機(jī)”隧洞布置條件有限等問題,設(shè)計了一種“單洞雙機(jī)”TBM 設(shè)備長距離皮帶機(jī)出渣系統(tǒng),該系統(tǒng)布置不影響其它項目的布局、安裝施工和正常運(yùn)行,滿足TBM 主機(jī)布置要求,并綜合考慮了施工效率、成本、可靠性,實現(xiàn)了快速、安全延伸、自動糾偏、高效皮帶硫化,可有效提高長距離輸水隧洞物料的運(yùn)輸效率。