台州市域铁路隧道出渣系统应用研究

台州市域铁路隧道出渣系统应用研究

齐武升

身份证号码：130927198907033914 

摘  要：本文通过皮带机出渣系统与编组龙门吊出渣的施工效率对比，得出了隧道连续皮带机+垂直提升皮带机出渣系统在隧道竖井出渣的优越性，为隧道竖井出渣选型提供了理论依据；通过台州市域地铁S1线项目隧道连续皮带机+垂直提升皮带机出渣系统的实际应用和过程中存在的问题分析，为今后皮带机出渣系统在隧道竖井出渣项目的推广和应用，提供了宝贵的经验。

关键词：隧道；连续皮带机；垂直提升皮带机；出渣系统

0 引言

近年来，随着连续运输设备的发展，带式输送机逐渐成为地铁隧道盾构法施工出渣的配套设备。地铁隧道盾构法施工多采用始发竖井结构，但其空间相对狭小，长度有限，且竖井深度逐渐加大，如珠江水资源项目竖井深度均在40m以上，传统的水平运输+龙门吊出渣工法施工效率已无法匹配盾构法施工的效率，成为制约隧道施工进度的主要因素。

本文以台州市域铁路台州中心站-开发大道站盾构区间项目为背景，针对该项目隧道施工场地空间紧凑，出渣井尺寸小等特点，提出盾构隧道出渣采用隧道连续皮带机+垂直提升皮带机组合系统，介绍连续皮带机与水平运输隧道出渣、垂直提升皮带机与龙门吊竖井出渣的效率对比；分析该系统在隧道施工出现的主要问题，并针对该盾构隧道地质的特点，提出对应的解决措施以及盾构机出渣渣土改良方案，可为隧道连续皮带机+垂直提升皮带机组合系统在隧道竖井出渣施工应用提供技术参考和宝贵经验。

1 工程概况

台州市域铁路台州中心站-开发大道站盾构区间，区段左线长1500.752m、右线长1521.662m，采取盾构法施工，结构形式为双洞单线，盾构外径8.8m，隧道衬砌环管片外径8.5m、内径7.7m，幅宽1.6m，厚0.4m。区间覆土埋深10.8～12.6m，线路平面最小曲线半径为R=500m，最大半径为R=1000m，最大纵坡-3.05‰。隧道主要穿越淤泥地层、黏土和强风化凝灰岩地层。区间采用两台盾构机并排同向掘进，采用“连续皮带机+垂直提升皮带机”的渣土输送方式。

2 隧道盾构竖井出渣方式对比分析

为了进一步研究隧道连续皮带机+垂直提升皮带机组合系统出渣的优越性，本文对连续皮带机与水平运输隧道出渣，垂直提升皮带机与龙门吊竖井出渣的效率进行对比分析。

2.1 隧道洞内出渣方式对比分析

目前，隧道洞内出渣方式主要有连续皮带机出渣和水平运输出渣两种方式，其各方面情况对比，如表1所示。

表1 连续皮带机与编组出渣特点对比

由对比分析可知，连续皮带机工序简单，可实现不间断连续出渣，可高效的发挥盾构机的施工效率，减少出渣时间；水平运输出渣调度复杂，工序交叉较多，组织不当会严重影响掘进效率。连续皮带机出渣，水平运输整机质量急剧降低，安全性大大提高，溜车风险大大降低。连续皮带机出渣可降低水平运输机车功率配置和龙门吊起吊重量，增加皮带采购成本，水平运输数量和整机配置均需增大。综上所述，选用隧洞内出渣选用连续皮带机施工效率、施工组织和安全性均具有明显优势。

2.2 竖井出渣方式对比分析

国内地铁隧道竖井出渣主要有两种方式：龙门吊出渣和垂直提升皮带机出渣。其各方面性能对比，如表2所示。

表2 垂直提升皮带机与龙门吊出渣特点对比

由对比可知，垂直提升皮带机具有连续垂直输送渣料的能力，可与连续皮带机实现无缝衔接，大大提升盾构机施工的效率，同时占地空间小，适应能力强，施工组织简单，安全性高。

综上所述，连续皮带机+垂直提升皮带机出渣方式较水平运输+龙门吊出渣方式，具有效率高、安全性、施工组织简单。因此，本文研究了连续皮带机+垂直提升皮带机的出渣工法，能够更好的适应地铁隧道盾构法竖井出渣的高效性。

3 隧道皮带机出渣系统组成及工作原理

台州市域铁路项目出渣系统采用连续皮带机+垂直提升皮带机的出渣方式，由左线连续皮带机、右线连续皮带机、转载皮带机和垂直提升皮带机四部分组成，其布置方案如1、2图所示。

图1 皮带机出渣系统主视图

图2 皮带机出渣系统俯视图

由方案布置图可知，本项目左右隧洞采用各一套连续皮带机实现隧洞内出渣，左线出渣井口布置一套垂直提升皮带机，左右线出土井横向布置一套转载皮带机；左线盾构机掘进输出的渣料通过螺旋输送机转运至设备皮带机，再通过设备皮带机转运至左线连续皮带机，左线连续皮带机将渣料输送至左线出土井口，然后直接转入垂直提升皮带机；右线盾构机掘进输出的渣料通过螺旋输送机转运至设备皮带机，再通过设备皮带机转运至右线连续皮带机，右线连续皮带机将渣料运输至右线出土井，通过转载皮带机将渣料转运至垂直提升皮带机，最终通过垂直提升皮带机将左右线渣料提升至地面渣坑内，实现渣料的连续输送。

连续皮带机用于隧洞内渣料的输送，主要组成包括：头部卸载平台及驱动装置、头部过渡平台、硫化平台、放带装置、储带仓、变频张紧装置、中间延伸部分、机尾部分和输送带等；本项目连续皮带机主要特点是储带仓布置在结构主体的二层平台，可有效的缩短连续皮带机初始安装长度，节约空间，满足盾构机始发采用皮带机系统出渣的需求。主要参数为：驱动功率280kW，运量600t/h，输送长度1500m，带宽B=800mm，带速v=0~3.15m/s，储带能力500m。

垂直提升皮带机用于竖井底部渣料的垂直输送，主要组成包括：驱动装置、上部水平段、凸弧段、竖直段、凹弧段、下部水平段、螺旋拉紧装置、波状挡边胶带等。垂直提升皮带机于盾构配套的渣料输送系统中最后一环，其将左、右两条连续皮带机所运渣料由井底部提升转运至地面渣坑中，实现出渣系统最终目的。主要参数为：驱动功率250kW，运量1200t/h，提升高度20m，带宽B=1600mm，带速v=0~2.5m/s。

4 应用问题及处理措施

由于调试、安装及盾构出渣不均匀等原因，导致本项目皮带机系统出现多种问题。本文结合调试运行期间出现的问题进行归纳总结，并进行分析研究，制定处理措施，最终实现了渣料的正常输送。

4.1 连续皮带机应用问题及处理措施

由于台州地区地质特殊，输出渣料黏度很大，遇水后表面很滑，因此连续皮带机在输送该粘性渣料时存在以下问题：

1）转渣处堵料

右线连续皮带机与转载皮带机搭接位置，经常出现卸料口堵料现象，需停机人工清理，耗时较长，影响进度，如图3所示。

原因分析：①盾构机在黏土地层中掘进时，由于贯入度大，渣料改良不好，设备皮带机转运至连续皮带机上的渣料中含有许多大块粘土，当其输送至转渣处时出现大料卡滞堵料现象；②连续皮带机与转载皮带机垂直搭接，渣料沿转载皮带机运行方向的速度需从0增加至3.15m/s后才能随转载皮带机一起运行。

处理措施：① 改良渣料，避免渣料堆积形成大块渣料；② 切割落料斗，增大落料口，保证出渣输送；③落料斗侧面开孔，为清除积渣提供空间，如图4所示。

             图3 改良前渣料状态              图4 漏斗处理措施

2）传动滚筒打滑

当连续皮带机带载启动时，经常出现传动滚筒打滑，皮带机无法正常运转的现象，停机处理影响施工效率。

原因分析：①渣料进入传动滚筒，导致摩擦系数减小造成打滑；②驱动滚筒包胶磨损摩擦系数减小；③传动滚筒包胶磨损变光滑，导致摩擦系数减小。

处理措施：①胶带和传动滚筒表面冲水，减少渣料进入传动滚筒；② 传动滚筒位置回程胶带处增加滚筒，提高传动滚筒的围包角；③更换传动滚筒包胶，采用陶瓷包胶代替橡胶菱形包胶，增大摩擦系数，如图5所示。

图5 增加增面滚筒措施图

4.2 垂直提升皮带机应用问题及处理措施

垂直提升皮带机在输送粘性较大渣料时，存在一些技术难题，现场使用存在问题如下：

1）回程带渣严重

垂直提升皮带机在输送粘性大的渣料时，部分渣料粘结在挡边、基带和横隔板表面带回至竖井底部，造成井底大量积渣。

原因分析：①现场渣料粘度太大，挡边胶带结构特殊，导致渣料粘结较多且难以清理；②垂直皮带机头部水冲压力小且数量少，难以有效清渣。

处理措施：①头部增加高压喷水和矩阵式喷水，对挡边胶带进行清洗；②增加组振动拍打器；③竖井底部渣料回收措施。

竖井底部渣料回收措施包括：①采用提升螺旋输送机将渣料重新输送机垂直提升接料斗内，如图6所示；②采用泥浆泵将渣料重新输送机垂直提升接料斗内，如图7所示；③采用挖机将渣料收集箱渣料挖至渣斗车内，用龙门吊提至地面渣坑内，如图8所示。

图6 螺旋输送机回收渣料措施

图7 污泥泵回收渣料措施

图8 挖机回收渣料措施

2）竖直提升段掉渣

挡边胶带由水平转至垂直时，部分渣料会从隔板内弹翻掉落，导致底部压带轮被压死的问题。

原因分析：①隔板刚度不足，无法承受理论设计重量；②隔板承载运行约48小时后产生严重塑性变形，部分隔板已扭曲，大部分隔板倾斜角度减小，高度伸长超出波状挡边，导致隔板承载量减小；

③掘进前期，盾构土仓内留存渣料结块，出渣呈大块状，渣料在水平转变至竖直过程中胶带隔板偏软无法承受而掉落。

解决方案：①现有隔板进行处理，割除高出部分，两侧倒角；②用刚度较好的隔板更换变形的隔板。

5 结语

目前隧道洞内至洞口出渣采用连续皮带机代替水平运输出渣已成为发展的趋势，且能够有效的匹配盾构法施工的效率；洞口至地面竖直出渣采用常规带式输送机只能实现小角度输送，不能满足竖井出渣的使用需求，垂直提升皮带机具有占地面积小和输送能力强等特点，特别适用于施工现场受空间和环保等条件限制的场合。盾构隧道出渣采用隧道连续皮带机+垂直提升皮带机组合系统必将成为未来发展的趋势，本项目的成功应用为隧道竖井出渣施工提供技术参考和宝贵经验。

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