输水隧洞长距离皮带机出渣系统设计

水利与建筑工程学报 ^ ^

Journal of Water Resources and Architectural Engineering

Vol.16 No.4

Aug. ,2018

DOI ： 10.3969/j. issn. 1672 -1144.2018.04.045

输水隧洞长距离皮带机出渣系统设计

毛渐

(维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐830000)

摘要：为解决XE超长深埋输水隧洞1标段出渣方案问题，从技术、经济和安全等方面对三种出 渣方案进行了阐述对比，分析认为皮带机出渣方案技术更成熟、造价更低、安全性更高，因此该标段隧洞

出渣最终采用皮带机出渣。其次，从TBM分段掘进、施工支洞、皮带机布置、输送参数方面介绍了该标 段洞内皮带机出渣系统设计，为类似隧洞工程出渣设计提供参考和经验。关键词：长距离皮带机出渣;设备选型;出渣系统布置中图分类号：TV53 文献标识码：A 文章编号：1672—1144(2018)0—0236—05

Slagging System Design of Belt Conveyor for Long Distance in Water Tunnel

MAOJian

(Xinjiang Water Conservancy and Hydropower Survey and Design Institute, Urnmqi, Xinjiang 830000, China)Abstract ： To solve the problem of 1 blocks on slag scheme of the XE long buried deep water conveyance tunnel in Xin­jiang ,three slag scheme comparison has been made from the aspects of technology , economy and seurity , the analysisshows that the belt

conveyor slag

solution technology

is

more mature,

which has

belt conveyor slag was recommended. A block

hole endothelial machine slag

system design was

then

lower

TBM section excavation, construction branch hole and the parameters of the belt conveyor , conveying aspects, whichcould providereferences and experiences for similar tunnel engineering.

Keywords: long distance belt machine scum; equipment selection; layout of slag discharging system

XE二期输水工程线路总长约148.246 km，其中

(宽x高），主要采用钻爆法施工，n、m类围岩采用 全断面法，w、v类围岩采用台阶法。该标段整体平 面布置图见图1。1

出渣方案选择

目前，国内外TBM施工出渣方式主要有三类： 有轨运输、无轨运输以及连续皮带运输[1 — 6]。(1)有轨运输一般指机车牵引矿车（或梭车或

斗车)出渣，牵引机车有轨内燃机车、电瓶车及架线 式电力机车等。国内早期TBM施工中多采用机车 牵引矿车出渣，如山西引黄入晋工程、西康线秦岭铁 路隧道、桃花铺等工程。电瓶车具有使用灵活无污 染等优点，但其电瓶使用寿命短、故障率高、用电效 率低、运输成本高、牵引能力不足;架线式电力机车 结构简单、工作可靠、维护力方便、无污染，但需架

包含5条隧洞，总长140.771 km。该工程共分为8 个标段，本文结合第1标段具体情况，进行主洞与支 洞出渣系统设计和研究。该标段桩号范围为112 + 215—148 + 211 m,总长 35.996 km,其中隧洞进口 50

m为明挖段、34.751 km的主洞段（包括TBM5洞挖

段和钻爆段），其断面型式为圆形，开挖洞径为7.8

m，采用TBM法施工，主要是掘进、支护、出渣三大作

业，以及皮带、轨道、通风、供电、照明、供水、排水等 延伸及其他辅助作业，一切作业以掘进作业为核心。 该标段隧洞沿线布设5条施工支洞，支洞总长2.283

km。纵断面设计为200 m长12.9%的陡坡+ 20 m

长3%的缓坡，综合纵坡12%。支洞断面型式为城 门洞型，陡坡段断面净尺寸7.0 mx 6.59 m(宽X 高），缓坡段设置错车道，断面净尺寸8.8 m X 6.59 m

收稿日期：2018-03-19 修稿日期：2018-04-21

作者简介:毛渐(1984—)，男，四川泸县人，硕士，工程师，主要从事水利水电工程施工组织设计工作。E-mail: 40531@qq.cm

第4期毛渐:输水隧洞长距离皮带机出渣系统设计237

^■向

TBN掘进方向

TBM:屈进方

■-■^

蓋

,：^

ZlTBM5-3l______________________________ZB 段_________________________lTBM5-2l_______________ZB 段____________|TBM5-1L____________ZB 段

图1本标段平面布置示意图

线，对作业空间和人员通行有一定影响，且易产生火 花，存在安全隐患。上述两种有轨运输，对于长隧洞 工程不宜采用。窄轨内燃机车具有牵引力大、运输量 大等特点，但污染大、相对其他有轨运输通风费用有

运输系统成功应用的实例，本工程选择连续皮带机

出渣。2

皮带输送机出渣设备的选择

2.1 TBM施工段落划分所增加，对长隧洞工程而言，它是有轨运输中的首选。

(2) 无轨运输指装石设备(如后卸式装渣机、立 本标段主洞采用1台直径07.83 m敞开式硬岩 爪式装渣机、铰接式轮胎装载机、短臂液压挖掘机 等)装渣，轮胎式运输机械(如自卸汽车、装运机、轮 胎式梭车等)出渣。由于无轨运输系统污染严重，通 风费用高、装载、回车、会车、避车等附加洞室工程量

TBM掘进机施工，设备编号TBM5。根据地形地质

及施工分段规划，TBM5有三个施工段：

第一阶段(TBM5 - 1):设备从3 #勘探试验洞运 输至安装洞，完成组装、调试，掘进8 886 m至10 #

大，出渣能力有限。支洞。

2):掘进至10 #施工支洞后， (3) 皮带运输是指连续胶带机，其优点是出渣 第二阶段(TBM5 - 效率快，污染少、所需的通风费用低，出渣和材料运 输为两条线，施工干扰小，缺点是一旦出现故障，出 渣系统将失去作用，因此检修、维护时间长。随着近 年来连续皮带机技术的发展及其在工程中的成功应 用，近期项目如大伙房、兰渝铁路西秦岭线、辽西北 等工程，逐渐开始使用连续皮带机出渣。连续皮带 机运输系统相对机车牵引矿车系统有以下优点：① 无需等待渣车，使TBM获得较高的利用率，掘进速 度更快;②对环境无污染，通风费用相对减少，且可 以获得较好的工作环境;③出渣线路与材料运输分 离，相互干扰小;④施工管理简单，减少施工人员数 量，降低工作人员劳动强度;⑤可以减少道岔设置; ⑥洞外不需要翻车卸渣机;⑦广泛适应于不同洞 径的隧道工程，可再利用性更高。

本工程TBM施工段落较长，断面大，平均进尺 3.15 rn/h，掘进速度快，出渣量大，通过以上分析对 比：（1)有轨、无轨出渣方式与TBM掘进速度不相 匹配，影响掘进效率;（2)从经济、技术、安全角度上 看，连续皮带机具有运送量大、运距长、安全、环保、 效率高、造价低等优点，同时参照国内近年来皮带机

出渣、运输、通风系统转场至10#支洞，继续掘进至

9#施工支洞，间距8 670 m。

第三阶段(TBM5 - 3):掘进至9 #施工支洞后， 拆除TBM边块等大件，拆除部分分别通过9 #施工 支洞、6 #施工支洞运输至TBM第三阶段检修洞室， 未拆除部分滑行通过隧洞6.7 km软岩段，至6 #施 工支洞检修洞室进行检修组装，出渣、运输、通风转 场至6 #支洞，掘进总长8 505 m。

根据掘进阶段划分，第一、第二和第三阶段连续 皮带机出渣长度分别为10.226 km、9.000 km和 8.835km。

2.2皮带机设备选型

皮带输送系统的输送能力应满足TBM最大出 渣量的需要。TBM开挖直径按7.8 m计，开挖断面 为47.76 m2，按照最大掘进速度6 m/h计算，每小时 出渣286.56 m3,岩石密度取2.8 t/m3时，每小时最 大出渣量约为802.3 t，选取额定输送能力约在963

t/h，可满足工程需要。

TBM5连续皮带机参数见表1，支洞皮带机参数

见表2。

238水利与建筑工程学报表1连续皮带机参数

支撑方式

驱动型式变频驱动

最大长度(约）

/m

10600

驱动功率

/kW

第16卷

胶带宽度

/mm胶带运行速度

/(m.s-1)

3

输送能力/(t.h-”963

通过三角架固定在洞侧12851000

表2支洞皮带机参数

最大长度(约）

驱动功率

胶带宽度

胶带运行速度

输送能力支撑方式驱动型式/m

利支用洞钢底支板架与固洞定壁于 变频驱动

10002.3皮带机性能要求

TBM施工皮带机出渣系统（含隧洞连续皮带

机、支洞皮带机)选用具有在TBM长距离施工中应 用的国际知名品牌的全新产品，关键部件和设备(包 含但不限于变频器[7]、电机、减速器、PLC[8]、滚筒 等)采用国际知名品牌产品并且是在皮带输送机行 业中广泛应用成熟的规格。

(1)

皮带机的输送能力应满足最高掘进速度的

需要，并留有余量，以应对突变荷载。

(2) 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。

(3)

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。皮带储存机构有效储存能力不小于500 m。

(4)

皮带机出渣系统具有调速、调向、自动清

理、刮渣、防跑偏[]、耐磨、防滑等功能。胶带机控制 系统应有故障自动诊断、显示、报警功能。

3)选用高强度的胶带，在正常使用情况下，应 能够完成全部TBM掘进洞段施工的岩渣输送。

(6)硫化设备、材料与工艺必须先进，既保证接 头质量又省时。采用双头硫化，硫化时间控制在10

h以内。硫化需要划线、胶带与钢丝绳剥离、铺生胶 皮、排列钢丝绳、涂生胶水、覆盖生胶皮、扣压、加热 硫化、保温、切边等工艺过程。

()皮带耐磨性能必须绝对可靠，抗划伤且拉 伸率低。

(8)

在施工期间，要求皮带输送系统必须满足

长时间正常运转的要求。(9)

连续皮带机、支洞皮带机的相关配件应保

持一致、通用。

(0)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。

(11)连续皮带机要与TBM良好衔接，便于出渣 及皮带架延伸。

/kW

/mm/(m.s-1)

/(t.h-”5001000

3

963

(12)每施工段皮带机输送系统由连续皮带机 和支洞固定皮带机两部分构成;其中支洞固定皮带 机坡度较大(综合纵坡12.9%)，各级皮带机都需要 设置急停开关，防止皮带反转，应对突发情况[10]。

连续皮带机长度为10.226 km，采用“首尾驱动” 方式，中间无加力站;6 #支洞皮带机长度0.56 km， 10#支洞皮带机长度0.1 km，采用首部驱动方式。

连续皮带机机头部分设置有驱动装置、清理装置、皮 带清洗箱、卸料装置及其他安全检测和感应装置等； 连续皮带机机尾部分位于TBM后配套上，设置有回 程驱动装置、接料装置、皮带延伸站等，紧随TBM出 渣皮带机卸料口。在连续皮带机机头、机尾附近各

布置一个电气控制柜。

3

出渣系统布置

皮带机出渣系统流程如下:TBM开挖石渣料—

TBM主机皮带机—后配套皮带机—连续皮带机—支

洞固定皮带机—装至自卸汽车弃置至指定地点[11]。 3.1

输送系统整体布置

根据本工程项目的实际情况，计划采用一套连 续皮带机和一套固定皮带机完成TBM5的掘进及出 渣任务，即:TBM5 - 1段施工时，主洞采用连续皮带 机，连续皮带仓布置在TBM组装扩大洞室；当TBM 掘进至10 #支洞控制区后，在转场时将整个皮带机 出渣系统全部转移至10 #支洞施工段，在10 #支洞 安装一套固定皮带机，继续完成TBM5 - 2段的出渣

任务;TBM5 - 2段完成后，在转场时将整个皮带机出 渣系统全部转移至6 #支洞施工段，将10 #支洞段 的固定皮带机安装至6 #支洞，继续完成TBM5 - 3 段的出渣任务。连续皮带储存仓安装在检修扩大洞 室，在主支洞交叉口设置转渣器，连续皮带安装在主 洞区域。出渣皮带机固定支架布置示意图，如图2、 图3所示。固定支架采用Q345边宽x边宽x边厚 =75 mm X 50 mm X 10 mm角钢材料制作，其屈服点

第4期毛渐:输水隧洞长距离皮带机出渣系统设计239

为345 MPa，抗拉强度约490 MPa〜620 MPa;主洞连续皮带支架尺寸（竖向x水平）：圆形洞段1.2 mx 1.5 m(见图2)，马蹄形段1.5 mxl.8 m(见图3);支 架布置间距:圆形洞段4.572 m(图2);马蹄形段4 m 3.2 TBM5-1段皮带布置

TBM5- 1段连续皮带机储存仓、皮带张紧装置

和皮带机主驱动装置布置在安装间右侧，主驱动装 置布置在储存仓后部，皮带张紧装置布置在皮带仓

〜5 m(见图3)。

主洞内连续皮带机及固定皮带机位于隧洞右

侧，皮带机系统的布置不会影响TBM及其他项目的 施工布局、安装和正常工作运行。

转渣固定皮带机接料口位于连续皮带机卸料口 下方，在落料点布置有缓冲装置和保护装置等，机头 部分设置有驱动装置、清理装置、卸料装置及其他安 全监测和感应装置，机尾部分设置有回程站、接料装 置及其他安全监测和感应装置;机尾部分设置有回 程滚筒、接料装置、缓冲装置等。在洞外固定皮带机 驱动站附近布置一个总电气控制柜。

连续皮带机的张紧装置设置在驱动站附近，为 变频控制的卷扬机+液压张紧形式，支洞皮带机的 张紧装置布置在洞口附近，为变频控制的卷扬机形 式;皮带仓设置在主洞洞内，长宽高约为10 m x 2.5

mx 3 m，为8层布置方式，储存能力不小于500 m;

皮带硫化台设置在皮带仓后方约2 m范围内。前方。TBM5 - 1段皮带机布置示意图见图4、图5。

图5组装洞皮带机侧面布置示意图

3.3 TBM5-2段皮带布置

TBM5 - 2段连续皮带机与支洞固定皮带机的转

渣处布置在10#支洞与过渡段交汇处。皮带张紧 装置、皮带驱动装置和皮带储存仓布置在检修洞内。

TBM5-2段皮带机布置示意图见图6、图7。

图6检修洞皮带机平面布置示意图

图7检修洞皮带机侧面布置示意图

240水利与建筑工程学报第16卷

连续皮带机自主驱动系统后部开始逐步抬升， 皮带机下部高度从3 m提升到5 m，抬升高度2 m， 抬升段距离25 m。在10 #支洞和TBM检修洞交汇 设转渣处。

支洞皮带机布置在10 #支洞右侧，支洞皮带架 距洞底4.5 m，满足无轨运输限高4.5 m要求，布置 方式与3 #勘探试验洞基本相同。

10#支洞同样存在实际施工过程中，皮带机需 要保持顺直布置问题。在出渣设计角度前提下，通 (2) (3)

皮带机的布置不能影响其他项目的布

安装施工和正常运行。

仓、皮带张紧装置和皮带机主驱动装置;驱动装置位 置(首尾或单头或头中尾)应根据计算确定。

(4)

等推算出渣量，根据渣料粒径、粒度、传送倾角、提升

利用组装洞室、检修洞室布置皮带机储

按开挖断面型式、最大掘进速度、岩石类

高度等计算确定输送参数和设备选型。

(5) 保证皮带硫化效果良好;系统性能、维护过两大措施保证输送面平稳顺畅出渣：（1)皮带下 支架与支架的紧密焊接以及螺栓锚固或者由支架长 度调整支架竖向高度；（2)支架与受拉锚杆、受拉链 条组合装配并固定在支洞顶部，固定角钢与支洞直 墙上的水平固定锚杆接插，水平横撑靠固定螺栓配 合调整皮带输送面。因此，皮带机相对支洞底面的 高差是不断变化的，但皮带机出渣面平顺，遇到缓 坡、陡坡衔接处仍顺接，避免掉带、掉渣。3.4 TBM5-3段皮带布置

TBM5 - 3段连续皮带机的布置与TBM5 - 2段

布置方式类似。连续皮带机与支洞固定皮带机的转 渣处布置在6 #支洞与过渡段交汇处。皮带张紧装 置、皮带驱动装置和皮带储存仓布置在检修洞内。连续皮带机自主驱动系统后部开始逐步抬升，

皮带机下部高度从3 m提升到5 m，抬升高度2 m， 抬升段距离25 m。在6 #支洞和TBM检修洞交汇 设转渣处。

支洞皮带机布置在6#支洞右侧，无轨运输要 求及实际施工过程中皮带机处理类似于10 #支洞。4

结

论

综上所述，长距离隧洞出渣系统设计主要总结 为以下几点：

(1)根据工程实际情况进行技术、经济分析后 选择皮带机数量。

养及安全保护均保障到位。

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肃