徐虎城， 齊夢學， 王燦林， 車新寧

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磁力摩擦式輔助驅動在TBM連續(xù)皮帶機中的應用

徐虎城1， 齊夢學2， 王燦林3， 車新寧4

(1. 新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設管理局， 新疆 烏魯木齊 830000；

2. 中鐵十八局集團隧道工程有限公司， 重慶 400700； 3. 中鐵十八局集團軌道工程有限公司，湖北 武漢 430000; 4. 兗礦集團有限公司， 山東 鄒城 273500)

長大隧道TBM(tunnel boring machine)施工大多采用連續(xù)皮帶機出渣，當運輸距離較大時通常需要在中間增設輔助驅動，以降低膠帶最大張力，從而降低膠帶強度。為了提高輔助驅動的工程適應性，研發(fā)了磁力摩擦式輔助驅動系統(tǒng)，具有驅動力大、無二次轉載、膠帶無二次沖擊損傷、結構簡單、 故障點少、結構緊湊占用空間小、安裝方便和配置靈活等特點。該成果可用于采用鋼絲繩芯膠帶的TBM連續(xù)皮帶機、支洞皮帶機以及其他需要輔助驅動的膠帶輸送機，并在山西省中部引黃工程TBM1標段成功應用，具有廣闊的推廣應用價值。

TBM； 出渣運輸； 連續(xù)皮帶機； 輔助驅動； 磁力摩擦； 鋼絲繩芯

0 引言

隧道掘進機(TBM)實現(xiàn)了長大隧道施工的流程化作業(yè)，是目前隧道施工最先進的工法之一。廣義上講，隧道掘進機包含全斷面掘進機和部分斷面掘進機，全斷面掘進機包括巖石掘進機和盾構(軟土掘進機)。在我國隧道施工領域，通常把全斷面硬巖隧道掘進機稱為“TBM”[1]。我國大規(guī)模的鐵路、公路、市政、水利、水電、供氣、防洪等工程建設，需要修建大量隧道/隧洞，TBM法具有快速、優(yōu)質(zhì)、安全和環(huán)保等施工特點，存在著諸多優(yōu)勢，具有廣闊的應用空間[2]。

長大隧道TBM施工采用連續(xù)皮帶機出渣，具有作業(yè)效率高、綜合成本低、洞內(nèi)空氣污染小、運輸組織便利等優(yōu)勢[3]，并逐步取代有軌運輸成為長大隧道TBM施工的主流出渣方式。TBM施工中所采用的連續(xù)皮帶機輸送長度通常不小于10 km，其驅動方式除了必備的頭部驅動外，大多需要配備尾部驅動。如果輸送距離較長、或者運量較大、或者提升高度較高，則需要在皮帶機中間部位增加輔助驅動。

國內(nèi)外關于TBM施工用連續(xù)皮帶機出渣技術的研究較多，文獻[3]對比論證了長大隧道TBM施工有軌運輸與連續(xù)皮帶機出渣方式；文獻[4-7]論述了連續(xù)皮帶機在TBM施工中的成功應用以及在不同工況施工過程中出現(xiàn)的問題和應對措施；文獻[8-11]從不同角度論述連續(xù)皮帶機出渣條件下敞開式TBM的同步襯砌施工技術。目前，關于連續(xù)皮帶機驅動系統(tǒng)，特別是輔助驅動系統(tǒng)研究的文獻很少。

本文總結了目前常用的皮帶機中間輔助驅動類型，簡要分析其優(yōu)缺點，結合TBM施工隧道洞內(nèi)斷面空間狹小的特點，提出了磁力摩擦式輔助驅動設計理念，具有性能可靠、驅動力大、配置靈活等特點，并在山西省中部引黃工程中成功應用，可為類似工程或設備提供借鑒。

1 輔助驅動應用現(xiàn)狀

目前皮帶機中間輔助驅動主要有2種方式： 滾筒轉載式和重力摩擦式，TBM施工用連續(xù)皮帶機主要采用前者。

1.1 滾筒轉載式輔助驅動

滾筒轉載式輔助驅動是目前連續(xù)皮帶機最常用的輔助驅動方式，通過驅動滾筒與膠帶之間的摩擦力為膠帶運行提供輔助動力，主要結構組成為電機、減速機、驅動滾筒、改向滾筒、機架以及控制系統(tǒng)，見圖1。陜西省引漢濟渭工程秦嶺隧洞TBM施工中的連續(xù)皮帶機即采用該種輔助驅動方式。

1—驅動滾筒； 2—改向滾筒； 3—膠帶。

圖1 滾筒轉載式輔助驅動

Fig. 1 Drum converting typed auxiliary driving

連續(xù)皮帶機運行過程中，石渣經(jīng)過輔助驅動位置時，經(jīng)高位向低位轉載運行，膠帶將承受石渣落差帶來的二次沖擊，必要時需要設置緩沖床或者緩沖托輥。轉渣點需要設置料斗與裙板，以防止石渣外溢或者落入回程膠帶而造成滾筒或者膠帶損傷。由于TBM開挖的石渣通常情況下粒徑較小、細小顆粒多、巖粉含量大、含水量大，導致石渣中不可避免地存在較多泥漿，對連續(xù)皮帶機的運行帶來一定的安全隱患，需增加清掃裝置予以保護，并且要經(jīng)常維護和維修以確保清掃效果，否則容易損傷膠帶。此外，輔助驅動位置的皮帶機調(diào)整調(diào)試工作要求嚴格，否則容易導致膠帶跑偏而影響連續(xù)皮帶機正常運轉。

1.2 重力摩擦式輔助驅動

重力摩擦式輔助驅動是在連續(xù)皮帶機需要增加輔助驅動的位置，于連續(xù)皮帶機承載膠帶與回程膠帶之間設置1臺單獨的輔助驅動皮帶機，承載膠帶緊貼輔助驅動膠帶，其自身重量及所負荷載全部由輔助驅動膠帶承擔。兩膠帶以相同的速度運行，在輸送物料重力與連續(xù)皮帶機膠帶自身重力作用下，承載膠帶與輔助驅動膠帶之間產(chǎn)生較大的靜摩擦力，并以此作為連續(xù)皮帶機的輔助驅動動力，見圖2。

1—輔助驅動滾筒； 2—輔助驅動膠帶； 3—改向滾筒； 4—承載膠帶。

圖2 重力摩擦式輔助驅動

Fig. 2 Gravity friction typed auxiliary driving

重力摩擦式輔助驅動大多用于輸送量和驅動功率比較大的膠帶輸送機。輔助驅動動力遵循阿蒙頓-庫侖摩擦定律

Fj=fN，

(1)

其中

N=(qB+qG)glj。

(2)

式(1)和式(2)中：f為膠帶間的摩擦因數(shù)；N為物料、膠帶自身重力所形成的正壓力；qB為膠帶的線密度；qG為物料的線密度；g為重力加速度；lj為輔助驅動膠帶長度 。

輔助驅動皮帶機長度

lj≥Fj/[f(qB+qG)g]。

(3)

在實際運轉過程中，連續(xù)皮帶機上的石渣并非完全均勻布置，忽多忽少甚至時斷時續(xù)，并且部分工況條件下在輔助驅動區(qū)域并無石渣，而計算輔助驅動的長度時，必須考慮其最不利工況，因而，輔助驅動皮帶機長度通常較大；同時，輔助驅動動力也會出現(xiàn)明顯跳動，大小變化頻繁且變化幅度較大，不利于連續(xù)皮帶機的平穩(wěn)運行。

2 磁力摩擦式輔助驅動

鑒于常用的滾筒轉載式和重力摩擦式輔助驅動存在的問題，結合TBM連續(xù)皮帶機安裝、運行工況條件及負荷變化特點，筆者的研究團隊開發(fā)了磁力摩擦式輔助驅動系統(tǒng)[12]。

2.1 工作機制

根據(jù)鐵磁性物質(zhì)在磁場中受力的性質(zhì)，在重力摩擦式輔助驅動的基礎上，在輔助驅動膠帶下方設置磁鋼，磁力穿透輔助驅動膠帶作用于連續(xù)皮帶機承載膠帶的鋼絲繩，從而使連續(xù)皮帶機承載膠帶與輔助驅動膠帶之間保持相對恒定的壓力，確保驅動力始終保持在合理范圍。

2.2 主要結構

磁力摩擦式輔助驅動設計結構見圖3。

(a) 原理圖

(b) 布置圖

(c) 橫斷面圖

1—輔助驅動滾筒以及電機、減速器等； 2—機架； 3—輔助驅動改向滾筒； 4—連續(xù)皮帶機承載膠帶(鋼絲繩芯)； 5—輔助驅動膠帶(纖維芯)； 6—釹鐵硼磁鋼； 7—支架； 8—護板； 9—下托輥； 10—上托輥。

圖3 磁力摩擦式輔助驅動設計結構

Fig. 3 Design of magnetic friction typed auxiliary driving

連續(xù)皮帶機承載膠帶為鋼絲繩芯膠帶，膠帶中的鋼絲繩為強磁性材料，極易被磁化。輔助驅動膠帶為纖維芯膠帶，屬于不能被磁化的弱磁性材料。釹鐵硼磁鋼安裝在支架上，按照設計的數(shù)量排列于機架，輔助驅動膠帶布置于磁鋼上方，連續(xù)皮帶機承載膠帶緊貼在輔助驅動膠帶上方。磁鋼所產(chǎn)生的磁場力透過輔助驅動膠帶作用于連續(xù)皮帶機承載膠帶中的鋼絲繩上。在磁力的作用下，連續(xù)皮帶機承載膠帶與輔助驅動膠帶緊密地貼合在一起，具備了摩擦傳動的條件。當輔助驅動滾筒運轉時，輔助驅動膠帶通過靜摩擦力(驅動連續(xù)皮帶機承載膠帶運行的輔助動力)帶動連續(xù)皮帶機承載膠帶及其運輸?shù)氖酵蜻\行。

輔助驅動滾筒以及改向滾筒附近無磁鋼，磁鋼僅安裝于輔助驅動膠帶成槽部分，連續(xù)皮帶機承載膠帶運行至滾筒前能夠與輔助驅動膠帶分離，以保證分離后兩膠帶沿各自設定的軌跡運行。

磁力摩擦式輔助驅動所能提供的最大摩擦力，遵循阿蒙頓-庫侖摩擦定律，則

Fj=f(Fc+N)。

(4)

其中

Fc=ljFci；

(5)

N=(qB+qG)glj。

式(4)和式(5)中：Fj為輔助驅動所能提供的最大摩擦力；Fc為磁場作用于連續(xù)皮帶機承載膠帶的引力；Fci為磁鋼單位長度產(chǎn)生的引力。

當主驅動滿足設計要求且輔助驅動的摩擦力滿足Fj>Fuj(輔助驅動所分擔的阻力)時，膠帶被正常驅動。若主驅動滿足設計要求，但輔助驅動的摩擦力Fj

單個磁鋼的磁場強度、磁鋼的布置形式和總面積以及磁鋼與鋼絲繩芯膠帶間的距離決定著磁力摩擦式輔助驅動所能產(chǎn)生的驅動力(或拖動力)的大小。

2.3 主要特點

1)驅動力大。磁力摩擦式輔助驅動選用釹鐵硼磁鋼作為產(chǎn)生正壓力的施力源。稀土釹鐵硼永磁材料具有剩磁高、矯頑力高、磁性能高的特點，性能優(yōu)異，號稱“磁王”。與傳統(tǒng)的重力摩擦式輔助驅動相比，在單位長度上，由磁鋼磁場所產(chǎn)生的正壓力遠大于由物料和膠帶自身重力所產(chǎn)生的正壓力； 因此，在相同長度下，膠帶運行所需的摩擦驅動力，磁力摩擦式也遠遠大于重力摩擦式。此外，連續(xù)皮帶機承受荷載大小，對兩膠帶之間正壓力的影響不大，故對摩擦驅動力的影響同樣很弱，因而,磁力摩擦式輔助驅動的驅動力是相對恒定的。

2)膠帶無二次沖擊損傷。磁力摩擦式輔助驅動所提供的驅動力來自于兩膠帶之間的摩擦力，連續(xù)皮帶機承載膠帶及荷載在運行中通過輔助驅動時，其運動狀態(tài)基本不發(fā)生改變，膠帶也避免受到二次沖擊，使用壽命得以延長。

3)無二次轉載，結構簡單，故障點少。磁力摩擦式輔助驅動無需二次轉載，因此取消了滾筒轉載式輔助驅動的料斗、清掃器、緩沖床、膠帶裙板、泥漿收集處理池等部件和結構，減少了故障點，設備運行更加可靠，并且有利于環(huán)境保護及現(xiàn)場文明施工。

4)結構緊湊。磁力摩擦式輔助驅動，由于“磁王”材料釹鐵硼對連續(xù)皮帶機鋼絲繩芯所產(chǎn)生的巨大吸引力，使得兩膠帶之間的壓力遠遠大于重力摩擦式輔助驅動的壓力，兩膠帶間單位長度的摩擦力顯著提升，從而大大減小了輔助驅動的長度，減少了對隧道有限空間的占用。

5)安裝方便。安裝滾筒轉載式輔助驅動時，首先要在安裝位置將連續(xù)皮帶機承載膠帶割斷，然后安裝輔助驅動，將膠帶按照設計路徑穿過輔助驅動，再重新硫化連接，費時費力。

安裝磁力摩擦式輔助驅動時，只需在安裝位置拆除連續(xù)皮帶機的上托輥，并將承載膠帶與回程膠帶上下分開適當距離，即可為輔助驅動安裝提供足夠空間。輔助驅動安裝到位后，承載膠帶準確貼合在驅動膠帶上，固定連續(xù)皮帶機回程膠帶及機架，無需再次硫化，省時省力。

6)配置靈活。使用過程中，可以實時監(jiān)控輔助驅動負荷變化，適時調(diào)整磁鋼數(shù)量，便捷調(diào)整兩膠帶之間的摩擦力，保持輔助驅動所提供的動力與連續(xù)皮帶機運行所需動力相匹配。

3 磁力摩擦式輔助驅動的工程應用

針對山西省中部引黃工程TBM1標段連續(xù)皮帶機安裝及運行工況條件，筆者團隊設計制造了磁力摩擦式輔助驅動系統(tǒng)并在工程實踐中成功應用。

3.1 工程與設備概況

山西省中部引黃工程是山西省“十二五”規(guī)劃中大水網(wǎng)建設的一項重要工程，供水范圍涉及晉中、忻州、呂梁和臨汾4市16個縣(市)，輸水線路由總干線、西干線、東干線、汾孝支線、交汾支線及汾西支線等組成，隧洞總長308.877 km，其中總干線4條隧洞總長194.527 km，3#隧洞長119.17 km，采用2臺TBM與鉆爆法相結合的施工方法[13-15]。

總干線3#隧洞TBM1標段主洞長21.029 m、縱坡1/2 500，TBM進洞支洞長3 770.69 m、縱坡4.1%，23#通風支洞縱坡36.15%。TBM開挖直徑為5.06 m，單循環(huán)掘進長度為1.5 m，主驅動功率為6×330 kW，采用六邊形管片襯砌，管片外徑4.8 m、內(nèi)徑4.3 m。

TBM掘進采用連續(xù)皮帶機出渣，主要技術參數(shù)見表1。

表1 連續(xù)皮帶機主要技術參數(shù)

原設計采用滾筒轉載式輔助驅動，后優(yōu)化修改為磁力摩擦式輔助驅動。

3.2 應用效果

2016年9月23日，TBM累計掘進長度12 km時，連續(xù)皮帶機長度達到11.7 km，按設計在距離皮帶機主驅動10 km處安裝磁力摩擦式輔助驅動，見圖4。

(a) 驅動滾筒端

(b) 尾部改向滾筒端

連續(xù)皮帶機承載膠帶由輔助驅動的驅動滾筒側高度逐漸降低直至緊貼輔助驅動膠帶并且由輔助驅動膠帶承擔原托輥功能；接近輔助驅動改向滾筒時，連續(xù)皮帶機承載膠帶逐漸抬升高度直至完全脫離，而后繼續(xù)由連續(xù)皮帶機的托輥支撐運行。

磁力摩擦式輔助驅動全長36 m，實際安裝時間為3 d。按相同的工況條件，若采用重力摩擦式輔助驅動，其長度約為800 m，安裝時間為7～10 d；若采用滾筒轉載式輔助驅動，其長度約為25 m，安裝時間約10 d。3種驅動方式所占用空間的最大寬度基本相同。

2016年9月底，在安裝磁力摩擦式輔助驅動后，連續(xù)皮帶機運行平穩(wěn)、工作可靠，設備完好率達到96%以上，為TBM持續(xù)快速施工提供了重要保障。截至11月底，TBM繼續(xù)掘進2.8 km，10月和11月TBM月進尺分別為1 190、1 411 m，最高日進尺76.1 m。如果沒有連續(xù)皮帶機的可靠平穩(wěn)運行，良好的掘進進尺是無法實現(xiàn)的。

4 結論與討論

工程實踐證明，TBM連續(xù)皮帶機磁力摩擦式輔助驅動性能可靠、安裝便捷，避免了中途卸載轉運對膠帶的二次沖擊，有利于保護膠帶，故障風險點大大減少，結構緊湊、安裝便捷，在長大隧道TBM施工洞內(nèi)空間狹小條件下具有重要的推廣應用價值。

目前，磁力摩擦式輔助驅動技術在TBM連續(xù)皮帶機中的應用尚處于起步階段，下一步仍需在如下方面繼續(xù)深入研究： 1)稀土釹鐵硼永磁材料雖然可通過調(diào)整數(shù)量、與連續(xù)皮帶機承載膠帶距離的方式調(diào)整輔助驅動摩擦力，但操作的便捷性欠佳，可研究加以改善； 2)磁力摩擦式輔助驅動安裝空間的最大寬度，主要取決于驅動滾筒、減速器、電機的尺寸，若能夠繼續(xù)研發(fā)安裝于滾筒內(nèi)部的永磁電機等新技術，有望大大減小空間占用，更加有利于隧道內(nèi)狹小空間的綜合利用。

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Application of Magnetic Friction Typed Auxiliary Drivingfor TBM Tunnel Belf Conveyor

XU Hucheng1, QI Mengxue2, WANG Canlin3, CHE Xinning4

(1.XinjiangEerqisiRiverBasinDevelopmentandConstructionManagementBureau,Urumqi830000,Xinjiang,China; 2.TunnelEngineeringCo.,Ltd.,ChinaRailway18thBureauGroup,Chongqing400700,China; 3.TrafficEngineeringCo.,Ltd.,ChinaRailway18thBureauGroup,Wuhan430000,Hubei,China; 4.YankuangGroupCo.,Ltd.,Zoucheng273500,Shandong,China)

The belt conveyors are usually used to muck in long and large tunnel constructed by TBM. The auxiliary driving should be used when the mucking distance is long, so as to reduce the maximum tension and strength of the belt. A more adaptable magnetic friction typed auxiliary driving system, which has advantages of large power, no secondary transportation, no secondary impact damage to the belt, simple structure, less fault, compact structure, easy installation and flexible configuration, is developed. The above-mentioned system can be used in belt conveyors in TBM tunnels, branch tunnels and tunnels which need auxiliary driving. It has been applied to the middle Yellow River Diversion Project in Shanxi successfully; so it is worth popularizing.

TBM; mucking; tunnel belt conveyor; auxiliary driving; magnetic friction; steel belt

2016-12-13;

2017-01-04

徐虎城(1975—)，男，甘肅武威人，2004年畢業(yè)于新疆農(nóng)業(yè)大學，水利工程專業(yè)，本科，高級工程師，現(xiàn)從事水利工程建設與管理工作。E-mail: 392358191@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.03.018

U 455.3

B

1672-741X(2017)03-0375-05