郭 志， 王小強(qiáng)， 劉麗歡， 徐超群， 李長(zhǎng)達(dá)， 曲秋芬

(1. 中船重工(青島)軌道交通裝備有限公司， 山東 青島 266111；(2. 中車唐山機(jī)車車輛有限公司， 河北 唐山 064000)

0 引言

伴隨著我國(guó)大規(guī)模的鐵路、公路、市政、水利、水電、供氣、防洪等工程建設(shè)，需要修建大量的隧道/隧洞。采用TBM法進(jìn)行隧道施工具有快速、優(yōu)質(zhì)、安全和環(huán)保等特點(diǎn)，存在著諸多優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用空間[1]。TBM施工的隧道出碴方式一般為有軌運(yùn)輸出碴和連續(xù)皮帶機(jī)出碴。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于隧道出碴尤其是連續(xù)皮帶機(jī)出碴技術(shù)的研究較多： 文獻(xiàn)[2-4]對(duì)TBM施工長(zhǎng)大隧道分別采用有軌運(yùn)輸和連續(xù)皮帶機(jī)出碴方式進(jìn)行了對(duì)比論證；文獻(xiàn)[5-8]論述了連續(xù)皮帶機(jī)在TBM施工中的成功應(yīng)用，并針對(duì)施工過程中出現(xiàn)的膠帶跑偏、滾筒錯(cuò)位、托輥損壞、冬季保暖等問題提出了應(yīng)對(duì)措施；文獻(xiàn)[9-11]從技術(shù)方案、施工管理等角度論述了連續(xù)皮帶機(jī)出碴條件下敞開式TBM的同步襯砌施工技術(shù)等。相對(duì)于隧道出碴技術(shù)，目前對(duì)TBM設(shè)備出碴技術(shù)的研究文獻(xiàn)較少： 文獻(xiàn)[12]對(duì)TBM主機(jī)皮帶機(jī)螺旋托輥的安裝及受力進(jìn)行了分析和探討。

上述研究多集中于隧道出碴設(shè)備或TBM出碴設(shè)備本身，對(duì)能夠促使二者相互間高效銜接的TBM出碴設(shè)備研究較少。尤其是采用有軌運(yùn)輸出碴的隧道施工方式，由于TBM后配套皮帶機(jī)的卸碴點(diǎn)通常固定，掘進(jìn)過程中需要移動(dòng)礦車接碴布料且施工材料(管片)運(yùn)輸車需暫時(shí)摘鉤脫離列車編組，待接碴并卸料完畢后重新連接編組進(jìn)而整體運(yùn)輸出洞，工序較多且牽引編組的內(nèi)燃機(jī)車持續(xù)運(yùn)行會(huì)增加尾氣排放，造成隧道內(nèi)空氣污染。

應(yīng)用于青島地鐵2號(hào)線隧道施工的雙護(hù)盾TBM后配套配置了移動(dòng)式布料皮帶機(jī)，該皮帶機(jī)可實(shí)現(xiàn)往復(fù)移動(dòng)和正反向運(yùn)行為礦車卸碴布料[13]，有效避免了管片運(yùn)輸車摘/掛鉤及礦車往復(fù)移動(dòng)等工序，更加高效環(huán)保。類似技術(shù)在達(dá)板隧洞工程等項(xiàng)目上曾有過應(yīng)用，但局限于當(dāng)時(shí)的整體工業(yè)技術(shù)水平，應(yīng)用效果不是十分理想[14]。本文通過對(duì)移動(dòng)式布料皮帶機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)組成、移動(dòng)方式、張緊方式和驅(qū)動(dòng)方式等進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)，分析其應(yīng)用效果，以期在青島地鐵1號(hào)線進(jìn)行推廣和應(yīng)用。

1 TBM設(shè)備出碴現(xiàn)狀

TBM具有隧道掘進(jìn)、出碴和支護(hù)等功能，出碴功能通過TBM配置的皮帶機(jī)實(shí)現(xiàn)。通常貫穿TBM主機(jī)內(nèi)部的皮帶機(jī)稱為主機(jī)皮帶機(jī)，與主機(jī)皮帶機(jī)搭接的依次為后配套1號(hào)、后配套2號(hào)皮帶機(jī)，分別安裝在連接橋及后配套臺(tái)車上。石碴在后配套2號(hào)皮帶機(jī)尾部卸料至礦車或連續(xù)皮帶機(jī)等隧道出碴設(shè)備(根據(jù)設(shè)計(jì)和工況不同，也有部分設(shè)備不配置后配套2號(hào)皮帶機(jī)，出碴卸料在后配套1號(hào)皮帶機(jī)尾部完成)。采用有軌運(yùn)輸方式出碴時(shí)，TBM后配套皮帶機(jī)的卸碴方式一般有2種，分別為固定點(diǎn)卸碴和移動(dòng)點(diǎn)卸碴[15-16]。

1.1 固定點(diǎn)卸碴

根據(jù)TBM后配套及列車編組之間的物流裝卸相互關(guān)系，可確定后配套2號(hào)皮帶機(jī)長(zhǎng)度，即卸碴點(diǎn)固定，見圖1。列車在裝滿1節(jié)礦車過程中移動(dòng)相應(yīng)距離，方式可以采用機(jī)車?yán)瓌?dòng)，也可以采用撥車機(jī)撥動(dòng)。連續(xù)緩慢移動(dòng)列車編組，每次移動(dòng)1節(jié)礦車長(zhǎng)度，為第2節(jié)礦車卸碴。這種方式的特點(diǎn)是： 卸碴點(diǎn)固定，隧道掘進(jìn)過程中需要移動(dòng)礦車受料且施工材料(管片)運(yùn)輸車需暫時(shí)摘鉤脫離列車編組，待接碴并卸料完畢后重新連接編組進(jìn)而整體運(yùn)輸出洞。在城市地鐵隧道施工中，這種卸碴方式工序較多、人員投入多且牽引編組的內(nèi)燃機(jī)車持續(xù)運(yùn)行，尾氣排放增加，造成隧道內(nèi)空氣污染。

圖1 固定點(diǎn)卸碴示意圖Fig. 1 Sketch of mucking at fixed point

1.2 移動(dòng)點(diǎn)卸碴

目前有卸料小車和移動(dòng)式布料皮帶機(jī)2種移動(dòng)點(diǎn)卸碴方式，分別如圖2和圖3所示。前者由運(yùn)輸碴料皮帶機(jī)上的卸料小車沿軌道行走，依次為礦車卸碴布料，在裝滿1列車后運(yùn)輸出洞；后者由與后配套皮帶機(jī)搭接的移動(dòng)式布料皮帶機(jī)通過牽引或驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)前后、往復(fù)移動(dòng)，通過雙電動(dòng)滾筒驅(qū)動(dòng)完成正、反方向運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)雙卸碴點(diǎn)交替落料。前者對(duì)于TBM后配套采用雙列礦車并行出碴時(shí)，可將末端的卸碴斗設(shè)計(jì)為可控制的雙向閘門，分別向左右2列礦車卸碴布料，大大提高了出碴速度；后者具備雙卸碴點(diǎn)交替落料功能，有利于縮短皮帶機(jī)及TBM后配套長(zhǎng)度，有效節(jié)約TBM的始發(fā)空間需求。

(b) 左視圖

圖3移動(dòng)式布料皮帶機(jī)示意圖
Fig. 3 Sketch of mobile shuttle conveyor

移動(dòng)點(diǎn)卸碴方式的特點(diǎn)是： 列車編組停機(jī)不動(dòng)，卸料小車或移動(dòng)式布料皮帶機(jī)為礦車卸碴布料，在卸碴完成后列車編組立即運(yùn)輸出洞。該卸碴方式有效減少了中間環(huán)節(jié)和人員投入，更加高效環(huán)保。

2 移動(dòng)式布料皮帶機(jī)

移動(dòng)式布料皮帶機(jī)又稱梭式皮帶機(jī)，安裝在TBM后配套臺(tái)車門架內(nèi)并與后配套皮帶機(jī)搭接。整機(jī)通過牽引或驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)往復(fù)移動(dòng)，通過兩端的電動(dòng)滾筒正、反方向運(yùn)行可實(shí)現(xiàn)雙卸碴點(diǎn)交替落料。

2.1 工作原理

采用移動(dòng)式布料皮帶機(jī)方式出碴，列車編組在運(yùn)行進(jìn)入后配套門架特定區(qū)域后停機(jī)，無需將施工材料(管片)運(yùn)輸車摘鉤脫離列車編組，可通過操作移動(dòng)式布料皮帶機(jī)為礦車卸碴布料，待掘進(jìn)行程結(jié)束以及接碴和卸料完畢后，列車編組駛出后配套區(qū)域并將碴料運(yùn)輸出洞。本工程采用5節(jié)軌行式礦車出碴，移動(dòng)式布料皮帶機(jī)的工作原理如圖4所示，主要包括以下3個(gè)階段：

1)列車編組運(yùn)行到位，皮帶機(jī)及礦車相互位置關(guān)系如圖4(a)所示，依次啟動(dòng)移動(dòng)式布料皮帶機(jī)、后配套皮帶機(jī)及主機(jī)皮帶機(jī)并開始掘進(jìn)。移動(dòng)式布料皮帶機(jī)向后(TBM掘進(jìn)相反方向)移動(dòng)并運(yùn)行電動(dòng)滾筒使前卸碴點(diǎn)為礦車5卸碴布料，該皮帶機(jī)移動(dòng)過程中應(yīng)根據(jù)出碴量及礦車受料情況適時(shí)調(diào)整其移動(dòng)速度以確保對(duì)礦車的布料飽滿均勻。依次對(duì)礦車5、礦車4及礦車3卸碴布料，待礦車3裝滿約1/3容積時(shí)，進(jìn)入下一出碴階段。

2)移動(dòng)式布料皮帶機(jī)繼續(xù)向后移動(dòng)至端部并脫離與后配套皮帶機(jī)的搭接區(qū)域，后配套皮帶機(jī)直接向礦車3內(nèi)卸碴布料，待移動(dòng)式布料皮帶機(jī)上碴料卸完后停機(jī)并準(zhǔn)備反向啟動(dòng)電動(dòng)滾筒，如圖4(b)所示。若直接在移動(dòng)式布料皮帶機(jī)與后配套皮帶機(jī)搭接區(qū)域切換電動(dòng)滾筒的運(yùn)行方向，會(huì)因停機(jī)及反向啟動(dòng)的時(shí)間差導(dǎo)致膠帶上的碴料淤積，而采用前述操作方式則有效保障了掘進(jìn)及出碴的連續(xù)進(jìn)行。

3)待礦車3由后配套皮帶機(jī)裝滿約1/3容積且移動(dòng)式布料皮帶機(jī)切換至后卸碴點(diǎn)卸料時(shí)，移動(dòng)式布料皮帶機(jī)向前(TBM掘進(jìn)方向)移動(dòng)通過后卸碴點(diǎn)依次為礦車1、礦車2及礦車3卸碴布料，如圖4(c)和圖4(d)所示。該過程同樣需要根據(jù)出碴量及礦車受料情況適時(shí)調(diào)整其移動(dòng)速度以確保對(duì)礦車的布料飽滿均勻，直至該行程掘進(jìn)及出碴結(jié)束，列車編組運(yùn)行出洞。

(a) 第1階段

(b) 第2階段

(c) 第3階段

(d) 第4階段

1—后配套皮帶機(jī)； 2—移動(dòng)式布料皮帶機(jī)。

圖4移動(dòng)式布料皮帶機(jī)工作原理
Fig. 4 Working principle of mobile shuttle conveyor

2.2 結(jié)構(gòu)組成

應(yīng)用于本工程的移動(dòng)式布料皮帶機(jī)由2節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)架和8節(jié)中間機(jī)架組成，機(jī)架與機(jī)架之間通過緩沖墊連接螺栓連接起來，第7節(jié)與第8節(jié)機(jī)架之間采用油缸連接形成皮帶機(jī)張緊機(jī)構(gòu)。皮帶機(jī)兩側(cè)為行走輪，放置于槽鋼或H鋼內(nèi)側(cè)下翼面上作為行走軌道，通過牽引機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)往復(fù)移動(dòng)。膠帶及其上的物料運(yùn)行通過托輥支承，本機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒附近第1組槽形上托輥采用20°過渡托輥組，其余均采用30°槽形托輥組，間距約為700 mm，每間隔2組上托輥設(shè)1組帶擋輥的槽形上托輥組；下托輥為單根平行下托輥組與2根V型下托輥組交替布置，間距約為2 000 mm，每間隔2組下托輥設(shè)1組擋輥。移動(dòng)式布料皮帶機(jī)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

(a) 結(jié)構(gòu)圖

(b) 橫斷面圖

1—驅(qū)動(dòng)機(jī)架； 2—中間機(jī)架； 3—張緊機(jī)構(gòu)； 4—緩沖墊連接螺栓； 5—行走輪； 6—牽引機(jī)構(gòu)； 7—上托輥； 8—膠帶； 9—下托輥。

圖5移動(dòng)式布料皮帶機(jī)結(jié)構(gòu)組成
Fig. 5 Structure and configuration of mobile shuttle conveyor

2.3 技術(shù)特點(diǎn)

2.3.1 移動(dòng)方式

本工程采用的移動(dòng)式布料皮帶機(jī)通過牽引方式實(shí)現(xiàn)移動(dòng)。牽引機(jī)構(gòu)如圖6所示，其核心部件為牽引絞車，絞車兩端輸出的鋼絲繩通過滑輪換向分別與移動(dòng)式布料皮帶機(jī)兩端的驅(qū)動(dòng)機(jī)架端部相連接。絞車采用摩擦而非纏繞的方式驅(qū)動(dòng)鋼絲繩提供牽引力，可保證兩端具有相同的牽引力且牽引速度恒定，使得皮帶機(jī)兩端的鋼絲繩具有良好的同步性，不會(huì)由于“拉扯”不同步產(chǎn)生劇烈跳動(dòng)。牽引絞車結(jié)構(gòu)緊湊，承載力大且運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

圖6 移動(dòng)式布料皮帶機(jī)牽引機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成

Fig. 6 Structure and configuration of traction mechanism of mobile shuttle conveyor

2.3.2 張緊方式

膠帶需要有一定的張緊力才能夠正常運(yùn)行。本工程采用的移動(dòng)式布料皮帶機(jī)設(shè)有2種形式的張緊機(jī)構(gòu)：1)液壓張緊，油缸及蓄能器安裝在第7節(jié)與第8節(jié)中間架連接處。張緊機(jī)構(gòu)工作原理如圖7所示，設(shè)備運(yùn)行前通過手動(dòng)泵為系統(tǒng)注油，調(diào)節(jié)油缸行程來實(shí)現(xiàn)輸送帶的預(yù)張緊，通過蓄能器補(bǔ)油或儲(chǔ)油實(shí)現(xiàn)油缸行程調(diào)節(jié)來對(duì)運(yùn)行中的膠帶進(jìn)行自動(dòng)張緊。這種方式無需管路延伸，尤其適用于移動(dòng)場(chǎng)合的皮帶機(jī)張緊。2)在兩端驅(qū)動(dòng)滾筒處設(shè)置張緊螺栓。松開電動(dòng)滾筒支座固定螺栓，然后通過兩端的張緊螺栓調(diào)整膠帶的松緊度，調(diào)整好后再擰緊電動(dòng)滾筒支座固定螺栓。

2.3.3 驅(qū)動(dòng)方式

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用閉式驅(qū)動(dòng)裝置——雙電動(dòng)滾筒驅(qū)動(dòng)，移動(dòng)式布料皮帶機(jī)可實(shí)現(xiàn)正、反方向運(yùn)行。電滾筒附近設(shè)置空段清掃器，用來清掃黏在輸送帶非承載面上的黏著物，防止碴料卡在從動(dòng)滾筒與膠帶間； 2個(gè)電動(dòng)滾筒處分別設(shè)置H型聚氨脂清掃器和P型聚氨脂合金刀片彈簧清掃器，用來清掃黏在輸送帶承載面上的黏著物，防止輸送帶上的黏著物固結(jié)進(jìn)而影響出碴效果。電動(dòng)滾筒通過滑觸線供電，運(yùn)行過程平穩(wěn)可靠。

圖7 自動(dòng)張緊原理

3 移動(dòng)式布料皮帶機(jī)應(yīng)用

3.1 工程與設(shè)備概況

青島地鐵2號(hào)線1期工程起自泰山路站、止于李村公園站，線路全長(zhǎng)25.2 km，共設(shè)車站22座，均為地下站，其中，泰山路—芝泉路區(qū)間、海安路—高雄路區(qū)間隧道各采用2臺(tái)雙護(hù)盾TBM施工。TBM開挖直徑為6.3 m，單循環(huán)掘進(jìn)行程為1.5 m，采用“5+1”型管片襯砌，管片外徑為6 m，內(nèi)徑為5.4 m，采用有軌運(yùn)輸方式出碴，列車編組為“2節(jié)管片車+1節(jié)水泥罐車+5節(jié)礦車+牽引機(jī)車”。TBM后配套上配置了移動(dòng)式布料皮帶機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 移動(dòng)式布料皮帶機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of mobile shuttle conveyor

3.2 應(yīng)用效果

應(yīng)用于青島地鐵2號(hào)線的4臺(tái)雙護(hù)盾TBM自2015年3月底至7月初陸續(xù)始發(fā)以來，累計(jì)完成了約12 km隧道掘進(jìn)，分別于2016年8月和12月實(shí)現(xiàn)貫通，最高日進(jìn)尺22.5延米，最高月進(jìn)尺381延米。移動(dòng)式布料皮帶機(jī)承擔(dān)了TBM掘進(jìn)過程中的后配套至礦車卸碴布料工作。正常工況掘進(jìn)時(shí)，TBM后配套采用移動(dòng)式布料皮帶機(jī)為礦車卸碴布料，避免了管片車摘/掛鉤及礦車移動(dòng)受料等工序；列車編組運(yùn)行到位后只需操作移動(dòng)式布料皮帶機(jī)即可完成礦車的卸碴布料工作，減少了輔助人員及列車編組司機(jī)的參與；礦車受料完成后可立即運(yùn)輸出洞。出碴過程中移動(dòng)式布料皮帶機(jī)運(yùn)行可靠、工作平穩(wěn)，設(shè)備完好率達(dá)95%以上，為TBM在城市地鐵隧道順利施工提供了有力保障。采用移動(dòng)式布料皮帶機(jī)出碴的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況如圖8所示。

(a)

(b)

3.3 應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題及解決對(duì)策

在移動(dòng)式布料皮帶機(jī)運(yùn)行期間曾出現(xiàn)過由于臺(tái)車行走軌道鋪設(shè)不平造成皮帶機(jī)行走軌道在臺(tái)車結(jié)合處錯(cuò)臺(tái)的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致皮帶機(jī)行走輪在軌道錯(cuò)臺(tái)處出現(xiàn)卡頓的故障。通過將移動(dòng)式布料皮帶機(jī)臺(tái)車結(jié)合處行走軌道的上翼緣板切割出豁口，保證皮帶機(jī)行走輪運(yùn)行至該處時(shí)具有一定的上下活動(dòng)余量，使得卡頓故障得以解決。

在320 m小半徑曲線段掘進(jìn)時(shí)，由于曲線半徑較小，移動(dòng)式布料皮帶機(jī)出現(xiàn)整機(jī)卡頓而無法移動(dòng)，之后輔以移動(dòng)礦車受料的方式順利完成了小曲線半徑段的TBM掘進(jìn)。

4 結(jié)論與討論

通過對(duì)移動(dòng)式布料皮帶機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)組成、移動(dòng)方式、張緊方式和驅(qū)動(dòng)方式等進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)，并在青島地鐵2號(hào)線進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，實(shí)踐證明將移動(dòng)式布料皮帶機(jī)應(yīng)用于雙護(hù)盾TBM后配套出碴可行、實(shí)用。TBM隧道施工采用有軌運(yùn)輸方式出碴時(shí)，由移動(dòng)式布料皮帶機(jī)為礦車卸碴布料可有效減少中間環(huán)節(jié)和人員投入，高效環(huán)保且平穩(wěn)可靠，在類似工程或設(shè)備上具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

針對(duì)移動(dòng)式布料皮帶機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題，仍需在以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入研究：

1)進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，拓展移動(dòng)式布料皮帶機(jī)在小曲線半徑段等特殊工況時(shí)的適應(yīng)性，提高其機(jī)動(dòng)能力。

2)TBM后配套設(shè)備布置時(shí)需盡量預(yù)留出移動(dòng)式布料皮帶機(jī)運(yùn)行的觀察空間，保證其對(duì)礦車的卸碴布料飽滿均勻。

3)進(jìn)一步探索適用的供電方式，以保證供電系統(tǒng)在多泥碴、高粉塵環(huán)境下的使用壽命。