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[摘 要]TBM施工以其快速、优质、高效、安全、自动化程度高等优点著称，这对其出渣的连续皮带输送机提出了较高的要求。本文以某地下输水隧洞为例，对连续皮带机进行选型设计，并在实际施工中经过验证，效果较好，可供类似工程施工参考。
[关键词]TBM掘进机、连续皮带输送机、出渣。
中图分类号：U419 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）01-0301-01
1、引言
目前TBM施工的连续皮带机出渣技术已经成为隧道施工出渣运输的主要方法。皮带输送机结构紧凑，机架轻巧，机身可以很方便的伸缩，设有储带仓，机尾可随采矿工作面的推进伸长或缩短，可不设基础，直接在隧道底板上架设，拆装十分方便。当输送能力和运距较大时，可配中间驱动装置来满足要求。根据输送工艺的要求，既可以单机输送，也可多机组合成水平或倾斜的运输系统来输送物料。具有运距远、运输量大、污染小，并使TBM设备的利用率高等特点。本文以新疆某输水工程勘探试验洞为例，对TBM施工长距离皮带机进行选型设计。
2、工程概况
新疆某输水隧洞工程，主洞采用TBM掘进施工。隧洞长度19.67km，洞径为7.0m。TBM出渣采用连续胶带机出渣。由于TBM开挖强度大、进度指标高，对皮带出渣系统要求较高。超长距离连续皮带机在多种因素影响下会产生张力不均衡，如果处理不当，严重时会造成皮带断裂、驱动滚筒部位变形、移位、甚至钢结构变形等严重后果，因此，选择安全、可靠、高效的皮带出渣系统是保证TBM施工进度的重点。
3、皮带机系统布置及选型
连续皮带机长度为19670m+330m，采用“首中尾驱动”方式，中间设一个加力站。连续皮带机主要由驱动装置、皮带储存仓、机架、皮带机移动尾部、皮带、控制装置、张紧装置、硫化台、紧急拉线开关等组成。TBM掘进产生的石渣通过刀盘渣斗后依次进入TBM主机皮带机、后配套皮带机、主洞连续皮带机，由连续皮带机将石渣经过长距离的运输输送到洞口处。
3.1 基本参数
隧洞开挖直径：7.0m
TBM皮带机输送长度：20000m
隧洞坡度：1/2583（上坡运输）
TBM掘進速度：120mm/min
渣石比重：2.6～2.8kg/m3
渣石最大粒度：300mm
3.2 皮带机参数的确定
（1）输送量的确定
Q=（π×7.032）/4×1.8×60/15×2.8=782t/h
（2）带速的确定
Qmax=3600Amax×V×k×ρ
V≥Qmax/（3600Amax×k×ρ）=782/（3600×0.12×1×1.75）=1.03m/s
本方案综合考虑，选用带速0～3.0m/s。
（3）带宽的确定
B≥2Xmax+0.2=2×0.3+0.2=0.8m
考虑带强，选用带宽为B=1.0m。
（4）圆周牵引力、轴功率及电机功率计算
1）圆周牵引力计算
F=F承载+F回空=492943N+161215N=654228N
=1.03×0.023×20000×9.8×[4.94+（26.8+72.4）×Cos0.022]+9.8×（26.8+72.4）×7.74=492943N
=1.03×0.023×20000×9.8×[7.35+26.8×cos0.022]+9.8×26.8×7.74=161215N
式中：
F承载—承载分支总阻力，N；
F回空—回空分支总阻力，N；
CN—附加阻力系数，选取1.03；
f—模拟摩擦系数，选取0.023；
L—带式输送机长度，选取20000m；
g—重力加速度，选取9.8m/s2；
q0—输送带单位长度质量，选取26.4kg/m；
q—输送物料单位长度的质量，选取72.4kg/m；
β—带式输送机倾角，选取0.022；
H—提升高度，选取7.74m；
qa—承载分支托辊组转动部分单位长度质量，选取4.94kg/m；
qd—回程分支托辊组转动部分单位长度质量，选取7.35kg/m。
2）轴功率计算
P轴=FV/1000=654228×3/1000=1962kW
3）电机总功率计算
=1962×1.05/（0.93×1×0.96）=2307kW
式中：
Kd—功率备用系数，选取1.05；
η—驱动装置传动效率，选取0.93；
ξ—电压降系数，选取0.96；
ξd—多机功率不平衡系数，选取1。
（5）功率配比及特性点张力计算
1）功率配比
根据带式输送机的特征，为降低带式输送机输送带强度及机尾TBM处张力，同时，为避免占用巷道空间，驱动装置采用单侧布置结构。带式输送机采用3×400kW+4×250kW+2×160kW带中间驱动布置方式，装机总功率为2520kW。
2）胶带强度计算
①按启动要求头部第二驱动滚筒奔离点输送带最小张力为：
S1=（C0×3Fu/6）/（k-1）=1.05×（3×654228/6）/（3.61-1）=131598N
取C0=1.05，μ=0.35，α=210°，k=eμα=3.61 ②按垂度要求承载分支输送带最小张力为：
SS=50/8（q+qB）g×a0=50/8（72.4+26.8）×9.8×1.6=9721N
承载托辊间距a0=1.6m
③按垂度要求回程分支输送带最小张力为
SX=50/8qBgau=50/8×26.8×9.8×4.0=6566N
回程托辊间距au=4.0m
④输送机下分支机尾输送带张力为：
S2=SX+F2+qB×H×g=6566+161215+26.8×7.74×9.8=169814N>S1
满足垂度条件。
⑤按啟动要求中间驱动第二驱动滚筒奔离点输送带最小张力为：
S3=（C0×3Fu/6）/（k-1）=1.05×（3×654228/6）/（3.61-1）=131598N
取C0=1.05，μ=0.35，α=210°，k=eμα=3.61
按垂度条件中间驱动第二滚筒（距离机尾10000米）奔离点张力：
S4=SS+10000F1/20000+（q+qB）×H3×g
=9721+0.5×492943+（72.4+26.8）×10000×1/2583×9.8
=9721+246472+16675=272867N>S3
满足滚筒不打滑条件。
⑥头部卸载滚筒奔离点张力
S5=Fu/2-（q+qB）×H3×g=327114-16675=310439N
输送带最大张力点处张力为
SY=S5=310439N
3.3 设备辅助功能
（1）连续皮带机系统配置有监控系统，且数据都反馈到TBM主控制室，连续皮带机的控制系统连接到TBM的控制室内及地面控制室内；（2）连续皮带机系统具备程序控制系统（即PLC控制），并具备自动故障诊断报警保护功能，具有电流、电压等检测功能；（3）连续皮带机系统具备400V三相、220V双相、24V低压控制等电源供应，具备控制柜、配电柜及相应的保护电路，控制柜内具照明系统；（4）连续皮带满足驱动电机的启动前3分钟（速度10%以内）为慢升速阶段，便于紧急情况下的人员逃生；连续皮带系统满足设计总长度胶带满载工况下急停后的正常启动；连续皮带机系统包含胶带硫化时的收放、卷取设备，回收胶带卷曲设备；（5）连续皮带机系统的张紧装置，满足长期、安全、稳定可靠，具有正常模式下的自动张紧功能和手动收、放功能，便于操作；（6）连续皮带机系统配置有启动过程中的声光报警装置。
4、结论
本文所述的连续皮带输送机是针对TBM施工方法量身定做的，它的主要特点有：无需等待运渣车，使TBM设备获得了较高的利用率，因而大幅度提高了施工进度。由于不采用内燃机车，减小洞内空气污染，降低对通风机能力的要求。目前该皮带机已经安装并使用，经过实践证明满足施工需要。该皮带机的设计应用，为今后类似工程提供了宝贵经验。
[关键词]TBM掘进机、连续皮带输送机、出渣。
中图分类号：U419 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）01-0301-01
1、引言
目前TBM施工的连续皮带机出渣技术已经成为隧道施工出渣运输的主要方法。皮带输送机结构紧凑，机架轻巧，机身可以很方便的伸缩，设有储带仓，机尾可随采矿工作面的推进伸长或缩短，可不设基础，直接在隧道底板上架设，拆装十分方便。当输送能力和运距较大时，可配中间驱动装置来满足要求。根据输送工艺的要求，既可以单机输送，也可多机组合成水平或倾斜的运输系统来输送物料。具有运距远、运输量大、污染小，并使TBM设备的利用率高等特点。本文以新疆某输水工程勘探试验洞为例，对TBM施工长距离皮带机进行选型设计。
2、工程概况
新疆某输水隧洞工程，主洞采用TBM掘进施工。隧洞长度19.67km，洞径为7.0m。TBM出渣采用连续胶带机出渣。由于TBM开挖强度大、进度指标高，对皮带出渣系统要求较高。超长距离连续皮带机在多种因素影响下会产生张力不均衡，如果处理不当，严重时会造成皮带断裂、驱动滚筒部位变形、移位、甚至钢结构变形等严重后果，因此，选择安全、可靠、高效的皮带出渣系统是保证TBM施工进度的重点。
3、皮带机系统布置及选型
连续皮带机长度为19670m+330m，采用“首中尾驱动”方式，中间设一个加力站。连续皮带机主要由驱动装置、皮带储存仓、机架、皮带机移动尾部、皮带、控制装置、张紧装置、硫化台、紧急拉线开关等组成。TBM掘进产生的石渣通过刀盘渣斗后依次进入TBM主机皮带机、后配套皮带机、主洞连续皮带机，由连续皮带机将石渣经过长距离的运输输送到洞口处。
3.1 基本参数
隧洞开挖直径：7.0m
TBM皮带机输送长度：20000m
隧洞坡度：1/2583（上坡运输）
TBM掘進速度：120mm/min
渣石比重：2.6～2.8kg/m3
渣石最大粒度：300mm
3.2 皮带机参数的确定
（1）输送量的确定
Q=（π×7.032）/4×1.8×60/15×2.8=782t/h
（2）带速的确定
Qmax=3600Amax×V×k×ρ
V≥Qmax/（3600Amax×k×ρ）=782/（3600×0.12×1×1.75）=1.03m/s
本方案综合考虑，选用带速0～3.0m/s。
（3）带宽的确定
B≥2Xmax+0.2=2×0.3+0.2=0.8m
考虑带强，选用带宽为B=1.0m。
（4）圆周牵引力、轴功率及电机功率计算
1）圆周牵引力计算
F=F承载+F回空=492943N+161215N=654228N
=1.03×0.023×20000×9.8×[4.94+（26.8+72.4）×Cos0.022]+9.8×（26.8+72.4）×7.74=492943N
=1.03×0.023×20000×9.8×[7.35+26.8×cos0.022]+9.8×26.8×7.74=161215N
式中：
F承载—承载分支总阻力，N；
F回空—回空分支总阻力，N；
CN—附加阻力系数，选取1.03；
f—模拟摩擦系数，选取0.023；
L—带式输送机长度，选取20000m；
g—重力加速度，选取9.8m/s2；
q0—输送带单位长度质量，选取26.4kg/m；
q—输送物料单位长度的质量，选取72.4kg/m；
β—带式输送机倾角，选取0.022；
H—提升高度，选取7.74m；
qa—承载分支托辊组转动部分单位长度质量，选取4.94kg/m；
qd—回程分支托辊组转动部分单位长度质量，选取7.35kg/m。
2）轴功率计算
P轴=FV/1000=654228×3/1000=1962kW
3）电机总功率计算
=1962×1.05/（0.93×1×0.96）=2307kW
式中：
Kd—功率备用系数，选取1.05；
η—驱动装置传动效率，选取0.93；
ξ—电压降系数，选取0.96；
ξd—多机功率不平衡系数，选取1。
（5）功率配比及特性点张力计算
1）功率配比
根据带式输送机的特征，为降低带式输送机输送带强度及机尾TBM处张力，同时，为避免占用巷道空间，驱动装置采用单侧布置结构。带式输送机采用3×400kW+4×250kW+2×160kW带中间驱动布置方式，装机总功率为2520kW。
2）胶带强度计算
①按启动要求头部第二驱动滚筒奔离点输送带最小张力为：
S1=（C0×3Fu/6）/（k-1）=1.05×（3×654228/6）/（3.61-1）=131598N
取C0=1.05，μ=0.35，α=210°，k=eμα=3.61 ②按垂度要求承载分支输送带最小张力为：
SS=50/8（q+qB）g×a0=50/8（72.4+26.8）×9.8×1.6=9721N
承载托辊间距a0=1.6m
③按垂度要求回程分支输送带最小张力为
SX=50/8qBgau=50/8×26.8×9.8×4.0=6566N
回程托辊间距au=4.0m
④输送机下分支机尾输送带张力为：
S2=SX+F2+qB×H×g=6566+161215+26.8×7.74×9.8=169814N>S1
满足垂度条件。
⑤按啟动要求中间驱动第二驱动滚筒奔离点输送带最小张力为：
S3=（C0×3Fu/6）/（k-1）=1.05×（3×654228/6）/（3.61-1）=131598N
取C0=1.05，μ=0.35，α=210°，k=eμα=3.61
按垂度条件中间驱动第二滚筒（距离机尾10000米）奔离点张力：
S4=SS+10000F1/20000+（q+qB）×H3×g
=9721+0.5×492943+（72.4+26.8）×10000×1/2583×9.8
=9721+246472+16675=272867N>S3
满足滚筒不打滑条件。
⑥头部卸载滚筒奔离点张力
S5=Fu/2-（q+qB）×H3×g=327114-16675=310439N
输送带最大张力点处张力为
SY=S5=310439N
3.3 设备辅助功能
（1）连续皮带机系统配置有监控系统，且数据都反馈到TBM主控制室，连续皮带机的控制系统连接到TBM的控制室内及地面控制室内；（2）连续皮带机系统具备程序控制系统（即PLC控制），并具备自动故障诊断报警保护功能，具有电流、电压等检测功能；（3）连续皮带机系统具备400V三相、220V双相、24V低压控制等电源供应，具备控制柜、配电柜及相应的保护电路，控制柜内具照明系统；（4）连续皮带满足驱动电机的启动前3分钟（速度10%以内）为慢升速阶段，便于紧急情况下的人员逃生；连续皮带系统满足设计总长度胶带满载工况下急停后的正常启动；连续皮带机系统包含胶带硫化时的收放、卷取设备，回收胶带卷曲设备；（5）连续皮带机系统的张紧装置，满足长期、安全、稳定可靠，具有正常模式下的自动张紧功能和手动收、放功能，便于操作；（6）连续皮带机系统配置有启动过程中的声光报警装置。
4、结论
本文所述的连续皮带输送机是针对TBM施工方法量身定做的，它的主要特点有：无需等待运渣车，使TBM设备获得了较高的利用率，因而大幅度提高了施工进度。由于不采用内燃机车，减小洞内空气污染，降低对通风机能力的要求。目前该皮带机已经安装并使用，经过实践证明满足施工需要。该皮带机的设计应用，为今后类似工程提供了宝贵经验。