近年来,随着城市基础建设的迅速发展,国内许多大城市(上海、北京、广州、武汉、重庆、南京等)都在发展地铁轨道交通运输系统,目前制约盾构推进速度的主要问题就是配套运输系统。以上海地铁明珠二期南浦大桥站到浦东南路站来计算,按照采用原有间断运输方式,由于车辆装土过程所耗时间多、单位时间运量小,盾构有效工作时间短(据地铁建设单位介绍,盾构有效工作时间实际不到开机时间的40%),以及运输距离超过500~700m时,运输能力严重不足等因素,盾构推推停停,每天可推进6~8m。地铁施工现场大多在繁华的城市街区,其施工场地、环保噪音都受到严格的限制,可见原有的运输方式已严重制约了地铁建设的施工进度。采取垂直提升连续运输技术取代原来使用多年的陈旧的间断运输方法是一种技术革新的趋势所在。

1主要研究内容和关键技术特点

垂直提升连续运输技术是一种适应性强、提升效率高的物料输送技术,具有运量大、连续运输、安全性好、设备占用面积小等特点,特别适合于地铁隧道施工现场受空间、时间、环保等条件限制的市政工程等项目。2002年以来上海地铁建设有限公司与煤炭科学研究总院上海分院成立了联合课题组,针对上海地区地质条件的特殊性以及对环保的严格要求等因素进行技术攻关,主要针对不同物理特性的物料(砂性土、粘性土等)进行试验,以取得相关的试验数据、设计参数以及针对粘土的卸料、清扫等难点的解决措施。本课题研究的主要内容:(1)垂直提升连续运输机型选择,要求系统高效率运行时低噪音、高可靠性。垂直提升连续运输技术可以通过多种途径达到目的,根据对上海地铁工地泥土土质的调研和分析,在煤炭行业连续运输技术中积累的经验,确定采用波纹挡边带式输送机来实现。因为波纹挡边带式输送机能根据各种特殊场合的需要,倾角从0~90°任意布置,能实现在极短的距离内,将物料从水平转换到90°提升的能力。为了取得较好的加料及卸料效果,试验台采用Z形布置形式,在尾部水平段加料,在头部水平段进行卸料。(2)地铁施工过程中运输各种不同物料的高适应性要求,从而保证快速连续运输,达到盾构快速掘进配套运输的要求。特别是上海特殊土质(黏泥、泥沙)这一国际公认特殊特性物料的要求。

为了满足地铁盾构后配套施工的适应性要求,主要的关键技术:

(1)波纹挡边带的结构、横隔板形状及连接技术波纹挡边带的基带、波纹挡边、横隔板之间采用较高强度的硫化和螺栓联接技术,其中波纹挡边硫化在基带的两边,横隔板与基带及波纹挡边的联接均采用螺栓紧固,更换方便。

(2)黏土质物料的可靠卸料和清扫技术

在输送黏土物料时,依靠重力的作用不能将其有效地卸下,留在输送带上的残余物料被带回回程分支,造成改向滚筒、回程托辊上积垢而导致输送带打滑、跑偏、磨损,滚筒、托辊过早损坏,影响输送机正常运行,故必须用清扫装置清除粘在输送带上的残余物料。由于波纹挡边带具有横隔板,不能用常用的刮板式清扫器和毛刷式清扫器,可以采用振动式清扫器和喷水式清扫器。喷水式清扫器除了需要充足的水源和高压泵外,还需要有排污系统或污水处理系统,以满足城市施工环保要求。香港九广铁路西铁地铁建设就是使用喷水式清扫器和污水处理系统,但其价格超过盾构和主机的价格,达到几千万美元。采用振动式清扫器,在上水平卸料段安装了由主动拍打器和被动拍打器组合而成的联合清扫装置。主动拍打器由电机驱动拍打装置打击输送带,被动拍打器是一种由若干个沿圆周均布的托辊组成的振动清扫装置,随输送带运行,托辊间断地冲击输送带引起振动,两者的工作原理都是拍打挡边输送带的非工作面,将粘附在挡边、隔板及基带上的物料振动下来,达到清扫的目的。拍打器接触输送带的部件必须能转动,以防止在输送带面上滑动接触,损坏输送带。主动拍打器安装位置距离卸料滚筒应尽可能近,以能使用滚筒面所提供的完全支承的输送带平面。拍打器旋转方向应与卸料滚筒一致,打击速度和幅度应该都可调节,以取得最佳卸料状态,并可在发生共振时进行调整。

为了能确保该技术攻关研究的成功,根据煤炭科学研究总院上海分院在煤炭行业连续运输中积累的技术经验,并结合上海地铁的实际情况,先组建模拟工况条件下的试验台,通过试验台的型式试验,对垂直提升连续运输技术在上海地铁隧道建设工程的应用进行研究试验,取得了该项技术在隧道工程领域应用的阶段性成果。试验成功后制造出结构更合理的垂直提升连续运输设备,达到地铁施工现场的生产要求。

2垂直提升输送系统的结构概述

垂直提升连续输送系统由波纹挡边带式输送机(见图1)和转载带式输送机组成。

波纹挡边带式输送机主要由波纹挡边输送带、驱动装置、传动装置、机尾拉紧装置、改向装置和清扫装置等组成。

2.1波纹挡边输送带

它由基带、波纹挡边及横隔板组成,以普通输送带作为基带,在其两边粘结(硫化)上波纹挡边,并在2条波纹挡边之间的基带上,按一定的间距联接(硫化或用螺栓联接)上横隔板。

(1)基带

基带的外形与普通输送带相同,但横向刚度一般比普通输送带的大。其抗拉体材料(芯层)采用尼龙帆布,主要承受拉力,在芯体的上下面外加特殊加强层,增加横向刚性,再覆盖上一定厚度的胶,提高使用寿命。

(2)波纹挡边

挡边做成波纹状是为了使输送带能顺利地绕过滚筒和凸凹弧区段,以满足输送线路的要求。同时也使挡边上部不会产生过大的附加应力。挡边的波形可以是齿形、S形、W形和WM形,目前多用S形。

(3)横隔板

在波纹挡边之间的基带上,按一定的间距粘结横隔板,横隔板间距是根据输送量、输送机倾角和物料粒度等诸多因素来确定的。为了提高输送能力,避免出现撒料现象,则需要较小的隔板间距。但是为了取得较好的加料和卸料效果,则要求有较大的隔板间距。

2.2驱动装置

驱动装置是波纹挡边输送机的动力部分,它主要由电动机、联轴器、减速器和制动器等组成。电机是驱动单元的动力源,通过变频调速装置实现无级变速,满足不同试验速度的需要。

2.3传动装置

传动装置主要由传动滚筒、机头架等组成。传动滚筒是将驱动装置的动力,通过摩擦力传递给波纹挡边带使之运行的部件。传动滚筒的表面包上橡胶,增大传动滚筒与波纹挡边带之间的摩擦系数,减小滚筒表面的磨损。

2.4改向轮

改向轮用于挡边带凸弧段的下分支或凹弧段的上分支,它们托在或压在波纹挡边输送带有波纹挡边和横隔板的一面,其作用是改变输送带运行方向。改向轮有单式和复式2种。单式改向轮支在挡边输送带的空边上,复式改向轮的大轮支在挡边输送带的空边上,小轮支在挡边输送带的挡边顶部。

2.5托辊和挡辊

托辊主要有上托辊、下托辊、缓冲托辊、凸弧段托辊和凹弧段托辊。上托辊用于支承输送带及其上的物料,下托辊用于支承输送带,缓冲托辊安装在挡边机的受料段,以减小物料的冲击,使之稳定运行,延长输送带的使用寿命。凸弧段托辊和凹弧段托辊都是成组使用,相当于改向滚筒,前者用于支承凸弧段输送带及其上的物料,后者用于压住凹弧段输送带。波纹挡边输送机的托辊都是采用平托辊。挡辊安装在凸弧段和凹弧段的基带上分支的两侧,一般成组使用,用于防止输送带跑偏。

2.6清扫装置

清扫装置用于清扫输送带上粘附的物料,本机设有头部清扫器和尾部清扫器。

在输送黏性大的物料时,采用一种清扫装置往往不能把输送带完全清扫干净,可采用联合清扫装置。头部清扫器就是采用了联合清扫装置,由主动拍打器和被动拍打器组合而成。工作原理都是拍打挡边输送带的非工作面,从而将粘附在挡边、隔板、及基带上的物料振动下来,达到清扫的目的。安装位置距离卸料滚筒应尽可能近。

尾部清扫器采用普通空段清扫器,靠近机尾改向滚筒安装,用来清扫撒落在回程分支输送带上的物料,防止物料夹在输送带与尾部滚筒之间,发生输送带跑偏,损坏滚筒和输送带,影响输送机的正常运行。

2.7拉紧装置

拉紧装置是使输送带具有足够的张力,保证输送带与传动滚筒之间产生足够的摩擦力使输送带不打滑,并限制输送带在各托辊之间的垂度,使输送机正常运行。本机采用螺旋拉紧装置,拉紧滚筒安装在尾架上的滑架中,通过转动尾架上的螺杆使滚筒前后移动,以调节输送带的张力。螺旋拉紧装置结构简单,操作方便。

2.8机架

机架是用于支承滚筒、改向轮、改向托辊组及承受输送带张力的装置,本机机架采用了结构紧凑、刚性好、强度高的钢结构矩形机架。

2.9电气控制

试验台电气控制采用就地控制,顺序启动,变频调速,以接触器、继电器为主要电气控制手段。实现对输送机的起动预警、停车、紧急停车、故障保护等操作,具有电机电流、输送带速度和设备运行及故障状态的LED显示功能。系统布置故障沿线紧急停车的拉线开关、防跑偏开关、信号电铃。

3试验参数选取与结论

本系统的主要技术参数必须与上海地铁隧道掘进的盾构的主要技术参数相匹配。试验台参数的选取尽量符合实际使用工况,根据盾构掘进的尖峰速度计算,盾构的最大出土速度为180t/h,盾构后面转载带式输送机的带速为1.6m/s,通过设计计算,确定试验用垂直提升输送机的主要技术参数如下:

经过对地铁施工现场不同特性泥土的多次试验后得出结论如下:

(1)系统驱动装置主要元部件的性能满足要求,运行可靠。

(2)波纹挡边带的横隔板采用TC型结构后,横隔板间距在300mm左右比较合适,间距太小(如200mm)时,黏性泥土不易完全进入波纹挡边和横隔板之间,有泥土搁在横隔板上,在垂直段会落下来。间距太大(如大于400mm)时,泥土在垂直段会超出横隔板掉下来。

(3)仅采用被动拍打器时,黏土物料在机头滚筒处直接卸料的约30%,上水平卸料段落料约60%,垂直回程段和机尾水平回程段的落料约10%,带速越高,回料越严重。即使用高压水枪冲洗波纹挡边带上的残余粘土,由于在运行中,清扫效果并不理想。黏土用长溜槽转载时,易造成物料飞溅、堵塞,影响系统的连续运输。

(4)增加机头上水平卸料段的长度,有利于改善卸料条件,在增加了一套主动拍打器后,基本上解决了卸料和清扫难题,泥土经过卸载滚筒和主、被动拍打器的振动,在机头水平卸料段内落下,经头部卸料平型输送带集料机回收,卸到转载输送机上,实现了物料的连续循环输送,运行情况良好。

(5)无论是砂性土还是黏性土,在试验过程中都没有发生飞料现象;使用高分子聚乙烯横隔板时黏泥情况与橡胶横隔板相差并不明显。

垂直提升运输系统在试验过程中各项研究内容达到了预期的要求,解决了粘土物料的垂直提升、卸料和清扫等技术难题。

4实际应用情况

目前垂直提升连续运输系统已应用到上海明珠线二期工程浦东南路站-南浦大桥站区间隧道的建设中,它与水平带式输送机连接组成泥土的连续运输系统,系统运行中碰到了一些诸如输送带跑偏、滚筒轴承损毁等机械故障以及对不同土质的适应性问题,但总体来说,运行是正常的,应用是成功的。在运送7#土层推进过程中,创造了盾构推进23环/d的地铁隧道施工新记录。可以得出如下结论:采用波纹挡边带式输送机垂直提升运输泥土物料技术上是可行的。可以预见,对该运输系统进一步完善改进后,在隧道工程领域和其他相关领域将有广阔的应用前景,它必将充分发挥盾构的推进能力,大大提高推进速度,缩短施工周期,节约大量的人力和物力,具有较大的经济效益和社会效益。