盾构机皮带输送机在复合地层下的防漏渣设计

李广彬 杨威文

广州市市政集团有限公司工程总承包分公司 广东省广州市 510000

摘要：盾构机皮带输送机设计除了满足输送能力之外，还需要重点考虑在防止漏泥设计，否则漏泥会大幅提高盾构机上的设备损坏几率和隧道施工的清淤费用。本文介绍了对可能造成皮带输送机漏渣的情况进行了梳理，并提出了解决方案，最后结合了工地实例对解决方案进行了验证。

0. 引言

皮带输送机作为土压式平衡盾构机的重要部件之一，起到将掘进下来的渣土输送出去的作用。目前，皮带输送机相对盾构机其它核心部件的技术含量较低，在其它行业的应用较成熟，因此对盾构机专用皮带输送机的研究非常少，特别是在皮带输送机防漏渣的研究上，成果非常少。因盾构机所工作的环境比其它行业更为恶劣，如高湿度、高温、渣土种类多、富含水、并对皮带输送机防漏渣要求很高。

皮带输送机漏渣带来的负面影响非常大，虽然不会在技术、功能上造成停机，但是持续地漏渣会对盾构机造成多方面的影响：①含水量丰富的渣土会不断地覆盖在盾构机后半部分，对各个系统和部件可能由于进水造成直接损坏或功能障碍；②在隧道中不断堆积的渣土覆盖了运输管片的列车轨道，造成列车行驶困难甚至出现脱轨；③后期清淤费用高，工地施工环境和形象差；④隧道内环保要求不达标，可能被环保部门叫停。因此，解决皮带输送机防漏渣问题可解决后续隐患。

1.导致漏渣的原因分析

1.1首段倾角大小

土压平衡盾构机的结构设计，需要螺旋输送机将渣土输送至一定高度后再落入至皮带输送机，由皮带输送机输送至渣土箱内或者直接输送至地面。因地下空间限制，皮带输送机首段一般有一定的倾角，无论是采用底部出渣还是尾部出渣的形式，都会有一个10°左右的倾角（如图1所示），在皮带机输送角度一定的情况下，倾角越大渣土顺着倾角掉入至拼装区域的可能性越大。因此，从皮带输送机防漏渣设计的角度出发，倾角越小越有利于渣土的顺利输送不掉落。

图1 螺旋输送机和皮带输送机位置示意图

1.2结构刚性设计

一般皮带输送机的截面设计如图2左侧所示，形成一个倒锥形，有利于形成稳定的渣土堆面；但如果结构设计的刚性不足，皮带输送机结构变形部分结构易出现扁平情况，渣土无法形成稳定的堆面，容易从两侧处掉落。

容易造成皮带输送机结构强度不足的原因：相同的开挖体积，硬岩的密度是软土的2.5倍左右，如果皮带输送机设计未考虑到地质，硬岩地层沿用软土地层的皮带输送机设计，导致刚性小出现变形。

因此皮带输送机的结构刚性设计要充分考虑结构自身和渣土以及动载的综合重量，适当放大安全系数。

图2 刚性设计不足对比示意图

1.3倾角段的挡板及重叠区域设计

倾角段渣土堆面不稳定，需要设计高挡板，避免渣因输送波动而从两侧漏出，可参考图3中设计，倾角段挡板比皮带最高处高380mm；当皮带输送机在平段输送时，渣土堆面稳定性较好，挡板高度可降低。倾角段挡板与皮带之间需一段皮带过度，并起到密封的作用，两者之间需设置折叠区域。

图3 倾角段的挡板及重叠区域示意图

1.4刮泥系统设计

皮带输送机的刮泥系统是皮带输送机防掉渣的核心设计，该系统决定了皮带输送机的刮干净程度、刮板的耐用性、皮带的耐用性。如图4所示，皮带输送机刮泥系统的工作原理：电机减速机通过链条带动主动轮轮旋转，主动轮带动皮带，首先通过刮板1实现90%以上的渣土从皮带分离^[1]，刮板2、刮板3、喷淋系统实现剩余渣土的分离。

图4 刮泥系统示意图

刮板1的结构是通过带弹簧的可调节机构实现调节并在与皮带的动态接触中始终保持下压力，实现良好的刮擦。在皮带输送机实际工作中会遇到以下问题：

①如果刮板1与皮带间的压紧力太大，刮板1和皮带的消耗速度则会增大，可能需要造成经常更换刮板1，皮带寿命也可能缩短；如果压紧力偏小，皮带上粘粘的渣土则会刮得不干净，出现漏泥情况。合适的压紧力会将耐用和防漏泥达到平衡。由于地质的不同，压紧力值在设计时无具体参考值，依靠现场使用者自行调节。

②地质的不同对刮板的消耗差异程度很大，粘土地层一般采用聚氨酯作为刮板可满足300m以上的使用寿命周期；硬岩或者含砂质地层，粗砂或者细砂加剧了刮板的磨损，此地层下的聚氨酯刮板的寿命只有数十米，需频繁更换刮泥板。

③更换硬度更高的刮板材料（如普通碳素钢、不锈钢、合金钢等）实现高耐用度。但因主动轮和刮板之间的接触并非理想的线接触，皮带与刮泥板会出现接触不良的情况，如图5所示：

图5 刮板1与主动轮的接触示意图

装配以及运行一段时间后，因磨损造成主动轮并不能与刮板1实现良好接触，此时需要通过调节加大压紧力来减少间隙，过大的压紧力会造成皮带的过度消耗。压紧力调大后，出现新的磨损时，新的漏渣情况依然出现。

2.解决方案

合金钢耐磨，但无弹性；聚氨酯材料弹性大，但不耐磨。综合两者材料的特性，使用复合材料可达到耐磨和大弹性的特性，如下图6所示：

图6 复合材料刮板

3.实际应用案例

青岛某标段，起初采用聚氨酯刮板，出现不耐磨的情况后更换不锈钢刮板后，漏渣情况没有得到改善，如下图7所示：

图7 工地严重漏渣图

渣土滴落在电柜以及液压元件，对施工带来极大的掘进、安全隐患；隧道内的落渣土只能通过人工清理，清淤费用昂贵，施工方和业主方对此抱怨很大。

通过更换复合材料的刮板，实现了掘进200环才需更换的耐用性，更解决了漏渣问题，达到耐用和渣土清理干净的效果。

4.总结

皮带输送机防漏渣的设计通过了工地实际使用案例得到良好的实践，证明了本文提到的皮带输送机防漏渣设计的正确性和可行性。虽然看似简单，实际上在摸索的道路中走了不少弯路，除了不断地试错实现最终解决方案；使用TRIZ工具来实现快速找到问题的解决方案也是一种途径，例如本文中的刮板1的设计是通过TRIZ理论中40个发明原理中的第40条：复合材料^[2]。目前，盾构机的设计仍需不断地优化和质量持续改进，充分利用科学的工具才能实现既好用又耐用的设计。

参考文献：

[1] Neil Sclater. Techanisms and Techanical devices sourcebook. 机械工业出版社.

[2] 檀润华. TRIZ及应用——技术创新过程与方法. 高等教育出版社.