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1、TBM施工长距离地下隧洞皮带出渣技术研究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
2、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T
3、BM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?M速度:120mm/min 渣石比重:2.62.8kg/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=(7.032)/41.860/152.8=782t/h (2)带速的确定 Qmax=3600AmaxVk VQmax/(3600Amaxk)=782/(36000.1211.75)=1.03m/s 本方案综合考虑,选用带速03.0m/s。 (
4、3)带宽的确定 B2Xmax+0.2=20.3+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 =1.030.023200009.84.94+(26.8+72.4)Cos0.022+9.8(26.8+72.4)7.74=492943N =1.030.023200009.87.35+26.8cos0.022+9.826.87.74=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
5、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; 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=6542283/1000=1962kW 3)电机总功率计算 =19621.05/(0.9310.96)=2307kW 式中: Kd功率备用系数,选取1.05; 驱动装置传动效率,选取0
6、.93; 电压降系数,选取0.96; d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3400kW+4250kW+2160kW带中间驱动布置方式,装机总功率为2520kW。 2)胶带强度计算 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=(C03Fu/6)/(k-1)=1.05(3654228/6)/(3.61-1)=131598N 取C0=1.05,=0.35,=210,k=e=3.61 按垂度要求承载分支输送带最小张
7、力为: SS=50/8(q+qB)ga0=50/8(72.4+26.8)9.81.6=9721N 承载托辊间距a0=1.6m 按垂度要求回程分支输送带最小张力为 SX=50/8qBgau=50/826.89.84.0=6566N 回程托辊间距au=4.0m 输送机下分支机尾输送带张力为: S2=SX+F2+qBHg=6566+161215+26.87.749.8=169814NS1 满足垂度条件。 按?要求中间驱动第二驱动滚筒奔离点输送带最小张力为: S3=(C03Fu/6)/(k-1)=1.05(3654228/6)/(3.61-1)=131598N 取C0=1.05,=0.35,=210,
8、k=e=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)H3g =9721+0.5492943+(72.4+26.8)100001/25839.8 =9721+246472+16675=272867NS3 满足滚筒不打滑条件。 头部卸载滚筒奔离点张力 S5=Fu/2-(q+qB)H3g=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
9、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。
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