摘要：开挖直径超过12m的大直径盾构施工，每环需要向外运输的渣土是常规市政地铁施工渣土量的数倍，按照以往的有轨运输方式，采用渣斗运输渣土，已经不能适应大直径盾构机正常掘进的施工要求。为保证大直径盾构机的正常施工及在复杂地层下的连续掘进，渣土运输已成为大直径盾构掘进施工的关键工序之一，也是影响盾构掘进安全质量事故的环节，直接关系到盾构隧道能否顺利施工和及时贯通。本文对太原铁路枢纽西南环线盾构项目中的出渣系统进行了分析，总结了渣土运输系统的选型对大直径土压平衡盾构施工中的意义。
关键词：大直径盾构施工；渣土运输；应用
前言：随着我国城市化进程的发展，交通需求量的增长，车道数不断增加，大直径隧道已然成为隧道发展的方向之一。超大直径的城市道路隧道因采用双层结构使得断面大，利用率高。因此超大直径盾构隧道将是地下隧道工程建设的首选。在大直径土压平衡盾构的施工中，渣土的运输一直是困扰大直径土压盾构施工掘进的一项难题，尤其是施工线路长，工程地质情况复杂，工期紧张的工程，常常在盾构隧道施工过程中因为渣土运输耽误施工，大大延误施工进度。
一、渣土运输系统的选型
直径超过12m的大直径盾构施工，每环掘进产生的渣土量是常规市政地铁施工渣土量的数倍，按照管片环宽2m，渣土比重1.8计算，盾构施工每环掘进产生的渣土约300m?左右，按照以往的有轨运输方式，采用渣斗运输渣土，需要约17辆渣斗，每个渣斗长约7m，总长需要约119m，盾构明挖施工场地可能难以满足其要求。按照每节渣斗倒土用时10分钟计算，把渣土从井口运输至渣土池需要170分钟。渣土运输采用长距离连续皮带机这种施工工艺，因其高效、安全、操作方便，在施工中能够使生产实现连续作业，大大提高施工效率，成为大直径土压平衡盾构机掘进施工的首选。
表1 综合对比
根据上表的对比，连续皮带机出渣尤其适用于隧道距离长，工期进度要求高，开挖断面大的隧道工程。若采用有轨运输渣土，运输渣土和倒换渣车都需要时间，并且采用有轨运输渣土，对于垂直运输效率要求很高。有轨运输渣土会降低掘进效率。但是采用连续皮带出渣，可以完全避免有轨出渣的缺点，大大降低施工的风险和工期压力。
二、出渣运输系统施工工艺
大直径隧道掘进出渣的施工工艺的总体思路是：掘进施工过程中，刀盘前方的土体被切削至土仓内，进过搅拌改良后，由螺旋机输送至放置在一号台车上的转渣装置，经过转渣装置水平横向运输后，经过长距离连续皮带机运输至洞外，最后经过转渣皮带机运输至渣土池。长距离皮带机在盾构机部分是固定在盾构机右侧台车上，在盾构机尾部进行隧道皮带支架的安装延伸作业,在掘进的同时可以进行皮带架安装作业，与施工掘进不冲突。储带仓设置在洞外空旷处，固定在盾构机上的皮带机部分跟随盾构机向前掘进，中间部分的支撑采用洞壁支撑，巧妙利用隧道管片已有螺栓孔，与封闭式延长段配合，能方便、快速、安全安装。
三、大直径盾构掘进出渣运输系统配置
在盾构机正常掘进阶段共配置两条皮带机：即长距离连续皮带机和转渣皮带机。长距离连续皮带机承接盾构机的渣土，通过其头部转载平台转载到转渣皮带机上，转渣皮带机将渣土卸载到渣土池。另外为了使从螺旋机出的渣土具有更好的流塑性，同时也为了缓冲螺旋机出土口的压力，在螺旋机出土口设置一个二次搅拌转渣装置。渣土先在二次搅拌装置里搅拌（可以添加泡沫或膨润土），充分搅拌后输送到盾构机皮带上，然后再由连续皮带机运出洞外，通过斜井皮带机输送至渣土场。
盾构机上皮带输送机由倾斜段（包括接料段和上坡段），中间水平段，卸料段构成，输送总长根据实际情况确定具体长度。皮带机具有曲线调整功能，只需调整相应皮带支架的摆动角和驱动装置的摆动角即可适应不同曲线施工。
隧道连续皮带机皮带带宽800mm，胶带采用高强力钢绳芯节能胶带st1250，额定带速3.5m/s，额定最大输送量为1200t/h；主驱动功率为3X280KW,采用变频控制方式，驱动全部放置头部，以便于驱动的集中维护和控制；拉紧装置采用变频绞车的拉紧形式，全程无缝跟随盾构机掘进；储带仓储带500m,最大可能减少胶带接头次数，同时减少了盾构机停机次数，也提高胶带运行可靠性；皮带机设计最少转弯半径为800m，适应隧道转弯1200m的需要；延长段采用封闭式设计，提高工人安装支架时的安全性和可靠性；中间部分的支撑采用洞壁支撑，巧妙利用隧道管片已有螺栓孔，与封闭式延长段配合，能方便、快速、安全安装，同时此支撑能够很好适应工况需求。
斜井皮带机带宽 800mm，胶带采用EP200节能胶带，额定带速3.5m/s，额定最大输送量为1200t/h；主驱动功率为160kW,拉紧装置采用液压拉紧的拉紧形式，属于固定式输送皮带机。
四、渣土运输系统中的连锁应用
在隧道皮带机头、机尾配置PLC柜两面。PLC柜与盾构机集控之间均采用光纤通信，共同组成连锁控制系统。连锁功能主要负责与盾构机控制系统对接，与盾构机组成联动。
皮带机控制系统通讯总线协议采用国际的标准协议，与盾构机相匹配。盾构机、皮带机系统互相设置了一个I/O 及ID。通过光缆通讯线将这两个接口连接在一起。盾构机的CCU将把相关联的信息及指令传输给皮带机系统的CCU，皮带机系统的CCU将按自己的控制系统动作，对盾构机做出正确的反应。反之，皮带机系统的CCU将把相关联的信息及指令传输给盾构机系统的CCU，盾构机系统的CCU将按自己的控制系统动作，对皮带机系统做出正确的反应。
皮带机与盾构机连锁启动：
1、盾构机启动：一般是反方向动作，即：斜井皮带机启动（延秒）→长距离连续皮带机启动（延秒）→盾构机二次转渣装置启动（延秒）→盾构机各系统开始启动。在盾构机启动前保证整条皮带机系统是排空的。
2、盾构机停机（包括正常停机或故障停机）：盾构机停机→盾构机二次转渣装置停机（延秒）→长距离连续皮带机停机（延秒）→斜井皮带机停机（放空皮带后）。避免盾构机或上游皮带给下游皮带输送超载岩渣。
3、皮带机故障停机：皮带机系统和盾构机系统同时停机。等故障排除后复位，按正常程序启动。
4、超载限制：当盾构机掘进速度过大或遇到掌子面塌方等情况导致输送给皮带机的岩渣量超过皮带机最大的输送能力，皮带机系统会把过载信号传输给盾构机。
5、维修和维护：当盾构机需要空转调试和停机维护时，可以断开与皮带机系统的连接。反之，当皮带机系统需要空转调试和停机维护，也可以暂时切断与盾构机的连接。双方可独立调试、运行和维护。
6、系统有可视化人机界面，显示系统的工况，且能对皮带系统各个设备进行远程操作。具有单机操作，一键自动启停，远程/就地等功能。
7、隧道皮带沿线的保护装置具备地址编码功能，且通过通讯接入皮带输送控制系统的PLC中，能在人机界面上显示相应位置和工况，方便检修排查。
五、结束语
根据大直径土压盾构施工的工程特点，通过对盾构机出渣系统进行针对性设计，在盾构推进的同时进行连续皮带出渣，渣土被刀盘切削至土仓内经过搅拌后通过螺旋输送机运至转渣装置内，再通过转渣装置运输至连续皮带机上，渣土被运输至洞外后，再经过转渣皮带机运输至渣土池。从而形成大直径隧道出渣工序的施工作业流程，并通过严格科学的施工组织，有效的解决了施工工序繁杂、运输组织协调难度大等技术难题。通过选用合适的出渣系统，提高了施工灵活性以及工程结构的整体性，实现了大直径盾构掘进快速、连续化的作业施工。
论文作者:韩璐
论文发表刊物:《防护工程》2018年第3期
论文发表时间:2018/6/8
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