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1、引言
    在現(xiàn)代隧道施工中，全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(簡(jiǎn)稱TBM)作為一種先進(jìn)的施工設(shè)備，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。TBM施工集掘進(jìn)、支護(hù)、出碴于一體，具有快速、優(yōu)質(zhì)、安全、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。在經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間科學(xué)論證之后，鐵道部確定秦嶺隧道（I線）采用TBM法施工，并引進(jìn)2臺(tái)開(kāi)挖直徑8.8 m的TBM(型號(hào)為TB880E)，這在我國(guó)鐵路隧道修建史上尚屬首次。該機(jī)在桃花鋪1號(hào)隧道進(jìn)口段Rl 000 m曲線上掘進(jìn)施工時(shí)，其3號(hào)膠帶輸送機(jī)發(fā)生跑偏，并一度成為施工中的焦點(diǎn)問(wèn)題。
2 、TBM及其出碴運(yùn)輸系統(tǒng)
    TB880E型隧道掘進(jìn)機(jī)由主機(jī)、連接橋和后配套系統(tǒng)三大部分組成，全長(zhǎng)256 m。主機(jī)用于破巖、裝載、轉(zhuǎn)載；后配套系統(tǒng)用于出碴、支護(hù)等；連接橋起主機(jī)和后配套的連接作用，并安裝有注漿系統(tǒng)、仰拱吊機(jī)、材料吊機(jī)、操作室、除塵風(fēng)機(jī)、刀盤軸承潤(rùn)滑供油站等設(shè)備。
    出碴輸送系統(tǒng)是掘進(jìn)機(jī)的主要附屬機(jī)構(gòu)之一，包括依次接力出碴的3臺(tái)膠帶輸送機(jī)。1號(hào)膠帶輸送機(jī)安裝在主機(jī)的內(nèi)機(jī)架內(nèi)，長(zhǎng)約22.5 m，它直接接受刀盤切削下的石碴并轉(zhuǎn)載到2號(hào)膠帶輸送機(jī)；2號(hào)膠帶輸送機(jī)安裝在連接橋主梁內(nèi)，長(zhǎng)約29.5 m，接受1號(hào)膠帶輸送機(jī)送來(lái)的石碴并轉(zhuǎn)載到3號(hào)膠帶輸送機(jī)；3號(hào)膠帶輸送機(jī)安裝在后配套1 15號(hào)拖車上，長(zhǎng)約160 m，接受2號(hào)膠帶輸送機(jī)送來(lái)的石碴，經(jīng)移動(dòng)的卸碴機(jī)卸入停在后配套拖車上的礦車中。3臺(tái)膠帶輸送機(jī)共同連續(xù)工作，完成TBM破巖后石碴從掌子面到礦車的輸送任務(wù)，因此，出碴輸送系統(tǒng)的運(yùn)行正常與否直接影響TBM的掘進(jìn)作業(yè)。
3、TBM膠帶輸送機(jī)曲線運(yùn)行存在的問(wèn)題
    西安至南京鐵路桃花鋪1號(hào)隧道全長(zhǎng)7 234 m，是全線的重點(diǎn)控制工程，其進(jìn)口段755.32 m位于Rl 000 m的曲線上。TBM在此曲線上掘進(jìn)時(shí)，由于其3號(hào)膠帶輸送機(jī)長(zhǎng)度較大，且輸送機(jī)的支架均剛性地安裝在后配套拖車上。當(dāng)后配套系統(tǒng)位于隧道進(jìn)口曲線段時(shí)，輸送機(jī)機(jī)架亦呈曲線狀態(tài)，此時(shí)假如將3號(hào)膠帶輸送機(jī)的膠帶拉直，則膠帶中心線與輸送機(jī)支架中心線的最大偏離將達(dá)4060 mm，因此，3號(hào)膠帶輸送機(jī)發(fā)生嚴(yán)重跑偏而無(wú)法正常運(yùn)行。
4、墊高膠帶輸送機(jī)內(nèi)側(cè)防跑偏實(shí)施方案
    施工現(xiàn)場(chǎng)提出了幾種防跑偏方案：(1)直接用2號(hào)膠帶輸送機(jī)出碴。該方案可以滿足TBM掘進(jìn)出碴，但TBM正常的作業(yè)工序被打亂，施工進(jìn)度將被嚴(yán)重制約。(2)改造3號(hào)膠帶輸送機(jī)，增加膠帶輸送機(jī)數(shù)量，實(shí)現(xiàn)接力出碴。該方案能滿足正常的出碴和正常的施工工序，但資金投入較大。(3)采用國(guó)外專利產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)3號(hào)膠帶輸送機(jī)的出碴。采用美國(guó)朗艾道亞洲公司(LONG - AIRDOX)的專利產(chǎn)品——水平轉(zhuǎn)彎托輥，將原3號(hào)膠帶輸送機(jī)改造為水平彎曲帶式輸送機(jī)。這種類型的托輥可以使輸送機(jī)的彎曲半徑減小至150 m。該方案顯然優(yōu)于前2種方案，能滿足正常的出碴和TBM正常的施工工序，但投入費(fèi)用亦很大，僅購(gòu)置費(fèi)用大約在100萬(wàn)元左右。
    綜合以上方案，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察和對(duì)3號(hào)膠帶輸送機(jī)進(jìn)行曲線運(yùn)行受力分析，最終確定采取墊高膠帶輸送機(jī)內(nèi)側(cè)來(lái)防止膠帶輸送機(jī)跑偏的措施。
4.1防跑偏的基本原理
    3號(hào)膠帶輸送機(jī)在曲線上運(yùn)行時(shí)跑偏的直接原因就是膠帶張力在膠帶輸送機(jī)橫向方向的分力己超過(guò)膠帶與托輥之間的摩擦力。因此，通過(guò)適當(dāng)墊高膠帶輸送機(jī)內(nèi)側(cè)使膠帶重力在膠帶輸送機(jī)橫向方向產(chǎn)生分力（作用方向與膠帶張力的橫向分力方向相反），同時(shí)墊高膠帶輸送機(jī)內(nèi)側(cè)可利用膠帶張力增大膠帶與托輥之間的摩擦力，以達(dá)到平衡膠帶受力，消除跑偏現(xiàn)象的目的。
    為此，在分析了各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的張力后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)3號(hào)膠帶輸送機(jī)的布置就可以通過(guò)受力平衡計(jì)算確定膠帶輸送機(jī)機(jī)架內(nèi)側(cè)各部位的墊高尺寸。
4.2膠帶輸送機(jī)及膠帶基本參數(shù)（表1）
4.3膠帶受力計(jì)算
    (1)膠帶輸送機(jī)的計(jì)算載荷
    單位長(zhǎng)度均布載荷G：2 260 N/m，石碴的堆積密度按1 700 kg/m3計(jì)算；單位長(zhǎng)度膠帶自重q=225.3 N/m;上部槽型托輥折算到單位長(zhǎng)度上的重量qi= 538 N/m;下部平托輥折算到單位長(zhǎng)度上的重量q2= 215 N/m;承載段阻力wc=26 699 N；空載段阻力Wk =1 373 N；回程邊阻力Wh=4 224 N。
(2)膠帶輸送機(jī)各關(guān)鍵點(diǎn)的張力計(jì)算（采用逐點(diǎn)計(jì)算法）
    根據(jù)皮帶張緊裝置張力可計(jì)算出膠帶輸送機(jī)各關(guān)鍵點(diǎn)的張力。最小張力（驅(qū)動(dòng)滾筒與膠帶分離點(diǎn)）S1=10.8~ 21.6 kN;張緊滾筒與膠帶相遇點(diǎn)張力S，= SI+ Wh=15 024~ 25 824 N；張緊滾筒阻力W=0.07 S2=1 800 N；張緊滾筒與膠帶分離點(diǎn)張力S3=S2+W= 16 824~ 27 624 N；最大張力（驅(qū)動(dòng)滾筒與膠帶相遇點(diǎn)）S4= S3+W+Wk= 44 914~ 55 696 N。
4.4膠帶輸送機(jī)內(nèi)側(cè)各部位墊高尺寸確定
    3號(hào)膠帶輸送機(jī)在曲線上運(yùn)行時(shí)膠帶所受的力主要有膠帶張力引起的橫向分力、膠帶重力、上部托輥的摩擦力、曲線上運(yùn)行所產(chǎn)生的離心力（離心力很小可忽略不計(jì)）。
    設(shè)膠帶輸送機(jī)的曲線內(nèi)側(cè)墊高h(yuǎn)時(shí)，膠帶輸送機(jī)機(jī)架的橫向傾角（抬升角）為y；膠帶張緊力為S，曲線半徑為R，膠帶與托輥之間的摩擦系數(shù)為f。
    墊高方案的實(shí)施是通過(guò)在輸送機(jī)機(jī)架與拖車連接法蘭之間增加墊塊實(shí)現(xiàn)的。墊塊有5mm.10 mm.20 mm等3種厚度規(guī)格，形狀與連接法蘭一致，每一厚度規(guī)格墊塊的數(shù)量根據(jù)需墊高部位的連接法蘭數(shù)確定。
4.5膠帶輸送機(jī)曲線運(yùn)行時(shí)的其他輔助措施
    (1)卸碴機(jī)僅在3號(hào)膠帶輸送機(jī)尾部30 m范圍內(nèi)移動(dòng)，同時(shí)礦車移動(dòng)配合裝碴。
    (2)適當(dāng)減小膠帶張緊力，因?yàn)檫m當(dāng)減小皮帶張力，有助于減輕跑偏。
    (3)盡量減小皮帶與托輥處雜物及水分，以增大摩擦。
    (4)進(jìn)入直線段的膠帶輸送機(jī)部分依次取消墊塊。
5、膠帶輸送機(jī)曲線運(yùn)行結(jié)果及效益分析
    通過(guò)墊高膠帶輸送機(jī)內(nèi)側(cè)方案的實(shí)施，3號(hào)膠帶輸送機(jī)在桃花鋪1號(hào)隧道進(jìn)口IDK194+170~IDK194+ 925 .32段755.32 m的Rl 000 m曲線上運(yùn)行效果良好，滿足了TBM快速性、同時(shí)性、連續(xù)性的作業(yè)要求，由曲線段進(jìn)入直線段過(guò)渡良好，未出現(xiàn)膠帶跑偏現(xiàn)象。實(shí)施方案費(fèi)用低廉，僅用8 900元，為企業(yè)節(jié)約了大量的資金，經(jīng)濟(jì)效益顯著，同時(shí)為TB880E的3號(hào)膠帶輸送機(jī)在曲線上運(yùn)行積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)類似問(wèn)題的解決具有很重要的借鑒價(jià)值。