皮带输送与传统方案的对比

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1、1.概述1.1关角隧道概况在建青藏铁路西格二线关角隧道全长32645m,是世界高海拔第一长隧，也 是目前国内最长的铁路隧道，设计为双线单洞，施工中设10座辅助施工斜井（总长15321.71m）,全隧一次建成。关角隧道地处青藏高原东北缘，高寒干旱缺氧，极端最高气温 28.0 r,极端最低气温-35.8C,最大日温差24.7 r，最大积雪厚度21cm,最大冻结深度299cm。 正洞洞身处于海拔33003400米之间，最高施工点7号斜井口海拔为3678.12米。隧道穿 越地层包括区域性深大断裂带、细砂层、湿陷性黄土、岩溶、高地应力、突涌水等不良地质， 地质条件极其复杂，且自然条件恶劣，施工难度极大。

2、1.2整体施工方案总体设计思路是采用10座斜井及局部平导来辅助正洞施工，即在I线隧道设置3座斜井（3、 4、5号斜井），II线隧道设置7座斜井（1、2、610号斜井），同时在II线 DyK296+110DyK300+210 及 DyK305+021DyK310+777 段分别设置长为 4100m 及 5756m 的平导。所有斜井施工到位后先施工II线隧道及平导，完成II线隧道施工任务的斜井和平导 贯通地段即可通过横通道进入I线隧道施工，平导的扩挖在I线隧道施工完成后进行。两线 整体道床的铺设通过两端洞口及不同的斜井同时进行，共设置斜井15443.4m/10座，18个 施工横通道，施工通风最大长

3、度4680m，建设总工期为5年,方案示意见图1。阳1关角SS逍施工方案示恵图1.3国内外皮带运输机出碴状况目前在国内钻爆法施工的隧道中，采用皮带运输机出碴方式尚无先例，仅在煤炭行业中采用 了皮带运输机与轨道相结合的运输系统，经多年的使用与改进，已逐渐完善和成熟，但其应 用于隧道施工尚有许多工作有待研究。在美国、欧洲、香港、日本、澳大利亚等地的隧道施 工中已有数十项工程采用了皮带运输机出碴方案。美国波士顿长16km、直径7.192m的隧 道工程就采用了宽914mm、出碴能力800t/h的皮带运输系统。目前在欧美国家皮带运输机 出碴技术已趋于成熟，美国80%工程项目采用皮带运输机出碴，近年来欧洲长

4、大隧道也大 都采用皮带运输机出碴。从查阅到的资料来看，国外在长大隧道中大多采用皮带运输机 出碴系统与汽车运输作为辅助运输的运输方式，且单洞掘进居多，这种运输方式具有系统简 单、便于维护的特点。2.传统出碴方式存在的问题2.1有轨运输出碴方式有轨出碴运输方式采用轨道运输形式，其缺点有：（1）轨线材料投入有轨出碴运输一般在隧道内布置单线、双线或四轨三线。单线由两条钢轨和距离均等的钢枕 构成，双线和四轨三线由四条钢轨和间距均等的钢枕构成。（2）运输能力的限制由于隧道断面和装碴方式的限制，钻爆法施工每开挖循环的碴不可能像TBM施工那样一次 出完。机车的牵引能力和矿车的容量也都制约了出碴运输的速度，长距

5、离出碴时轨道承载能 力也限制了快速出碴运输。（3）出碴坡度的限制机车行走的动力由机车车轮和轨道之间的滑动摩擦力提供。钢与钢的摩擦系数为0.15左右， 这就很大程度上限制了机车的牵引能力，一般坡度大于3%的隧道就不适合采用有轨运输的 出碴方式。2.2无轨运输方式的问题（1）运输能力的限制由于隧道断面的限制，汽车载重量不能很大，小断面的隧道根本就无法采用汽车运输。汽车 在洞内的调头、错车以及行车安全等限制了其运输能力。（2）运输坡度的限制根据规范要求，一般当隧道坡度大于9%时就不适合采用汽车运输的方式，但隧道较长时还 要设计一定的平坡段作为缓冲，这无形中就加大了隧道的长度。（3）通风难度大采用无轨

6、运输方式出碴，内燃机排放大量尾气，洞内污染严重，施工通风是一大难题，在正 常气压地区独头掘进2公里以上时的施工通风问题就很难解决,在高原缺氧的情况下会更严 重。2.3传统运输方式共同存在的问题（1）无论是有轨运输的电瓶机车还是无轨运输的自卸汽车，它们的迎风面都要比皮带机大 得多。在断面有限的隧道内布置大型的运输车辆非常困难，严重影响出碴速度。（2）无论是有轨运输还是无轨运输，都在装满一车后离开，让出装车位置，才能装下一车， 这就无形之中延长了出碴的时间。（3）无论是有轨运输还是无轨运输，车辆都需要在地面行走。这对道路条件提出了很高的 要求，需要投入大量的人力物力从事文明施工，对仰拱施工的影响更

7、大，使施工速度不能进 一步突破。（4）无论是有轨运输还是无轨运输，牵引机车的动力都要进行两次以上的能量转换，电瓶 机车需要将交流电先转化为直流电能，贮存在电瓶中再进行使用，由于电瓶容量有限，使其 很难实现长距离运输；内燃机车要将转化为机械能，能源利用率低，环境污染严重。（5）适用的运输坡度有轨运输为3%,无轨运输为9%,而皮带机运输可达27%。垂直提升 设备虽然适应角度大，但能力有限，不能满足快速运输要求。针对关角隧道高寒缺氧的情况， 无轨运输的弊端就更加突出。洞内氧气含量只有12%左右，只是平原地区氧气含量的57%。 在这样的条件下内燃机械效率严重下降，而尾气排放量却大大增加，使洞内的工作环

8、境十分 恶劣。关角隧道有10个斜井，重车出碴爬坡时CO排放量是平地重车的5倍以上，导致斜 井运输时能见度只有几米。3皮带机运输方式关角隧道适用性研究3.1皮带机运输方式的优点（1）出碴具有连续性，大大节约出碴时间。（2）施工管理较为简单，劳动强度低，人员少。（3）不会产生污染，降低了对通风机和风管的要求。(4) 由于具有对不同直径隧道工程的广泛适应性，皮带机运输系统具有更高的再利用价值。 皮带机运输系统整个性价比高于有轨运输系统。(5) 皮带运输机运转是连续不断的，出碴能力强。(6) 出碴任务由皮带运输机承担，轨道只承担进料和人员的运输任务，大大减轻轨道运输 的负荷。(7) 皮带运输机采用电力

9、作为能源，直接转化为机械能，一方面能源效率高，另一方面电 力供应要比燃油可靠，价格也较低。(8) 电能没有污染，能较减轻长距离通风的负担。(9) 在有支洞施工的情况下，如果正洞采用有轨运输支洞无轨运输，则有轨和无轨的转换 非常困难；如果正洞和支洞都采用有轨运输，支洞的坡度又受到限制，运输能力、设备配备、 主支洞的转运问题都难以解决。而连续皮带运输系统可以避免这些问题。(10) 皮带机可以悬挂在隧道顶部，也可以悬挂在边墙上，占用的空间很小。(11) 从连续皮带运输机在TBM施工中的应用来看，对于长距离隧道施工，不论是总体的 设备投入费用，还是施工过程中的维护和消耗费用都要比其它两种运输方式低。3

10、.2关角隧道使用皮带机的必要性(1) 在高原高寒区施工，采用无轨运输系统出碴，内燃机的机械效率大大降低，尾气排放 量增加，工作环境恶化。洞内施工距离长，洞内施工通风困难，7号斜井海拔3800m以上， 按计划共需要施工4620m,其通风难度可想而知。若采用皮带机运输方式就可以减少施工通 风的压力，为洞内创造良好的施工作业环境。(2) 每个斜井施工至正洞后均有四个开挖工作面，所有的进料出碴都要通过斜井。单车道 斜井断面宽5.2m，除去水沟，行车宽只有4.7m。采用无轨运输只能单车行驶，严重影响运 输速度，斜井内车辆负重运行存在较大的安全隐患。若采用皮带机运输的方式，能够保证运 输的安全。(3) 现

11、行施工规范要求仰拱紧跟开挖面，运输车辆通过仰拱时要采用仰拱栈桥，本工程施 工的铺底面距开挖底面高度为1.64米，在栈桥的前端要垫大量的碴才能使车辆通过，这给 仰拱清底造成极大困难，仰拱施工成了瓶颈，制约了开挖进度。若采用皮带机运输方式就不 存在栈桥前端垫碴的问题。(4) 关角隧道施工区在海拔3000m以上，空气中的氧气含量只有平原地区的6070%，作 业人员的劳动效率降低。若采用皮带机运输方式能够减少作业人员劳动强度，提高劳动效率。(5) 目前隧道施工工期滞后计划工期，由于地质原因，实际进度指标达不到施组指标，按 照现有的出碴方式无法赶回工期。若采用皮带机运输方式，每个循环节约2小时，每年节约

12、 时间60.8天，对赶工期有利。3.3皮带机运输方案总体设计在钻爆法隧道施工中主要有开挖、出碴、初期支护、捡底、二 次衬砌这五大主要工序，在不改变原有的施工组织基础上，把皮带机出碴运输系统合理地融 入其中。皮带机运输方案的大体方案是：爆破石碴一挖装机装碴一破碎机破碎一移动皮带机 运输f连续皮带机运输f斜井皮带机运输f洞外。皮带机出碴工作流程：由挖装机将碴土装到移动破碎站上，小于300mm的石碴漏入其下部的移动皮带机上，大于300mm的石碴向下输 送到破碎机内，进行破碎，达到要求的粒径后也进入排料机，由排料机 转到移动皮带机，穿过仰拱施工区、二衬施工区到达连续皮带机，由连 续皮带机将碴土直接输送到出口洞外。4.结论皮带机出碴方式的一次投入设备投入大，以关角隧道出口工区为例，皮带机配置费用约780万元，破碎站每套50万元，挖装机费用130万元，大量设备费用的一次投入造成成本压力加大。但在高原地区的长 大隧道中对改善洞内施工作业环境、降低人员劳动强度，效率优势是明 显的，可以进行皮带机运碴方式的试用。在关角隧道研究连续皮带机出碴，能为钻爆法施工的隧道提供新 的施工模式，改善隧道内的施工环境，提高隧道的施工速度和效率。