0 引言
埋深大、线路长的隧道采用TBM 施工已成为国际上快速开挖隧道的主流，是国内外最先进的隧道施工方法之一，在国内就有很多TBM 隧道开挖工程。随着科技水平的进步，TBM 的出渣方式从原有的有轨运输出渣发展到连续皮带机出渣，由于连续皮带机出渣具有输送能力强、运量大、安全、环保和自动化程度高等特点，已成为隧道出渣运输的主要发展方向，近年来的TBM 隧道开挖大量使用了连续皮带机出渣技术，如锦屏隧道和西秦岭隧道等［1］。TBM 在我国的应用前景广阔，并且在严寒地区应用也较多，尤其是在东北以及新疆等地区。为了减小在严寒地区冬季施工对工程的冻害影响，有关人员进行了大量的工程设计实践，文献［2］以拉法山隧道为例介绍了采用内置保温层、冻结线以下深埋水沟的方案，解决了隧道冻胀问题; 文献［3］介绍了内蒙古伊敏地区室外皮带机输煤系统为适应冬季施工进行的技术改造; 文献［4］介绍了盾构在冬季施工时的一些防冻措施; 文献［5］介绍了新型暖棚法施工技术及应用，充分利用冬季时间进行钢筋混凝土结构施工; 文献［6 － 8］介绍了冬季施工时钢筋、混凝土、输水管路以及钢结构焊接等方面的施工措施。
随着大规模基础设施的建设和隧道施工技术的进步，在铁路、公路、水利工程的隧道及地下工程建设领域，特别是长大隧道以及高原隧道施工中，连续皮带机出渣技术将发挥极其重要的作用。一般连续皮带机出渣时会从洞内带出大量热气和泥水，在低温环境使用时易出现故障，造成停机，影响TBM 施工，因此研究皮带机在严寒环境下如何正常运行非常有必要。目前国内对建筑工程在冬季施工方面的防冻研究已较为广泛，但是对于连续皮带机系统在低温环境下如何稳定运行的研究相对较少，缺少相关经验，给TBM 施工造成一定困难。本文以辽西北供水工程为例，分析洞外皮带机在低温环境下稳定运行的技术难题，有针对性地从多方面进行研究，并采取相应解决方案，有效地提高了皮带机系统的适应能力，保证了TBM 正常施工。
1 工程概况
辽西北供水工程位于辽宁省清原县境内，主体工程采用TBM 施工，所在区域处在中温带湿润区，属温带季风型大陆性气候，其特点是寒冷期长，温度变化较大，四季寒暖、干湿分明。冬季以西北风为主，严寒、干躁，夏季以东南风为主，温热、多雨。多年平均降雨量在800 ～ 1 000 mm，最低气温－ 37． 3 ℃，最高气温37． 2 ℃。结冰期一般在10 月中旬，次年4 月上旬解冻，最大冻土深度在1． 69 m。
TBM 出渣方式为连续皮带机系统出渣，原设计由主洞连续皮带机和支洞皮带机组成，卸渣点在距离洞口10 m 处。后因洞口空间较小，不适宜存放石渣，增设一条洞外皮带机将石渣直接运输到渣场。洞外皮带机从洞口到渣场从半山腰穿过，总长度342 m，皮带机离地面最高12 m，在冬季施工时完全处于－ 30 ℃以下的气温环境。
2 潜在问题
连续皮带机主要由能同步跟进TBM 开挖的连续皮带机、配套支洞皮带机以及洞外转渣皮带机组成，在TBM 开挖时通过3 条皮带机连续、快捷地出渣，完成TBM 的高效施工。连续皮带机出渣与传统出渣方式相比具有适应能力强、输送能力强、速度快、安全和环保等显著优点，但若整个输送系统的1 个单元发生故障会导致全线停机，对施工影响较大。
洞外皮带机作为皮带机运输系统的终端，担负着运输开挖石渣到渣场的任务，一旦出现问题，势必停工。皮带机主要由皮带架、接渣斗、皮带、三联辊、回程托辊、清扫器、主驱动、变频柜、卸渣斗以及导向滚筒等组成。
由于项目工期紧、任务重，必须进行冬季施工才能保证合同工期，根据以往施工经验，洞外皮带机在冬季运行时主要存在以下潜在问题:
1) 由于TBM 掘进过程中带出的石渣存有大量废水，在皮带机卸渣时会将碎渣一起堆放在皮带机下层并冻结，而且冻结范围广、距离长，清理极其困难，每次都需要3 h 以上，最长的一次停机达6 h。如果不及时清理，长时间运转会越积越高损伤皮带。
2) 尽管皮带机的减速机和导向滚筒在入冬之前已更换为低温润滑油和低温润滑脂，但在停止运转后仍会上冻，再次开机时会造成皮带打滑。
3) 皮带主驱动、托辊、皮带和滚筒等在低温环境下不能正常工作，其中皮带在低温环境下会硬化，强行运行有可能导致皮带开裂。
皮带机出现的一系列问题的原因主要是环境温度过低，在－ 30 ℃以下的气温环境运行极其困难，尤其是在夜间运行时更易出现问题。以往冬季施工时洞外皮带机夜间基本不能正常工作，施工进度受到严重影响，工期压力非常大。
3 应对措施
因施工客观环境不能改变，为彻底解决皮带机运行的问题，需提高皮带机的环境温度。总体方案采用保温棚遮盖整个皮带机，起到保温效果，然后在内部进行加热，同时对关键部位采取抗寒处理，从而提高皮带机环境温度。
3． 1 保温棚设计
由于洞外皮带机距离长、空间大，采用常规盖大棚方式不但成本高，而且增温效果差，需对保温棚结构进行研究。因皮带机的结构件离地高度不同，其中近50m 离地高度在3 m 以上，所以保温棚结构应分别设计，以最大程度减少供热空间。
洞外皮带机保温棚骨架采用50 角钢制作，保温棚主结构两侧为泡沫板，顶部为阳光板。左侧为走廊，宽550 mm。根据皮带机离地面高度不同，保温棚设计为架空式和落地式2 种结构，如图1 所示。
图1 洞外皮带机保温棚设计( 单位: mm)
洞口因存在支洞皮带机的落渣斗，故使用大棚保温被进行保暖，如图2 所示。
图2 洞口保温设计( 单位: m)
3． 2 保温方案
洞外皮带机位于半山腰，距离锅炉房远，采用传统供暖存在供水高差大、供水管路防冻困难和锅炉房燃煤费用高等难题，而采用电暖具有维护方便、费用低和制热效果明显等优点。经市场调查，最终选用9 kW工业暖风机。
3． 3 设计计算
洞外皮带机保暖棚全长342 m，其中A 段( 张紧装置到卸渣点) 保暖棚为架空式，长度50 m，截面积5． 45m2，供暖空间为5． 45 × 50 = 272． 5 m3 ; B 段( 洞口到张紧装置) 保暖棚为落地式，长度292 m，架空部分空间为5． 45 × 292 = 1 591． 4 m3，落地部分空间约为253m3，供暖空间为1 591． 4 + 253 = 1 844． 4 m3。主要供暖部位为A 段，在室外温度－ 30 ℃时保温棚内部温度应在0 ℃以上。A 段耗热量计算见表1，通过表1 计算得出A 段的总耗热量为27 000 W。工业暖风机的热量单位为Btu /h，Btu 是英热单位( 英制) ，Btu /h 就是“英热单位每小时”，由于1 Btu =1 055． 056 J，而1 W = 1 J /s，所以1 Btu /s = 1 055． 056W，把s 换为h 就是1 Btu /h = 1 055． 056 ÷ 3 600≈0． 293 W，所以1 台Btu /h 为30 700 的工业暖风机功率为30 700 × 0． 293≈9 kW，则A 段总共需要9 kW 的工业暖风机数量为27 000 /9 000 = 3 台。同样方法计算得出洞口及中间段各需要3 台。暖风机及供电布置见图3。
图3 暖风机及供电布置
表1 A 段耗热量计算
为了验证保温方案的可行性，提前购买暖风机在TBM 大库房内进行测试。TBM 大库房为泡沫板结构，长50 m，宽6 m，高6 m，总空间1 800 m3，与TBM 皮带机A 段保温棚类似。在TBM 大库房安装3 台暖风机使用3 h 后进行检测，室内温度18 ℃，室外温度－ 15 ℃，室内外温差为33 ℃。经验证，此保温方案是可行的。
3． 4 皮带
为减小低温对皮带的影响，洞外皮带采用ST －1000 耐寒型钢丝绳芯皮带。该类型皮带的钢丝除具有拉伸强度大、抗冲击好、寿命长、延展性小、成槽性好和耐曲挠性好等特点外，其覆盖层采用天然胶和顺丁胶并用，弹性好，耐寒性能好，能在－ 45 ℃条件下正常工作，适于我国北方气候寒冷地区使用。
ST － 1000 钢丝皮带主要技术参数如下: 纵向拉伸强度1 000 N/mm; 钢丝绳最大公称直径4． 0 mm;钢丝绳间距1． 5 mm; 上覆盖层厚度5 mm; 下覆盖层厚度5 mm。
针对皮带断裂、皮带机无法正常启动等情况制定应急预案，同时，适当调整拉紧装置，加大皮带的张紧度，以防止打滑。
3． 5 滚筒包胶
滚筒表面的橡胶如果有损伤或脱落时，在有水的情况下可能会结冰，降低摩擦因数，导致皮带打滑，所以要对磨损严重的滚筒进行重新包胶，包胶方式采用陶瓷包胶，以增大其摩擦力。
传统包胶在使用中易老化、硬度值升高，对皮带的附着力低，一般的人字形沟槽橡胶面摩擦因数μ≤0． 3，而陶瓷包胶采用先进的热硫化工艺将表面带有颗粒的耐磨陶瓷按照一定的布局硫化在特种橡胶内，然后粘贴在滚筒表面以代替传统的橡胶，起到增强皮带与滚筒摩擦系数、提高滚筒使用寿命的作用，在最恶劣的污蚀潮湿环境下，摩擦因数μ≥0． 44; 同时，每列陶瓷间的沟槽保证了最大限度地排水排泥，在恶劣环境下保证正常运行。
3． 6 润滑
普通润滑脂最低使用温度为－ 20 ℃，随着温度降低，润滑脂的黏度会变大，润滑效果会变差，所以皮带机需要润滑的部件，如滚筒、托辊等必须在上冻之前更换为低温润滑脂。
低温润滑脂选用长城2 号低温润滑脂，采用高级脂肪酸锂皂稠化半合成油，并加入多效添加剂而制成的光滑均匀油膏，具有较低的启动和运转力矩，在低温环境下能保证润滑部位的良好运转，适于寒冷地区的各类轴承、齿轮及其他机械设备磨擦部位的润滑，使用温度为－ 40 ～ 120 ℃; 同时，具有良好的机械安定性、胶体安定性、氧化安定性和极压性能，能保证使用部位的良好润滑。
长城2 号低温润滑脂典型技术参数如下: 工作锥入度27． 5 mm; 滴点200 ℃; 极压性能( 四球法) PB值618 N; 低温转矩( － 30 ℃) ，起动转矩0． 15 N•m，运转转矩0． 01 N•m; 防腐蚀性( 52 ℃， 48 h) 1 级。
3． 7 控制系统
洞外转渣皮带机控制系统主要由供电柜和变频器组成，其中变频器的环境运行温度为－ 10 ～ 50 ℃。变频器对温度的要求是一个比较严格的指标，变频器因为低温启动发生的损坏，一般不会发生在稳态运行过程中，而是发生在上电瞬间。主要是由于在低温时电解电容的电解液很容易介于固态与液态之间，在上电的时候电容容量较小且存在一定的漏电电流，同时整流模块内部PN 节电子流动相对较小，所以在上电时容易出问题。
为了保证洞外转渣皮带机的良好运转，在入冬前应对控制系统做好防冻措施。在主驱动下方增设配电室存放供电柜和变频器，并在其内部安装暖风机进行供暖。
4 方案实施
4． 1 保温棚安装
首先进行保温棚骨架的制作，通过焊接的方式将角铁固定在皮带机支架上，然后安装保温棚。保温棚在安装时存在缝隙，为达到保温效果，必须全部封堵。
4． 2 洞口保温
大棚保温被面料为牛津布，保温被两面采用牛津布，中间单层防寒毡，1层防水膜。遮盖长度25 m，高度4 m，顶部宽度1． 4 m，两头封堵5 m2，总计240 m2，安装效果如图4 所示。
图4 洞口保温前后对比
4． 3 卸渣点保温
卸渣点是整条转载皮带机的终点，很容易灌入冷风，影响整个保温棚的保温效果。在卸渣点安装2 道挡帘，挡帘上只留出皮带机支架及皮带的出口，将外界冷风控制在保温棚之外。挡帘材料选用大棚保温被和旧皮带。
4． 4 暖风机安装
根据方案设计进行暖风机的安装，首先从两端变压器布置供电电源，然后分段安装暖风机。暖风机安装时出风口保持水平，机体尽量与地面垂直，进风口不可阻塞，出风口用包有隔热材料的配管连接。根据实际情况开启或关闭暖风机，以节约电费。
5 应用效果
在保温棚及暖风机安装完成以后，由专人分时段、分区域对保温棚内外温差进行测量，其中在最低气温－ 32℃时的测量结果如表2 所示。
表2 保温棚内外温差测量
洞外皮带机在整个冬季施工中正常运行，未出现一次导致停机的故障，有效地保障了TBM 的顺利施工，如表3 所示。
表3 洞外皮带机运行效果
6 结论与建议
随着TBM 施工技术在我国的不断推广，连续皮带机出渣技术应用越来越广泛，但在不断解决问题、完善技术的同时也面临着不断出现的新问题。
东北地区气候严寒，工程单位在冬季施工中一般针对混凝土方面的技术措施比较充足，但对洞外皮带机冬季施工的正常运行研究较少。本文以辽西北供水工程为例，介绍了洞外皮带机在冬季低温环境下施工的实际应用，保证了TBM 的正常施工，使隧道按工期顺利贯通; 同时，取得了在严寒地区TBM 皮带机冬季施工的宝贵经验，使连续皮带机出渣体系更加科学、成熟和实用。建议在TBM 施工中充分考虑低温环境对皮带机系统的影响，提前做好防冻措施，根据工程特点选择成本低、效果好的保温方案，今后TBM 在严寒地区的应用会越来越多，对洞外皮带机的保温设计仍然是隧道施工中需要不断创新的课题。
摘自：隧道建设