0前言
近年來,隨著城市基礎建設的迅速發展,國內許多大城市(上海、北京、廣州、武漢、重慶、南京等)都在發展地鐵軌道交通運輸系統,目前制約盾構推進速度的主要問題就是配套運輸系統。以上海地鐵明珠二期南浦大橋站到浦東南路站來計算,按照采用原有間斷運輸方式,由于車輛裝土過程所耗時間多、單位時間運量小,盾構有效工作時間短(據地鐵建設單位介紹,盾構有效工作時間實際不到開機時間的40%),以及運輸距離超過500~700m時,運輸能力嚴重不足等因素,盾構推推停停,每天可推進6~8m。地鐵施工現場大多在繁華的城市街區,其施工場地、環保噪音都受到嚴格的限制,可見原有的運輸方式已嚴重制約了地鐵建設的施工進度。采取垂直提升連續運輸技術取代原來使用多年的陳舊的間斷運輸方法是一種技術革新的趨勢所在。

1主要研究內容和關鍵技術特點
垂直提升連續運輸技術是一種適應性強、提升效率高的物料輸送技術,具有運量大、連續運輸、安全性好、設備占用面積小等特點,特別適合于地鐵隧道施工現場受空間、時間、環保等條件限制的市政工程等項目。2002年以來上海地鐵建設有限公司與煤炭科學研究總院上海分院成立了聯合課題組,針對上海地區地質條件的特殊性以及對環保的嚴格要求等因素進行技術攻關,主要針對不同物理特性的物料(砂性土、粘性土等)進行試驗,以取得相關的試驗數據、設計參數以及針對粘土的卸料、清掃等難點的解決措施。本課題研究的主要內容:(1)垂直提升連續運輸機型選擇,要求系統高效率運行時低噪音、高可靠性。垂直提升連續運輸技術可以通過多種途徑達到目的,根據對上海地鐵工地泥土土質的調研和分析,在煤炭行業連續運輸技術中積累的經驗,確定采用波紋擋邊帶式輸送機來實現。因為波紋擋邊帶式輸送機能根據各種特殊場合的需要,傾角從0~90°任意布置,能實現在極短的距離內,將物料從水平轉換到90°提升的能力。為了取得較好的加料及卸料效果,試驗臺采用Z形布置形式,在尾部水平段加料,在頭部水平段進行卸料。(2)地鐵施工過程中運輸各種不同物料的高適應性要求,從而保證快速連續運輸,達到盾構快速掘進配套運輸的要求。特別是上海特殊土質(黏泥、泥沙)這一國際公認特殊特性物料的要求。
為了滿足地鐵盾構后配套施工的適應性要求,主要的關鍵技術:
(1)波紋擋邊帶的結構、橫隔板形狀及連接技術波紋擋邊帶的基帶、波紋擋邊、橫隔板之間采用較高強度的硫化和螺栓聯接技術,其中波紋擋邊硫化在基帶的兩邊,橫隔板與基帶及波紋擋邊的聯接均采用螺栓緊固,更換方便。
(2)黏土質物料的可靠卸料和清掃技術
在輸送黏土物料時,依靠重力的作用不能將其有效地卸下,留在輸送帶上的殘余物料被帶回回程分支,造成改向滾筒、回程托輥上積垢而導致輸送帶打滑、跑偏、磨損,滾筒、托輥過早損壞,影響輸送機正常運行,故必須用清掃裝置清除粘在輸送帶上的殘余物料。由于波紋擋邊帶具有橫隔板,不能用常用的刮板式清掃器和毛刷式清掃器,可以采用振動式清掃器和噴水式清掃器。噴水式清掃器除了需要充足的水源和高壓泵外,還需要有排污系統或污水處理系統,以滿足城市施工環保要求。香港九廣鐵路西鐵地鐵建設就是使用噴水式清掃器和污水處理系統,但其價格超過盾構和主機的價格,達到幾千萬美元。采用振動式清掃器,在上水平卸料段安裝了由主動拍打器和被動拍打器組合而成的聯合清掃裝置。主動拍打器由電機驅動拍打裝置打擊輸送帶,被動拍打器是一種由若干個沿圓周均布的托輥組成的振動清掃裝置,隨輸送帶運行,托輥間斷地沖擊輸送帶引起振動,兩者的工作原理都是拍打擋邊輸送帶的非工作面,將粘附在擋邊、隔板及基帶上的物料振動下來,達到清掃的目的。拍打器接觸輸送帶的部件必須能轉動,以防止在輸送帶面上滑動接觸,損壞輸送帶。主動拍打器安裝位置距離卸料滾筒應盡可能近,以能使用滾筒面所提供的完全支承的輸送帶平面。拍打器旋轉方向應與卸料滾筒一致,打擊速度和幅度應該都可調節,以取得最佳卸料狀態,并可在發生共振時進行調整。
為了能確保該技術攻關研究的成功,根據煤炭科學研究總院上海分院在煤炭行業連續運輸中積累的技術經驗,并結合上海地鐵的實際情況,先組建模擬工況條件下的試驗臺,通過試驗臺的型式試驗,對垂直提升連續運輸技術在上海地鐵隧道建設工程的應用進行研究試驗,取得了該項技術在隧道工程領域應用的階段性成果。試驗成功后制造出結構更合理的垂直提升連續運輸設備,達到地鐵施工現場的生產要求。

2垂直提升輸送系統的結構概述
垂直提升連續輸送系統由波紋擋邊帶式輸送機(見圖1)和轉載帶式輸送機組成。

波紋擋邊帶式輸送機主要由波紋擋邊輸送帶、驅動裝置、傳動裝置、機尾拉緊裝置、改向裝置和清掃裝置等組成。
2.1波紋擋邊輸送帶
它由基帶、波紋擋邊及橫隔板組成,以普通輸送帶作為基帶,在其兩邊粘結(硫化)上波紋擋邊,并在2條波紋擋邊之間的基帶上,按一定的間距聯接(硫化或用螺栓聯接)上橫隔板。
(1)基帶
基帶的外形與普通輸送帶相同,但橫向剛度一般比普通輸送帶的大。其抗拉體材料(芯層)采用尼龍帆布,主要承受拉力,在芯體的上下面外加特殊加強層,增加橫向剛性,再覆蓋上一定厚度的膠,提高使用壽命。
(2)波紋擋邊
擋邊做成波紋狀是為了使輸送帶能順利地繞過滾筒和凸凹弧區段,以滿足輸送線路的要求。同時也使擋邊上部不會產生過大的附加應力。擋邊的波形可以是齒形、S形、W形和WM形,目前多用S形。
(3)橫隔板
在波紋擋邊之間的基帶上,按一定的間距粘結橫隔板,橫隔板間距是根據輸送量、輸送機傾角和物料粒度等諸多因素來確定的。為了提高輸送能力,避免出現撒料現象,則需要較小的隔板間距。但是為了取得較好的加料和卸料效果,則要求有較大的隔板間距。
2.2驅動裝置
驅動裝置是波紋擋邊輸送機的動力部分,它主要由電動機、聯軸器、減速器和制動器等組成。電機是驅動單元的動力源,通過變頻調速裝置實現無級變速,滿足不同試驗速度的需要。
2.3傳動裝置
傳動裝置主要由傳動滾筒、機頭架等組成。傳動滾筒是將驅動裝置的動力,通過摩擦力傳遞給波紋擋邊帶使之運行的部件。傳動滾筒的表面包上橡膠,增大傳動滾筒與波紋擋邊帶之間的摩擦系數,減小滾筒表面的磨損。
2.4改向輪
改向輪用于擋邊帶凸弧段的下分支或凹弧段的上分支,它們托在或壓在波紋擋邊輸送帶有波紋擋邊和橫隔板的一面,其作用是改變輸送帶運行方向。改向輪有單式和復式2種。單式改向輪支在擋邊輸送帶的空邊上,復式改向輪的大輪支在擋邊輸送帶的空邊上,小輪支在擋邊輸送帶的擋邊頂部。
2.5托輥和擋輥
托輥主要有上托輥、下托輥、緩沖托輥、凸弧段托輥和凹弧段托輥。上托輥用于支承輸送帶及其上的物料,下托輥用于支承輸送帶,緩沖托輥安裝在擋邊機的受料段,以減小物料的沖擊,使之穩定運行,延長輸送帶的使用壽命。凸弧段托輥和凹弧段托輥都是成組使用,相當于改向滾筒,前者用于支承凸弧段輸送帶及其上的物料,后者用于壓住凹弧段輸送帶。波紋擋邊輸送機的托輥都是采用平托輥。擋輥安裝在凸弧段和凹弧段的基帶上分支的兩側,一般成組使用,用于防止輸送帶跑偏。
2.6清掃裝置
清掃裝置用于清掃輸送帶上粘附的物料,本機設有頭部清掃器和尾部清掃器。
在輸送黏性大的物料時,采用一種清掃裝置往往不能把輸送帶完全清掃干凈,可采用聯合清掃裝置。頭部清掃器就是采用了聯合清掃裝置,由主動拍打器和被動拍打器組合而成。工作原理都是拍打擋邊輸送帶的非工作面,從而將粘附在擋邊、隔板、及基帶上的物料振動下來,達到清掃的目的。安裝位置距離卸料滾筒應盡可能近。
尾部清掃器采用普通空段清掃器,靠近機尾改向滾筒安裝,用來清掃撒落在回程分支輸送帶上的物料,防止物料夾在輸送帶與尾部滾筒之間,發生輸送帶跑偏,損壞滾筒和輸送帶,影響輸送機的正常運行。
2.7拉緊裝置
拉緊裝置是使輸送帶具有足夠的張力,保證輸送帶與傳動滾筒之間產生足夠的摩擦力使輸送帶不打滑,并限制輸送帶在各托輥之間的垂度,使輸送機正常運行。本機采用螺旋拉緊裝置,拉緊滾筒安裝在尾架上的滑架中,通過轉動尾架上的螺桿使滾筒前后移動,以調節輸送帶的張力。螺旋拉緊裝置結構簡單,操作方便。
2.8機架
機架是用于支承滾筒、改向輪、改向托輥組及承受輸送帶張力的裝置,本機機架采用了結構緊湊、剛性好、強度高的鋼結構矩形機架。
2.9電氣控制
試驗臺電氣控制采用就地控制,順序啟動,變頻調速,以接觸器、繼電器為主要電氣控制手段。實現對輸送機的起動預警、停車、緊急停車、故障保護等操作,具有電機電流、輸送帶速度和設備運行及故障狀態的LED顯示功能。系統布置故障沿線緊急停車的拉線開關、防跑偏開關、信號電鈴。

3試驗參數選取與結論
本系統的主要技術參數必須與上海地鐵隧道掘進的盾構的主要技術參數相匹配。試驗臺參數的選取盡量符合實際使用工況,根據盾構掘進的尖峰速度計算,盾構的最大出土速度為180t/h,盾構后面轉載帶式輸送機的帶速為1.6m/s,通過設計計算,確定試驗用垂直提升輸送機的主要技術參數如下:

經過對地鐵施工現場不同特性泥土的多次試驗后得出結論如下:
(1)系統驅動裝置主要元部件的性能滿足要求,運行可靠。
(2)波紋擋邊帶的橫隔板采用TC型結構后,橫隔板間距在300mm左右比較合適,間距