临海大体量土石方长距离皮带输送技术*

卢建文，蔡庆军，王朝龙，胡 帅，张胜阳

(中国建筑第八工程局有限公司华南分公司，广东 广州 510663)

1 工程概述

深圳宝安国际机场卫星厅及配套工程位于该机场T3航站楼北侧，为滨海滩涂地貌造陆而成，距海岸东侧约1km。T3航站楼西南侧现有机场码头，且场内附近的海堤路通向码头。

土石方外运总计约114万m3，根据地质勘察资料，外运土石方以回填素土和淤泥为主，含少量粉质黏土与砂质土等，土质种类多，各类土石方性质差异大。土石方工程分布如图1所示。

2 土石方运输方案

在工期紧张、场地道路受限、临近码头等因素下，参考散货码头及矿山行业中物料运输的皮带输送机技术，以机场码头作为弃土点，海堤路作为主要运输通道，创新提出采用皮带输送机输送土石方的方法，打造国内临海地区最长距离皮带输送机传输淤泥质土的先例。针对长距离土石方外运、运输体量大、装船及土石方多样等情况，对皮带输送机输送技术进行改良。

3 设计难点

1)皮带输送机的布置 皮带输送机线路总长为7.5km,设备费用一次性投入大，皮带输送机需根据项目周边环境与特点进行合理布置，同时考虑可行性、经济性、工期、运输效率、用电等情况，施工内容综合且复杂。

2)皮带输送机应用技术 本项目外运土石方方量大、土质种类多、差异性大，应综合考虑输送带清理、绿色施工、天气影响、后期维保、各类土质运输等因素，需研究出适用于本工程土石方外运的皮带输送系统和技术。

3)土石方装筛 由于外弃土石方中含有大量大小不一的石子，若直接未经筛选装料，土内大块径石子将直接砸向输送带，严重影响输送带的使用寿命。

4)土石方装船 土石方装船的皮带输送机方案直接影响土石方装船效率和单船装土量，设计与施工应确保安全可靠和高效稳定。

4 临海大体量土石方长距离皮带输送系统设计原理

皮带输送机的土石方运输原理是通过在装土点和弃土点间直接搭设固定式皮带输送机，缩短土石方运输距离，皮带输送机运输土石方时稳定高效，可降低对道路的依赖。由于工程中业态单体分布分散，结合工程特点与周边环境，因地制宜确定皮带运输线路，工程场地内出土点土石方采用泥头车集中运输至土石方中转场，土石方在中转场通过总长度7.5km的皮带输送机运输。输送机经海堤路、沿江高速桥底直至机场码头，利用皮带输送机直接卸土装船。土石方运输路线如图2所示。

图2 土石方运输路线

4.1 施工流程

长距离皮带输送流程如下：场地选址及设备布置→定位放线→输送系统基础施工→安装输送系统(装筛系统+长距离运输系统+绿色施工系统+卸土装船系统)→单机调试→空载与负载试运行→土石方运输应用。

4.2 输送系统分部组成

对皮带输送机系统进行研究，以适应本工程滨海滩涂地区大体量土石方长距离皮带运输施工，在原有皮带输送机系统基础上提出以下组成分部：①土石方装筛系统 在运输效率要求高且土质多样的前提下，提出快速有效、简易施工的土石方筛分技术，并制成工具；②长距离输送系统 针对7.5km长的皮带输送系统，选择配置合理、相互协同工作的系统构件，以在长距离运输过程中达到高效运转、正常使用及配合维保的效果；③卸土装船系统 在既有机场码头上搭建可靠稳定的皮带输送机卸土机架，提高装船效率和单船装土量，同时确保装船期间安全施工；④绿色施工系统 针对皮带输送机土石方运输特点制定安全防护、环境保护及节约资源的措施与装置，提高输送机适应性，并不易受外部因素干扰制约工作。长距离皮带输送系统如图3所示。

图3 长距离皮带输送系统

5 皮带输送机土石方装筛系统

5.1 装筛流程

装筛流程如下：挖掘机翻料初步筛除石子→淤泥质土添加土进行拌合→振动筛分机筛除石子→土石方经过短途皮带输送机→自动吸铁器筛除铁件→土石方归堆→破碎再利用。

5.2 工艺原理

在中转场内翻土递料时，安排部分挖掘机负责初步筛查外运土石方石子。为避免筛除的石子掺杂大量土石方，在挖掘机上安装斗底，可一次完成挖掘与初步分离。

土石方初步筛除石子后，利用挖掘机装给料至土石方振动筛分机，可快速有效筛除粒径>40cm的石子，并进行集中清理。

该地区外运土石方中含有大量软塑状淤泥，无法正常利用振动筛分机进行装筛处理，淤泥土装料前应加入等量干性回填土与黏土，利用挖掘机进行简单拌合后装料至振动筛分机。

在皮带输送机装筛范围末端安装自动吸铁器，混杂在土石方中的铁件被吸附后，由卸铁皮带抛出，可有效防止输送带被不明铁件划裂。

5.3 土石方振动筛分装置设计

在皮带输送机上方安装土石方振动筛分装置可自动筛分土石方，在挖掘机装料过程中，筛分出的大块石子顺筛面坡滑至筛箱尾部后集中归堆，泥土和小块石子经振动筛分后直接落至输送机皮带上。

土石方振动筛分装置中的筛面与水平倾角呈20°，筛面分为内龙骨与外龙骨，需具有足够刚度以保证在恶劣装料环境下的耐久性。内龙骨采用厚壁钢管，水平且垂直于坡面方向布置，间距40cm，两侧焊接于2m×6m的振动筛箱内。外龙骨采用200mm(高)×20mm(厚)的钢板焊接于内龙骨上，沿坡面方向布置，间距40cm，振动采用偏心式，在电机驱动下可利用离心力提高坡面筛料效率。筛分机最大振动加速度为4.5g，振动次数764r/min，双振幅为10～14mm。

为降低装筛料对长距离皮带输送机的整体影响，每台振动筛分机均设置一段独立的短途皮带输送机。土石方通过振动筛分机筛面落至短途皮带输送机，再运输至长距离皮带输送机上。土石方振动筛分机如图4所示。

图4 土石方振动筛分机示意

表1 皮带机输送系统

6 皮带输送机长距离土石方运输系统

土石方中转场至机场码头约7.5km，且路线存在长直线段及部分转折和弯曲路段，地形复杂，需综合安装、维保、造价、环保、节能和土石方运输管理等因素，设计合理的长距离皮带输送机系统，优化整体输送路线方案，确保外运系统技术可行、高效运作、经济合理。

6.1 输送机布置

本工程固定式皮带输送机沿路线进行布置，根据设备技术标准在路线行程转弯处、超长直线线路中部、地形或建筑发生巨变处设置输送机分段。单机路线不宜超过 3～4km，转弯半径<2 000m的弧形线路应在中部设置输送机分段，且保持每段输送机路线转弯半径<2 000m。

为确保分段输送机间的转载，前段输送机头架范围逐渐爬坡，并与下段输送机尾架形成高差，根据输送带性质、运输土质(内摩擦角及黏聚力)与系统控制可靠性，限制爬坡角度与线路最大水平倾角≤13°。 在皮带输送机爬坡顶部设置自动逆止器，避免皮带输送机暂停或动力不足时皮带反向运转。

6.2 运输系统构件选型

外运土石方中含有腐蚀性地下水，根据输送带长度、耐冲击等性能选择耐腐蚀的输送带材质，分段距离长或抗冲击要求高的输送机选用ST钢丝绳芯输送带，中短分段距离或抗冲击要求不高的输送机选用EP输送带。

为保证输送带具有足够张力，使皮带输送机正常运行，在每段皮带输送机机头下设置拉紧装置，根据分段长度与安装高度选择拉紧装置类型，行程较短的输送机采用螺旋拉紧方式，中长距离且高度不受限的输送机采用重力式拉紧方式，高度受限或长距离输送机采用液压拉紧方式。

经综合考虑，为满足外运效率需求，皮带输送机设计运转速率为3.15m/s，整体输送带宽1.2m，为确保装筛料顺利施工，起始段带宽1.4m。

结合本工程特点，对皮带输送机中输送带的选型、拉紧形式及电机等主要组成构件进行优化选择，如表1所示。

6.3 防跑偏技术

长距离输送系统中，为避免土石方装料不均匀和托辊转动不灵等导致皮带严重跑偏，每隔10组托辊设置1道上、下调心托辊组，以自动纠正皮带方向，皮带输送机每隔20m设置1对输送带跑偏报警器，成对安装于皮带两侧，并与皮带距离约5cm，跑偏开关带地址编码功能，可反馈相应位置至中控系统。

皮带输送机竖向凹弧段易过度松弛，造成运输土石方洒落或输送带跑偏，通过在输送带两侧增设压带轮，每个凹弧段设置≥3组，保证输送带紧贴在托辊上。凸弧段易抛出土石方，应在凸弧下落段安装导料槽或封闭护罩进行过渡调整。

6.4 安装流程

长距离皮带输送机安装流程如下：工厂加工构件→现场测量定位放点→输送机基础(含埋件)施工→安装机架钢结构与动力装置(既有基础上采用后置锚栓固定)→安装中间架(既有基础上采用后置锚栓固定)→安装托辊支架→复核位置与尺寸→安装托辊→测量复核→铺设与连接输送带→安装纠偏等配套装置→校核→试车→运行。

6.5 安装要点

1)通过测量定位放点，确定皮带输送机头轮、尾轮的位置及基础，再确定输送机的中心线，以此为基准进行安装。

2)按照中心线安装输送机架(桁架)与中间架，安装后任意25m长度内的直线度应≤5mm。

3)托辊组主要承托输送带和物料，保证输送带垂度不超过限定值，托辊安装质量关系全线输送带的运作。在中间架上安装托辊支架和托辊时，待检查尺寸偏差均符合要求后再拧紧安装螺栓。托辊组的安装要求如下：①在水平或倾斜地形上安装托辊，辊子上部各表面均应位于同一平面、成排平行，输送机凹弧段或凸弧段上的托辊应在同一半径弧面上；②相邻3组托辊辊子间的高差≤2.0mm，竖向波动幅度每100m不超过5mm；③当测量长度≤10m时，托辊轴线中心偏差分别不超过±5，±9mm。

4)现场使用硫化接头连接输送带，连接接头施工完成后检测接头强度，接头强度不低于母体强度的90%。输送带连接后应保持平顺，每10m的直线度应≤20mm。

7 皮带输送机卸土装船施工

7.1 既有码头上的卸土输送架安装施工

为确保土石方装船效率和单船装土量，在既有码头上安装悬臂钢架至船泊点上方，土石方运输至悬臂端头后落入运土船。码头水位随时变化，泥尾布料存在较大的安全风险，悬臂钢架设计为俯仰式皮带输送机绞架形式，可随时调节高度，避免机架与船体发生碰撞。

在既有码头上植入φ16化学锚栓并安装锚板，再安装A形改向绳轮塔架。在改向绳轮塔架向陆侧安装固定机架，向海侧铰接安装可调机架，可调机架头部伸出位置应略超出运土船中部。在背海侧设置固定平台，并安装卷扬电机。拉索一端连接卷扬电机，另一端牵引可调机架头部。通过控制卷扬电机绳索调整可调机架的俯仰角度，以调整至最佳落料点。在可调机架上安装防坠拉杆以确保输送机与运土船安全。俯仰式皮带输送机头部安装落料钢制护罩，避免不同土质抛物线对土石方落料点的影响。卸土输送架如图5所示。

图5 卸土输送架

7.2 皮带输送机的土石方装船施工

皮带输送机装船前，首先调整俯仰式皮带输送机的可调机架倾角，确定头部至船中位置的落料点后，开始卸土装船。卸土装船时通过调节机架倾角与前后移动运土船，使运土船的装土量达到最佳效果。

卸土装船时通过移动运土船达到前后分区、高度分层装料的效果，避免集中装料造成船体倾覆。

8 皮带输送机土石方运输的绿色施工系统

皮带输送机外运土石方过程中易引起大量扬尘、渣土等，且由于输送机为临海布置，土石方运输过程易受风雨天气影响，为满足需求，在输送机分段处安装封闭式料斗，并在全线输送机上安装防雨罩。

8.1 封闭式料斗

皮带运输机上的封闭式料斗结合其头部构件与使用功能可进行二次设计，具体如下：①封闭料斗除进出料口位置外均为全封闭设置，整体材质主要为Q235钢，可在土石方抛物线冲击范围内提高材质刚度；②土石方运输时构件损耗较大，封闭料斗内应设置开关检修口，及皮带输送机头部清扫器更换与安装孔洞等；③封闭式料斗的出料筒需满足导料功能，采用螺栓连接方式，拆卸方便，可更换出料筒以适应不同工况下的物料输送；④入料口设置防尘胶条，防止扬尘从入料口溢出。封闭式料斗如图6所示。

图6 封闭式料斗示意

封闭式料斗为工厂化加工，根据钢架安装图，结合输送机钢架安装料斗钢梁，封闭式料斗在地面进行拼装，并提前插入皮带清扫器，安装完皮带输送机后，再吊装封闭式料斗至输送机机架上，料斗上的钢牛腿与钢梁螺栓孔对准后安装螺栓进行固定，最终焊接固定输送机头部的清扫器。

8.2 可收缩防雨装置

输送机上部整体采用彩钢瓦防雨罩进行防护，在部分经常维保的范围内安装可收缩防雨装置，以便于开展皮带输送机的维修工作。可收缩防雨罩由立柱与横梁组成简易钢制框架，钢制框架间通过销轴连接调节支杆，在立柱底部设置滑轮、导槽形成可收缩移动的整体支架体系，防雨罩罩面采用柔性防水的韧性布料。维修使用时通过推动框架达到防雨罩开闭效果。皮带式输送机可收缩防雨罩如图7所示。

图7 可收缩防雨罩

8.3 多类型清扫器组合清理输送带

皮带输送机运输土石方期间，土石方易粘附于输送带上，若不及时清理，附着的土石方易卷入机器部件中损坏机器，且污染周边环境。因此，需在皮带末端设置有效的清理装置以保护机器。

为适应各类土质的清理，采用多类型清扫器结合方式，安装要求如下：①H，P形清扫器分别安装于头部驱动滚筒中心水平线下5°切点和中心正下方5°切点位置(见图8)；②硬质合金清扫器安装于输送带回程段工作面下方，安装多道于冲水装置前后端；③V形清扫器安装于输送带回程段非工作面上方，V字头需指向输送带运行的反方向。

图8 H形与P形清扫器安装

H，P形清扫器作为输送机的第1,2道清扫器，对输送带上附着黏土的清理作用十分关键。H，P形清扫器安装时需调整橡胶刮刀与输送带面平行，清扫长度不低于带宽90%，利用橡胶刮刀的弹性，施加接触压力100～150N，可保证在不损坏输送带前提下，满足素填土、可塑状黏土、可塑状砂质黏土及可塑～软塑状淤泥的清理。

8.4 水循环皮带清理装置

输送带上部分附着的土石方需通过冲水清理，但易产生泥浆，污染周边环境。水循环皮带清理装置中，在输送机机架上焊接固定多喷头的高压冲水管与合金清扫器，高压冲水方向与回程带输送带夹角为45°～60°，可在高压冲水位置前后端分别设置1道或多道合金清扫器(见图9)。粘附在回程段输送带下的泥土通过前端合金清扫器进行初步刮除，利用高压水进一步冲洗输送带和软化泥土，最终利用后端合金清扫器刮除仍粘附在输送带上的泥浆与软化泥土。通过封闭式集水漏斗汇集污水，引流至三级沉淀箱，经沉淀后的清水连通抽水泵与高压泵后，形成闭合水回路，达到水循环作用。

图9 水循环皮带清理装置

9 应用效果及效益分析

9.1 应用效果

临海大体量土石方长距离皮带输送系统已在该项工程中获得成功应用。多个出土点可同时采用泥头车转运至土石方中转场，利用本系统输送外运土石方至码头上船，并通过输送机上的计量装置与中控系统了解每日出土质量，根据地质勘察资料测算日均出土量最高可达10 000余m3，有效解决泥头车土石方外运受限问题，保证土石方外运顺利进行，降低对周边及城市道路交通路况的依赖，降低泥头车交通限制对工期的制约影响，为关键线路争取93d工期。

9.2 效益分析

根据皮带输送机运输土石方的使用情况，皮带输送系统比常规泥头车外运单价低，在合理布置设计下，具有极高的创效潜能。目前共76万m3土石方利用皮带输送机进行外运，采用电力驱动运输的水电费用约8.4元/m3，综合考虑船运费用、设备投入费用与其他运维费用后，约比泥头车外运费用节省6 000万元。

10 临海大体量土石方长距离皮带输送系统特点

10.1 缩短运距

皮带输送机土石方外运系统可在非行车通道或场地，甚至在出土、弃土点间的直线距离上进行合理布置，因地制宜减少运输距离。

10.2 土质适应性强

本系统对干性、砂质或松散土质尤为适用，通过对土石方装筛料、长距离运输、装船和清理保养等系统组成进行研究与改良，可满足大部分土质，甚至软塑状淤泥质土的外运需求。

10.3 绿色施工

该技术可大量减少城市道路上的遗土、扬尘、噪声、汽车尾气等污染，同时节约清洗水。

10.4 高效稳定

皮带输送机外运土石方对城市道路的依赖性低，运输效率不受道路拥堵等路况制约，每日最高运输方量可达万余立方米。在封闭式皮带运输条件下，土石方运输施工不受风雨天气影响。

10.5 经济合理

皮带输送系统的一次性投入高，达(400～600)万元/km，故运输线路和场地选择需谨慎，必须通过多次优化与论证后才可实施。相比泥头车运输土石方长距离皮带输送系统极大降低外运单价，在均摊设备等一次投入后，本系统显得尤为经济适用。

11 结语

随着城市对泥头车的管制日益严格，大型土石方工程外运工作难以高效开展。深圳宝安国际机场卫星厅及配套工程创新提出并成功应用临海大体量土石方长距离皮带输送系统及应用技术，不仅为工期履约打下基础，也为临海大体量土石方外运工程提出新思路。