《公路交通科技》自1984年創(chuàng)刊以來，以“報(bào)道公路建設(shè)科研成果，展示公路建設(shè)新產(chǎn)品、新技術(shù)”為使命，致力于為公路建設(shè)的科研人員、公路建設(shè)者們服務(wù)。從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、科研到管理方面，《公路交通科技》都緊密結(jié)合工程實(shí)際推出相關(guān)報(bào)道，為我國在公路交通工程建設(shè)作出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
　　【摘 要】在大直徑或超大直徑土壓平衡盾構(gòu)施工中，外運(yùn)渣土數(shù)量將隨盾構(gòu)機(jī)開挖直徑的增大成倍增加，若同時(shí)遇到運(yùn)輸距離長、渣土外運(yùn)重載上坡坡度大等不利工況時(shí)，采取常規(guī)的物料運(yùn)輸方案，會出現(xiàn)物料運(yùn)輸效率低，導(dǎo)致盾構(gòu)施工速度下降。針對大直徑土壓平衡盾構(gòu)施工在長距離物料運(yùn)輸、重載大坡度上坡等不利工況，結(jié)合長株潭城際鐵路盾構(gòu)施工的實(shí)際，綜合采取了雙電機(jī)車重聯(lián)牽引、隧道內(nèi)鋪設(shè)四軌三線運(yùn)輸軌道和盾構(gòu)機(jī)尾部安裝隨盾構(gòu)機(jī)移動的雙開道岔浮放軌等三項(xiàng)措施，與常規(guī)的隧道內(nèi)鋪設(shè)單線軌道的方案相比，物料運(yùn)輸效率提高近一倍，解決了大直徑土壓平衡盾構(gòu)施工物料運(yùn)輸效率低下、盾構(gòu)施工速度慢的難題，該方案有較高的技術(shù)水平，在大直徑和超大直徑土壓平衡盾構(gòu)施工中具有廣泛的推廣和參考價(jià)值。

　　【關(guān)鍵詞】公路交通科技,大直徑,土壓盾構(gòu)機(jī),物料運(yùn)輸,牽引,重量

　　【Abstract】During the construction of EPB with large diameter or even super large diameter， the amount of outlet muck will multiply as per the excavation diameter. If encounter adverse conditions meanwhile， such as long-distance transport and a steep uphill slope with heavy load when deliver out the muck etc.， the material transport efficiency will be low if take the routine material transport plan， causing TBM construction speed reduce. Regarding long-distance transport， steep uphill slope with heavy load and other adverse conditions for EPB with large diameter， combined with the actual TBM construction for ChangZhuTan Intercity Railway， 3 measures about double locomotive traction in series， laying the transport path with 4 tracks and 3 lines in the tunnel， and installation of double curve turnout floating rail movable with TBM in the rear of TBM have been taken comprehensively， Compared with the scheme of laying single track in the tunnel， the material transport efficiency has been improved nearly one time，solving problems of low material transport efficiency and slow TBM construction speed of EPB with large diameter. This scheme has a higher level of technology， and wide range of promotion and reference value for the construction of EPB with large diameter and even super large diameter.

　　【Key words】large-scale earth pressure Shield material handling weight

　　1 引言

　　目前，國內(nèi)盾構(gòu)隧道施工所使用的盾構(gòu)機(jī)基本分為土壓平衡和泥水平衡兩大類，一般情況下，泥水平衡盾構(gòu)機(jī)用于直徑10-15m的大直徑盾構(gòu)隧道，而土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的開挖直徑相對較小，一般用于直徑4-9m的盾構(gòu)隧道，例如，地鐵盾構(gòu)隧道盾構(gòu)機(jī)的開挖直徑一般為6.2-6.3m[1]。泥水平衡盾構(gòu)機(jī)使用泥漿做為載體、利用泥漿泵輸送盾構(gòu)機(jī)開挖下來的渣土，施工期間只需為盾構(gòu)機(jī)運(yùn)輸管片、砂漿等材料，其物料運(yùn)輸工作比較簡單;而土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在施工時(shí)除了運(yùn)輸管片和砂漿等材料外，還需將盾構(gòu)機(jī)開挖下來的渣土運(yùn)輸?shù)焦ぷ骶�井口，其物料運(yùn)輸工作的組織比較復(fù)雜，任務(wù)較為繁重。

　　一般情況下，對于直徑 6m左右的盾構(gòu)隧道，管片的環(huán)寬較窄(一般為1.2-1.5m)，一個(gè)編組列車可完成管片、砂漿和每環(huán)開挖下來的渣土的運(yùn)輸任務(wù);對于直徑9m左右的盾構(gòu)隧道，其管片的環(huán)寬也較寬(一般為1.8m)，每環(huán)開挖下來的渣土較多，在運(yùn)距較近、重載坡度較小的情況下，一般采用兩個(gè)編組完成每環(huán)盾構(gòu)施工的物料運(yùn)輸任務(wù)。在上述兩種情況下，每條隧道配兩個(gè)編組列車，每個(gè)編組采用單機(jī)牽引，隧道內(nèi)鋪設(shè)單線軌道，物料運(yùn)輸相對簡單。對于直徑9m左右的土壓盾構(gòu)隧道，在運(yùn)距較遠(yuǎn)和重載上坡坡度較大的情況下，物料運(yùn)輸組織工作難度較大，需針對相關(guān)因素認(rèn)真研究分析，制定科學(xué)合理的物料運(yùn)輸方案。

　　2 工程概況

　　由我單位施工的長株潭城際鐵路綜合Ⅱ標(biāo)位于湖南省長沙市境內(nèi)，其中樹木嶺隧道為雙洞單線隧道，在長沙火車站附近入洞，在長沙南繞城高速公路附近出洞，全長12.86km，區(qū)間分別采用盾構(gòu)法、明挖暗埋法和礦山法施工。由第一、二臺盾構(gòu)機(jī)施工的盾構(gòu)隧道全長4782m，包括2個(gè)區(qū)間和1個(gè)車站，第1個(gè)區(qū)間位于隧道進(jìn)口工作井～樹木嶺站(DK1+800～4+360)，全長2560m;第2個(gè)區(qū)間位于樹木嶺站～香樟路站(DK4+636～6+582)，全長 1946m，中間在樹木嶺車站過站，車站全長276m。采用2臺直徑9.30m的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)從隧道進(jìn)口工作井向大里程方向同向掘進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)的開挖直徑為9.33m，管片外徑9m，內(nèi)徑8.1m，環(huán)寬1.8m，每環(huán)管片的形式為5+2+1，管片最大重量8t，線路最大坡度為25‰，位于隧道的進(jìn)口。 　　隧道的盾構(gòu)段由第四系人工填土、白堊系(K)及下第三系(E)泥質(zhì)砂巖、礫巖等組成，主要為弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖天然密度為 2.16-2.38t/m3，飽和抗壓強(qiáng)度為1.57-4.97MPa，干燥抗壓強(qiáng)度為4.99-23.5 MPa，據(jù)水文地質(zhì)試驗(yàn)，滲透系數(shù)平均值為0.406m/d，滲透性等級為弱透水，泥質(zhì)粉砂巖自身穩(wěn)固性較差，長時(shí)間暴露遇水后將軟化崩解。

　　3 物料運(yùn)輸方案

　　3.1需運(yùn)輸?shù)牟牧?/p>

　　3.1.1 渣土量

　　盾構(gòu)機(jī)刀盤開挖直徑為9.33m，每環(huán)管片的寬度1.8m，則每環(huán)渣土實(shí)方體積為：

　　=m3

　　式中，D為刀盤開挖直徑(單位m)，H為管片的寬度(單位m)。

　　由于泥質(zhì)粉砂巖遇水極易軟化崩解，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)渣土的松散系數(shù)取1.6，則每環(huán)開挖下來渣土的體積約為：123×1.6≈197m3。

　　3.1.2同步注漿量

　　每環(huán)壁后同步注漿的凈注漿量為：

　　=m3

　　式中，D為刀盤開挖直徑(單位m); D1為管片外徑(單位m);H為管片的寬度(單位m)。

　　3.1.3每環(huán)管片

　　每環(huán)管片由8塊管片組成，包括5塊標(biāo)準(zhǔn)塊、2塊鄰接塊和1塊楔形塊，每塊標(biāo)準(zhǔn)塊或鄰接塊的重量約8t，標(biāo)準(zhǔn)塊的重量約4t，一環(huán)管片總重量約60t。

　　3.1.4其他材料

　　其他材料包括泡沫、油脂、軌枕、鋼軌、冷卻水管、高壓電纜和通風(fēng)管等材料，一般掘進(jìn)一環(huán)或數(shù)環(huán)運(yùn)輸1次。

　　3.2車輛配置

　　3.2.1渣土車配置

　　根據(jù)3.1.1項(xiàng)的計(jì)算結(jié)果，每環(huán)開挖的渣土體積約為197m3，由于在卸倒渣土?xí)r，渣土斗內(nèi)往往會殘留一部份渣土;同時(shí)，盾構(gòu)掘進(jìn)期間為防止刀盤和土艙內(nèi)結(jié)泥餅，需向土艙內(nèi)加注大量自來水和泡沫，故每環(huán)實(shí)際出渣體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過197 m3，我們按250m3/環(huán)考慮，渣土比重取2t/m3，則渣土的重量約為500t/環(huán)，故選擇10個(gè)25m3的渣土斗運(yùn)輸單環(huán)渣土，每個(gè)渣土車運(yùn)輸渣土的重量約為50t，即渣土車的額定載重量應(yīng)為50t(不含渣土車自重)。

　　3.2.2管片運(yùn)輸車的配置

　　每環(huán)管片共8塊、單塊管片重約8t，每輛管片車最多運(yùn)輸3塊管片，3塊管片總重約24t，故選擇3輛載重量為25t的管片車運(yùn)輸管片;同時(shí)，管片車也用來運(yùn)輸其他材料。

　　3.2.3砂漿運(yùn)輸車的配置

　　根據(jù)3.1.2項(xiàng)的計(jì)算結(jié)果，每環(huán)壁后注漿的凈注漿量為8.53m3，由于到本項(xiàng)目盾構(gòu)隧道地面的建、構(gòu)筑物數(shù)量眾多且分布密集，部分區(qū)域的壁后注漿量將會較大，壁后注漿的充填系數(shù)可達(dá)150%，即12.8m3/環(huán)，故選擇2個(gè)容量為10m3的砂漿運(yùn)輸車運(yùn)輸砂漿。

　　3.3列車編組和電機(jī)車的配置

　　3.3.1列車編組

　　由于自盾構(gòu)機(jī)向隧道口外運(yùn)渣土的體積大、重量重，同時(shí)，盾構(gòu)隧道進(jìn)口段的坡度較大，達(dá)到25‰，物料運(yùn)輸車外運(yùn)渣土為重載上坡，綜合考慮上述因素，本項(xiàng)目盾構(gòu)施工每環(huán)掘進(jìn)分2次出渣，配備2個(gè)編組列車外運(yùn)渣土和內(nèi)運(yùn)管片、砂漿等材料，2個(gè)編組列車的編組如下：

　　編組1：包括5輛渣土車、1輛砂漿車和3輛管片車(管片車運(yùn)輸管片);

　　編組2：包括5輛渣土車、1輛砂漿車和2輛管片車(管片車運(yùn)輸軌枕、軌道、泡沫和油脂等材料)。

　　3.3.2 編組列車重量計(jì)算

　　每輛25m3渣土車自重14.4t，根據(jù)3.2.1項(xiàng)的計(jì)算結(jié)果，每環(huán)運(yùn)輸渣土總重約500t;每輛10m3砂漿車自重9.5t，運(yùn)輸10m3砂漿，砂漿比重為1.8t/m3;每輛管片車自重4t，單環(huán)管片重量60t。按3.3.1編組，列車編組1和編組2在進(jìn)、出洞時(shí)需分別牽引物料的重量見表1(含運(yùn)輸車輛自重，不含電機(jī)車自重)。

　　注：由于其他材料重量較輕，表1未考慮其重量

　　從表1可以看出，電機(jī)車所牽引的最大重量出現(xiàn)在編組1出洞時(shí)，最大重量為343.5t;同時(shí)，盾構(gòu)隧道進(jìn)口縱向坡度最大(達(dá)到25‰)，上述2個(gè)最不利因素相疊加，故編組1出洞運(yùn)輸渣土所需電機(jī)車的牽引力最大，為最不利工況，下面計(jì)算電機(jī)車在此工況下的牽引力。

　　3.3.3電機(jī)車的配置

　　25噸電機(jī)車在25‰坡道重載上坡最大牽引噸位計(jì)算

　　Gq=[Fg - P(Wq′+ ig)]/(Wq″+ ig)[2]

　　式中：Fg ：粘著牽引力(單位kN)， Fg=μ×P=0.26×250=65KN

　　μ ：機(jī)車粘著系數(shù)取0.26，μ=0.02+24/(100+4.1V)

　　P ：機(jī)車粘重(單位kN)，25×10=250KN

　　Wq′：機(jī)車單位起動阻力(單位N/kN)，取5N/kN;

　　iq ：坡道阻力系數(shù)取25，(由于最大坡度為25‰，取25;)

　　Wq″：機(jī)車運(yùn)行單位阻力(單位N/kN)， Wg″=3+0.4ig=13N/KN

　　牽引噸位：Gq=[65000 - 250×(5+25)]/(13+25)≈ 151.3(t)

　　同樣，一臺45t電機(jī)車在25‰坡度上坡時(shí)的牽引力為272.3t，根據(jù)表1，編組列車最大重量為343.5t，所以單臺25t或45t電機(jī)車在25‰ 上坡時(shí)的牽引力不能滿足要求，為此，需采取雙機(jī)重聯(lián)牽引。一般情況下，2臺同型號電機(jī)車重聯(lián)的牽引重量為2臺電機(jī)車單臺牽引噸位之和的80%，所以2臺 25t和2臺45t電機(jī)車重聯(lián)的牽引重量為分別為242.1t和435.7t，故采用2臺25t電機(jī)車重聯(lián)牽引不能滿足物料運(yùn)輸需要，需2臺45t電機(jī)車重聯(lián)牽引。

　　由于本項(xiàng)目盾構(gòu)隧道物料運(yùn)輸?shù)臓恳龂嵨患捌碌蓝急容^大，為了保證電機(jī)車的運(yùn)行安全，即制動可靠，需將兩臺電機(jī)車的壓縮空氣儲風(fēng)罐進(jìn)行串接，以增加空氣制動時(shí)的儲風(fēng)量。 　　當(dāng)兩臺電機(jī)車需要重聯(lián)時(shí)，需要解決的是兩臺機(jī)車的力矩均衡。對異步電機(jī)而言，采用從機(jī)跟隨主機(jī)頻率并根據(jù)主、從機(jī)的有功電流差值進(jìn)行轉(zhuǎn)差調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡。

　　主機(jī)與從機(jī)之間采用500Kbps的高速CAN總線進(jìn)行串行通訊，主、從之間僅需要兩根通訊電纜即可實(shí)現(xiàn)交互通訊。在毫秒級時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)握手，實(shí)現(xiàn)了主、從機(jī)之間的快速響應(yīng)�？紤]現(xiàn)場編組方便及操控靈活，采用了命令優(yōu)先的自由主從裁決模式，即首先操作的臺機(jī)率先競爭為主機(jī)，而其它機(jī)車充當(dāng)從機(jī)。

　　3.4軌道的布置

　　在盾構(gòu)機(jī)范圍內(nèi)和隧道內(nèi)均鋪設(shè)4軌3線，相鄰2條軌道的軌距均為970mm。在盾構(gòu)機(jī)范圍內(nèi)，盾構(gòu)機(jī)的后配套臺車行走在最外側(cè)2根軌道上，軌距為 2910mm，電機(jī)車行走在內(nèi)側(cè)的2根軌道上，即對于物料運(yùn)輸車，盾構(gòu)機(jī)內(nèi)側(cè)為單線軌道;隧道內(nèi)物料運(yùn)輸車行走在外側(cè)的2兩根軌道上，即隧道內(nèi)為雙線軌道。

　　在盾構(gòu)機(jī)的尾部安裝一套雙開道岔浮放軌，將盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部物料運(yùn)輸車的單線軌道與隧道內(nèi)的雙線軌道連接起來，在隧道內(nèi)運(yùn)行的物料運(yùn)輸車可通過雙開道岔浮放軌進(jìn)入到盾構(gòu)機(jī)后配套臺車內(nèi)的中部(即中間2根軌道);通過人工操作雙開道岔浮放軌的道岔機(jī)，在盾構(gòu)機(jī)后配套臺車內(nèi)的物料運(yùn)輸車可通過雙開道岔浮放軌進(jìn)入到隧道兩條線中的任意一條線上。雙開道岔浮放軌為可移動式，由盾構(gòu)機(jī)牽引，隨盾構(gòu)機(jī)同步向前移動，操作方便。雙開道岔浮放軌見圖1所示。

　　由于盾構(gòu)隧道內(nèi)鋪設(shè)雙線軌道，隧道內(nèi)可獨(dú)立同時(shí)運(yùn)行2個(gè)列車編組，針對長距離物料運(yùn)輸而言，與隧道內(nèi)鋪設(shè)單線軌道的方案相比，該方案物料運(yùn)輸?shù)男�率提高近一倍，極大地提高了盾構(gòu)施工的速度。

　　3.5物料運(yùn)輸?shù)慕M織

　　盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)前，編組1運(yùn)輸1環(huán)管片和1車砂漿到盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部，將砂漿注入到盾構(gòu)機(jī)上的固定砂漿罐后，盾構(gòu)機(jī)開始掘進(jìn)，編組1盛裝盾構(gòu)機(jī)開挖下來的渣土，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)期間，盾構(gòu)機(jī)上的起重機(jī)將編組列車運(yùn)輸?shù)墓芷�卸到盾�?gòu)機(jī)的喂片機(jī)上;編組2在裝了1車砂漿和軌枕、軌道等材料后進(jìn)隧道，停在盾構(gòu)機(jī)的尾部。在編組 1裝滿渣土后，盾構(gòu)機(jī)暫停掘進(jìn)，編組1駛出盾構(gòu)機(jī)，待編組1通過雙開道岔浮放軌駛離盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入隧道內(nèi)的軌道后(未被編組2占用的軌道)，通過操作雙開道岔浮放軌，編組2駛?cè)攵軜?gòu)機(jī)內(nèi)部，盾構(gòu)機(jī)恢復(fù)掘進(jìn)，編組2盛裝渣土，同時(shí)，將編組2運(yùn)輸?shù)纳皾{注入到盾構(gòu)機(jī)上的固定砂漿罐內(nèi)，并將其他材料卸到相關(guān)部位。待編組1行駛到始發(fā)井井口后卸渣土，同時(shí)，在井口裝下1環(huán)掘進(jìn)所需的管片和砂漿。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)完成1環(huán)的掘進(jìn)后，編組2運(yùn)輸渣土出隧道卸渣土，并在井口裝砂漿、泡沫、軌枕和鋼軌等材料，編組1卸完渣土、裝完管片和砂漿后進(jìn)隧道，盾構(gòu)機(jī)開始下一個(gè)循環(huán)。盾構(gòu)掘進(jìn)物料運(yùn)輸時(shí)序表見表2所示。

　　說明：盾構(gòu)機(jī)平均掘進(jìn)速度按40mm/min，每環(huán)掘進(jìn)時(shí)間為45min，半環(huán)22.5min;拼裝管片時(shí)間按45min，每個(gè)編組出渣、裝砂漿和下管片時(shí)間按 50min，隧道長度取4km，列車進(jìn)洞(空載)速度按8km/h，所需時(shí)間為30min，列車出洞(重載)速度按5km/h，所需時(shí)間為48min，兩個(gè)編組在盾構(gòu)機(jī)尾部錯(cuò)車時(shí)間取10min。

　　通過《盾構(gòu)掘進(jìn)物料運(yùn)輸時(shí)序表》可以看出，按我們制訂的物料運(yùn)輸方案，理論上，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)到距離井口4km位置附近時(shí)，每個(gè)循環(huán)的周期約為150min，其中相鄰兩環(huán)之間盾構(gòu)機(jī)停機(jī)等待時(shí)間約為50min，理論上，若24h不間斷作業(yè)，每臺盾構(gòu)機(jī)每天可掘進(jìn)9.6環(huán)。在實(shí)際的盾構(gòu)掘進(jìn)施工中，受各種因素影響(例如設(shè)備故障、各工序配合銜接和地面外運(yùn)渣土不及時(shí)等)，實(shí)際的掘進(jìn)指標(biāo)平均為5-7環(huán) /d。

　　4 結(jié)語

　　在大直徑和超大直徑土壓平衡盾構(gòu)的施工中，物料運(yùn)輸方案的選擇非常重要，將直接影響盾構(gòu)施工的進(jìn)度和施工效率。在制定大直徑土壓平衡盾構(gòu)的物料運(yùn)輸方案時(shí)，應(yīng)根據(jù)盾構(gòu)機(jī)開挖直徑、隧道的地質(zhì)情況、渣土的特性、隧道長度、隧道的縱坡和電機(jī)車的最大牽引力等因素綜合考慮，制定可行的運(yùn)輸方案。在長株潭城際鐵路盾構(gòu)隧道施工過程中，我們結(jié)合相關(guān)因素，經(jīng)多次研究、討論，制定了物料運(yùn)輸方案，在本項(xiàng)目盾構(gòu)施工過程中，平均日掘進(jìn)6環(huán)(10.8m)，平均月掘進(jìn)175環(huán)(315m)，最快日掘進(jìn)14環(huán)(25.2m)，經(jīng)實(shí)踐證明，物料運(yùn)輸方案科學(xué)、合理，完全能夠滿足盾構(gòu)施工需要。

　　參考文獻(xiàn)：

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