王志成

(中鐵十四局集團有限公司,山東濟南 250014)

大直徑土壓平衡盾構(gòu)施工物料運輸技術(shù)

王志成

(中鐵十四局集團有限公司,山東濟南 250014)

在大直徑或超大直徑土壓平衡盾構(gòu)施工中,外運渣土數(shù)量將隨盾構(gòu)機開挖直徑的增大成倍增加,若同時遇到運輸距離長、渣土外運重載上坡坡度大等不利工況時,采取常規(guī)的物料運輸方案,會出現(xiàn)物料運輸效率低,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)施工的實際,綜合采取了雙電機車重聯(lián)牽引、隧道內(nèi)鋪設(shè)四軌三線運輸軌道和盾構(gòu)機尾部安裝隨盾構(gòu)機移動的雙開道岔浮放軌等三項措施,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值。

大直徑 土壓盾構(gòu)機 物料運輸 牽引 重量

1 引言

目前，國內(nèi)盾構(gòu)隧道施工所使用的盾構(gòu)機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)機用于直徑10-15m的大直徑盾構(gòu)隧道，而土壓平衡盾構(gòu)機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)機的開挖直徑一般為6．2-6．3m[1]。泥水平衡盾構(gòu)機使用泥漿做為載體、利用泥漿泵輸送盾構(gòu)機開挖下來的渣土，施工期間只需為盾構(gòu)機運輸管片、砂漿等材料，其物料運輸工作比較簡單；而土壓平衡盾構(gòu)機在施工時除了運輸管片和砂漿等材料外，還需將盾構(gòu)機開挖下來的渣土運輸?shù)焦ぷ骶冢湮锪线\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)，一個編組列車可完成管片、砂漿和每環(huán)開挖下來的渣土的運輸任務(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，在運距較近、重載坡度較小的情況下，一般采用兩個編組完成每環(huán)盾構(gòu)施工的物料運輸任務(wù)。在上述兩種情況下，每條隧道配兩個編組列車，每個編組采用單機牽引，隧道內(nèi)鋪設(shè)單線軌道，物料運輸相對簡單。對于直徑9m左右的土壓盾構(gòu)隧道，在運距較遠(yuǎn)和重載上坡坡度較大的情況下，物料運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)合理的物料運輸方案。

表1 編組1和編組2進出洞需牽引物料重量表 t

表2 盾構(gòu)掘進物料運輸車時序表 min

圖1 雙開道岔浮放軌

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)機施工的盾構(gòu)隧道全長4782m，包括2個區(qū)間和1個車站，第1個區(qū)間位于隧道進口工作井～樹木嶺站(DK1+800～4+360)，全長2560m；第2個區(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)機從隧道進口工作井向大里程方向同向掘進，盾構(gòu)機的開挖直徑為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，飽和抗壓強度為1．57-4．97MPa，干燥抗壓強度為4．99-23．5 MPa，據(jù)水文地質(zhì)試驗，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，長時間暴露遇水后將軟化崩解。

3 物料運輸方案

3.1 需運輸?shù)牟牧?/h3>

3.1.1 渣土量

盾構(gòu)機刀盤開挖直徑為9．33m，每環(huán)管片的寬度1．8m，則每環(huán)渣土實方體積為：

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：

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，一般掘進一環(huán)或數(shù)環(huán)運輸1次。

3.2 車輛配置

3.2.1 渣土車配置

根據(jù)3．1．1項的計算結(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，盾構(gòu)掘進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)實際出渣體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過197m3，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25m3的渣土斗運輸單環(huán)渣土，每個渣土車運輸渣土的重量約為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的管片車運輸管片；同時，管片車也用來運輸其他材料。

3.2.3 砂漿運輸車的配置

根據(jù)3．1．2項的計算結(jié)果，每環(huán)壁后注漿的凈注漿量為8．53m3，由于到本項目盾構(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個容量為10m3的砂漿運輸車運輸砂漿。

3.3 列車編組和電機車的配置

3.3.1 列車編組

由于自盾構(gòu)機向隧道口外運渣土的體積大、重量重，同時，盾構(gòu)隧道進口段的坡度較大，達(dá)到25‰，物料運輸車外運渣土為重載上坡，綜合考慮上述因素，本項目盾構(gòu)施工每環(huán)掘進分2次出渣，配備2個編組列車外運渣土和內(nèi)運管片、砂漿等材料，2個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(管片車運輸軌枕、軌道、泡沫和油脂等材料)。

3.3.2 編組列車重量計算

每輛25m3渣土車自重14．4t，根據(jù)3．2．1項的計算結(jié)果，每環(huán)運輸渣土總重約500t；每輛10m3砂漿車自重9．5t，運輸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、出洞時需分別牽引物料的重量見表1(含運輸車輛自重，不含電機車自重)。

從表1可以看出，電機車所牽引的最大重量出現(xiàn)在編組1出洞時，最大重量為343．5t；同時，盾構(gòu)隧道進口縱向坡度最大(達(dá)到25‰)，上述2個最不利因素相疊加，故編組1出洞運輸渣土所需電機車的牽引力最大，為最不利工況，下面計算電機車在此工況下的牽引力。

3.3.3 電機車的配置

25噸電機車在25‰坡道重載上坡最大牽引噸位計算

Gq=[Fg-P(Wq′+ig)]/(Wq″+ig)[2]

式中：Fg：粘著牽引力(單位kN)，F(xiàn)g=μ×P=0．26×250=65KN

μ：機車粘著系數(shù)取0．26，μ=0．02+24/(100+4．1V)（V為電機車的速度，取0）

P：機車粘重(單位kN)，25×10=250KN

Wq′：機車單位起動阻力(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″：機車運行單位阻力(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電機車在25‰坡度上坡時的牽引力為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電機車在25‰上坡時的牽引力不能滿足要求，為此，需采取雙機重聯(lián)牽引。一般情況下，2臺同型號電機車重聯(lián)的牽引重量為2臺電機車單臺牽引噸位之和的80%，所以2臺25t和2臺45t電機車重聯(lián)的牽引重量為分別為242．1t和435．7t，故采用2臺25t電機車重聯(lián)牽引不能滿足物料運輸需要，需2臺45t電機車重聯(lián)牽引。

由于本項目盾構(gòu)隧道物料運輸?shù)臓恳龂嵨患捌碌蓝急容^大，為了保證電機車的運行安全，即制動可靠，需將兩臺電機車的壓縮空氣儲風(fēng)罐進行串接，以增加空氣制動時的儲風(fēng)量。

當(dāng)兩臺電機車需要重聯(lián)時，需要解決的是兩臺機車的力矩均衡。對異步電機而言，采用從機跟隨主機頻率并根據(jù)主、從機的有功電流差值進行轉(zhuǎn)差調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)負(fù)載平衡。

主機與從機之間采用500Kbps的高速CAN總線進行串行通訊，主、從之間僅需要兩根通訊電纜即可實現(xiàn)交互通訊。在毫秒級時間內(nèi)實現(xiàn)數(shù)據(jù)握手，實現(xiàn)了主、從機之間的快速響應(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，即首先操作的臺機率先競爭為主機，而其它機車充當(dāng)從機。

3.4 軌道的布置

在盾構(gòu)機范圍內(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)機范圍內(nèi)，盾構(gòu)機的后配套臺車行走在最外側(cè)2根軌道上，軌距為2910mm，電機車行走在內(nèi)側(cè)的2根軌道上，即對于物料運輸車，盾構(gòu)機內(nèi)側(cè)為單線軌道；隧道內(nèi)物料運輸車行走在外側(cè)的2兩根軌道上，即隧道內(nèi)為雙線軌道。

在盾構(gòu)機的尾部安裝一套雙開道岔浮放軌，將盾構(gòu)機內(nèi)部物料運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)運行的物料運輸車可通過雙開道岔浮放軌進入到盾構(gòu)機后配套臺車內(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，在盾構(gòu)機后配套臺車內(nèi)的物料運輸車可通過雙開道岔浮放軌進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)機牽引，隨盾構(gòu)機同步向前移動，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)可獨立同時運行2個列車編組，針對長距離物料運輸而言，與隧道內(nèi)鋪設(shè)單線軌道的方案相比，該方案物料運輸?shù)男侍岣呓槐?，極大地提高了盾構(gòu)施工的速度。

3.5 物料運輸?shù)慕M織

盾構(gòu)機掘進前，編組1運輸1環(huán)管片和1車砂漿到盾構(gòu)機內(nèi)部，將砂漿注入到盾構(gòu)機上的固定砂漿罐后，盾構(gòu)機開始掘進，編組1盛裝盾構(gòu)機開挖下來的渣土，盾構(gòu)機掘進期間，盾構(gòu)機上的起重機將編組列車運輸?shù)墓芷兜蕉軜?gòu)機的喂片機上；編組2在裝了1車砂漿和軌枕、軌道等材料后進隧道，停在盾構(gòu)機的尾部。在編組1裝滿渣土后，盾構(gòu)機暫停掘進，編組1駛出盾構(gòu)機，待編組1通過雙開道岔浮放軌駛離盾構(gòu)機進入隧道內(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)機內(nèi)部，盾構(gòu)機恢復(fù)掘進，編組2盛裝渣土，同時，將編組2運輸?shù)纳皾{注入到盾構(gòu)機上的固定砂漿罐內(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，在井口裝下1環(huán)掘進所需的管片和砂漿。當(dāng)盾構(gòu)機完成1環(huán)的掘進后，編組2運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隧道，盾構(gòu)機開始下一個循環(huán)。盾構(gòu)掘進物料運輸時序表見表2所示。

通過《盾構(gòu)掘進物料運輸時序表》可以看出，按我們制訂的物料運輸方案，理論上，在盾構(gòu)機掘進到距離井口4km位置附近時，每個循環(huán)的周期約為150min，其中相鄰兩環(huán)之間盾構(gòu)機停機等待時間約為50min，理論上，若24h不間斷作業(yè)，每臺盾構(gòu)機每天可掘進9．6環(huán)。在實際的盾構(gòu)掘進施工中，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渣土不及時等)，實際的掘進指標(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，物料運輸方案的選擇非常重要，將直接影響盾構(gòu)施工的進度和施工效率。在制定大直徑土壓平衡盾構(gòu)的物料運輸方案時，應(yīng)根據(jù)盾構(gòu)機開挖直徑、隧道的地質(zhì)情況、渣土的特性、隧道長度、隧道的縱坡和電機車的最大牽引力等因素綜合考慮，制定可行的運輸方案。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，制定了物料運輸方案，在本項目盾構(gòu)施工過程中，平均日掘進6環(huán)(10．8m)，平均月掘進175環(huán)(315m)，最快日掘進14環(huán)(25．2m)，經(jīng)實踐證明，物料運輸方案科學(xué)、合理，完全能夠滿足盾構(gòu)施工需要。

[1]周文波.盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應(yīng)有[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007:148－151.

[2]孫中央.列車牽引計算實用教程(第二版)[M].北京:中國鐵道出版社,2005:131-132.

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 longdistance 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.

large-scale earth pressure Shield material handling weight

王志成(1968—),男,1992年7月畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院起重運輸與工程機械專業(yè)。