矩形盾構(gòu)施工渣土在隧道內(nèi)運(yùn)輸?shù)难芯?/h1>
2019-01-11 06:06:52滕延鋒李冀清
建筑施工 2018年2期
滕延鋒 李冀清
上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072
1 研究背景
施工渣土隧道內(nèi)運(yùn)輸是指渣土從掘進(jìn)機(jī)前方土倉內(nèi)通過一系列的機(jī)械設(shè)備被運(yùn)輸至隧道外部的過程。在圓形盾構(gòu)中，在殼體的內(nèi)部和后部臺車之間安裝有固定式皮帶機(jī)，其進(jìn)土口位于螺旋輸送機(jī)出土口的正下方，固定式皮帶機(jī)的出土口位于臺車上方。當(dāng)需要出土?xí)r，施工渣土首先進(jìn)入螺旋輸送機(jī)，再通過固定式皮帶機(jī)運(yùn)輸至臺車上方，最后通過渣土車將施工渣土運(yùn)輸至隧道外部，完成施工渣土的隧道內(nèi)運(yùn)輸作業(yè)（圖1）[1-2]。
圖1 圓形盾構(gòu)施工時的渣土運(yùn)輸系統(tǒng)
在矩形頂管施工過程中，由于不需要進(jìn)行襯砌的拼裝工作，故其內(nèi)部無管片拼裝區(qū)域，施工渣土通過螺旋輸送機(jī)排至渣土泵的渣土倉內(nèi)，然后通過固體泵將渣土經(jīng)排土管送至隧道外部（圖2）[3-4]。當(dāng)隧道的長度較短時，也可以通過渣土車直接進(jìn)行運(yùn)輸。
在矩形盾構(gòu)中，盾尾殼體內(nèi)部有螺旋輸送機(jī)、中心橫梁、管片拼裝機(jī)和喂片機(jī)（圖3）。施工時，拼裝機(jī)工作區(qū)域分布在中心橫梁的兩側(cè)，而喂片機(jī)的工作區(qū)域則占據(jù)了中心橫梁后方的全部空間[5-6]。在上述條件下，為了保證管片拼裝作業(yè)的正常進(jìn)行，無法在矩形盾構(gòu)內(nèi)部安裝類似于圓形盾構(gòu)機(jī)的固定式皮帶機(jī)。
圖2 矩形頂管施工時的渣土運(yùn)輸系統(tǒng)（俯視）
圖3 矩形盾構(gòu)后方施工布置
同時，施工渣土是一種接近于固態(tài)的土體，如果采用矩形頂管的泵送渣土方法，則固態(tài)渣土在泵送過程中沿程壓力損失較大，無法實(shí)現(xiàn)長距離輸送。如果將渣土車直接放置在螺旋輸送機(jī)的下方進(jìn)行渣土輸送，則一方面由于中心橫梁限制，渣土車的高度很??；另一方面，螺旋輸送機(jī)的下方僅可放一節(jié)渣土車。上述出土方法導(dǎo)致每次出土量很少，對施工的效率影響很大。綜上所述，矩形盾構(gòu)由于自身的特點(diǎn)，無法直接采用現(xiàn)有的施工渣土運(yùn)輸方式，必須提出適合矩形盾構(gòu)施工的新型渣土運(yùn)輸方式。
2 新型渣土運(yùn)輸系統(tǒng)的構(gòu)成
皮帶機(jī)運(yùn)輸方式具有運(yùn)輸量大、工作可靠、設(shè)備簡單的優(yōu)勢，在施工渣土運(yùn)輸中得到了廣泛的應(yīng)用。矩形盾構(gòu)由于后方空間用作管片拼裝區(qū)域，故無法直接采用固定式皮帶機(jī)。
但矩形盾構(gòu)的渣土運(yùn)輸和管片拼裝是分時進(jìn)行的，即進(jìn)行渣土運(yùn)輸時不進(jìn)行管片拼裝，因此，考慮使用移動式皮帶機(jī)，在拼裝時移走皮帶機(jī)即可解決上述問題?；谏鲜龇治?，本文提出了一種適應(yīng)于矩形盾構(gòu)施工的新型渣土運(yùn)輸系統(tǒng)（圖4）。
圖4 新型渣土運(yùn)輸系統(tǒng)組成
新型渣土運(yùn)輸系統(tǒng)與圓形盾構(gòu)的渣土運(yùn)輸系統(tǒng)類似，主要由螺旋輸送機(jī)、皮帶機(jī)和渣土車組成。所不同的是，矩形盾構(gòu)渣土運(yùn)輸系統(tǒng)的皮帶機(jī)由2級皮帶機(jī)組成，并且第2級皮帶機(jī)為可移動式皮帶機(jī)。第1級皮帶機(jī)固定于中心橫梁下方，主要負(fù)責(zé)將渣土從螺旋輸送機(jī)運(yùn)輸至中心橫梁下方。第2級皮帶機(jī)分作2段，中間使用鉸節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，負(fù)責(zé)將渣土從第1級皮帶機(jī)運(yùn)輸至渣土車。第2級皮帶機(jī)位于臺車上方，其兩側(cè)設(shè)置鋼輪，可以在臺車上方沿著隧道軸線方向前后運(yùn)動，其前端不僅可以完全位于第1級皮帶機(jī)出土口下方，還可以完全位于臺車上方，不與管片拼裝作業(yè)發(fā)生干涉。渣土車位于第2級皮帶機(jī)的下方，負(fù)責(zé)將渣土從第2級皮帶機(jī)運(yùn)輸至隧道外部。
3 新型渣土運(yùn)輸系統(tǒng)的工作模式
新型運(yùn)輸系統(tǒng)采用2種工作模式，分別是運(yùn)輸模式和待機(jī)模式。
運(yùn)輸模式工作在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)狀態(tài)。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)時，盾構(gòu)機(jī)后方不進(jìn)行管片拼裝作業(yè)，通過喂片機(jī)上的牽引裝置將第2級皮帶機(jī)從臺車上方向盾構(gòu)前進(jìn)方向拉出〔圖5（a）〕。當(dāng)?shù)?級皮帶機(jī)的前端接近第1級皮帶機(jī)的后端時，喂片機(jī)停止前進(jìn)，使用喂片機(jī)上的提升裝置將第2級皮帶機(jī)的前端下放至隧道內(nèi)部的地面上〔圖5（b）〕。喂片機(jī)帶動第2級皮帶機(jī)繼續(xù)向前運(yùn)動，當(dāng)?shù)?級皮帶機(jī)的入土口在第1級皮帶機(jī)的出土口下方時，全部動作完成〔圖5（c）〕。
圖5 移動式皮帶機(jī)工作過程
經(jīng)過圖5所示的動作過程，第2級皮帶機(jī)從完全位于臺車上方的初始狀態(tài)移動至第1級皮帶機(jī)的下方，形成了完整的渣土運(yùn)輸路線，即渣土依次通過螺旋輸送機(jī)、第1級皮帶機(jī)、第2級皮帶機(jī)和渣土車，最終由渣土車運(yùn)至隧道外部，完成隧道內(nèi)渣土運(yùn)輸作業(yè)。
當(dāng)盾構(gòu)完成推進(jìn)作業(yè)，準(zhǔn)備進(jìn)行拼裝作業(yè)時，此時第2級皮帶機(jī)進(jìn)入待機(jī)模式，即從圖5（c）所示的狀態(tài)，經(jīng)過喂片機(jī)向后方牽引和提升，最終第2級皮帶機(jī)完全位于臺車上方，即處于圖5（a）所示的狀態(tài)。
新型渣土運(yùn)輸系統(tǒng)在盾構(gòu)拼裝狀態(tài)時，第2級皮帶機(jī)完全位于臺車上方，對拼裝作業(yè)無影響；在盾構(gòu)推進(jìn)時，第2級皮帶機(jī)從臺車上方拉出，與其他部件組成完整的渣土運(yùn)輸系統(tǒng)。該新型系統(tǒng)不僅克服了矩形盾構(gòu)施工空間狹小的難題，還利用了皮帶機(jī)運(yùn)輸量大、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢。
4 新型渣土運(yùn)輸系統(tǒng)的應(yīng)用
某工程中的矩形隧道采用盾構(gòu)法施工，隧道內(nèi)部凈空間尺寸寬8 650mm、高3 850mm。隧道內(nèi)渣土運(yùn)輸系統(tǒng)由螺旋運(yùn)輸機(jī)、固定式皮帶機(jī)、移動式皮帶機(jī)和渣土車組成（圖6）。渣土首先從螺旋輸送機(jī)運(yùn)送到第1級皮帶機(jī)〔圖6（a）〕；然后由第2級皮帶機(jī)運(yùn)送至渣土車〔圖6（b）〕；最后由渣土車運(yùn)送至矩形隧道外部〔圖6（c）〕。進(jìn)行盾構(gòu)拼裝時，第2級皮帶機(jī)處于待機(jī)模式〔圖6（d）〕。經(jīng)實(shí)踐，新型渣土運(yùn)送系統(tǒng)工作情況良好，符合預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。
圖6 新型渣土運(yùn)輸系統(tǒng)工地應(yīng)用
盾構(gòu)每推進(jìn)一環(huán)產(chǎn)生的渣土量為120 m3，當(dāng)使用小渣土車直接從螺旋輸送機(jī)運(yùn)土?xí)r，由于小渣土車容量小且每次只能運(yùn)輸1節(jié)，盾構(gòu)每推進(jìn)一環(huán)需要進(jìn)行20次渣土運(yùn)輸作業(yè)，每環(huán)推進(jìn)時間長達(dá)4 h，施工效率非常低。而采用新型渣土運(yùn)輸系統(tǒng)時，每次使用2節(jié)容量為10 m3的渣土車，每環(huán)推進(jìn)時間可縮減為1.5 h，極大地提升了施工效率。
5 結(jié)語
本文通過分析矩形盾構(gòu)施工的特點(diǎn)，研制了適合矩形盾構(gòu)施工的新型隧道內(nèi)渣土運(yùn)輸系統(tǒng)。新運(yùn)輸系統(tǒng)使用可移動式皮帶機(jī)，在推進(jìn)時從臺車上方拉出，在其他狀態(tài)下則仍放回至臺車上方。新的渣土運(yùn)輸系統(tǒng)不僅可以解決皮帶機(jī)與管片拼裝時相互干涉的問題，同時可以高效地實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)推進(jìn)作業(yè)，克服了因作業(yè)空間狹小對隧道內(nèi)渣土運(yùn)輸造成的不便。
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圖1 圓形盾構(gòu)施工時的渣土運(yùn)輸系統(tǒng)
在矩形頂管施工過程中，由于不需要進(jìn)行襯砌的拼裝工作，故其內(nèi)部無管片拼裝區(qū)域，施工渣土通過螺旋輸送機(jī)排至渣土泵的渣土倉內(nèi)，然后通過固體泵將渣土經(jīng)排土管送至隧道外部（圖2）[3-4]。當(dāng)隧道的長度較短時，也可以通過渣土車直接進(jìn)行運(yùn)輸。
在矩形盾構(gòu)中，盾尾殼體內(nèi)部有螺旋輸送機(jī)、中心橫梁、管片拼裝機(jī)和喂片機(jī)（圖3）。施工時，拼裝機(jī)工作區(qū)域分布在中心橫梁的兩側(cè)，而喂片機(jī)的工作區(qū)域則占據(jù)了中心橫梁后方的全部空間[5-6]。在上述條件下，為了保證管片拼裝作業(yè)的正常進(jìn)行，無法在矩形盾構(gòu)內(nèi)部安裝類似于圓形盾構(gòu)機(jī)的固定式皮帶機(jī)。
圖2 矩形頂管施工時的渣土運(yùn)輸系統(tǒng)（俯視）
圖3 矩形盾構(gòu)后方施工布置
同時，施工渣土是一種接近于固態(tài)的土體，如果采用矩形頂管的泵送渣土方法，則固態(tài)渣土在泵送過程中沿程壓力損失較大，無法實(shí)現(xiàn)長距離輸送。如果將渣土車直接放置在螺旋輸送機(jī)的下方進(jìn)行渣土輸送，則一方面由于中心橫梁限制，渣土車的高度很??；另一方面，螺旋輸送機(jī)的下方僅可放一節(jié)渣土車。上述出土方法導(dǎo)致每次出土量很少，對施工的效率影響很大。綜上所述，矩形盾構(gòu)由于自身的特點(diǎn)，無法直接采用現(xiàn)有的施工渣土運(yùn)輸方式，必須提出適合矩形盾構(gòu)施工的新型渣土運(yùn)輸方式。
2 新型渣土運(yùn)輸系統(tǒng)的構(gòu)成
皮帶機(jī)運(yùn)輸方式具有運(yùn)輸量大、工作可靠、設(shè)備簡單的優(yōu)勢，在施工渣土運(yùn)輸中得到了廣泛的應(yīng)用。矩形盾構(gòu)由于后方空間用作管片拼裝區(qū)域，故無法直接采用固定式皮帶機(jī)。
但矩形盾構(gòu)的渣土運(yùn)輸和管片拼裝是分時進(jìn)行的，即進(jìn)行渣土運(yùn)輸時不進(jìn)行管片拼裝，因此，考慮使用移動式皮帶機(jī)，在拼裝時移走皮帶機(jī)即可解決上述問題?；谏鲜龇治?，本文提出了一種適應(yīng)于矩形盾構(gòu)施工的新型渣土運(yùn)輸系統(tǒng)（圖4）。
圖4 新型渣土運(yùn)輸系統(tǒng)組成
新型渣土運(yùn)輸系統(tǒng)與圓形盾構(gòu)的渣土運(yùn)輸系統(tǒng)類似，主要由螺旋輸送機(jī)、皮帶機(jī)和渣土車組成。所不同的是，矩形盾構(gòu)渣土運(yùn)輸系統(tǒng)的皮帶機(jī)由2級皮帶機(jī)組成，并且第2級皮帶機(jī)為可移動式皮帶機(jī)。第1級皮帶機(jī)固定于中心橫梁下方，主要負(fù)責(zé)將渣土從螺旋輸送機(jī)運(yùn)輸至中心橫梁下方。第2級皮帶機(jī)分作2段，中間使用鉸節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，負(fù)責(zé)將渣土從第1級皮帶機(jī)運(yùn)輸至渣土車。第2級皮帶機(jī)位于臺車上方，其兩側(cè)設(shè)置鋼輪，可以在臺車上方沿著隧道軸線方向前后運(yùn)動，其前端不僅可以完全位于第1級皮帶機(jī)出土口下方，還可以完全位于臺車上方，不與管片拼裝作業(yè)發(fā)生干涉。渣土車位于第2級皮帶機(jī)的下方，負(fù)責(zé)將渣土從第2級皮帶機(jī)運(yùn)輸至隧道外部。
3 新型渣土運(yùn)輸系統(tǒng)的工作模式
新型運(yùn)輸系統(tǒng)采用2種工作模式，分別是運(yùn)輸模式和待機(jī)模式。
運(yùn)輸模式工作在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)狀態(tài)。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)時，盾構(gòu)機(jī)后方不進(jìn)行管片拼裝作業(yè)，通過喂片機(jī)上的牽引裝置將第2級皮帶機(jī)從臺車上方向盾構(gòu)前進(jìn)方向拉出〔圖5（a）〕。當(dāng)?shù)?級皮帶機(jī)的前端接近第1級皮帶機(jī)的后端時，喂片機(jī)停止前進(jìn)，使用喂片機(jī)上的提升裝置將第2級皮帶機(jī)的前端下放至隧道內(nèi)部的地面上〔圖5（b）〕。喂片機(jī)帶動第2級皮帶機(jī)繼續(xù)向前運(yùn)動，當(dāng)?shù)?級皮帶機(jī)的入土口在第1級皮帶機(jī)的出土口下方時，全部動作完成〔圖5（c）〕。
圖5 移動式皮帶機(jī)工作過程
經(jīng)過圖5所示的動作過程，第2級皮帶機(jī)從完全位于臺車上方的初始狀態(tài)移動至第1級皮帶機(jī)的下方，形成了完整的渣土運(yùn)輸路線，即渣土依次通過螺旋輸送機(jī)、第1級皮帶機(jī)、第2級皮帶機(jī)和渣土車，最終由渣土車運(yùn)至隧道外部，完成隧道內(nèi)渣土運(yùn)輸作業(yè)。
當(dāng)盾構(gòu)完成推進(jìn)作業(yè)，準(zhǔn)備進(jìn)行拼裝作業(yè)時，此時第2級皮帶機(jī)進(jìn)入待機(jī)模式，即從圖5（c）所示的狀態(tài)，經(jīng)過喂片機(jī)向后方牽引和提升，最終第2級皮帶機(jī)完全位于臺車上方，即處于圖5（a）所示的狀態(tài)。
新型渣土運(yùn)輸系統(tǒng)在盾構(gòu)拼裝狀態(tài)時，第2級皮帶機(jī)完全位于臺車上方，對拼裝作業(yè)無影響；在盾構(gòu)推進(jìn)時，第2級皮帶機(jī)從臺車上方拉出，與其他部件組成完整的渣土運(yùn)輸系統(tǒng)。該新型系統(tǒng)不僅克服了矩形盾構(gòu)施工空間狹小的難題，還利用了皮帶機(jī)運(yùn)輸量大、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢。
4 新型渣土運(yùn)輸系統(tǒng)的應(yīng)用
某工程中的矩形隧道采用盾構(gòu)法施工，隧道內(nèi)部凈空間尺寸寬8 650mm、高3 850mm。隧道內(nèi)渣土運(yùn)輸系統(tǒng)由螺旋運(yùn)輸機(jī)、固定式皮帶機(jī)、移動式皮帶機(jī)和渣土車組成（圖6）。渣土首先從螺旋輸送機(jī)運(yùn)送到第1級皮帶機(jī)〔圖6（a）〕；然后由第2級皮帶機(jī)運(yùn)送至渣土車〔圖6（b）〕；最后由渣土車運(yùn)送至矩形隧道外部〔圖6（c）〕。進(jìn)行盾構(gòu)拼裝時，第2級皮帶機(jī)處于待機(jī)模式〔圖6（d）〕。經(jīng)實(shí)踐，新型渣土運(yùn)送系統(tǒng)工作情況良好，符合預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。
圖6 新型渣土運(yùn)輸系統(tǒng)工地應(yīng)用
盾構(gòu)每推進(jìn)一環(huán)產(chǎn)生的渣土量為120 m3，當(dāng)使用小渣土車直接從螺旋輸送機(jī)運(yùn)土?xí)r，由于小渣土車容量小且每次只能運(yùn)輸1節(jié)，盾構(gòu)每推進(jìn)一環(huán)需要進(jìn)行20次渣土運(yùn)輸作業(yè)，每環(huán)推進(jìn)時間長達(dá)4 h，施工效率非常低。而采用新型渣土運(yùn)輸系統(tǒng)時，每次使用2節(jié)容量為10 m3的渣土車，每環(huán)推進(jìn)時間可縮減為1.5 h，極大地提升了施工效率。
5 結(jié)語
本文通過分析矩形盾構(gòu)施工的特點(diǎn)，研制了適合矩形盾構(gòu)施工的新型隧道內(nèi)渣土運(yùn)輸系統(tǒng)。新運(yùn)輸系統(tǒng)使用可移動式皮帶機(jī)，在推進(jìn)時從臺車上方拉出，在其他狀態(tài)下則仍放回至臺車上方。新的渣土運(yùn)輸系統(tǒng)不僅可以解決皮帶機(jī)與管片拼裝時相互干涉的問題，同時可以高效地實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)推進(jìn)作業(yè)，克服了因作業(yè)空間狹小對隧道內(nèi)渣土運(yùn)輸造成的不便。
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