大直徑土壓盾構水平運輸系統的設計

　　大直徑土壓盾構水平運輸系統的設計【1】

　　[摘要]：盾構水平運輸系統運輸擔負著盾構機掘進時渣出的外運，應根據隧道作業條件進行設計。

　　水平運輸系統設計時應充分考慮，運輸軌道的布置形式、道岔的選用、電瓶車的選用、運輸系統軌枕的設計和固定形式等因素，在確保運輸系統的可操作性和安全性的同時，提高運輸系統的運輸效率。

　　[主題詞]：運輸系統;軌道布置;道岔;電瓶車;運輸效率。

　　1、引言

　　現今進行如地下軌道交通等大型隧道挖掘時，通常會應用盾構隧道施工技術。

　　通過盾構機前端的刀盤不停旋轉將隧道前方未開掘的土石切削挖掘成渣土，然后緊接著利用盾構機臺機的傳輸機構將挖下來的渣土運至外設的電瓶車，電瓶車再連續不斷地將承載著的渣土運至出土井，最后運至隧道外。

　　隨著地下軌道交通的發展，目前應用于城際軌道的盾構隧道截面面積都較大(直徑達到8.8m)，這樣單位距離上的渣土方量大，需要電瓶車連續不斷地來回作業才能完成單位距離上的隧道渣土外運，并且隨著隧道挖掘的前進，長度不斷延伸，電瓶車的運輸距離也就不斷增長，必將要花費更多時間在運輸過程上，這就耽誤了施工的時間，降低了整體效率。

　　如果要提高運輸效率，則需要增加電瓶車容量或者增加電瓶車的數量。

　　不過由于隧道空間、改造成本的限制，實際施工中一般是通過增加電瓶車的數量來解決渣土外運問題。

　　不過電瓶車數量增加后，就帶來了電瓶車調度困難的問題，一旦調度不當，延誤施工進度，甚至發生電瓶車碰撞的事故。

　　2、運輸系統設計要求

　　大直徑土壓盾構水平運輸系統設計必須滿足以下三點要求：

　　1)運輸效率高：大直盾構水平運輸系統必須滿足土壓盾構機掘進時渣土的外運工序，使盾構機每掘進一環(1.6m以上)的停機時間為零。

　　2)安全性高：水平運輸系統動作時具有較高的安全系數，避免發生車輛碰撞等事故發生。

　　3)可實行性高：水平運輸系統必須具有較高的可實行性，盡量利用現有條件，節約成本。

　　3、運輸系統設計要點

　　3.1、運輸軌道布置形式和道岔的選用

　　大直徑土壓盾構水平運輸系統軌道形式設計為循環式運輸軌道，軌道大體結構為臺車內及后面50m為兩列軌道，中間四軌道的形式，隨著隧道的延伸不斷延伸。

　　本隧道軌道間距970mm，采用43Kg軌道鋪設，軌枕采用200X200H型鋼加支撐鋪設。

　　當隧道掘進200m后，在距離盾構井41m處安裝一套渡線道岔，編號為1#渡線道岔，1#渡線道岔往暗挖擴大端方向鋪設長140m的四列軌道。

　　2#道岔安裝于臺車后50m的位置，1#道岔與2#道岔之間鋪設四列軌道。

　　1#道岔總長28m，分兩部組成，總重量8t，道岔采用43Kg軌道鋼固定于16mm鋼板上，軌道間采用連接板固定連接。

　　2#道岔總長15m，總重量7t，分三部分組成，方便于道岔的安裝和運輸。

　　當電瓶車在隧道中損壞且需要較長維修時間，為避免影響隧道中電瓶車循環運作，本隧道軌道特設置儲車道，需要維修的電瓶車開入儲車道進行維修。

　　儲車道總車140m，可滿足2臺電瓶車儲放。

　　3.2、電瓶車的選用

　　為滿足土壓盾構出渣量要求，電瓶車的選用為運輸系統的重要內容。

　　以直徑8.8m土壓盾構為例，運輸系統選用3列電瓶車，每列電瓶車配置5節土斗、1節砂漿車、1節管片小車，電瓶車以循環的形式進行運作。

　　設定進入隧道方向定為上行，出隧道方向定為下行，上行通道為A道，下行通道為B道。

　　軌道運作過程為，電瓶從始發井口上行進入隧道，經過2#雙開道岔后，進入臺車內部執行裝載渣土、吊管片、送漿等任務，完成任務后電瓶車下行，經過雙開2#道岔時，搬動改道板，電瓶車下行到B道至到達1、2#出土井，在1、2#出土井執行卸渣土、裝管片、裝漿任務，完成任務后上行到1#渡線道岔，經過1#渡線道岔后，搬動改道板，電瓶車上行到A通道進入隧道，完成第一次循環，另外兩臺電瓶車以同樣的方法循環執行任務。

　　如遇到需要兩臺電瓶車同時出土時，先下行的電瓶車可前行到3、4#出口處進行吊土，后下行的電瓶車在1、2#出土口吊土。

　　運作過程中1、2#道岔安排專人負責電瓶車上下行的指揮，1#安排2名專職指揮工，2#道安排1名專職指揮工，負責電瓶的調配。

　　道岔進出方向安裝紅綠警示燈，道岔指揮人員及時操作改道板，確保電瓶車順利通過道岔處。

　　電瓶車接近道岔時司機減速鳴笛，確認道岔正確后，方能勻速通過道岔。

　　道岔首次安裝為盾構機掘進200m后，以后將每延伸200m2#道岔向前移動一次。

　　道岔移動時利用電瓶車拖動拆除道岔。

　　由于臺車軌道剛好為電瓶車軌道的的3倍距離，因此，拆除道岔后，只須將軌道連接即可完成四列軌道的延伸。

　　3.3、運輸系統軌枕的設計

　　1)軌枕結構 軌道采用43#軌道鋼，軌枕采用200*200H鋼，每隔800～1000mm橫向安放于隧道，軌枕上方按970mm距離鋪設4條軌道，電瓶車按需要，可在左、中、右位置行走，盾構機臺車輪子(間距2910mm)在外側軌道行走。

　　為保證軌枕強度，在中間部位加撐200*200H鋼，為防止軌枕因受力移動，在軌枕兩端和中部分別有4顆φ18mm膨脹螺栓固定于管片上，同時，能用管片螺栓連接的盡量利用管片螺栓。

　　見圖4.

　　2)受力分析

　　在兩臺電瓶車同時壓在同一根軌枕時受力最大，求出此時的最大彎矩。

　　200*200H鋼的截面系數W=10.52*105mm3=1.052*10-3m3

　　Mmax=250000*485*970/1455=80.8*106Nmm=80.8*103Nm

　　σ=M/W=80.8*103/1.052*10-3=76.8*106Pa

　　H鋼(σ)=325MPa，考慮到安全系數，上述應力是在安全的范圍。

　　2.2膨脹螺栓受力分析：

　　軌枕單邊受力時分析圖如圖6：

　　在最極端的情況下，單邊軌枕受到電瓶車一半的力，即

　　P3=P4=12.5t

　　由圖1可知

　　P1=480*P3+(9480+980)0*P4/480+980=14.948t=14.948*104N

　　根據圖中幾何關系，可知：

　　P1x=56789N,

　　整個軌枕分布12顆φ18mm螺栓，按有效受剪螺栓8顆計算，每顆螺栓受剪力

　　F=56789/8=7098.7N，

　　φ18mm螺栓截面積A=254mm2=254*10-6m2

　　剪切應力τ=F/A=7098/254*10-6=27.95MPa，

　　可知，螺栓受此剪力，考慮上安全系數，強度沒問題，足夠安全。

　　參考文獻：

　　[1]周文波.盾構法隧道施工技術及應有[M].北京：中國建筑工業出版社，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.

　　大直徑土壓平衡盾構施工物料運輸技術【2】

　　【摘 要】在大直徑或超大直徑土壓平衡盾構施工中，外運渣土數量將隨盾構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，采取常規的物料運輸方案，會出現物料運輸效率低，導致盾構施工速度下降。

　　針對大直徑土壓平衡盾構施工在長距離物料運輸、重載大坡度上坡等不利工況，結合長株潭城際鐵路盾構施工的實際，綜合采取了雙電機車重聯牽引、隧道內鋪設四軌三線運輸軌道和盾構機尾部安裝隨盾構機移動的雙開道岔浮放軌等三項措施，與常規的隧道內鋪設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施工物料運輸效率低下、盾構施工速度慢的難題，該方案有較高的技術水平，在大直徑和超大直徑土壓平衡盾構施工中具有廣泛的推廣和參考價值。

　　【關鍵詞】大直徑 土壓盾構機 物料運輸 牽引 重量

　　1 引言

　　目前，國內盾構隧道施工所使用的盾構機基本分為土壓平衡和泥水平衡兩大類，一般情況下，泥水平衡盾構機用于直徑10-15m的大直徑盾構隧道，而土壓平衡盾構機的開挖直徑相對較小，一般用于直徑4-9m的盾構隧道，例如，地鐵盾構隧道盾構機的開挖直徑一般為6.2-6.3m[1]。

　　泥水平衡盾構機使用泥漿做為載體、利用泥漿泵輸送盾構機開挖下來的渣土，施工期間只需為盾構機運輸管片、砂漿等材料，其物料運輸工作比較簡單;而土壓平衡盾構機在施工時除了運輸管片和砂漿等材料外，還需將盾構機開挖下來的渣土運輸到工作井井口，其物料運輸工作的組織比較復雜，任務較為繁重。

　　一般情況下，對于直徑6m左右的盾構隧道，管片的環寬較窄(一般為1.2-1.5m)，一個編組列車可完成管片、砂漿和每環開挖下來的渣土的運輸任務;對于直徑9m左右的盾構隧道，其管片的環寬也較寬(一般為1.8m)，每環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盾構施工的物料運輸任務。

　　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，隧道內鋪設單線軌道，物料運輸相對簡單。

　　對于直徑9m左右的土壓盾構隧道，在運距較遠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，需針對相關因素認真研究分析，制定科學合理的物料運輸方案。

　　2 工程概況

　　由我單位施工的長株潭城際鐵路綜合Ⅱ標位于湖南省長沙市境內，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，區間分別采用盾構法、明挖暗埋法和礦山法施工。

　　由第一、二臺盾構機施工的盾構隧道全長4782m，包括2個區間和1個車站，第1個區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的土壓平衡盾構機從隧道進口工作井向大里程方向同向掘進，盾構機的開挖直徑為9.33m，管片外徑9m，內徑8.1m，環寬1.8m，每環管片的形式為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。

　　隧道的盾構段由第四系人工填土、白堊系(K)及下第三系(E)泥質砂巖、礫巖等組成，主要為弱風化泥質粉砂巖，弱風化泥質粉砂巖天然密度為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，據水文地質試驗，滲透系數平均值為0.406m/d，滲透性等級為弱透水，泥質粉砂巖自身穩固性較差，長時間暴露遇水后將軟化崩解。

　　3 物料運輸方案

　　3.1需運輸的材料

　　3.1.1 渣土量

　　盾構機刀盤開挖直徑為9.33m，每環管片的寬度1.8m，則每環渣土實方體積為：=m3

　　式中，D為刀盤開挖直徑(單位m)，H為管片的寬度(單位m)。

　　由于泥質粉砂巖遇水極易軟化崩解，根據經驗渣土的松散系數取1.6，則每環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每環管片

　　每環管片由8塊管片組成，包括5塊標準塊、2塊鄰接塊和1塊楔形塊，每塊標準塊或鄰接塊的重量約8t，標準塊的重量約4t，一環管片總重量約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、高壓電纜和通風管等材料，一般掘進一環或數環運輸1次。

　　3.2車輛配置

　　3.2.1渣土車配置

　　根據3.1.1項的計算結果，每環開挖的渣土體積約為197m3，由于在卸倒渣土時，渣土斗內往往會殘留一部份渣土;同時，盾構掘進期間為防止刀盤和土艙內結泥餅，需向土艙內加注大量自來水和泡沫，故每環實際出渣體積遠遠超過197 m3，我們按250m3/環考慮，渣土比重取2t/m3，則渣土的重量約為500t/環，故選擇10個25m3的渣土斗運輸單環渣土，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為50t(不含渣土車自重)。

　　3.2.2管片運輸車的配置

　　每環管片共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3.1.2項的計算結果，每環壁后注漿的凈注漿量為8.53m3，由于到本項目盾構隧道地面的建、構筑物數量眾多且分布密集，部分區域的壁后注漿量將會較大，壁后注漿的充填系數可達150%，即12.8m3/環，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

　　由于自盾構機向隧道口外運渣土的體積大、重量重，同時，盾構隧道進口段的坡度較大，達到25‰，物料運輸車外運渣土為重載上坡，綜合考慮上述因素，本項目盾構施工每環掘進分2次出渣，配備2個編組列車外運渣土和內運管片、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3.2.1項的計算結果，每環運輸渣土總重約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)。

　　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，電機車所牽引的最大重量出現在編組1出洞時，最大重量為343.5t;同時，盾構隧道進口縱向坡度最大(達到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)， Fg=μ×P=0.26×250=65KN

　　μ ：機車粘著系數取0.26，μ=0.02+24/(100+4.1V)

　　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，需采取雙機重聯牽引。

　　一般情況下，2臺同型號電機車重聯的牽引重量為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電機車重聯牽引不能滿足物料運輸需要，需2臺45t電機車重聯牽引。

　　由于本項目盾構隧道物料運輸的牽引噸位及坡道都比較大，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罐進行串接，以增加空氣制動時的儲風量。

　　當兩臺電機車需要重聯時，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主、從機的有功電流差值進行轉差調節，從而實現負載平衡。

　　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交互通訊。

　　在毫秒級時間內實現數據握手，實現了主、從機之間的快速響應。

　　考慮現場編組方便及操控靈活，采用了命令優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，而其它機車充當從機。

　　3.4軌道的布置

　　在盾構機范圍內和隧道內均鋪設4軌3線，相鄰2條軌道的軌距均為970mm。

　　在盾構機范圍內，盾構機的后配套臺車行走在最外側2根軌道上，軌距為2910mm，電機車行走在內側的2根軌道上，即對于物料運輸車，盾構機內側為單線軌道;隧道內物料運輸車行走在外側的2兩根軌道上，即隧道內為雙線軌道。

　　在盾構機的尾部安裝一套雙開道岔浮放軌，將盾構機內部物料運輸車的單線軌道與隧道內的雙線軌道連接起來，在隧道內運行的物料運輸車可通過雙開道岔浮放軌進入到盾構機后配套臺車內的中部(即中間2根軌道);通過人工操作雙開道岔浮放軌的道岔機，在盾構機后配套臺車內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，由盾構機牽引，隨盾構機同步向前移動，操作方便。

　　雙開道岔浮放軌見圖1所示。

　　由于盾構隧道內鋪設雙線軌道，隧道內可獨立同時運行2個列車編組，針對長距離物料運輸而言，與隧道內鋪設單線軌道的方案相比，該方案物料運輸的效率提高近一倍，極大地提高了盾構施工的速度。

　　3.5物料運輸的組織

　　盾構機掘進前，編組1運輸1環管片和1車砂漿到盾構機內部，將砂漿注入到盾構機上的固定砂漿罐后，盾構機開始掘進，編組1盛裝盾構機開挖下來的渣土，盾構機掘進期間，盾構機上的起重機將編組列車運輸的管片卸到盾構機的喂片機上;編組2在裝了1車砂漿和軌枕、軌道等材料后進隧道，停在盾構機的尾部。

　　在編組1裝滿渣土后，盾構機暫停掘進，編組1駛出盾構機，待編組1通過雙開道岔浮放軌駛離盾構機進入隧道內的軌道后(未被編組2占用的軌道)，通過操作雙開道岔浮放軌，編組2駛入盾構機內部，盾構機恢復掘進，編組2盛裝渣土，同時，將編組2運輸的砂漿注入到盾構機上的固定砂漿罐內，并將其他材料卸到相關部位。

　　待編組1行駛到始發井井口后卸渣土，同時，在井口裝下1環掘進所需的管片和砂漿。

　　當盾構機完成1環的掘進后，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，盾構機開始下一個循環。

　　盾構掘進物料運輸時序表見表2所示。

　　說明：盾構機平均掘進速度按40mm/min，每環掘進時間為45min，半環22.5min;拼裝管片時間按45min，每個編組出渣、裝砂漿和下管片時間按50min，隧道長度取4km，列車進洞(空載)速度按8km/h，所需時間為30min，列車出洞(重載)速度按5km/h，所需時間為48min，兩個編組在盾構機尾部錯車時間取10min。

　　通過《盾構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，在盾構機掘進到距離井口4km位置附近時，每個循環的周期約為150min，其中相鄰兩環之間盾構機停機等待時間約為50min，理論上，若24h不間斷作業，每臺盾構機每天可掘進9.6環。

　　在實際的盾構掘進施工中，受各種因素影響(例如設備故障、各工序配合銜接和地面外運渣土不及時等)，實際的掘進指標平均為5-7環/d。

　　4 結語

　　在大直徑和超大直徑土壓平衡盾構的施工中，物料運輸方案的選擇非常重要，將直接影響盾構施工的進度和施工效率。

　　在制定大直徑土壓平衡盾構的物料運輸方案時，應根據盾構機開挖直徑、隧道的地質情況、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隧道施工過程中，我們結合相關因素，經多次研究、討論，制定了物料運輸方案，在本項目盾構施工過程中，平均日掘進6環(10.8m)，平均月掘進175環(315m)，最快日掘進14環(25.2m)，經實踐證明，物料運輸方案科學、合理，完全能夠滿足盾構施工需要。

【大直徑土壓盾構水平運輸系統的設計】相關文章：

直徑符號φ11-16

直徑符號φ怎么打11-18

少年閏土教學設計教案12-05

垂直于弦的直徑教學教案10-08

直徑符號φ怎么打出來11-15

簡單輸入直徑符號Φ的方法10-01

盾構機租賃合同09-12

盾構機租賃合同03-13

壓面條作文06-09