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大直径土压盾构水平运输系统的设计
大直径土压盾构水平运输系统的设计【1】
[摘要]：盾构水平运输系统运输担负着盾构机掘进时渣出的外运，应根据隧道作业条件进行设计。
水平运输系统设计时应充分考虑，运输轨道的布置形式、道岔的选用、电瓶车的选用、运输系统轨枕的设计和固定形式等因素，在确保运输系统的可操作性和安全性的同时，提高运输系统的运输效率。
[主题词]：运输系统;轨道布置;道岔;电瓶车;运输效率。
1、引言
现今进行如地下轨道交通等大型隧道挖掘时，通常会应用盾构隧道施工技术。
通过盾构机前端的刀盘不停旋转将隧道前方未开掘的土石切削挖掘成渣土，然后紧接着利用盾构机台机的传输机构将挖下来的渣土运至外设的电瓶车，电瓶车再连续不断地将承载着的渣土运至出土井，最后运至隧道外。
随着地下轨道交通的发展，目前应用于城际轨道的盾构隧道截面面积都较大(直径达到8.8m)，这样单位距离上的渣土方量大，需要电瓶车连续不断地来回作业才能完成单位距离上的隧道渣土外运，并且随着隧道挖掘的前进，长度不断延伸，电瓶车的运输距离也就不断增长，必将要花费更多时间在运输过程上，这就耽误了施工的时间，降低了整体效率。
如果要提高运输效率，则需要增加电瓶车容量或者增加电瓶车的数量。
不过由于隧道空间、改造成本的限制，实际施工中一般是通过增加电瓶车的数量来解决渣土外运问题。
不过电瓶车数量增加后，就带来了电瓶车调度困难的问题，一旦调度不当，延误施工进度，甚至发生电瓶车碰撞的事故。
2、运输系统设计要求
大直径土压盾构水平运输系统设计必须满足以下三点要求：
1)运输效率高：大直盾构水平运输系统必须满足土压盾构机掘进时渣土的外运工序，使盾构机每掘进一环(1.6m以上)的停机时间为零。
2)安全性高：水平运输系统动作时具有较高的安全系数，避免发生车辆碰撞等事故发生。
3)可实行性高：水平运输系统必须具有较高的可实行性，尽量利用现有条件，节约成本。
3、运输系统设计要点
3.1、运输轨道布置形式和道岔的选用
大直径土压盾构水平运输系统轨道形式设计为循环式运输轨道，轨道大体结构为台车内及后面50m为两列轨道，中间四轨道的形式，随着隧道的延伸不断延伸。
本隧道轨道间距970mm，采用43Kg轨道铺设，轨枕采用200X200H型钢加支撑铺设。
当隧道掘进200m后，在距离盾构井41m处安装一套渡线道岔，编号为1#渡线道岔，1#渡线道岔往暗挖扩大端方向铺设长140m的四列轨道。
2#道岔安装于台车后50m的位置，1#道岔与2#道岔之间铺设四列轨道。
1#道岔总长28m，分两部组成，总重量8t，道岔采用43Kg轨道钢固定于16mm钢板上，轨道间采用连接板固定连接。
2#道岔总长15m，总重量7t，分三部分组成，方便于道岔的安装和运输。
当电瓶车在隧道中损坏且需要较长维修时间，为避免影响隧道中电瓶车循环运作，本隧道轨道特设置储车道，需要维修的电瓶车开入储车道进行维修。
储车道总车140m，可满足2台电瓶车储放。
3.2、电瓶车的选用
为满足土压盾构出渣量要求，电瓶车的选用为运输系统的重要内容。
以直径8.8m土压盾构为例，运输系统选用3列电瓶车，每列电瓶车配置5节土斗、1节砂浆车、1节管片小车，电瓶车以循环的形式进行运作。
设定进入隧道方向定为上行，出隧道方向定为下行，上行通道为A道，下行通道为B道。
轨道运作过程为，电瓶从始发井口上行进入隧道，经过2#双开道岔后，进入台车内部执行装载渣土、吊管片、送浆等任务，完成任务后电瓶车下行，经过双开2#道岔时，搬动改道板，电瓶车下行到B道至到达1、2#出土井，在1、2#出土井执行卸渣土、装管片、装浆任务，完成任务后上行到1#渡线道岔，经过1#渡线道岔后，搬动改道板，电瓶车上行到A通道进入隧道，完成第一次循环，另外两台电瓶车以同样的方法循环执行任务。
如遇到需要两台电瓶车同时出土时，先下行的电瓶车可前行到3、4#出口处进行吊土，后下行的电瓶车在1、2#出土口吊土。
运作过程中1、2#道岔安排专人负责电瓶车上下行的指挥，1#安排2名专职指挥工，2#道安排1名专职指挥工，负责电瓶的调配。
道岔进出方向安装红绿警示灯，道岔指挥人员及时操作改道板，确保电瓶车顺利通过道岔处。
电瓶车接近道岔时司机减速鸣笛，确认道岔正确后，方能匀速通过道岔。
道岔首次安装为盾构机掘进200m后，以后将每延伸200m2#道岔向前移动一次。
道岔移动时利用电瓶车拖动拆除道岔。
由于台车轨道刚好为电瓶车轨道的的3倍距离，因此，拆除道岔后，只须将轨道连接即可完成四列轨道的延伸。
3.3、运输系统轨枕的设计
1)轨枕结构 轨道采用43#轨道钢，轨枕采用200*200H钢，每隔800～1000mm横向安放于隧道，轨枕上方按970mm距离铺设4条轨道，电瓶车按需要，可在左、中、右位置行走，盾构机台车轮子(间距2910mm)在外侧轨道行走。
为保证轨枕强度，在中间部位加撑200*200H钢，为防止轨枕因受力移动，在轨枕两端和中部分别有4颗φ18mm膨胀螺栓固定于管片上，同时，能用管片螺栓连接的尽量利用管片螺栓。
见图4.
2)受力分析
在两台电瓶车同时压在同一根轨枕时受力最大，求出此时的最大弯矩。
200*200H钢的截面系数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钢(σ)=325MPa，考虑到安全系数，上述应力是在安全的范围。
2.2膨胀螺栓受力分析：
轨枕单边受力时分析图如图6：
在最极端的情况下，单边轨枕受到电瓶车一半的力，即
P3=P4=12.5t
由图1可知
P1=480*P3+(9480+980)0*P4/480+980=14.948t=14.948*104N
根据图中几何关系，可知：
P1x=56789N,
整个轨枕分布12颗φ18mm螺栓，按有效受剪螺栓8颗计算，每颗螺栓受剪力
F=56789/8=7098.7N，
φ18mm螺栓截面积A=254mm2=254*10-6m2
剪切应力τ=F/A=7098/254*10-6=27.95MPa，
可知，螺栓受此剪力，考虑上安全系数，强度没问题，足够安全。
参考文献：
[1]周文波.盾构法隧道施工技术及应有[M].北京：中国建筑工业出版社，2007：148-151.
[2]孙中央.列车牵引计算实用教程(第二版)[M].北京：中国铁道出版社，2005：131-132.
大直径土压平衡盾构施工物料运输技术【2】
【摘 要】在大直径或超大直径土压平衡盾构施工中，外运渣土数量将随盾构机开挖直径的增大成倍增加，若同时遇到运输距离长、渣土外运重载上坡坡度大等不利工况时，采取常规的物料运输方案，会出现物料运输效率低，导致盾构施工速度下降。
针对大直径土压平衡盾构施工在长距离物料运输、重载大坡度上坡等不利工况，结合长株潭城际铁路盾构施工的实际，综合采取了双电机车重联牵引、隧道内铺设四轨三线运输轨道和盾构机尾部安装随盾构机移动的双开道岔浮放轨等三项措施，与常规的隧道内铺设单线轨道的方案相比，物料运输效率提高近一倍，解决了大直径土压平衡盾构施工物料运输效率低下、盾构施工速度慢的难题，该方案有较高的技术水平，在大直径和超大直径土压平衡盾构施工中具有广泛的推广和参考价值。
【关键词】大直径 土压盾构机 物料运输 牵引 重量
1 引言
目前，国内盾构隧道施工所使用的盾构机基本分为土压平衡和泥水平衡两大类，一般情况下，泥水平衡盾构机用于直径10-15m的大直径盾构隧道，而土压平衡盾构机的开挖直径相对较小，一般用于直径4-9m的盾构隧道，例如，地铁盾构隧道盾构机的开挖直径一般为6.2-6.3m[1]。
泥水平衡盾构机使用泥浆做为载体、利用泥浆泵输送盾构机开挖下来的渣土，施工期间只需为盾构机运输管片、砂浆等材料，其物料运输工作比较简单;而土压平衡盾构机在施工时除了运输管片和砂浆等材料外，还需将盾构机开挖下来的渣土运输到工作井井口，其物料运输工作的组织比较复杂，任务较为繁重。
一般情况下，对于直径6m左右的盾构隧道，管片的环宽较窄(一般为1.2-1.5m)，一个编组列车可完成管片、砂浆和每环开挖下来的渣土的运输任务;对于直径9m左右的盾构隧道，其管片的环宽也较宽(一般为1.8m)，每环开挖下来的渣土较多，在运距较近、重载坡度较小的情况下，一般采用两个编组完成每环盾构施工的物料运输任务。
在上述两种情况下，每条隧道配两个编组列车，每个编组采用单机牵引，隧道内铺设单线轨道，物料运输相对简单。
对于直径9m左右的土压盾构隧道，在运距较远和重载上坡坡度较大的情况下，物料运输组织工作难度较大，需针对相关因素认真研究分析，制定科学合理的物料运输方案。
2 工程概况
由我单位施工的长株潭城际铁路综合Ⅱ标位于湖南省长沙市境内，其中树木岭隧道为双洞单线隧道，在长沙火车站附近入洞，在长沙南绕城高速公路附近出洞，全长12.86km，区间分别采用盾构法、明挖暗埋法和矿山法施工。
由第一、二台盾构机施工的盾构隧道全长4782m，包括2个区间和1个车站，第1个区间位于隧道进口工作井～树木岭站(DK1+800～4+360)，全长2560m;第2个区间位于树木岭站～香樟路站(DK4+636～6+582)，全长1946m，中间在树木岭车站过站，车站全长276m。
采用2台直径9.30m的土压平衡盾构机从隧道进口工作井向大里程方向同向掘进，盾构机的开挖直径为9.33m，管片外径9m，内径8.1m，环宽1.8m，每环管片的形式为5+2+1，管片最大重量8t，线路最大坡度为25‰，位于隧道的进口。
隧道的盾构段由第四系人工填土、白垩系(K)及下第三系(E)泥质砂岩、砾岩等组成，主要为弱风化泥质粉砂岩，弱风化泥质粉砂岩天然密度为2.16-2.38t/m3，饱和抗压强度为1.57-4.97MPa，干燥抗压强度为4.99-23.5 MPa，据水文地质试验，渗透系数平均值为0.406m/d，渗透性等级为弱透水，泥质粉砂岩自身稳固性较差，长时间暴露遇水后将软化崩解。
3 物料运输方案
3.1需运输的材料
3.1.1 渣土量
盾构机刀盘开挖直径为9.33m，每环管片的宽度1.8m，则每环渣土实方体积为：=m3
式中，D为刀盘开挖直径(单位m)，H为管片的宽度(单位m)。
由于泥质粉砂岩遇水极易软化崩解，根据经验渣土的松散系数取1.6，则每环开挖下来渣土的体积约为：123×1.6≈197m3。
3.1.2同步注浆量
每环壁后同步注浆的净注浆量为：=m3
式中，D为刀盘开挖直径(单位m); D1为管片外径(单位m);H为管片的宽度(单位m)。
3.1.3每环管片
每环管片由8块管片组成，包括5块标准块、2块邻接块和1块楔形块，每块标准块或邻接块的重量约8t，标准块的重量约4t，一环管片总重量约60t。
3.1.4其他材料
其他材料包括泡沫、油脂、轨枕、钢轨、冷却水管、高压电缆和通风管等材料，一般掘进一环或数环运输1次。
3.2车辆配置
3.2.1渣土车配置
根据3.1.1项的计算结果，每环开挖的渣土体积约为197m3，由于在卸倒渣土时，渣土斗内往往会残留一部份渣土;同时，盾构掘进期间为防止刀盘和土舱内结泥饼，需向土舱内加注大量自来水和泡沫，故每环实际出渣体积远远超过197 m3，我们按250m3/环考虑，渣土比重取2t/m3，则渣土的重量约为500t/环，故选择10个25m3的渣土斗运输单环渣土，每个渣土车运输渣土的重量约为50t，即渣土车的额定载重量应为50t(不含渣土车自重)。
3.2.2管片运输车的配置
每环管片共8块、单块管片重约8t，每辆管片车最多运输3块管片，3块管片总重约24t，故选择3辆载重量为25t的管片车运输管片;同时，管片车也用来运输其他材料。
3.2.3砂浆运输车的配置
根据3.1.2项的计算结果，每环壁后注浆的净注浆量为8.53m3，由于到本项目盾构隧道地面的建、构筑物数量众多且分布密集，部分区域的壁后注浆量将会较大，壁后注浆的充填系数可达150%，即12.8m3/环，故选择2个容量为10m3的砂浆运输车运输砂浆。
3.3列车编组和电机车的配置
3.3.1列车编组
由于自盾构机向隧道口外运渣土的体积大、重量重，同时，盾构隧道进口段的坡度较大，达到25‰，物料运输车外运渣土为重载上坡，综合考虑上述因素，本项目盾构施工每环掘进分2次出渣，配备2个编组列车外运渣土和内运管片、砂浆等材料，2个编组列车的编组如下：
编组1：包括5辆渣土车、1辆砂浆车和3辆管片车(管片车运输管片);
编组2：包括5辆渣土车、1辆砂浆车和2辆管片车(管片车运输轨枕、轨道、泡沫和油脂等材料)。
3.3.2 编组列车重量计算
每辆25m3渣土车自重14.4t，根据3.2.1项的计算结果，每环运输渣土总重约500t;每辆10m3砂浆车自重9.5t，运输10m3砂浆，砂浆比重为1.8t/m3;每辆管片车自重4t，单环管片重量60t。
按3.3.1编组，列车编组1和编组2在进、出洞时需分别牵引物料的重量见表1(含运输车辆自重，不含电机车自重)。
注：由于其他材料重量较轻，表1未考虑其重量
从表1可以看出，电机车所牵引的最大重量出现在编组1出洞时，最大重量为343.5t;同时，盾构隧道进口纵向坡度最大(达到25‰)，上述2个最不利因素相叠加，故编组1出洞运输渣土所需电机车的牵引力最大，为最不利工况，下面计算电机车在此工况下的牵引力。
3.3.3电机车的配置
25吨电机车在25‰坡道重载上坡最大牵引吨位计算
Gq=[Fg - P(Wq′+ ig)]/(Wq″+ ig)[2]
式中：Fg ：粘着牵引力(单位kN)， Fg=μ×P=0.26×250=65KN
μ ：机车粘着系数取0.26，μ=0.02+24/(100+4.1V)
P ：机车粘重(单位kN)，25×10=250KN
Wq′：机车单位起动阻力(单位N/kN)，取5N/kN;
iq ：坡道阻力系数取25，(由于最大坡度为25‰，取25;)
Wq″：机车运行单位阻力(单位N/kN)， Wg″=3+0.4ig=13N/KN
牵引吨位：Gq=[65000 - 250×(5+25)]/(13+25)≈ 151.3(t)
同样，一台45t电机车在25‰坡度上坡时的牵引力为272.3t，根据表1，编组列车最大重量为343.5t，所以单台25t或45t电机车在25‰上坡时的牵引力不能满足要求，为此，需采取双机重联牵引。
一般情况下，2台同型号电机车重联的牵引重量为2台电机车单台牵引吨位之和的80%，所以2台25t和2台45t电机车重联的牵引重量为分别为242.1t和435.7t，故采用2台25t电机车重联牵引不能满足物料运输需要，需2台45t电机车重联牵引。
由于本项目盾构隧道物料运输的牵引吨位及坡道都比较大，为了保证电机车的运行安全，即制动可靠，需将两台电机车的压缩空气储风罐进行串接，以增加空气制动时的储风量。
当两台电机车需要重联时，需要解决的是两台机车的力矩均衡。
对异步电机而言，采用从机跟随主机频率并根据主、从机的有功电流差值进行转差调节，从而实现负载平衡。
主机与从机之间采用500Kbps的高速CAN总线进行串行通讯，主、从之间仅需要两根通讯电缆即可实现交互通讯。
在毫秒级时间内实现数据握手，实现了主、从机之间的快速响应。
考虑现场编组方便及操控灵活，采用了命令优先的自由主从裁决模式，即首先操作的台机率先竞争为主机，而其它机车充当从机。
3.4轨道的布置
在盾构机范围内和隧道内均铺设4轨3线，相邻2条轨道的轨距均为970mm。
在盾构机范围内，盾构机的后配套台车行走在最外侧2根轨道上，轨距为2910mm，电机车行走在内侧的2根轨道上，即对于物料运输车，盾构机内侧为单线轨道;隧道内物料运输车行走在外侧的2两根轨道上，即隧道内为双线轨道。
在盾构机的尾部安装一套双开道岔浮放轨，将盾构机内部物料运输车的单线轨道与隧道内的双线轨道连接起来，在隧道内运行的物料运输车可通过双开道岔浮放轨进入到盾构机后配套台车内的中部(即中间2根轨道);通过人工操作双开道岔浮放轨的道岔机，在盾构机后配套台车内的物料运输车可通过双开道岔浮放轨进入到隧道两条线中的任意一条线上。
双开道岔浮放轨为可移动式，由盾构机牵引，随盾构机同步向前移动，操作方便。
双开道岔浮放轨见图1所示。
由于盾构隧道内铺设双线轨道，隧道内可独立同时运行2个列车编组，针对长距离物料运输而言，与隧道内铺设单线轨道的方案相比，该方案物料运输的效率提高近一倍，极大地提高了盾构施工的速度。
3.5物料运输的组织
盾构机掘进前，编组1运输1环管片和1车砂浆到盾构机内部，将砂浆注入到盾构机上的固定砂浆罐后，盾构机开始掘进，编组1盛装盾构机开挖下来的渣土，盾构机掘进期间，盾构机上的起重机将编组列车运输的管片卸到盾构机的喂片机上;编组2在装了1车砂浆和轨枕、轨道等材料后进隧道，停在盾构机的尾部。
在编组1装满渣土后，盾构机暂停掘进，编组1驶出盾构机，待编组1通过双开道岔浮放轨驶离盾构机进入隧道内的轨道后(未被编组2占用的轨道)，通过操作双开道岔浮放轨，编组2驶入盾构机内部，盾构机恢复掘进，编组2盛装渣土，同时，将编组2运输的砂浆注入到盾构机上的固定砂浆罐内，并将其他材料卸到相关部位。
待编组1行驶到始发井井口后卸渣土，同时，在井口装下1环掘进所需的管片和砂浆。
当盾构机完成1环的掘进后，编组2运输渣土出隧道卸渣土，并在井口装砂浆、泡沫、轨枕和钢轨等材料，编组1卸完渣土、装完管片和砂浆后进隧道，盾构机开始下一个循环。
盾构掘进物料运输时序表见表2所示。
说明：盾构机平均掘进速度按40mm/min，每环掘进时间为45min，半环22.5min;拼装管片时间按45min，每个编组出渣、装砂浆和下管片时间按50min，隧道长度取4km，列车进洞(空载)速度按8km/h，所需时间为30min，列车出洞(重载)速度按5km/h，所需时间为48min，两个编组在盾构机尾部错车时间取10min。
通过《盾构掘进物料运输时序表》可以看出，按我们制订的物料运输方案，理论上，在盾构机掘进到距离井口4km位置附近时，每个循环的周期约为150min，其中相邻两环之间盾构机停机等待时间约为50min，理论上，若24h不间断作业，每台盾构机每天可掘进9.6环。
在实际的盾构掘进施工中，受各种因素影响(例如设备故障、各工序配合衔接和地面外运渣土不及时等)，实际的掘进指标平均为5-7环/d。
4 结语
在大直径和超大直径土压平衡盾构的施工中，物料运输方案的选择非常重要，将直接影响盾构施工的进度和施工效率。
在制定大直径土压平衡盾构的物料运输方案时，应根据盾构机开挖直径、隧道的地质情况、渣土的特性、隧道长度、隧道的纵坡和电机车的最大牵引力等因素综合考虑，制定可行的运输方案。
在长株潭城际铁路盾构隧道施工过程中，我们结合相关因素，经多次研究、讨论，制定了物料运输方案，在本项目盾构施工过程中，平均日掘进6环(10.8m)，平均月掘进175环(315m)，最快日掘进14环(25.2m)，经实践证明，物料运输方案科学、合理，完全能够满足盾构施工需要。
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