魯 彬, 曹興隆

(中鐵開(kāi)發(fā)投資有限公司, 重慶 404100)

在地鐵區(qū)間隧道單護(hù)盾TBM的施工中，施工運(yùn)輸方案的設(shè)計(jì)需考慮出碴、管片運(yùn)輸、水泥砂漿的運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)方面。因此，如何使單護(hù)盾TBM施工運(yùn)輸方案實(shí)用性強(qiáng)并經(jīng)濟(jì)合理尚屬于難點(diǎn)。在長(zhǎng)隧道單護(hù)盾TBM施工中，掘進(jìn)作業(yè)與襯砌作業(yè)相互干擾，不能同時(shí)施工，這一問(wèn)題在小斷面隧道施工中更為突出。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，隨著TBM施工運(yùn)輸距離的增加，隧道內(nèi)通風(fēng)與排水難度大，與無(wú)軌運(yùn)輸相比，有軌運(yùn)輸成本相對(duì)較低，運(yùn)輸能力較強(qiáng)，出碴速度快，有利于施工的循環(huán)出碴，所以有軌運(yùn)輸更多的應(yīng)用于長(zhǎng)距離的的隧道施工運(yùn)輸中。

1 有軌運(yùn)輸?shù)某Ｓ迷O(shè)備

在單護(hù)盾TBM的隧道區(qū)間施工中，水平運(yùn)輸需要考慮到管片的運(yùn)輸、水泥砂漿的運(yùn)輸、運(yùn)碴這幾個(gè)方面，所以需要用到的運(yùn)輸設(shè)備包括了電瓶牽引車(chē)、裝碴設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、軌道、電力設(shè)備五種設(shè)備。

(1)電瓶牽引車(chē)：作為水平運(yùn)輸?shù)闹饕獱恳齽?dòng)力。

(2)裝碴設(shè)備：運(yùn)輸掘進(jìn)過(guò)程中開(kāi)挖出來(lái)的掌子面圍巖碎屑在長(zhǎng)距離隧道的施工中一般都采用礦斗車(chē)進(jìn)行裝碴。

(3)運(yùn)輸設(shè)備：在單護(hù)盾TBM隧道的施工中需要用到水泥砂漿的運(yùn)輸車(chē)、豆礫石的運(yùn)輸車(chē)、鋼軌的運(yùn)輸車(chē)和管片的運(yùn)輸車(chē)。

(4)軌道：用于電瓶牽引車(chē)、裝碴設(shè)備與運(yùn)輸設(shè)備前行的。

(5)電力設(shè)備：有軌運(yùn)輸均采用機(jī)械作業(yè),所用設(shè)備均以電源為動(dòng)力。

2 有軌運(yùn)輸?shù)木幗M設(shè)置

單護(hù)盾TBM在掘進(jìn)施工時(shí)推進(jìn)油缸支撐在管片上，利用支撐反力進(jìn)行推進(jìn)，所以在掘進(jìn)施工時(shí)不能安裝管片，在掘進(jìn)距離大于一環(huán)管片縱向長(zhǎng)度后停止掘進(jìn)并進(jìn)行管片安裝，管片安裝完成后推進(jìn)油缸支撐在新一環(huán)管片上繼續(xù)掘進(jìn)。

根據(jù)單護(hù)盾TBM的工作需求，在管片安裝開(kāi)始時(shí)需要一列編組攜帶足夠的施工材料進(jìn)入后配套中，安裝完成后、開(kāi)始掘進(jìn)時(shí)該列編組進(jìn)行裝碴，掘進(jìn)完成后該列編組駛出洞內(nèi)，下一列編組攜帶施工材料進(jìn)入后配套，此為單護(hù)盾TBM掘進(jìn)施工的一個(gè)常規(guī)循環(huán)。

可見(jiàn)一列編組需要包括電瓶牽引車(chē)、裝碴設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備。

3 軌道布置方案選擇

在TBM施工中常用的軌道布置方案有單線制運(yùn)輸方式、四軌三線制運(yùn)輸方式。

3.1 單線制

軌距為900 mm及以上，在TBM后配套中, 2條外軌作為拖車(chē)的行走軌道,中間2軌作為運(yùn)輸列車(chē)進(jìn)入后配套的行走軌道。當(dāng)隧道區(qū)間長(zhǎng)度為1 000～2 000 m時(shí),出碴運(yùn)輸里程不長(zhǎng)，又考慮到TBM掘進(jìn)循環(huán)時(shí)間與停止安裝管片時(shí)間幾乎相等(相當(dāng)于30～50 min),故采用單線運(yùn)輸時(shí),列車(chē)可在安裝管片期間完成倒車(chē)循環(huán),即重車(chē)駛出洞口,輕車(chē)從洞口駛?cè)牒笈涮變?nèi),等待下一環(huán)掘進(jìn)出碴。

3.2 四軌三線制

一般采用軌距762 mm的24 kg軌,TBM后配套尾部拖1條雙開(kāi)道岔浮軌。在TBM后配套中, 2條外軌作為拖車(chē)的行走軌道,中間2軌作為列車(chē)進(jìn)入后配套的行走軌道,列車(chē)通過(guò)浮放軌分別從隧道左右2線進(jìn)入后配套的中間2軌,浮放軌以后為4軌組成的左右2線,每相鄰2軌的中線距均為813～820 mm。采用四軌三線運(yùn)輸時(shí),列車(chē)既可在安裝管片期間完成倒車(chē)循環(huán),也可以在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)期間進(jìn)行倒車(chē)。

從表1的對(duì)比中可見(jiàn)在長(zhǎng)距離運(yùn)輸中，條件滿足的情況下優(yōu)先采用四軌三線制運(yùn)輸。

當(dāng)隧道直徑較小，考慮到還需要設(shè)置人行通道、電纜、管道等輔助設(shè)施，采用四軌三線制布置的軌道較高，后配套建筑界限不滿足要求，且運(yùn)輸車(chē)輛容易跳車(chē)，存在較大的安全隱患，在小斷面TBM洞內(nèi)建議采用單線制。

表1 運(yùn)輸方式優(yōu)缺點(diǎn)比較

4 長(zhǎng)距離單線制運(yùn)輸組織設(shè)計(jì)

4.1 會(huì)車(chē)平臺(tái)設(shè)置

4.1.1 單線制軌道運(yùn)輸錯(cuò)車(chē)方案

可設(shè)置一定長(zhǎng)度的鉆爆暗挖段作為會(huì)車(chē)平臺(tái)，通過(guò)在會(huì)車(chē)平臺(tái)設(shè)置道岔，由道岔引出一段支線，在會(huì)車(chē)時(shí)支線可提供一列駛?cè)氲碾娖寇?chē)編組停靠，待主線駛出隧道的運(yùn)輸電瓶車(chē)編組通過(guò)后，駛?cè)氲碾娖寇?chē)編組從支線回到主線往掘進(jìn)方向繼續(xù)前進(jìn)。如圖1所示，在會(huì)車(chē)時(shí)，駛?cè)腚娖寇?chē)編組位于②位置，駛出電瓶車(chē)編組位于④位置，為了錯(cuò)車(chē)成功，總體上分為三個(gè)步驟：首先，駛?cè)腚娖寇?chē)編組從②行走至③；接著，駛出電瓶車(chē)編組從④經(jīng)②行走至①；最后，駛?cè)腚娖寇?chē)編組從③經(jīng)②行走至④，錯(cuò)車(chē)完成。

圖1 道岔錯(cuò)車(chē)流程示意

4.1.2 會(huì)車(chē)平臺(tái)數(shù)量計(jì)算

假設(shè)電瓶車(chē)的平均速度為V，單護(hù)盾TBM隧道區(qū)間總長(zhǎng)L，掘進(jìn)一環(huán)管片長(zhǎng)度的時(shí)間為t1，安裝一環(huán)管片的時(shí)間為t2，根據(jù)調(diào)研可得知t1與t2是很相近的，可假定t1=t2=t。以保證單護(hù)盾TBM不停機(jī)等待裝碴礦斗車(chē)的前提下會(huì)車(chē)平臺(tái)與掌子面的最大距離L’和會(huì)車(chē)平臺(tái)數(shù)量n。

由于掌子面掘進(jìn)時(shí)需要電瓶車(chē)一直?？吭赥BM后配套內(nèi)裝碴，掘進(jìn)完成后，準(zhǔn)備開(kāi)始安裝管片時(shí)掌子面處的電瓶車(chē)才開(kāi)始駛出掌子面，假設(shè)使用時(shí)間最少的情況是距離掌子面最近的一個(gè)會(huì)車(chē)點(diǎn)處已經(jīng)有一列編組等待。

圖2中T為電瓶車(chē)通過(guò)極限距離L′時(shí)所花費(fèi)的時(shí)間。在經(jīng)過(guò)2Tmin后，第2組電瓶車(chē)要趕上TBM掘進(jìn)施工，因此第2組電瓶車(chē)需要在管片安裝期間到達(dá)單護(hù)盾TBM后配套的指定位置。

圖2 會(huì)車(chē)平臺(tái)與掌子面極限距離下的運(yùn)輸過(guò)程

2T≤t

由以上兩式可得：

(1)

式(1)中：L′為會(huì)車(chē)平臺(tái)與掌子面的最大距離，m；V為電瓶車(chē)的平均速度，m/s；t為掘進(jìn)一環(huán)管片縱向長(zhǎng)度的時(shí)間，s。

當(dāng)掌子面距離大于L′時(shí)，需設(shè)置新的一處會(huì)車(chē)平臺(tái)才能保證運(yùn)輸不耽誤單護(hù)盾TBM的掘進(jìn)施工。

則會(huì)車(chē)平臺(tái)數(shù)量為：

當(dāng)2L≤Vt時(shí)n=0(n∈Z)

(2)

式(2)中：n為會(huì)車(chē)平臺(tái)數(shù)量；L為隧道區(qū)間總長(zhǎng)，m；V為電瓶車(chē)的平均速度，m/s；t為掘進(jìn)一環(huán)管片縱向長(zhǎng)度的時(shí)間，s。

4.2 運(yùn)輸編組數(shù)量設(shè)置

運(yùn)輸編組的數(shù)量與會(huì)車(chē)平臺(tái)的數(shù)量之間有一定的關(guān)系，編組數(shù)量不足時(shí)不能滿足單護(hù)盾TBM掘進(jìn)施工的要求，編組數(shù)量過(guò)多時(shí)會(huì)產(chǎn)生電瓶車(chē)過(guò)多的閑置，影響工程的經(jīng)濟(jì)效益，因此需要確定一個(gè)會(huì)車(chē)平臺(tái)數(shù)與所需最少編組數(shù)之間的關(guān)系式。在4.2節(jié)基礎(chǔ)上再假設(shè)L長(zhǎng)的區(qū)間內(nèi)，共有n個(gè)會(huì)車(chē)平臺(tái)，每個(gè)會(huì)車(chē)平臺(tái)之間的距離取會(huì)車(chē)平臺(tái)極限距離L′=Vt/2，因此電瓶車(chē)運(yùn)行通過(guò)兩個(gè)會(huì)車(chē)平臺(tái)之間的長(zhǎng)度L′所花費(fèi)的時(shí)間為t/2。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，洞外裝車(chē)翻碴時(shí)間加上運(yùn)輸過(guò)程中所需富余時(shí)間約等于t。

考慮最理想的極限運(yùn)輸情況下的運(yùn)輸流程，即最少編組數(shù)的情況，具體流程見(jiàn)圖3所示。

從圖3中可以看出，在時(shí)間為(n+3)t/2時(shí)各個(gè)運(yùn)輸編組與其最初運(yùn)行方向全部相反，在時(shí)間為(n+3)t時(shí)各個(gè)運(yùn)輸編組回到時(shí)間為0時(shí)的運(yùn)輸狀態(tài)，可見(jiàn)一個(gè)運(yùn)輸過(guò)程循環(huán)的周期為(n+3)t。

按照?qǐng)D3中的運(yùn)輸調(diào)度方法，在理想情況下既不會(huì)耽誤單護(hù)盾TBM的掘進(jìn)施工，也不需要電瓶車(chē)在其中的會(huì)車(chē)平臺(tái)停車(chē)以等待錯(cuò)車(chē)，因此可以得到運(yùn)輸編組與會(huì)車(chē)平臺(tái)的關(guān)系式：

(3)

式(3)中：xmin為最少的運(yùn)輸編組數(shù)量；n為會(huì)車(chē)平臺(tái)數(shù)量。

圖3 最少編組數(shù)情況下的運(yùn)輸流程示意

5 施工應(yīng)用情況

在某軌道交通隧道單護(hù)盾TBM區(qū)間極限運(yùn)距為4.63 km，電瓶車(chē)運(yùn)行平均速度規(guī)定為5 km/h，根據(jù)隧道施工資料的統(tǒng)計(jì)，一個(gè)掘進(jìn)循環(huán)的平均速度為：TBM掘進(jìn)45 min、安裝管片45 min。則按照式(2)計(jì)算需要會(huì)車(chē)平臺(tái)數(shù)量為2，按照式(3)計(jì)算運(yùn)輸編組最少為3，實(shí)際施工中采用這種運(yùn)輸配置，滿足單護(hù)盾TBM的物料運(yùn)輸要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)單護(hù)盾TBM施工應(yīng)用于長(zhǎng)距離的小斷面隧道施工的情況，采用單線制有軌運(yùn)輸實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性較好。本文提出的基于上述情況的單護(hù)盾TBM后配套運(yùn)輸方案設(shè)計(jì)方法，能有效保證資源合理分配，時(shí)間合理安排，對(duì)于提高施工效率、縮短工期有極大的幫助。在實(shí)際應(yīng)用中也取得良好的效果，可為同類(lèi)施工工況的運(yùn)輸組織設(shè)計(jì)提供參考。