楊志勇， 白志強， 李元凱， 高洪吉， 江玉生， 孫 偉， 孫正陽, 5

(1. 中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院， 北京 100083； 2. 北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100068； 3. 城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點實驗室， 北京 100068； 4. 中鐵十四局集團有限公司， 山東 濟南 250014； 5. 北京城建集團有限責任公司博士后科研工作站， 北京 100088)

0 引言

隨著我國城市規(guī)模不斷擴大，出現(xiàn)了城市快速軌道交通，這些快速軌道交通線路列車停靠車站更少，區(qū)間隧道更長，車輛行駛速度更快，催生出長距離城市盾構隧道，這對盾構施工組織提出了更高要求。土壓平衡盾構掘進過程中，物料及渣土運輸、掘進、管片拼裝三者之間相互銜接。對于長距離盾構隧道而言，隨著運輸距離增加，洞內水平物料、渣土運輸將成為影響盾構施工效率的關鍵因素[1-3]。

目前，土壓平衡盾構施工常見物料及渣土運輸方式為有軌運輸，這種方式單次運載量大，但隨著運輸距離加長，運輸效率顯著降低。有鑒于此，個別長、大盾構隧道為了加快盾構施工速度，采用了連續(xù)皮帶輸送機+垂直皮帶輸送機組合為皮帶輸送機出渣系統(tǒng)運輸渣土，實現(xiàn)物料運輸和渣土運輸?shù)姆蛛x，加快施工效率。

近年來，許多學者結合實際工程對盾構/TBM出渣方式的優(yōu)選進行了研究。齊夢學[4]從技術、經(jīng)濟和工期方面分析龍門吊與垂直皮帶機出渣的差異，得出在城市地鐵雙護盾及開敞式TBM施工中，垂直皮帶機出渣技術具有運輸效率高、不占用TBM掘進時間、故障率和綜合成本低等優(yōu)勢； 王智遠等[5]通過經(jīng)濟性、環(huán)保性、物料運輸效率等方面綜合對比，選擇連續(xù)皮帶輸送機系統(tǒng)作為TBM施工最優(yōu)出渣系統(tǒng)； 陳鵬等[6]對獨頭掘進5 468 m的長距離泥水盾構隧道進行物料運輸優(yōu)化，并建立長距離隧道車輛無軌運輸優(yōu)化模型，結果表明該優(yōu)化模型可為蘇通GIL綜合管廊工程洞內物料運輸方案提供可靠的理論指導； 徐華升等[7]通過建立物料運輸規(guī)劃數(shù)學模型并進行求解，找到了總體費用最低的物料調運方案； 封坤等[8]通過建立模糊綜合評判模型，對盾構隧道內無軌運輸系統(tǒng)進行優(yōu)化； 張寧川[9]在兼顧配置成本合理性和設備運行可靠性的基礎上，對土壓平衡盾構的軌道運輸系統(tǒng)配置方案進行優(yōu)選； 齊春杰[10]為了解決大直徑土壓平衡盾構在復雜多變地層中高效出渣的難題，通過對現(xiàn)場出渣情況記錄、分析及調整，得到了連續(xù)皮帶輸送機可高效進行渣土運輸?shù)慕Y論； 梁峻海等[11]為研究盾構隧道洞內無軌運輸具體的車輛調度方案，依托蘇通GIL綜合管廊工程，提出單車道車輛調度方案，建立運輸車輛調度數(shù)學模型，通過模型分析得出單環(huán)運輸周期和單車道長度呈線性關系，并得出該工程最小掘進周期與單車道極限長度。

通過對國內文獻進行研究分析，發(fā)現(xiàn)關于土壓平衡盾構隧道內部物料及渣土運輸方面的研究大多限于工程經(jīng)驗總結與相關運輸方式的定性對比，少量文獻對盾構出渣系統(tǒng)的選取進行定量計算，但對于有軌運輸與組合運輸2種運輸方式的施工效率尚缺乏統(tǒng)一的理論與標準。本文基于土壓平衡盾構施工循環(huán)流程，建立物料及渣土運輸模型，對上述2種運輸系統(tǒng)的施工效率進行理論分析和計算，并結合北京地鐵新機場線一期盾構隧道工程實例對理論計算結果進行驗證，以期為類似長距離隧道工程物料及渣土運輸方式的選取及設計提供一定的理論依據(jù)與工程參考。

1 工程概況

北京地鐵新機場線一期工程北起草橋，與19號線相接，南至新機場北航站樓，線路途經(jīng)大興、豐臺2個行政區(qū)，全長約46 km，是市區(qū)直達新機場的軌道交通專線。地下段中盾構區(qū)間隧道長度為14.8 km，共分為4個標段、5個區(qū)間，下穿地層主要為砂卵石地層，平均線路埋深12～26 m。盾構區(qū)間隧道距離較長，其中2號風井—3號風井區(qū)間右線全長3 847 m，為全線最長盾構區(qū)間。盾構隧道開挖直徑9 114～9 150 mm，管片外徑8 800 mm、環(huán)寬1 600 mm、厚度450 mm。

新機場線一期工程盾構區(qū)間施工工期十分緊張，僅18個月(含盾構設備采購選型)。兩相鄰隧道1號風井—2號風井、2號風井—3號風井盾構區(qū)間分別采用有軌運輸系統(tǒng)與有軌運輸+皮帶輸送機(包括水平連續(xù)皮帶輸送機+垂直皮帶輸送機)組合系統(tǒng)(簡稱組合運輸系統(tǒng))2種盾構施工物料及渣土運輸方式。盾構區(qū)間概況見表1。

表1 盾構區(qū)間概況Table 1 Overview of shield sections

2 運輸系統(tǒng)模型建立

2.1 運輸方式

根據(jù)工程特點和工程實際投入，將盾構掘進分為3個區(qū)域： Ⅰ 區(qū)為垂直運輸區(qū)域，Ⅱ 區(qū)為水平運輸區(qū)域，Ⅲ 區(qū)為盾構設備區(qū)。盾構施工掘進分區(qū)如圖1所示。

圖1 盾構施工掘進分區(qū)示意圖Fig. 1 Sketch of shield tunneling zoning

設定同一列車編組在盾構后配套處開始卸載管片等物料，至其再次返回盾構后配套處的時間間隔為1個運輸循環(huán)周期。

2.1.1 有軌運輸系統(tǒng)

軌道列車同時攜帶管片車、漿液車與渣土車，自洞口吊裝完成后駛入隧道，在盾構掘進過程中需將渣土車移動至后配套皮帶輸送機卸料端下方裝載渣土，同時卸載管片、漿液等物料，待盾構完成1環(huán)掘進后駛出隧道至始發(fā)井垂直運輸。盾構施工循環(huán)分步工序如圖2所示。

圖2 盾構施工循環(huán)分步工序示意圖Fig. 2 Sketch of processes of shield tunneling cycle

通過現(xiàn)場采樣，統(tǒng)計有軌運輸系統(tǒng)盾構掘進循環(huán)主要工序時間參數(shù)，結果見表2。

表2 有軌運輸系統(tǒng)盾構掘進循環(huán)主要工序時間參數(shù)統(tǒng)計Table 2 Time parameters statistics of main working procedure of shield tunneling cycle in rail transport system

2.1.2 組合運輸系統(tǒng)

相比傳統(tǒng)有軌運輸系統(tǒng)，組合運輸系統(tǒng)在盾構掘進過程中，螺旋輸送機將渣土直接運輸?shù)胶蠓竭B續(xù)皮帶輸送機上，隨著皮帶輸送機運輸出隧道直至進入地面渣土池； 軌道列車攜帶管片等物料自盾構始發(fā)井吊裝完成后運輸至盾構后配套處卸載，之后列車即可駛出隧道至盾構始發(fā)井繼續(xù)進行吊裝加載。

組合運輸系統(tǒng)可實現(xiàn)盾構渣土連續(xù)運輸，渣土直接轉運至地面渣土池，垂直運輸時間縮短，軌道列車空載駛出隧道，其余施工工序與有軌運輸系統(tǒng)相同。組合運輸系統(tǒng)盾構掘進循環(huán)主要工序時間參數(shù)統(tǒng)計見表3。

表3 組合運輸系統(tǒng)盾構掘進循環(huán)主要工序時間參數(shù)統(tǒng)計Table 3 Time parameter statistics of main process of shield tunneling cycle in combined transport system

2.2 列車編組

根據(jù)工程特點與實際投入，盾構施工期間隧道內同步鋪設單線軌道。隨著隧道掘進距離增加，運輸效率顯著降低，增加固定式道岔與移動會車平臺，分3個階段提升多列編組運行要求。

1)階段1。始發(fā)掘進期間，由于盾構整體長度影響，列車編組為1臺電瓶機車+4臺渣土車(組合運輸系統(tǒng)無渣土車，階段2、3相同)+2臺砂漿罐車+3臺管片車，在盾構始發(fā)井主體結構及隧道內部鋪設單線軌道。

2)階段2。隧道掘進距離較長階段，在始發(fā)洞門處鋪設固定道岔及4軌雙線軌道。投入2組列車編組(1臺電瓶機車+4臺渣土車+2臺砂漿罐車+3臺管片車)。

3)階段3。運輸效率顯著降低階段，在隧道內部增加移動會車平臺，隨盾構向前掘進而移動，洞內列車編組數(shù)量增加至3組。

2.3 道岔布設

盾構隧道水平運輸最優(yōu)原則為： 物料與管片提前到達盾構后配套處，利用盾構流程轉換的合適時間卸載物料及管片，盡量縮短盾構空置時間。

為了實現(xiàn)最優(yōu)運輸組織，結合表2、3可知，在有軌運輸條件下，單組列車完成1次運輸循環(huán)所需時間須小于管片拼裝時間，如式(1)所示； 組合運輸系統(tǒng)完成1次運輸循環(huán)所需時間須小于盾構掘進與管片拼裝時間之和，如式(2)所示。否則，將出現(xiàn)盾構停機等待時間，降低盾構施工效率。

(1)

(2)

軌道列車在一個運輸循環(huán)周期里的最大水平運輸距離稱為車輛極限運輸距離lmax，即始發(fā)洞門至盾構后配套處距離。在超過車輛極限運輸距離lmax之后需布設道岔，同時增加軌道列車編組數(shù)量，以滿足管片物料運輸需求。2種盾構運輸系統(tǒng)軌道列車單環(huán)單組運輸循環(huán)周期如圖3所示。

圖3 2種運輸系統(tǒng)單環(huán)單組運輸循環(huán)周期示意圖Fig. 3 Sketch of single-loop and single-group transportation cycle of two transport systems

由圖3分析可知，有軌運輸系統(tǒng)與組合運輸系統(tǒng)單環(huán)單組完成1次運輸循環(huán)周期所需時間為：

(3)

(4)

式(3)—(4)中：T為有軌運輸系統(tǒng)單環(huán)單組運輸循環(huán)周期；T′為組合運輸系統(tǒng)單環(huán)單組運輸循環(huán)周期；τ為車輛滯留時間。

由式(3)—(4)化簡得到2種運輸系統(tǒng)軌道列車在隧道內部運輸距離l的計算表達式分別為：

(5)

(6)

當滯留時間τ=0時，2種運輸系統(tǒng)車輛極限運輸距離lmax的計算表達式分別為：

(7)

(8)

結合式(7)—(8)，2種運輸系統(tǒng)單程極限運輸距離計算結果見表4。

表4 2種運輸系統(tǒng)單程極限運輸距離Table 4 One-way limit transport length of two transport systems

由隧道極限運輸距離反推得出道岔最晚布設時機。在有軌運輸系統(tǒng)條件下，盾構始發(fā)掘進時即需安裝固定道岔； 在組合運輸系統(tǒng)條件下，水平隧道距離達1 700 m時布設固定道岔即可滿足盾構隧道水平運輸需求。

2.4 2種運輸系統(tǒng)模型建立

2.4.1 有軌運輸系統(tǒng)模型建立

有軌運輸系統(tǒng)盾構始發(fā)掘進后隨即布設道岔，同時投入2組軌道列車編組，2組列車可交替進行垂直運輸。

結合上述分析，在一定運輸距離lX范圍內，盾構掘進時間/渣土加載時間與管片拼裝時間之和是制約完成盾構掘進循環(huán)的主要因素，如式(9)所示：

(9)

當且僅當滯留時間τ=0時，可求得最大運輸距離

lX≤1 214 m。

(10)

當運輸距離大于1 214 m，垂直運輸時間與水平運輸時間之和轉變?yōu)橹萍s盾構掘進循環(huán)的主要因素，此時完成1次掘進循環(huán)所需時間

(11)

結合式(9)—(11)，通過對不同隧道距離進行分析，得出有軌運輸系統(tǒng)條件下盾構完成1次掘進循環(huán)時間計算模型。當且僅當滯留時間τ=0時，計算模型表達式為：

(12)

2.4.2 組合運輸系統(tǒng)模型建立

結合表4中組合運輸系統(tǒng)單程極限運輸距離，在運輸距離l≤1 700 m階段，盾構掘進時間與管片拼裝時間之和是制約盾構完成掘進循環(huán)的主要因素； 當運輸距離l>1 700 m時，垂直運輸時間與水平運輸時間之和轉變?yōu)橹萍s盾構掘進循環(huán)進度的主要因素。

綜上所述，當且僅當滯留時間τ=0時，在組合運輸系統(tǒng)條件下完成1次盾構掘進循環(huán)時間計算模型如式(13)所示：

(13)

3 工程分析

基于上述研究，分別對2種運輸系統(tǒng)條件下盾構掘進循環(huán)時間進行理論預測，結合現(xiàn)場實測掘進循環(huán)時間數(shù)據(jù)，進行模型對比驗證。

3.1 有軌運輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)對比分析

基于式(12)理論計算結果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，對北京地鐵新機場線一期工程1號風井—2號風井區(qū)間的預測掘進循環(huán)時間與實測掘進循環(huán)時間進行對比分析，同時計算實測時間相比理論預測時間的增量百分比，計算結果如圖4所示。

圖4 有軌運輸系統(tǒng)預測時間與實測時間對比分析Fig. 4 Comparative analysis of predicted time and actual measured time of transport system

通過圖4對比分析可知，預測掘進循環(huán)時間與實測掘進循環(huán)時間曲線走勢基本相同，但實測掘進循環(huán)時間始終大于預測掘進循環(huán)時間。運輸距離為400 m時，預測時間與實測時間相差最小，實測時間相比預測時間增加12%； 運輸距離為2 100 m時相差最大，最大增加34%。隨著運輸距離增加，盾構掘進循環(huán)實測施工時間與理論預測時間差值逐漸增大，運輸效率降低越加明顯。

綜合分析上述現(xiàn)象，原因為： 有軌運輸系統(tǒng)施工連續(xù)性較差，且理論預測計算主要考慮盾構施工循環(huán)關鍵因素，對現(xiàn)場施工調度、組織安排以及龍門吊設備故障檢修時間等次要因素未考慮在內，導致實測掘進循環(huán)時間始終大于預測掘進循環(huán)時間。

3.2 組合運輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)對比分析

同理，基于式(13)對北京地鐵新機場線一期工程2號風井—3號風井區(qū)間預測掘進循環(huán)時間與實測掘進循環(huán)時間進行對比分析，同時計算實測時間相比理論預測時間的增量百分比，計算結果如圖5所示。

圖5 組合運輸系統(tǒng)預測時間與實測時間對比分析Fig. 5 Comparative analysis between predicted time and tactual measured time of combined transport system

通過圖5對比分析可知，實測掘進循環(huán)時間始終圍繞理論預測掘進循環(huán)時間上下波動，并多次出現(xiàn)曲線相交情況，即實際施工達到理論預期。運輸距離為1 700 m時，預測時間與實測時間相差最大，最大增加19%。總體而言，組合運輸系統(tǒng)盾構掘進循環(huán)理論預測時間與實測施工時間相差較小，在現(xiàn)場實際施工過程中，更容易達到理想施工效果。

相比有軌運輸系統(tǒng)，組合運輸系統(tǒng)受到次要因素影響較小，且由于物料運輸與渣土運輸分離，進一步加快了施工效率，因此出現(xiàn)多次實際施工情況達到理論預期效果。

3.3 2種運輸系統(tǒng)適用施工距離分析

2種運輸系統(tǒng)實測施工時間差值與有軌運輸系統(tǒng)實測施工時間進行比值計算，定義該比值為2種盾構運輸系統(tǒng)的施工工效，如式(14)所示。

(14)

基于3.1節(jié)、3.2節(jié)對2種運輸系統(tǒng)實測掘進循環(huán)時間數(shù)據(jù)進行對比，將對比分析結果與工效比值進行繪圖分析，結果如圖6所示。

圖6 2種運輸系統(tǒng)實測掘進循環(huán)時間和施工工效對比Fig. 6 Comparison of measured driving cycle time and construction efficiency between two transport systems

由圖6分析可知，運輸距離在600 m附近時，2種運輸系統(tǒng)完成1次掘進循環(huán)相差時間最小，組合運輸系統(tǒng)相比有軌運輸系統(tǒng)施工工效增加5.8%； 在1 700 m附近，2種運輸系統(tǒng)施工工效再次相差較小，為11.8%，隨后施工工效差值逐步增大，在2 200 m附近達到峰值，最大增加39%。

綜上所述，2種運輸系統(tǒng)實測施工工效拐點在600 m與1 700 m附近，即當運輸距離小于600 m時，2種運輸系統(tǒng)施工工效相差最小，且皮帶輸送機出渣系統(tǒng)初期投資成本較大，綜合成本、造價等因素宜優(yōu)先選用有軌運輸系統(tǒng)； 當運輸距離在600～1 700 m時，2種盾構運輸系統(tǒng)施工工效基本相同； 運輸距離大于1 700 m時，出于施工工效考慮，宜選取組合運輸系統(tǒng)。

4 結論與討論

本文依托北京新機場線一期工程1號風井—2號風井、2號風井—3號風井盾構區(qū)間，基于盾構掘進循環(huán)模型對有軌運輸和組合運輸2種運輸系統(tǒng)建立模型并求解預測。結合現(xiàn)場實測掘進循環(huán)時間分析，得到結論如下：

1)在有軌運輸系統(tǒng)條件下，盾構預測掘進循環(huán)時間與實測掘進循環(huán)時間最小相差12%，最大相差34%，隨著運輸距離增加，時間差值逐漸增大，工效降低越加明顯，越難達到理論施工期望。

2)在組合運輸系統(tǒng)條件下，實測掘進循環(huán)時間始終圍繞理論預測掘進循環(huán)時間上下波動，并多次出現(xiàn)曲線相交情況，即實際施工達到理論預期，運輸距離為1 700 m時，時間差值最大僅為19%?？傮w而言，理論預測時間與實測施工時間相差較小，在現(xiàn)場實際施工過程中，更容易達到理想施工效果。

3)組合運輸系統(tǒng)相較有軌運輸系統(tǒng)施工工效最小增加5.8%，最大增加39%； 結合施工工效拐點分析，得出當盾構隧道運輸距離小于600 m時，優(yōu)先選用有軌運輸系統(tǒng)； 運輸距離在600～1 700 m時，2種運輸系統(tǒng)均可選擇； 運輸距離大于1 700 m時，出于施工工效考慮，宜選取組合運輸系統(tǒng)。

本文旨在研究2種運輸系統(tǒng)施工效率問題，且重點在于水平運輸出渣方式優(yōu)選，因此，對于垂直運輸距離等參量未做深入考慮，僅結合現(xiàn)場實測樣本數(shù)據(jù)對2種運輸系統(tǒng)中垂直運輸部分進行定量賦值，簡化模型建立條件。同時，文章未針對成本、環(huán)保、造價等其他因素對于施工的影響進行深入分析，后續(xù)仍需進一步研究。