摘要：以中鐵二十二局集團軌道工程有限公司成都地鐵6號線13標項目三中盾構(gòu)區(qū)間為案例，闡述了地鐵盾構(gòu)施工運輸系統(tǒng)構(gòu)成和運作等內(nèi)容，重點從水平運輸、垂直運輸、設備編組等方面進行詳細分析與計算，為盾構(gòu)施工水平垂直運輸方案制定、設備編組以及整個盾構(gòu)施工效率提升提供借鑒與參考。

關鍵詞：盾構(gòu)施工；水平運輸；垂直運輸；設備編組；生產(chǎn)進度

0" "引言

盾構(gòu)施工作為地鐵施工項目的重要組成部分，直接關系到地鐵項目的成功與否。其中制定盾構(gòu)水平垂直運輸方案是開展地鐵盾構(gòu)施工的技術(shù)準備和后勤保障，對保證盾構(gòu)施工進度、施工安全、成本管控極具現(xiàn)實意義。

本文以成都地鐵6號線13標項目三中盾構(gòu)區(qū)間為案例，闡述了地鐵盾構(gòu)施工運輸系統(tǒng)構(gòu)成和運作等內(nèi)容，重點從水平運輸、垂直運輸、設備編組等方面進行詳細分析與計算，為盾構(gòu)施工水平垂直運輸方案制定、設備編組以及整個盾構(gòu)施工效率提升提供借鑒與參考。

1" "工程概況

1.1" "工程基本情況

成都地鐵6號線一、二期工程土建13標為兩站三區(qū)間，分別為三色路站、中和站以及金三區(qū)間、三中區(qū)間、龍燈山出入場線區(qū)間。其中，三中區(qū)間出三色路站后沿規(guī)劃三色路下方進行敷設，然后轉(zhuǎn)入繞城高速兩側(cè)防護綠地內(nèi)并下穿繞城高速路基，最后轉(zhuǎn)入中柏大道進入中和站。區(qū)間起始站為地下三層站，終點站為地下兩層站。線路設計最大坡度26‰，最小坡度6‰。覆土10.5～17.5m。

線路以直線出三色路站后設置一段半徑為450m的平面曲線，后接直線，再分別接半徑為600m、500m、500m的曲線，最終以直線進入中和站。三中區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)左線長為2589.9m、右線長為2593.6m，盾構(gòu)穿越地層基本為泥巖地層，部分地段為上部砂卵石、下部泥巖的復合地層。

1.2" "施工過程

本區(qū)間投入2臺鐵建重工盾構(gòu)機進行區(qū)間隧道施工作業(yè)。盾構(gòu)從三色路站大里程端始發(fā)，通過區(qū)間風井后二次始發(fā)到達中和站小里程端接收吊出。區(qū)間詳細施工組織計劃如下：三中區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)井設置在三色路站大里程端，盾構(gòu)始發(fā)出三色路站后向南掘進，通過中間風井，然后到達中和站小里程端。

2" "盾構(gòu)施工運輸系統(tǒng)構(gòu)成及原理

2.1" "系統(tǒng)構(gòu)成

盾構(gòu)掘進施工運輸調(diào)度的主要工作分為盾構(gòu)施工水平運輸與垂直運輸?shù)恼{(diào)度管理[1]。盾構(gòu)施工運輸系統(tǒng)，包含垂直運輸和水平運輸兩大部分。垂直運輸主要由門式起重機在車站實現(xiàn)，水平運輸則通過編組的電瓶機車在盾構(gòu)區(qū)間進行完成。

2.2" "系統(tǒng)運作

2.2.1" "水平運輸過程

長距離隧道掘進效率與水平運輸設備的關系尤為重要，水平運輸?shù)哪芰υ诤艽蟪潭壬现萍s了隧道的掘進速度[2-3]。水平運輸?shù)闹饕ぷ鲀?nèi)容是使用電瓶機車編組，將管片、油脂等盾構(gòu)生產(chǎn)所需物資運輸至隧道內(nèi)的盾構(gòu)機處，并將盾構(gòu)機掘進產(chǎn)生的渣土運回至隧道洞口。

機車編組為盾構(gòu)機始發(fā)及掘進過程提供源源不斷的設備物資供應和渣土清運。編組機車進入隧道時，管片運輸車、砂漿運輸車為重車，將管片和砂漿及其他材料運進，運渣車為空車。駛出隧道時，管片運輸車、砂漿運輸車為空車，運渣車為重車，將渣土運出。

2.2.2" "垂直運輸過程

列車到達洞口的出渣井后，門式起重機把渣車車箱吊離地面相應的高度后，車箱隨門式起重機小車橫移到渣坑縱方向位置，再隨門式起重機大車移動到渣坑橫向位置。最后，利用設置在門式起重機上的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，隨著吊鉤的下落，車箱及渣土由于重心與轉(zhuǎn)軸的不平衡而翻轉(zhuǎn)卸渣，完成渣土的垂直運輸。

三中區(qū)間的渣土起吊、管片及施工材料的下井均在三色路站進行垂直運輸，后期不考慮在區(qū)間風井吊運任何材料，因此為滿足隧道內(nèi)長距離水平運輸，在三色路站和區(qū)間風井處設置道岔，滿足列車錯車需要，以此加快施工進度。

3" "水平運輸方案

3.1" "水平運輸系統(tǒng)設計

盾構(gòu)機始發(fā)階段運輸系統(tǒng)主要滿足出渣、供料等施工需要，在充分考慮始發(fā)階段第五段底板場地受限的情況下，作出以下安排[4]：一是盾構(gòu)機始發(fā)階段，采用單線編組列車。列車編組情況為1節(jié)電瓶車+2節(jié)渣土車+1節(jié)砂漿車+2節(jié)管片車。二是盾構(gòu)機進入正常掘進狀態(tài)后，站臺內(nèi)設雙線會車道，隧道內(nèi)設單線運輸軌道，列車編組再增加2節(jié)渣土車，2列整編組進行循環(huán)作業(yè)。

3.2" "渣土車容量選擇

本工程所采用的盾構(gòu)機切削刀盤直徑為6.28m，支護管片寬為1.5m，根據(jù)工程經(jīng)驗及成都地鐵6號線地質(zhì)情況渣土松散系數(shù)取1.3。基于以上數(shù)據(jù)，計算每掘進一環(huán)的渣土體積。每環(huán)理論渣土體積計算公式如下：

V1=πR2L=46.44m3" " " " " " （1）

式中：V1為每環(huán)理論渣土體積，單位為m3；R為盾構(gòu)機刀盤開挖半徑，單位為m；L為管片寬度，單位為m。

將數(shù)據(jù)代入式（1）計算可得每環(huán)理論渣土體積V1為46.44m3。

實際每環(huán)渣土體積V2計算公式如下：

V2=V1μ=60.37m3" " " " " " " （2）

式中：V2為實際每環(huán)渣土體積，單位為m3；μ為渣土松散系數(shù)1.3。

工程渣土隧道水平運輸為4節(jié)17m3的渣土斗，實際運輸過程中，每個渣土車斗裝按利用率90%計算，即每個渣土車斗運輸量為17m3×90%=15.3m3，每個編組列車能運輸量為4×15.3=61.2m3。其運輸量大于每環(huán)掘進渣土量60.37m3，因此渣土車容量滿足工程要求。

3.3" "砂漿車容量選擇

每環(huán)掘進所注砂漿為刀盤切削渣土體積減去管片的外徑所占體積，每環(huán)掘進所注砂漿量V3計算公式如下：

V3=π（R2-r2）Lμ=6.08m2" " " " " （3）

式中：R為盾構(gòu)機刀盤開挖半徑，單位為m；L為管片寬度，單位為m；r為管片外徑，單位為m；μ為砂漿填充系數(shù)，取1.5。考慮到隧道坡度、砂漿泵送過程中泄漏等情況，選擇1節(jié)8m3砂漿車滿足使用要求。

3.4" "電瓶機車選擇

3.4.1" "基礎數(shù)據(jù)選擇

隧道左、右線各布置1列電瓶機車，用以牽引整個編組設備，完成整個隧洞內(nèi)的水平運輸。實際所需的機車黏重根據(jù)上述渣土質(zhì)量和最大坡度（三中區(qū)間線路最大坡度26‰）對機車進行下列計算。

根據(jù)本項目研究區(qū)資料，軌線坡度26‰。每循環(huán)渣質(zhì)量為120.74t，4輛17m3渣車運輸車（駛出時為重車）質(zhì)量為36t，1輛8m3砂漿車（駛出時為空車）質(zhì)量為6t，2輛管片車（駛出時為空車）質(zhì)量為4t。考慮用1列運輸編組完成一循環(huán)渣土及輔料運輸，因此編組為1節(jié)機車+4節(jié)渣土車+1節(jié)砂漿運輸車+2節(jié)管片車。

3.4.2" "機車技術(shù)參數(shù)選擇

由機車黏著牽引力≥坡道阻力+列車綜合運行阻力+加速慣性力，經(jīng)推導得知：

式中：a為加速度，取值0.05m/s2；G2為重載列車牽引總重，取值166.74t；μ1為隧道坡度，取值26‰；μ2為隧道坡道綜合阻力系數(shù)，取值0.008；μ為機車粘著系數(shù)，取值0.26。

經(jīng)計算得到，在26‰坡度下，至少需28.4t機車可牽引，考慮適量冗余，決定選用單臺45t機車（公稱黏重為45t）。

3.4.3" "車輛編組方案選擇

根據(jù)上述計算結(jié)果得出隧道列車編組為：三中區(qū)間左線、右線的洞內(nèi)水平運輸，由一列45t電瓶機車牽引4節(jié)17m3渣土車、1節(jié)8m3砂漿運輸車、2節(jié)15t管片車組成，1列編組在隧道完成掘進，1列編組在車站出渣下料，2列編組循環(huán)運行。每列編組出一環(huán)渣。

3.5" "水平運輸功效分析

初步估算，盾構(gòu)掘進每循環(huán)平均掘進時間約為40min。每環(huán)管片平均安裝時間為30min。為節(jié)約2列編組進出隧道的會車時間，在三中風井安裝換車道岔。金石站-三色站、三色路站-三中風井-中和站區(qū)間及車站總長為2870m，機車行車速度按照5km/h進行計算。

機車行車5km/h時1000m隧道運行功效如圖1所示。從圖1分析可知，水平運輸系統(tǒng)電瓶機車組的配置不僅能夠滿足材料及設備調(diào)運，還能夠保證施工工期的順利實現(xiàn)。

4" "垂直運輸方案

三中區(qū)間垂直運輸主要由布置在三色路站南部的2臺門式起重機完成，主要用于吊運井下電瓶機車水平運輸?shù)脑?、管片及隧道?nèi)使用的軌道、走道板等材料。三中區(qū)間門式起重機配置表如表1所示。

4.1" "門式起重機配置

三中區(qū)間左、右線共用2臺門式起重機，主要進行渣土吊運、管片卸車、管片以及其他材料下井。2臺門式起重機的起重量分別為45t、50t，軌距為26m，均為單懸臂，懸臂長為7.9m，有效最遠吊裝距離為5m。

由于管片每環(huán)6塊，管片寬度為1.5m，總質(zhì)量約22t，單塊管片最大質(zhì)量為4.4t。考慮進場管片的配車方式，3塊最大質(zhì)量的管片的質(zhì)量約為13.2t，剩余3塊管片的質(zhì)量約為8.8t。因此門式起重機16t副鉤能滿足管片卸車及下井垂直運輸能力需求。

每列計劃設置4個17m3渣斗，采用45t和50t門式起重機出渣，結(jié)合場地布置，2臺門式起重機可同時服務于2條線的渣車編組。渣土運輸計算如表2所示。

根據(jù)上述計算結(jié)果得出，1臺45t和1臺50t的門式起重機能滿足三中區(qū)間管片、渣土及其他材料吊運使用要求，主要負責現(xiàn)場的盾構(gòu)始發(fā)設備下井、渣土吊運工作、管片吊裝及其他輔助材料、小型機具吊裝。

4.2" "垂直運輸功效分析

垂直運輸系統(tǒng)能力的所有因素中，唯一沒有選擇余地的是門式起重機的提升速度。重物在自由狀態(tài)下提升速度一般不超過15m/min。門式起重機大車、小車運行速度一般為0～25m升速度，根據(jù)其提升速度、大車與小車的運行速度計算，得到每臺門式起重機每天的極限提升循環(huán)車數(shù)約為45車。

渣車容量的大小是制約垂直運輸能力的主要因素，渣車容量越大則垂直運輸能力越大，故選用17m3渣斗。垂直運輸能力如表3所示。

經(jīng)垂直運輸功效分析不難看出，門式起重機配置1臺45t/16t和1臺50t/16t不僅能夠滿足材料及設備調(diào)運，而且能夠保證施工工期的實現(xiàn)。

5" "結(jié)束語

盾構(gòu)施工是一項綜合性施工技術(shù)，其水平垂直運輸是控制盾構(gòu)施工生產(chǎn)進度的關鍵因素之一，高效可行的水平垂直運輸方案對保證盾構(gòu)施工進度、施工安全、成本管控極具現(xiàn)實意義。

編制高效的盾構(gòu)水平垂直運輸方案既要掌握工期安排、熟悉施工場地，也要對門式起重機、電瓶機車、渣土車、砂漿車、管片車等配套設備參數(shù)及性能有全面的市場調(diào)查及分析，這樣既能達到保證安全施工前提下滿足盾構(gòu)施工水平垂直運輸需求，又要避免因設備運輸能力過剩導致成本增加。

參考文獻

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