劉 逢

0 引言

在盾構(gòu)法施工中,根據(jù)隧道和地下工程的地質(zhì)和水文情況,確定了盾構(gòu)機(jī)的類型和規(guī)格。隨后,為了保證盾構(gòu)機(jī)正常掘進(jìn)和出渣運(yùn)輸服務(wù)的輔助設(shè)備(包括電瓶機(jī)車、龍門吊、攪拌站、水循環(huán)設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備、充電設(shè)備等)就必須由此確定。盾構(gòu)機(jī)與盾構(gòu)輔助設(shè)備組成一個(gè)生產(chǎn)設(shè)備系統(tǒng),各設(shè)備之間環(huán)環(huán)相扣。要發(fā)揮盾構(gòu)機(jī)快速高效安全的施工性能,我們就必須使相應(yīng)的盾構(gòu)輔助設(shè)備先進(jìn)可靠而且配置合理,因此對(duì)盾構(gòu)輔助設(shè)備的選型亦為重要。

1 電瓶機(jī)車組的選型

電瓶機(jī)車在盾構(gòu)法施工中主要用于盾構(gòu)施工出渣、管片運(yùn)輸、砂漿及其他掘進(jìn)過程中所需材料的運(yùn)輸。電瓶機(jī)車由牽引機(jī)車、渣土車、管片車、砂漿車組成。

1.1 牽引機(jī)車的性能配置

牽引機(jī)車,由蓄電池箱供應(yīng)直流電,直流電通過牽引變頻器轉(zhuǎn)換成電壓與頻率可調(diào)的三相交流電供兩臺(tái)普通三相異步牽引電動(dòng)機(jī),每臺(tái)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子通過萬向聯(lián)軸節(jié)驅(qū)動(dòng)齒輪減速傳動(dòng)箱,經(jīng)過二級(jí)齒輪減速傳動(dòng)到車軸上,從而牽引機(jī)組。牽引機(jī)車主要結(jié)構(gòu)分為車體、走行裝置、制動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、蓄電池箱、操縱控制系統(tǒng)、空壓機(jī)系統(tǒng)等部分。

1.1.1 牽引力核算及機(jī)車編組類型

對(duì)于電瓶機(jī)車的牽引噸位一般根據(jù)線路的縱向坡度、機(jī)車編組類型等因素決定,下面結(jié)合深圳地鐵2號(hào)2202標(biāo)段的電瓶機(jī)車的選型淺析其牽引力計(jì)算和機(jī)車編組類型。本標(biāo)段單線隧道總長(zhǎng)6497.16 m;刀盤開挖直徑6280 mm;管片外徑6000 mm,管片內(nèi)徑5400 mm,環(huán)寬1500 mm;區(qū)間隧道最大線路縱坡為27‰,最小曲線半徑為400 m;本標(biāo)段采用 45 t電瓶機(jī)車、18 m3渣車、15 t管片車、7 m3砂漿車。

編組方案Ⅰ(一列機(jī)車編組):

計(jì)算基本參數(shù):考慮后期施工容余量,線路最大縱坡:35‰;持續(xù)速度:7.8 km/h;最高速度:15.6 km/h;列車最大載荷 Q(不含機(jī)車):255 t。機(jī)車啟動(dòng)粘著牽引重量:

其中,Qq為機(jī)車啟動(dòng)時(shí)牽引重量,kN;Fg為粘著牽引力,Fg=μ×P,N,μ為粘著系數(shù),取0.33,P為機(jī)車粘著重量,kN;ig為坡道阻力系數(shù),取縱坡千分?jǐn)?shù)絕對(duì)值,ig=35,上坡為正,下坡為負(fù);wg′為坡道上機(jī)車單位阻力,wg′=5 N/kN;wg″為坡道上車輛單位阻力,wg″=17 N/kN;Qya為機(jī)車所配動(dòng)力計(jì)算牽引重量,kN。

按35‰上坡道計(jì)算,設(shè)機(jī)車自重為45 t,即設(shè)機(jī)車的粘著重量為45 kN,則機(jī)車的啟動(dòng)粘著牽引重量為:Qq=[0.33×450000-450×(5+35)]/(17+35)≈2510 kN≈256 t。

在35‰坡道上,45 t機(jī)車的粘著牽引重量為256 t,大于按一列車編組的機(jī)車最大牽引載荷255 t。

編組方案Ⅱ(兩列機(jī)車編組):

根據(jù)編組方案Ⅰ核算過程,可知編組方案Ⅱ:

第一列機(jī)車:進(jìn)洞牽引載荷20 t+27.5 t+17.5 t=65 t;

最大牽引載荷20 t+32 t×2+27.5 t+17.5 t=129 t。

第二列機(jī)車:進(jìn)洞牽引載荷30 t+27.5 t=57.5 t;

最大牽引載荷30 t+32 t×3+27.5 t=153.5 t。

根據(jù)上述計(jì)算,兩列編組最大的牽引載荷是153.5 t;由上述4種機(jī)車牽引力計(jì)算:45 t電瓶車可以換成35 t電瓶車;但考慮為以后工程的施工預(yù)留余量、維修保養(yǎng)及零配件采購的方便,項(xiàng)目部確定采用45 t電瓶機(jī)車。

在確定車輛編組后,可以考慮在洞門井口處附近設(shè)置一組道岔,提高機(jī)車組運(yùn)行效率,以及出渣及運(yùn)送管片、漿液與盾構(gòu)的作業(yè)相銜接工效。

1.1.2 牽引機(jī)車選型中其他技術(shù)要點(diǎn)

牽引機(jī)車在考慮編組確定機(jī)車數(shù)量后,對(duì)于其他配置上還應(yīng)該注意幾個(gè)重點(diǎn):1)牽引機(jī)車的變頻器。在我們選型的過程中要重點(diǎn)考察變頻器的主功率元件、電源控制可控硅容量、主控板、CPU等核心元件的可靠性和功效。2)牽引車的牽引電機(jī)。所選用牽引電機(jī)的形式、功率、轉(zhuǎn)距、調(diào)速范圍、過載能力、防護(hù)和絕緣等級(jí)等是選型過程中要考慮的關(guān)鍵指標(biāo)。3)蓄電池:是整列機(jī)車的“電站”,其電源的持久可以減少更換和充電頻率,為掘進(jìn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中節(jié)省時(shí)間提高效率。在其采購過程中要考慮其容量大小與牽引機(jī)車的匹配性以及同類型號(hào)的替代等性能。4)在使用過程中的重點(diǎn):主要關(guān)注驅(qū)動(dòng)軸的連接器的螺栓緊固、變頻調(diào)速的集成電路板以及變速箱的緊固等問題。

1.2 其他車組的選型技術(shù)要點(diǎn)

1)渣土車:重點(diǎn)考慮渣土車卸渣方式、容量;在使用維護(hù)過程中要重點(diǎn)關(guān)注剎車片及閘瓦、剎車汽缸漏氣、牽引銷的脫落等問題。

2)砂漿車:重點(diǎn)考慮砂漿車攪拌系統(tǒng)所用軸承漏漿和泵送功系統(tǒng)(螺桿泵,在螺桿和轉(zhuǎn)動(dòng)軸之間的十字聯(lián)軸節(jié)的保護(hù)套定位原廠是鋼絲卡簧容易斷裂,造成螺桿和螺桿腔定位失效,泵送能力不足,磨損加劇或濃漿泵)。

3)管片車:要考慮載重量、最小轉(zhuǎn)彎半徑、剎車方式。

2 龍門吊的選型

龍門吊在盾構(gòu)施工中主要用于出渣、管片裝卸及其他掘進(jìn)材料(如:泡沫、油脂、管片螺栓)等吊裝。在電瓶機(jī)車編組確定后,龍門吊的噸位隨即確定。對(duì)于龍門吊的龍門吊跨度、懸臂方式、凈空高、主供電方式(滑觸線或電纜卷盤)等主要依據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的空間位置和始發(fā)方案來確定選型,上述方面確定后,還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下方面:

1)翻渣系統(tǒng)及方向:在龍門吊翻渣系統(tǒng)上主要采用副鉤傾倒或支座傾倒兩種方式;出渣的方向有垂直線路或平行于線路方向,具體的選擇主要依據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)需求的方案;

2)大鉤及起升小車的變頻系統(tǒng)的可靠性;

3)起吊卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)安全性;

4)安全保護(hù)裝置的可靠性(如:起升高度限位器、起重量限位器、避雷針、風(fēng)速儀、報(bào)警器、電氣保護(hù)裝置、地錨裝置等);

5)副鉤噸位。

3 攪拌設(shè)備的選型

攪拌設(shè)備主要用于盾構(gòu)掘進(jìn)中同步注漿液和渣土改良液的拌制,其生產(chǎn)產(chǎn)量能力的選擇主要依據(jù)掘進(jìn)效率和供應(yīng)量的需求,但在設(shè)備的選型上我們還應(yīng)注意以下問題:

1)生產(chǎn)所需要的材料如:水、水泥、粉煤灰、河砂等電平稱自動(dòng)計(jì)量精度要求,是直接關(guān)系到漿液的配置是否成功的關(guān)鍵;

2)配料機(jī)高度;

3)是否有振動(dòng)篩進(jìn)行過濾;

4)攪拌機(jī)下料方式,其采用濃漿泵泵送還是采用自重滑落方式等,這關(guān)系到下料口空間的尺寸問題;

5)攪拌設(shè)備的布置,主要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)空間位置來確定,特別是筒倉地基基礎(chǔ)是施工中的關(guān)鍵(涉及地下管線和使用安全);

6)使用過程中主要維護(hù)電氣傳感裝置、水泥和粉煤灰的泵送口防潮防堵、氣動(dòng)倉門、自動(dòng)上料機(jī)的潤(rùn)滑保養(yǎng)等問題。

4 通風(fēng)機(jī)選型

4.1 通風(fēng)方式

隧道的通風(fēng)主要采用壓入通風(fēng)為主,排風(fēng)為副。在盾構(gòu)始發(fā)井設(shè)置大功率的通風(fēng)機(jī),將地面的新鮮空氣送入隧道,利用軟風(fēng)管連接到盾構(gòu)機(jī)的盾尾位置,保證盾構(gòu)隧道內(nèi)有足夠的新鮮空氣,再在盾構(gòu)機(jī)的臺(tái)車尾部設(shè)置較小功率的排風(fēng)機(jī),將盾構(gòu)機(jī)上的熱空氣排走。完成熱空氣交換和補(bǔ)充新鮮空氣的功能,使掘進(jìn)工人在較好的條件下工作。

4.2 通風(fēng)參數(shù)的確定

通風(fēng)設(shè)計(jì)的基本依據(jù)是風(fēng)量、風(fēng)壓以及它的可靠性和穩(wěn)定性。深圳二號(hào)線2202標(biāo)段最長(zhǎng)區(qū)間的長(zhǎng)為1783.9 m,隧道內(nèi)直徑為5400 mm,盾構(gòu)機(jī)及運(yùn)輸設(shè)備均以電力為動(dòng)力,無機(jī)械廢氣污染。

主風(fēng)管管徑綜合考慮盾構(gòu)后配套臺(tái)車預(yù)留的風(fēng)管位置和尺寸,最好取比較大的風(fēng)管,可以取φ 1200 mm～φ 1300 mm;本標(biāo)段施工中實(shí)際選用φ 1100 mm。通風(fēng)風(fēng)量:Q=343 m3/min。風(fēng)機(jī)風(fēng)量:Qf=623 m3/min。

根據(jù)以上技術(shù)參數(shù)確定通風(fēng)設(shè)備的選型,使設(shè)備的技術(shù)參數(shù)滿足施工的需要。在性價(jià)比角度上還可以考慮是否選用變頻風(fēng)機(jī)。在本標(biāo)段盾構(gòu)施工中選用的是射流風(fēng)機(jī),型號(hào)SFD-4-10/0,工作風(fēng)量為900 m3/min～1450 m3/min,功率37 kW×2。

5 水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備的選型

對(duì)于水循環(huán)設(shè)備的選擇主要依據(jù)盾構(gòu)機(jī)的類型,確定其是否需要冷卻系統(tǒng)以及水循環(huán)設(shè)備的技術(shù)參數(shù)。本標(biāo)段采用海瑞克φ 6250型土壓平衡盾構(gòu),采用液壓驅(qū)動(dòng)方式,需要冷卻系統(tǒng)。水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備主要包括冷卻塔和循環(huán)水泵。

冷卻塔的選型應(yīng)考慮總流量、進(jìn)出口溫度差、冷卻的填料、循環(huán)水泵的揚(yáng)程、流量及冷卻風(fēng)量等問題。

6 結(jié)語

本文通過對(duì)電瓶機(jī)車組、龍門吊、攪拌站、通風(fēng)設(shè)備、水循環(huán)設(shè)備等盾構(gòu)輔助設(shè)備的選型分析,闡述在設(shè)備選擇上把握的要點(diǎn)以及需要考慮的問題,并結(jié)合使用過程中維護(hù)和保養(yǎng)的重點(diǎn),保證盾構(gòu)機(jī)與盾構(gòu)輔助設(shè)備組成的生產(chǎn)設(shè)備系統(tǒng)穩(wěn)定和可靠,充分發(fā)揮盾構(gòu)機(jī)快速高效安全的施工性能,提高生產(chǎn)的效率,降低施工的風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)成本。

[1]張鳳祥,傅德明.盾構(gòu)隧道施工手冊(cè)[M].北京:人民交通出版社,2005.

[2]鞠世健,竺維彬.符合地層的盾構(gòu)施工技術(shù)[M].北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社,2005.

[3]韋通康.關(guān)于電機(jī)車牽引重量的探討[J].煤礦機(jī)電,2002(2):874-1001.