許光明

(中鐵隧道集團杭州分公司，杭州 310000)

0 引言

目前，盾構法施工以其高效、安全的優(yōu)點，在我國地鐵建設中廣泛使用。在該工法中，盾構機因為價值大、技術復雜等特點在選型時往往受到高度重視，而后配套設備由于金額相對較低、機型雜、數(shù)量多等特點往往不被人重視［1］;但在施工中，盾構機與后配套設備形成一個施工流水線，任何一個環(huán)節(jié)上的設備出現(xiàn)問題，都直接影響著生產效率。在具體的施工中，因為后配套設備的故障或不匹配影響施工進度的事例并不少見，盾構機確定后，盾構施工進展順不順利，效益能否充分發(fā)揮，主要取決于后配套設備選型是否合理，場地布置是否科學。

1 后配套設備選型的基本原則及要求

后配套的選擇是保障工程項目順利實施的前提條件之一，也是設備保障的重要組成部分，除滿足盾構機的性能匹配要求外，還應與施工場地布置、盾構機意向施工區(qū)域的發(fā)展規(guī)劃要求相結合，經(jīng)過技術經(jīng)濟比較后確定［2］。后配套的選型原則主要有以下4個方面。

1.1 適用性原則

后配套具有較長使用壽命，可用于多個地鐵項目工程，應根據(jù)使用壽命內預計的常用使用條件下或最不利使用條件下進行選擇，以便具有較廣泛的適用性。

1.2 技術先進性原則

設備制造不斷改進和更新，要適應目前的需要并適度超前，力爭上游。具體來說有2方面的要求:一是不同種類(廠家)的設備間應盡可能選擇技術先進的設備;二是同一種類(廠家)的設備間，設備配置與功能選擇應適應技術先進的要求。

技術先進性要以可靠性為前提，應選擇經(jīng)過工程實踐驗證、可靠性高的先進設備。

1.3 經(jīng)濟合理性原則

經(jīng)濟合理性是指后配套設備在滿足使用要求的前提下，其綜合效益最佳，施工成本合理，也就是不能孤立地分析單項成本，而應該從整個工程項目，乃至考慮設備全壽命階段的適應性和可能進行必要技術改進情況，綜合分析比選確定。

1.4 統(tǒng)籌兼顧原則

后配套選型是一個復雜的系統(tǒng)工程，涉及的因素很多，而這些因素間互相影響。施工場地布置直接影響門吊的跨徑和懸臂形式;水平運輸出土方式(一次出土，二次出土)影響門吊的噸位;適用性影響電瓶車的牽引力選擇，進而影響碴土車容量及門吊噸位等。因此，應按照盾構機市場區(qū)域定位，充分考慮包括設備購置價格、設備保養(yǎng)成本、設備運行成本、設備生產效率等經(jīng)濟性指標，與適用于不同項目條件、操作保養(yǎng)簡單，配套機械大眾化，更新改造方便等適用性相結合的原則，在滿足本項目的前提下，統(tǒng)籌兼顧適用性與技術先進性，使設備配置具有一定的前瞻性。

1.5 設備選型的基本要求

設備間生產能力相匹配，避免各工序施工的瓶頸現(xiàn)象，減少無功消耗時間，最大限度地發(fā)揮設備的效能。施工中工序銜接緊密，合理提高生產效率，縮短工期，降低生產成本。

2 后配套設備的組成

盾構機后配套設備材料主要包括洞內水平運輸設備、洞口垂直提升設備、洞內通風、砂漿攪拌設備、洞內布置的供水供電行走、照明排污等臨時設施，對設備選型起制約作用的主要是水平運輸系統(tǒng)和垂直運輸系統(tǒng)。后配套配置見表1［3］。

表1 后配套設備組成Table 1 Relative equipments

3 后配套配置方案比選

后配套設備選型配置方案的比選主要考慮以下幾個原則:即尺寸原則、滿足施工進度要求原則、設備能力等級棄小取大及保證施工安全原則、考慮實際施工環(huán)境影響原則、盡量采用現(xiàn)有廠家生產通用標準件原則以及廠家在國內有良好使用記錄，可確定盾構施工后配套設備的主要技術參數(shù)及完成選型工作。

4 水平運輸系統(tǒng)方案比選

水平運輸系統(tǒng)方案確定的重點在于選定出土方式和列車編組方式、軌道布置形式、電瓶車牽引力、碴土車及漿液車容量等［4］。

4.1 軌道布置形式

軌道布置形式一般有四軌三線制、單線制和復合式3種布置形式。

4.1.1 四軌三線制軌線

采用四軌三線制時，由于隧道空間所限，在盾構機后配套后部設一雙開道岔浮放軌道，可由盾構機或由機車拖移。優(yōu)點:左右兩線的運輸互不干涉，運輸是連續(xù)的，與區(qū)間隧道的長度無關。缺點:軌道需要量增大1倍，軌枕要求的長度長，需要量大。

4.1.2 單線制軌線

列車直接進入盾構機后配套。優(yōu)點:鋼軌和軌枕材料需要量少;軌面標高低，有利于盾構機后配套設備布置;列車運行管理較為簡單。缺點:只適用于短區(qū)間隧道施工，否則列車運行的脫節(jié)將會使盾構機掘進發(fā)生停機等待。

4.1.3 復合式軌線

主運輸軌線仍為單線制軌線，在后配套后部設2副浮放雙開道岔組成會車點。當隧道特長時在隧道中部可增設雙線會車點，可以是固定的或可移動式的。會車點間隔距離根據(jù)運輸系統(tǒng)參數(shù)計算確定。既節(jié)省鋼軌和軌枕材料又滿足特長盾構區(qū)間施工運輸需要。當隧道區(qū)間長度短時，復合式軌線相當于四軌三線制軌線，利用盾構機掘進時間，另一組空的編組列車可駛入在后配套后部等待。復合式軌線制兼有單線制軌線和四軌三線制軌線的優(yōu)點。天津地鐵3號線七標區(qū)間長度為1 300 m，軌線按此方案配置。

4.2 軌道及軌枕

4.2.1 軌道

軌道采用軌道鋼(鋼軌)，一般而言，碴土車容量小則采用輕軌，碴土車容量大則采用重軌，24，33，38，43 kg/m 4種規(guī)格的鋼軌都有使用，但大部分使用者認為24 kg/m的鋼軌很容易變形，不建議使用，建議碴土車容量12 m3以上的應使用38 kg/m以上的鋼軌為宜，并認為43 kg/m以上的鋼軌太重，軌道鋪設不方便。

4.2.2 軌枕

軌枕主要有3種型式:一是大軌枕，一般采用18或20號工字鋼加工而成，優(yōu)點是列車行走穩(wěn)定性好，缺點是一次性投入大，鋪設不方便;二是弧形軌枕，采用弧形鋼板焊接短槽鋼或短鋼板焊接而成，優(yōu)點是一次性投入小，鋪設方便，缺點是制作難度較大;三是短軌枕，采用短槽鋼下墊鋼板，直接鋪設在管片底部，其受力性能較差，較少使用。

4.3 出土方式

出土方式分為一次出土和兩次出土2種方式。盾構機每一環(huán)進尺出土量由1列運輸完成即為一次出土，由2列車完成即為兩次出土。采用復合式軌線制的前提下采用2次出土方式使盾構掘進中途需等待一次電瓶車往返時間，對施工效率有較大制約，除短區(qū)間外基本不采用。

4.4 列車編組方式

一次出土方式運輸列車編組主要有以下3種方式。

4.4.1 編組方式1

一個列車編組，由4節(jié)碴土車、2節(jié)管片車組成和1個砂漿車組成(見圖1)。管片運輸車在前方，列車進入盾構機后配套系統(tǒng)時，剛好使管片運輸車位于管片吊機下方。管片運輸車前面不能有其他車輛，否則會防礙管片的吊卸，其次緊跟砂漿運輸車，進入時恰好位于盾構機注漿罐附近，再次為碴土車，機車在最后。

圖1 列車編組方式1Fig.1 Train formation mode 1

圖2 列車編組方式2Fig.2 Train formation mode 2

工作循環(huán):編組列車進入隧道時，管片運輸車、砂漿運輸車為重車，運碴車為空車。掘進完成后，編組列車駛出隧道時管片運輸車、砂漿運輸車為輕車，運碴車為重車。列車到達洞口出碴井后，提升門吊把碴車車箱吊離碴車底盤至地面卸碴。然后利用門吊裝運管片和砂漿等，然后駛入，完成1個工作循環(huán)。

優(yōu)點:管理簡單，工序之間邏輯關系清晰，設備成本較低。

缺點:門吊提升系統(tǒng)成為制約因素，存在盾構機無功等待時間，不利于工期要求和施工成本的控制，僅適用線路較短或盾構始發(fā)階段。

4.4.2 編組方式2

2個列車編組，1號列車編組由4節(jié)碴土車+1節(jié)平板運輸車(用于鋼軌、軌枕、潤滑油脂及其他雜物)組成，2號編組列車由2節(jié)管片車和1節(jié)砂漿車組成，如圖2所示。

工作循環(huán):掘進后，1號編組列車滿載使出，管片拼裝，2號編組列車駛入，卸載后駛出。1號編組列車駛入，完成1個循環(huán)。

優(yōu)點:效率較第1種編組方式要高，編組列車和盾構機的利用效率達到充分利用，成本增加不多，適應較長線路(1.0～1.5 km以內)。

為適應特殊土層(如松散系數(shù)較大的砂礫層)上述2個編組可進一步優(yōu)化如下:第1個編組由6臺車組成，由1臺電瓶車牽引4臺碴土車和1臺管片車，負責土體和部分管片運輸;另1個編組由5臺車組成，由1臺電瓶車牽引2臺管片車及1臺漿液車，并增加1臺出土車(11.5 m3/臺)。每掘進1個循環(huán)(1.2 m/環(huán))的土方及漿液由2個編組列車運輸?shù)蕉軜嫏C指定位置。列車編組見圖3。

圖3 特殊地層列車編組方式Fig.3 Train formation modes for special geology

4.4.3 編組方式3

2個列車編組，2列編組相同，均由4節(jié)碴土車、2節(jié)管片車組成和1個砂漿車組成，此編組方式即所謂“大編組”方式，列車編組見圖4。

圖4 列車大編組方式Fig.4 Long train formation mode

工作循環(huán):每列編組列車可完成一環(huán)掘進所需材料、碴土改良材料、管片、碴土等運輸，兩列車交替運行以確保施工的連續(xù)。

優(yōu)點:不受運輸距離的約束，對工期有利，組織管理方便。

缺點:成本稍高，但合理組織更能有效地降低施工成本。

4.5 編組車輛選型計算

4.5.1 碴土車選擇

4.5.1.1 碴土車在設計時滿足技術要求

1)碴土車的長度和漿液車及管片車需同時考慮，整節(jié)列車的長度不能超過盾構機內水平皮帶輸送機的限定長度，否則，最后端的1節(jié)碴土車將無法裝運碴土。

2)碴土車的碴斗和底盤必須是相對獨立的2部分，以使龍門吊在吊運時只吊起碴斗，而底盤不同時吊起。

3)碴土車的寬度不得超過盾構機內部的最大限寬，且有一定的富余量。

4)4節(jié)碴土車的容積必須保證一次性裝載完每環(huán)掘土量。

5)轉彎半徑不得大于25 m。

6)碴土車必須具有一定的剛度和強度，保證在龍門吊吊運時不發(fā)生變形或斷裂，同時也不能設計過重，否則，將造成龍門吊超過設計吊重。

7)考慮到碴土車在龍門吊吊出時需順利翻碴，在碴土車兩側分別設計了起吊軸和偏心翻轉軸。

4.5.1.2 碴土車容量計算

1)軟土施工區(qū)域的盾構區(qū)間形式。軟土施工區(qū)域的盾構區(qū)間管片寬度大多為1.2 m，盾構外徑最大為6.34 m左右。

2)出土量計算。每環(huán)理論出土量:π/4×D2×B=π/4×6.342×1.2=37.88 m3/環(huán)(D 為盾構外徑，6.34 m;B為管片寬度，1.2 m)。

考慮松方系數(shù)的實際開挖的出土量計算:掘進單位循環(huán)出碴量為Q=πr2Bη=π×3.172×1.2×1.15=43.56 m3(r為刀盤開挖半徑，3.17m;η為松散系數(shù)，1.15)。

地質情況不同將導致松散系數(shù)差別較大，變化范圍在1.05～1.5之間。后配套運輸系統(tǒng)要適應多個盾構區(qū)間掘進。按照1.15松方系數(shù)計算，如與實際不符則靠增減碴土車數(shù)量來解決松方系數(shù)的問題。

3)碴土車。①使用3節(jié)碴土車時:每節(jié)碴車要求容量V碴車=Q/3=14.5 m3，選用15.0 m3碴車。使用3節(jié)碴土車時，對應的門吊噸位增加，成本增加。同時，對軌道和軌枕的要求適當保守。②使用4節(jié)碴土車時:每節(jié)碴車要求容量V碴車=Q/4=10.89 m3，選用12.0 m3碴車。使用4節(jié)碴土車時，常規(guī)使用的配置、門吊和碴車等設備利用率高，施工時間銜接緊湊，技術較成熟。

4.5.2 砂漿車選擇

盾構推進中的同步注漿是充填土體與管片圓環(huán)間的建筑間隙和減少后期變形的主要手段，也是盾構推進施工中的一道重要工序。漿液壓注要及時、均勻、足量，確保其建筑空隙得以及時和足量的充填。漿液車主要是將漿液從洞外運到盾構機后方臺車上的儲漿池內，滿足每環(huán)同步注漿的最大注漿量。每推進1環(huán)的建筑空隙為1.66 m3。每環(huán)的壓漿量一般為建筑空隙的100% ～250%，即每推進一環(huán)同步注漿量為1.66～4.14 m3。

每循環(huán)注漿量Q注漿=3.0m3。取砂漿罐車容量Q罐車=6.0 m3≥Q注漿。外觀尺寸為4 390 mm×1 474 mm×2 335 mm。寬度滿足最大限寬要求，即1 474 mm＜1 600 mm，以上配置為特殊工況和搶險保留一定的富余量。

4.5.3 管片車選擇

依據(jù)管片設計圖一環(huán)的管片設計為3+2+1形式，考慮到重量和穩(wěn)定性，管片運輸最多3片疊放，故每環(huán)需采用2臺管片車運輸。

選用管片車應滿足以下技術要求［5］:

1)同時考慮盾構機內部限界尺寸及管片設計尺寸，管片設計尺寸按1 200 mm考慮。

2)管片疊放在管片車上時，必須和管片車是柔性接觸，即設置專門的橡膠墊，橡膠墊位置應適于管片受力，防止運輸過程中管片的損壞。

3)按照管片的弧形應將管片車設計成“凹”行結構，以保證最底層管片和管片車“三線”的充分接觸。

4)轉彎半徑不得大于25 m。

5)行走裝置應設置緩沖裝置，制動可靠。

4.5.4 電瓶車選型

電瓶車是水平運輸系統(tǒng)的動力工具，也是其核心設備，選用是否得當直接關系到洞內運輸能否正常運行，電瓶車的選型主要考慮其牽引能力。

4.5.4.1 電瓶車的選用技術要求［6］

1)每輛電瓶車必須具備牽引1節(jié)漿車、2節(jié)管片車和4節(jié)碴土車并全負荷的能力(即滿足大編組牽引能力)。

2)能保證在40‰坡道上安全起動并牽引整列車正常行駛。

3)具備電制動、空氣制動和手制動3種制動方式。

4)具有變頻裝置，以適應不同的工況。

5)配備的蓄電池單次充電需保證10 km的運輸。

6)因電瓶車和碴土車、漿車、管片車為一個統(tǒng)一的運輸整體，對整體的剎車、軌距、連接方式等應有整體的部署。

4.5.4.2 選型計算

1)工況分析。電瓶車主要有2種工況:一種工況為滿載碴土駛出，管片車及砂漿車空載;另一種工況為裝載二環(huán)管片及滿載漿液駛進，碴土車空載。

2)電瓶車牽引時最大載質量計算。電瓶車每環(huán)出碴時牽引質量最大，在大編組情況下，最大質量時列車編組為3節(jié)15 m3滿載碴土車加+1節(jié)空砂漿車+2節(jié)空管片車，對出碴時牽引質量進行計算，可算出牽引最大質量。其中:M碴=15×1.7=26 t(碴土質量，密度根據(jù)地質資料最大為1.9 t/m3，松方密度=1.9/1.15=1.65 t/m3，密度按 1.7 t/m3選用);M碴車=11.4 t(碴車含自質量，按蘭州北車提供數(shù)據(jù)計算，下同);M漿車=7.5 t(漿車自質量);M管片車=2.5 t(管片車自質量)。

機車牽引計算:M碴土車=3×［15×1.7+11.4］=110.7 t，M管片車=2 ×2.5=5 t，M砂漿車=1 ×7.5=7.5 t，合計110.7+5+7.5=123.2 t。4.5.4.3 機車牽引噸位計算

1)35 t機車30‰坡道牽引噸位計算。其計算公式為:

式中:Fμ為黏著牽引力;μ為機車黏著系數(shù)，0.26;P為機車黏重，350 kN;Wq為機車單位起動阻力，5 N/kN(根據(jù)機車《牽規(guī)》取值);iq為坡道阻力系數(shù)30‰。

Wq//=3+0.4ig=3+0.4×30=15 N/kN。

將數(shù)值代入(1)式可得 GQ=［91 000-350(5+30)］/(15+30)=1 750 kN(約175 t)。

2)35 t機車35‰坡道牽引噸位計算。GQ=［91 000-350(5+35)］/(15+35)=1 540 kN(約154 t)。

3)35 t機車40‰坡道牽引噸位計算。GQ=［91 000-350(5+40)］/(15+40)=1 370 kN(約137 t)。

實際最大牽引噸位Mmax=123.2 t。

5 垂直提升設備方案比選

在盾構施工中，除盾構機外龍門吊是使用頻率最高的設備，是盾構配套設備中最重要的設備之一，施工中所有的垂直運輸均由龍門吊完成。

5.1 門吊的選擇應滿足以下技術要求

1)首先應滿足滿載吊運時的最大重量，即碴斗自重+滿載碴土重量或是電瓶車整機自重。

2)根據(jù)施工場地條件限制，龍門吊布置一般有2種方式，即平行于盾構掘進方向和垂直于盾構掘進方向，設計跨距應結合施工場地的條件并考慮通用性進行設計。由于工作井尺寸基本固定，龍門吊布置形式是跨雙井或單井平行布置，或垂直布置，其跨距均不同，為提高設備適用性，龍門吊一般應按10～26 m跨徑進行可變跨徑設計，并應考慮采用可拆卸式的雙懸臂結構。

3)凈高一般設計為8～10 m以上，以保證翻碴結構必須的正常高度(其高度應考慮以下因素:碴土池地面以上高度3～4 m，碴土車高度2.5 m，必要的安全操作空間0.5～1.0 m，如果小龍門吊需從大門吊下通過，還需考慮小門吊結構高度2～2.5 m)。

4)翻碴結構分為2種，即龍門吊中央翻碴和側面翻碴2種形式，選用時應根據(jù)施工場地條件限制自行設計。

5)為保證大車行走平穩(wěn)，大車行走機構一般采用變頻設計，最大行走速度適宜。

6)為節(jié)省垂直運輸?shù)臅r間和吊運時的穩(wěn)定性，主起升結構一般采用變頻設計，雙制動，最大速度應在10 m/min(重載)左右，空載最大速度可適當加大。

7)起吊扁擔采用自動平衡裝置，吊具可拆卸，摘掛方便靈活。

8)龍門吊設計時還需考慮聲光報警、防雷、防潮、手動夾軌裝置、起升高度限位裝置、起重量限位裝置、大小車行走限位裝置、起升高度顯示儀、重量顯示儀、避雷針、風速儀、蜂鳴器等。

5.2 龍門吊的選型計算

5.2.1 主龍門吊的選型計算

根據(jù)施工安排，每個井口需安裝1臺龍門吊，用于吊裝電瓶列車入井及吊出碴車卸碴。以電瓶列車各配套車輛的技術參數(shù)為依據(jù)，可確定或計算出龍門吊的技術參數(shù)。

1)單件最大質量比較。碴及碴車質量:ρ碴×V斗+M碴車=1.7 ×15+6=31.5 t。35 t電瓶車質量:35 t。

2)龍門吊噸位的確定。從1)可以得出，龍門吊噸位應大于35 t。

結合對龍門吊廠家的調查，國標門吊配置為(25/5，32/5(10)，50/10)，非標的有(38/10，45/10)2 種型號，由于起重設備主要配件設計都靠上不靠下，38，45，50t的價格相差不大，故取起質量為45 t U型雙梁龍門吊(標準配置)，安全性能滿足施工需要。

5.2.2 副龍門吊選型計算

副龍門應考慮具備管片下井和始發(fā)階段小斗出土的條件。吊裝最大質量:考慮1節(jié)管片車和3片管片，每片管片最大4.5 t，故設計起質量為3×4.5=13.5 t。選取起質量為16 t U型雙梁龍門吊(標準配置)，安全性能滿足施工需要。

5.2.3 大龍吊卸碴計算

取本標段最大垂直提升高度H=25 m(地下15 m，地上10 m，其中15 m為地面到起重面的距離，而非端頭井的深度)。

6 漿液供給系統(tǒng)和輔助設備

漿液供給系統(tǒng)和輔助設備較為簡單，此文不做介紹。

7 結論與建議

土壓平衡盾構法施工的后配套設備配置方案，涉及到與盾構機能力匹配及施工進度、一次配置成本或長期使用成本、對本標段或今后不同標段的適用性以及施工管理的易操作性等問題。盾構機如要達到較高的施工進度需配置強大的配套設備系統(tǒng)，如要取得高的施工效益需最佳的施工設備配置。設備配置方案應在兩者之間選擇合適的平衡點。

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［6］ 曾華波.復合地層土壓平衡盾構施工應用技術研究［D］.南京:河海大學水利工程專業(yè)，2006.