張小熊　游志誠(chéng)（.中交佛山城市軌道交通號(hào)線一期工程EPC項(xiàng)目總經(jīng)理部，廣東　佛山　58000；.中交二航局技術(shù)中心，湖北　武漢　430074）

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土壓平衡盾構(gòu)機(jī)渣土運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張小熊1游志誠(chéng)2
（1.中交佛山城市軌道交通2號(hào)線一期工程EPC項(xiàng)目總經(jīng)理部，廣東佛山528000；2.中交二航局技術(shù)中心，湖北武漢430074）

摘要：以某地鐵線土壓平衡盾構(gòu)區(qū)間的渣土出運(yùn)設(shè)計(jì)為例，介紹了土壓平衡盾構(gòu)的渣土運(yùn)輸系統(tǒng)，從渣土車選擇、電瓶車運(yùn)輸能力選擇等方面，闡述了電瓶車編組的方式，通過對(duì)其運(yùn)輸系統(tǒng)工效的分析，指出該工程采用的渣土運(yùn)輸設(shè)計(jì)方案，提高了盾構(gòu)掘進(jìn)速度，縮短了施工工期。

關(guān)鍵詞：城市軌道，土壓盾構(gòu)，運(yùn)輸系統(tǒng)，渣土，電瓶車

0　引言

城市軌道交通已成為當(dāng)今世界城市交通快速發(fā)展的主要?jiǎng)恿?，隨著隧道非開挖技術(shù)的日益成熟，盾構(gòu)法隧道施工帶來(lái)的技術(shù)革新和技術(shù)效益正在凸顯［1，2］。在該工法中，盾構(gòu)機(jī)因?yàn)閮r(jià)值大、技術(shù)復(fù)雜等特點(diǎn)在選型時(shí)往往受到高度重視，而后配套設(shè)備由于金額相對(duì)較低、機(jī)型雜、數(shù)量多等特點(diǎn)往往不被人重視［3］；土壓平衡盾構(gòu)施工的工效一直是工程師關(guān)注的重點(diǎn)，盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)效率不但由盾構(gòu)機(jī)自身的掘進(jìn)速度控制，很大程度上受到其后配套運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)輸工效的制約［4，5］。

由于土壓盾構(gòu)較泥水平衡盾構(gòu)的諸多優(yōu)點(diǎn)，盾構(gòu)工法通常作為首選，土壓平衡盾構(gòu)不但造價(jià)較低，同時(shí)掘進(jìn)速度較快，場(chǎng)地需求也較小。

但是，后配套運(yùn)輸系統(tǒng)和盾構(gòu)掘進(jìn)能力必須相匹配才能保證隧道掘進(jìn)的速度。據(jù)此，根據(jù)施工規(guī)范、設(shè)計(jì)文件以及隧道區(qū)間地層情況，以運(yùn)輸體系能夠科學(xué)高效的配合盾構(gòu)掘進(jìn)為原則，下文給出了復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)的運(yùn)輸方案配置設(shè)計(jì)。

1　工程概況

某市城市軌道交通2號(hào)線的A站～B站區(qū)間沿大道向北地下敷設(shè)，全長(zhǎng)775 m，為復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，隧道為圓形斷面，主要在粘土地層掘進(jìn)。圖1為A站盾構(gòu)施工階段的場(chǎng)地布置圖。

圖1　A站盾構(gòu)施工階段場(chǎng)地布置圖

2　城市軌道運(yùn)輸系統(tǒng)

國(guó)內(nèi)土壓平衡盾構(gòu)的渣土運(yùn)輸系統(tǒng)主要是有軌運(yùn)輸方式，有軌運(yùn)輸由水平運(yùn)輸和垂直運(yùn)輸組成。

垂直運(yùn)輸體系分為渣土出運(yùn)和管片吊裝兩種，組成垂直提升的運(yùn)渣倒渣系統(tǒng)以及管片、材料垂直下放系統(tǒng)。

水平運(yùn)輸體系主要是電瓶車牽引車和電瓶車編組，電瓶車編組包括渣土車、管片運(yùn)輸車和砂漿車。

軌道運(yùn)輸?shù)能壘€有四軌三線制軌線、單線制軌線、復(fù)合式軌線（單線制軌線加會(huì)車浮放軌）等三種方式可供選擇。

1）四軌三線制。四軌三線制主要是左右兩線的運(yùn)輸互不干涉，運(yùn)輸過程保證連續(xù)，且不受隧道長(zhǎng)度的制約，在隧道長(zhǎng)度上適應(yīng)范圍廣。但是四軌三線制的缺點(diǎn)主要是鋼軌和軌枕材料需要量大，且在較長(zhǎng)隧道運(yùn)輸時(shí)主要還是為單線制軌線運(yùn)輸，目前國(guó)內(nèi)的盾構(gòu)隧道施工，渣土運(yùn)輸方式還未見諸報(bào)道使用實(shí)例。

2）單線制軌線。單線制軌道由兩條軌道組成，占用隧道空間少，不受臺(tái)車大小限制，運(yùn)輸過程中不受干涉，需要的軌道材料最少。但是在渣土出運(yùn)過程中，盾構(gòu)機(jī)很大一部分時(shí)間只能在停滯狀態(tài)，不能進(jìn)行掘進(jìn)，需等待電瓶車完成一個(gè)運(yùn)輸循環(huán)才可進(jìn)行下一次掘進(jìn)，工效較低。

3）復(fù)合式軌線制。復(fù)合式軌線是結(jié)合了單線制軌線和四軌三線制軌線的優(yōu)點(diǎn)，采用浮軌進(jìn)行兩種軌線之間的對(duì)接，不僅能滿足施工工效，而且軌道材料需求也較少（見表1）。故本次盾構(gòu)施工過程中擬選用該運(yùn)輸方式。

表1　三種運(yùn)輸方式優(yōu)缺點(diǎn)

3　電瓶車編組

土壓平衡盾構(gòu)電瓶車編組需要渣土車、管片車和砂漿車。根據(jù)復(fù)合式軌線制運(yùn)輸方式，一列電瓶車編組需完成一環(huán)管片的掘進(jìn)，渣土運(yùn)輸，管片運(yùn)輸以及砂漿運(yùn)輸。

3.1渣土車選擇

不同地層的松方系數(shù)有所差別，一般松方系數(shù)取1.5進(jìn)行計(jì)算，通常每立方米土方容重1.8 t～2 t，根據(jù)此區(qū)間地層和地下水特性，取1.9 t/m3。A站～B站區(qū)間土壓平衡盾構(gòu)機(jī)開挖直徑為6.28 m，管片外徑為6 m，內(nèi)徑為5.4 m，管片寬L =1.5 m。

1）每環(huán)渣土實(shí)方數(shù)約為：

V =πr2L =3.14×（6.28/2）2×1.5 =46.5 m3。

2）每環(huán)渣土重量為（渣土比重ρ=1.9 t/m3）：

G1=ρV =46.5×1.9 =88.35 t。

3）每環(huán)最大立方數(shù)約為（渣土的松散系數(shù)Ks=1.5）：

V' = VKs=46.5×1.5 =69.8 m3。

4）每環(huán)掘進(jìn)需要渣土車數(shù)量：

N = V'/18 =3.88。

故選擇4輛18 m3渣土車，可滿足渣土出運(yùn)需求。

3.2砂漿車和管片運(yùn)輸車選擇

1）管片為C50混凝土澆筑，比重：

管片的含鋼量為ρ2=180 kg/m3，一環(huán)管片重量為：G4=（ρ1+ ρ2）·V4·L1=20.8 t。

故需采用20 t管片運(yùn)輸車2臺(tái)。

2）掘進(jìn)一環(huán)管片需要砂漿方量為（通常注漿填充系數(shù)k's取1.4進(jìn)行計(jì)算）。

故取1臺(tái)6 m3的砂漿車。電瓶車編組選擇見表2。表3為單環(huán)管片掘進(jìn)運(yùn)輸參數(shù)。

表2　單臺(tái)電瓶車編組

表3　單環(huán)管片掘進(jìn)運(yùn)輸參數(shù)

3.3電瓶車運(yùn)輸能力選擇

電瓶車運(yùn)輸能力需要考慮電瓶車編組進(jìn)入隧道和駛出隧道兩種情況下的負(fù)載情況，取最大負(fù)載。

1）渣土重約：G1=88.35 t。

2）4輛渣土車（自重4 t/輛）重量約：

G2=4×4 =16 t。

3）2輛管片車（自重2.5 t/輛）重量約：

G3=2.5×2 =5 t。

4）1輛砂漿車（自重5 t/輛）重量約：G5=5 t。

5）砂漿比重取2.2 t/m3，故砂漿載滿重量為：

G6=2.2×6 =13.2 t。

6）機(jī)車牽引退出隧道時(shí)，渣土車滿載，管片車、砂漿車空載。牽引負(fù)荷為：

G = G1+ G2+ G3+ G5=114.35 t。

7）機(jī)車牽引進(jìn)入隧道時(shí)，運(yùn)送管片和砂漿至工作面，此時(shí)渣土車為空載。牽引負(fù)荷為：

G' = G2+ G3+ G4+ G5+ G6=60 t。

故機(jī)車最大牽引重量出現(xiàn)在出渣運(yùn)輸過程中為：G =114.35 t。

通常施工過程中土壓盾構(gòu)掘進(jìn)選用25 t和45 t電瓶機(jī)車作為運(yùn)輸系統(tǒng)中的牽引車，選用25 t和45 t機(jī)車做對(duì)比計(jì)算分析，主要參數(shù)見表4。

表4　兩種電瓶車參數(shù)對(duì)比

w'q為機(jī)車單位啟動(dòng)阻力計(jì)算單位啟動(dòng)力，根據(jù)《列車牽引計(jì)算規(guī)程》取5 N/kN；w″q為貨運(yùn)車輛的啟動(dòng)基本阻力。

25t電瓶車啟動(dòng)牽引噸位計(jì)算：

45t電瓶車啟動(dòng)牽引噸位計(jì)算：

綜上25 t電瓶車可以滿足要求。

后配套運(yùn)輸系統(tǒng)采取4 + 2 + 1形式可以滿足一環(huán)管片的掘進(jìn)，即4臺(tái)18 m3的渣土車，2臺(tái)管片車，1臺(tái)砂漿車。

4　門吊選擇

土壓盾構(gòu)垂直運(yùn)輸系統(tǒng)通常由兩臺(tái)龍門吊組成，一臺(tái)運(yùn)輸管片，一臺(tái)運(yùn)輸渣土。

1）管片運(yùn)輸門吊。經(jīng)計(jì)算一環(huán)管片重G4= 20.8 t，一節(jié)管片運(yùn)輸車最大疊放三塊管片，故此一環(huán)管片分兩次吊裝。故此16 t門吊可以滿足吊裝需求。

2）渣土運(yùn)輸門吊。渣土出運(yùn)時(shí)，渣土車和渣土一同起吊，重量為：

G7=（G1+ G2）/4 =26.1 t。

故選45 t門吊可以滿足渣土垂直運(yùn)輸要求。

5　工效分析

整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)工效需綜合考慮水平運(yùn)輸和垂直運(yùn)輸工效，以及是否與盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)能力相匹配。以下運(yùn)輸系統(tǒng)均是基于復(fù)合式軌線制運(yùn)輸方式進(jìn)行。1）水平運(yùn)輸。羅賓斯盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度通常為5 cm/min，一環(huán)掘進(jìn)時(shí)間為30 min。通常電瓶車行走速度平均為8.8 km/h。2）垂直運(yùn)輸。45 t門吊每次卸渣循環(huán)時(shí)間為：小車平均行走行程10 m，大車平均行走10 m，提升及下降平均速度8 m/min，小車行走平均速度12 m/min，大車平均行走速度為20 m/min。門吊卸渣每個(gè)循環(huán)時(shí)間大約為12 min，故每天理論能進(jìn)行120次循環(huán)（24 h）。渣土車共4節(jié)，單環(huán)管片出渣時(shí)間理論為48 min，加上管片吊裝及砂漿注入時(shí)間為1 h左右，見表5。由表5可知，單環(huán)管片掘進(jìn)的理論循環(huán)時(shí)間為1 h 50 min，將設(shè)備故障，坡度等其他因素考慮在內(nèi)，2 h可以進(jìn)行一次循環(huán)。一個(gè)月按30 d工作考慮，盾構(gòu)最多可以掘進(jìn)360環(huán)，遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)180環(huán)/月的掘進(jìn)速度，可以縮短工期。

表5　盾構(gòu)掘進(jìn)及運(yùn)輸系統(tǒng)循環(huán)時(shí)間表

6　結(jié)語(yǔ)

A站～B站盾構(gòu)區(qū)間，土壓平衡盾構(gòu)后配套系統(tǒng)可配備45 t門吊一臺(tái)，16 t門吊一臺(tái)，25 t電瓶車組2臺(tái)，電瓶車編組選取4節(jié)渣土車，2節(jié)管片車和1節(jié)砂漿車可滿足每月最大360環(huán)的掘進(jìn)速度。可為同類土壓盾構(gòu)施工后配套系統(tǒng)提供借鑒。

參考文獻(xiàn)：

［1］王吉華.土壓平衡盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)施工技術(shù)［J］.山西建筑，2009，35（9）：335-336.

［2］盧曉慧.盾構(gòu)到達(dá)接收施工技術(shù)［J］.山西建筑，2010，36 （12）：314-316.

［3］王夢(mèng)恕.中國(guó)隧道及地下工程修建技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2010.

［4］沈林沖，張金榮，秦建設(shè)，等.杭州地鐵1號(hào)線盾構(gòu)選型探討［J］.鐵道建筑，2011（7）：71-74.

［5］杜亞娥.盾構(gòu)后配套設(shè)備選用原則的考慮［J］.建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2009（2）：106-108.

Design of refused-soil transportation system of EPB shielding machine

Zhang Xiaoxiong1You Zhicheng2
（1.China Communication Foshan City Rail Transit Line No.2 Period 1st Engineering EPC Project Headquarter，F(xiàn)oshan 528000，China；
2.CCCC Second Harbor Engineering Co.，Ltd，National Enterprise Technology Center，Wuhan 430074，China）

Abstract：Taking the refused-soil transportation design the EPB shielding region of the subway line as an example，the paper introduces the refused-soil transportation system of EPB shielding system.Starting from aspects of refused-soil machine selection and battery truck transportation capacity selection，it describes battery truck organizing methods.Through systematically analyzing its transportation system efficiency，it points out that：it improves shielding digging speed and shortens construction duration through applying refused-soil transportation design scheme.

Key words：urban rail transit，Earth Pressure Balanced（EPB）shielding method，transportation system，refused-soil，battery truck

中圖分類號(hào)：U455.43

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-6825（2016）06-0162-03

收稿日期：2015-12-18

作者簡(jiǎn)介：張小熊（1981-），男，高級(jí)工程師；游志誠(chéng)（1990-），男，碩士