齊夢學

(中鐵十八局集團隧道工程有限公司， 重慶　400700)

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垂直皮帶機用于地鐵TBM施工的可行性探討

齊夢學

(中鐵十八局集團隧道工程有限公司， 重慶400700)

近年來我國在巖石地層的地鐵隧道施工需求越來越大，在青島地鐵雙護盾TBM施工過程中，龍門吊垂直出渣方式嚴重制約了TBM施工速度。雖然龍門吊用于地鐵土壓平衡盾構施工渣土垂直提升，技術成熟且應用廣泛，但在巖石掘進機施工中的應用效果不佳，因此有必要進行探索和變革，采用更加適用的方法以充分發(fā)揮TBM快速施工的優(yōu)勢。分析龍門吊垂直提升石渣對雙護盾TBM施工效率的影響，調研相關行業(yè)的物料垂直提升方法，從技術、經濟和工期3方面分析龍門吊與垂直皮帶機出渣的差異。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的優(yōu)勢，可為充分發(fā)揮TBM掘進效率提供良好保障，具有很大的市場推廣價值。

垂直皮帶機； TBM； 地鐵； 出渣運輸

0　引言

我國地鐵建設方興未艾，從最初的北京、上海和廣州等一線城市發(fā)展到天津、西安等二線城市，目前已經延伸到了三四線城市；從以泥土為主的軟巖地質條件，擴展到復合地層，又發(fā)展到巖石地層；從最初的明挖法、淺埋暗挖法發(fā)展到機械法，所采用的隧道掘進機(盾構和巖石掘進機的統(tǒng)稱，為便于描述，文中巖石掘進機按照業(yè)內習慣簡稱為TBM)從土壓平衡式盾構、泥水平衡式盾構發(fā)展到復合式盾構、復合式TBM，近年來又開始應用TBM。例如,重慶軌道交通工程六號線曾經使用2臺開敞式TBM、2臺基于單護盾的復合式TBM，軌道交通環(huán)線正在使用單護盾TBM施工；青島地鐵二號線正在采用4臺雙護盾TBM施工，剛剛開工的一號線將采用10臺雙護盾TBM施工。從地鐵工程建設的規(guī)模分析，結合相應的地質條件，TBM的應用將不斷得以推廣。

目前，地鐵隧道施工以盾構法開挖為主，并且在我國已經成為了一種普遍方法，技術越來越成熟，隨著單護盾和雙護盾等巖石掘進機不斷推廣，面對新的問題有必要繼續(xù)深入研究，不斷探索和實踐，促進施工技術的不斷完善、施工效率合理提高、施工成本趨于合理以及環(huán)境友好性能不斷提升。

經調研，同期采用TBM施工的項目，施工進度存在明顯差異，山嶺隧道大幅領先于地鐵隧道，部分項目TBM施工出渣方式和進尺對比見表1。究其原因，出渣方式是影響施工進度的不可忽視的重要因素，序號1—7所列的山嶺隧道全部采用連續(xù)皮帶機出渣，序號8—11所列項目為有軌運輸輔以龍門吊提升卸渣。如何改進地鐵TBM出渣方式，提高施工速度與綜合效益是研究的重點。

表1　部分項目TBM施工出渣方式與平均月進尺對比

注：序號6所列吉林引松供水工程三標項目，自2015年5月24日開始處理塌方，進行管棚灌漿，中途3次嘗試恢復掘進沒有成功；直到11月19日才恢復掘進。

查閱相關資料，文獻[1]說明了TBM施工目前常用的出渣運輸方式為有軌運輸和連續(xù)皮帶機；文獻[2]結合西秦嶺隧道從技術、工期、經濟效益角度全面對比了有軌運輸和連續(xù)皮帶機出渣；文獻[3]論述了垂直帶式提升機的機型及其應用；文獻[4]介紹了雙帶式垂直皮帶機的結構、工作性能、機構存在的問題及改型設計；文獻[5]介紹了氣墊帶式輸送機、波狀擋邊帶式輸送機和圓管帶式輸送機的發(fā)展過程、特點及今后的研究方向；文獻[6]重點論述了波狀擋邊帶式輸送機的設計計算、結構原理與功能；文獻[7]認為波狀擋邊帶式輸送機可用于地鐵隧道施工軟土質物料運輸；文獻[8-13]分別論述了波狀擋邊帶式輸送機在散糧、砂石骨料、粒狀棉、電煤、煤礦、水泥生產脫硫石膏運輸領域的應用。目前未見有垂直皮帶機用于TBM施工的相關論述。本文結合青島地鐵雙護盾TBM施工實踐，分析現有出渣方式(水平運輸為有軌方式、內燃機車牽引，垂直運輸為龍門吊提升)對TBM施工進度的影響與制約，簡要匯總可供選用的出渣方式及其適用范圍，重點論述了垂直皮帶機用于地鐵TBM棄渣垂直運輸的可行性。

1　龍門吊垂直提升出渣實例分析

青島地鐵二號線二標02工區(qū)采用2臺雙護盾TBM施工，右線TBM掘進3 776.1 m，左線TBM掘進3 546 m，線路最小曲線半徑為350 m，最小豎曲線半徑為3 000 m，最大縱坡為22‰。

TBM開挖直徑為6.28 m，每循環(huán)掘進長度為1.5 m，管片內徑為5.5 m，最大推力為24 150 kN，額定扭矩為2 940 kN·m，脫困扭矩為5 700 kN·m，出渣用吊裝井深度為24 m。以1#TBM為例，目前正在施工第3區(qū)間，在第1區(qū)間施工過程中，受到租賃的TBM設備質量與技術服務影響，不能保證持續(xù)正常進度，因此選取第2區(qū)間，即徐家麥島站—海川路站區(qū)間為研究對象。

圍巖以花崗巖為主，飽和單軸抗壓強度為50～160 MPa，以Ⅱ級和Ⅲ級圍巖為主，正常情況下TBM掘進速度為40～100 mm/min。洞內棄渣采用內燃機車牽引礦車進行水平運輸，到達井口位置后采用龍門吊提升運至臨時棄渣池。TBM掘進每循環(huán)棄渣裝滿4節(jié)礦車，平均每循環(huán)時間為20～40 min。水平運距為3.6 km，單程水平運輸時間為22 min。

目前，TBM采用龍門吊垂直提升石渣，設計最大提升速度為12 m/min，最大下降速度為15 m/min,大車速度為20～40 m/min，小車速度為12 m/min，采用變頻驅動，裝機功率為200 kW。

經多次現場實測，每斗石渣垂直提升往返循環(huán)時間為12～16 min，平均為15 min，TBM每個掘進循環(huán)的石渣采用4節(jié)礦車運輸，每循環(huán)石渣的垂直運輸時間平均為60 min；管片、豆礫石和砂漿等施工材料裝車備料時間約20 min。由于提升與卸渣工作環(huán)節(jié)較多，加、減速頻繁且高速段運行時間短，單獨提高龍門吊升降或者移動速度難以顯著提高出渣效率。

雙護盾TBM無需初期支護，并且拼裝管片可以在TBM掘進過程中同步完成，正常情況下可以實現“掘進—換步—掘進—換步”的連續(xù)循環(huán)作業(yè)，在適宜的地質條件下，是所有TBM機型中綜合成洞速度最快的。然而青島地鐵二號線施工實踐中，由于棄渣垂直運輸的影響，TBM施工效率降低了約50%，無法充分發(fā)揮TBM快速施工的優(yōu)勢，經濟效益和社會效益均大大降低。

我國鐵路、公路、市政、供水、供氣、防洪和水電等工程的需求量大，由于建設環(huán)境和工程條件的原因，隧道的需求數量巨大[14]；國家重點建設項目，如西部大開發(fā)、長距離供水、西氣東輸和跨海通道等工程中隧道所占的比例越來越高。作為代表當今世界最先進施工技術和施工方法的TBM，存在著諸多優(yōu)勢，必將大有用武之地[15]。因此，探索工程適應性更強的TBM棄渣運輸方式是非常有必要的。

2　可供選用的棄渣運輸方式

2.1水平運輸

TBM施工過程中的棄渣水平運輸主要為有軌運輸和連續(xù)皮帶機2種方式，以及應用較少的無軌膠輪車運輸。

有軌運輸曾經是TBM施工棄渣運輸的普遍方式，近年來在長距離隧道中逐步被連續(xù)皮帶機取代。

長運距工況下采用連續(xù)皮帶機更能充分發(fā)揮TBM掘進優(yōu)勢并且節(jié)約成本[2]；連續(xù)皮帶機安裝拆卸占用的工期較長、一次性投入成本大，因而在短距離運輸時不宜采用。

無軌膠輪車是近幾年發(fā)展起來的TBM配套施工設備，無需鋪設軌道，可節(jié)約周轉材料的消耗成本，但設備造價相對偏高、運輸效率不高、燃油消耗水平高于有軌運輸且施工通風要求高，在短距離運輸時具有一定優(yōu)勢，但不適合長距離運輸。

2.2垂直運輸

TBM施工過程中，垂直運輸大多集中于地鐵項目，目前使用最為廣泛的是龍門吊提升。經調研，充分結合相關行業(yè)的物料提升方式，可供選用的棄渣垂直運輸方式見表2。

表2棄渣垂直運輸方式對比

Table 2Mucking methods and their application scopes and characteristics

運輸方式適用范圍特點龍門吊 應用廣泛,常見于貨場、車間和施工現場技術成熟吊桶豎井施工成本低、效率低罐籠 礦山、煤礦,可運送礦石、煤炭、材料、人員和設備等效率低,相對靈活箕斗 礦山、煤礦,以礦石、煤炭為主要輸送介質 效率高,投資大,需要配合罐籠形成完整的運輸系統(tǒng)大傾角皮帶機 塊狀、粉狀、顆粒狀物料運輸 結構簡單,用途廣,對輸送介質的粒徑有限制垂直皮帶機 塊狀、粉狀、顆粒狀物料運輸 結構簡單,占用空間小,對輸送介質的粒徑有限制

在地鐵TBM施工棄渣垂直運輸方面，對上述幾種方法的適用性簡要分析如下：

龍門吊是地鐵施工最為常見且目前使用最為普遍的出渣方式，技術成熟。龍門吊為定型產品，制造和維護成本低，但嚴重影響了TBM施工效率的發(fā)揮。

吊桶運輸效率低，即便用于盾構施工也會嚴重制約盾構施工速度，不具備配合TBM施工的能力。

罐籠和箕斗設備配置成本高、安裝工作量大且成本高，通常建成后要應用數十年，顯然不能適應地鐵TBM施工需要頻繁拆裝的工況條件。

大傾角皮帶機具有連續(xù)輸送、結構簡單、運行可靠和維護方便等優(yōu)點。如果用于地鐵TBM施工，將占用車站空間，往往會影響車站結構施工，不利于總體施工組織，影響工期。

垂直皮帶機可連續(xù)輸送物料，比大傾角皮帶機占地更少，TBM吊裝井的空間即可滿足其安裝運行的空間需要。

綜上所述，垂直皮帶機用于地鐵TBM施工的可能性較大。

3　垂直皮帶機型式選擇

垂直帶式輸送機具有占地面積和土建工程量小等優(yōu)點，現已研制出波狀擋邊帶式輸送機、口袋式帶式輸送機、壓帶式帶式輸送機、管狀帶式輸送機等型式[3],見圖1。

(a) 波狀擋邊帶式輸送機

(b) 壓帶式帶式輸送機

(c) 管狀帶式輸送機

波狀擋邊皮帶機廣泛用于煤炭、冶金、建材、化工、輕工、礦山和港口等散料裝卸。從20世紀80年代末開始，大型垂直擋邊皮帶機開始用于地下采礦與地下建筑工程的豎井中。

口袋式輸送機以“內袋”或“外袋”的形式垂直提升物料，可用于地下采礦、采石廠、隧道挖掘、水泥廠、裝卸船，甚至可以用來垂直提升溫度高的、黏性的、大塊的或粉狀的物料。

壓帶式皮帶機由承載帶和覆蓋帶組成，在壓輥或氣壓的作用下夾住物料實現垂直或大角度提升，可用于散糧、煤炭等運輸。

管狀皮帶機通過密閉的管狀膠帶輸送物料，有效保護物料，可避免沿途撒料、污染環(huán)境，曾用于煤場。

根據各類垂直皮帶機的特點和適用范圍，結合TBM施工棄渣狀態(tài)與施工特點，地鐵TBM施工采用波狀擋邊皮帶機較其他機型更具有可行性。

4　垂直皮帶機用于地鐵TBM施工的可行性

需要修建地鐵的城市，經濟相對發(fā)達且人口多，土地資源必然緊張，特別是地鐵沿線大多位于市區(qū)，從民生、經濟、交通和環(huán)保等方面考慮，要求地鐵施工占用的地面空間越小越好。垂直皮帶機具有占地面積小和輸送能力強等特點，特別適用于施工現場受空間和環(huán)保等條件限制的場合。

以正在施工的青島地鐵二號線雙護盾TBM為例，從渣料狀態(tài)、空間要求、施工效率、經濟效益、應用實例方面綜合分析，研究垂直皮帶機用于地鐵TBM施工的可行性。

4.1渣料狀態(tài)

TBM依靠盤形滾刀機械式破巖，青島地鐵1#TBM設計允許進入刀盤的石渣最大粒徑為30～40 cm，棄渣狀態(tài)如圖2所示。較為理想的石渣以15～20 cm長的梭片狀為主，夾雜少量較大尺寸的石塊以及細渣；通常情況下，受到圍巖節(jié)理發(fā)育的影響，石渣以10～30 cm的碎塊狀為主，夾雜較多細小顆粒和少量巖粉。

圖2　石渣狀態(tài)

受到地層含水、TBM掘進過程中刀盤噴水降塵的影響，開挖石渣中的巖粉大多呈泥狀，黏結性能較差。

經初步調查，波狀擋邊皮帶機膠帶擋邊高度為300 mm，隔板間距336 mm，因此粒徑不大于300 mm的石渣即可在皮帶機上順利輸送。

綜上所述，TBM施工的石渣，通常情況下尺寸小、以塊狀和顆粒狀居多、含水量較小且黏性小，適合采用擋邊皮帶機運輸；但受到圍巖巖性的影響，石渣對膠帶具有一定的磨蝕性。如果遇到黏土地層，TBM開挖的石渣中泥漿的黏性會明顯提升，因而膠帶選型要重視工程適應性的問題。

4.2空間要求

TBM掘進速度通常為1.5～3.6 m/h，直徑6.28 m的TBM出渣量為130～300 t/h，平均按250 t/h考慮，2臺TBM同時施工，配置運輸能力500～600 t/h的垂直皮帶機可以滿足施工需求。經初步選型，皮帶機膠帶寬度為1 200 mm。垂直皮帶機布置見圖3。

圖3　垂直皮帶機布置

如圖3所示，垂直皮帶機底部尺寸為6 m×2.5 m(長×寬)，中間部分尺寸為2.5 m×2 m(長×寬)，地面部分尺寸為9 m×5 m(長×寬)。該空間需求在地鐵車站范圍內具備布置條件，可以利用TBM吊裝井或者按照以往龍門吊出渣方式布置出渣井。青島地鐵二號線TBM吊裝井結構設計見圖4。

4.3施工效率

TBM每掘進1個循環(huán)，產生4斗石渣，根據棄渣垂直運輸時間以及管片、豆礫石和砂漿等施工材料裝車備料時間，完成1個列車編組的卸渣和裝料工作通常不少于80 min。

皮帶機出渣可連續(xù)作業(yè)，列車編組僅僅用于施工材料運輸，所需時間約為20 min，可以為TBM連續(xù)掘進施工提供條件。

2種出渣方式施工效率對比見表3。由表3可知，與礦車配合龍門吊出渣相比，皮帶機出渣時TBM掘進效率可提高1倍。

上述計算中，TBM掘進速度取值偏低、單循環(huán)掘進時間較長，當圍巖條件適宜時TBM掘進速度會明顯提高，二者之間的差異相應會明顯加大；正常情況下，TBM純掘進時間利用率是按照目前的總體平均水平考慮的，如果以LXB供水工程二段四標的開敞式TBM平均利用率52.9%或者吉林引松供水工程二標的開敞式TBM平均利用率53%為參照，雙護盾TBM的純掘進時間利用率會更高，皮帶機出渣時TBM的施工效率優(yōu)勢將更加顯著。

圖4　車站TBM吊裝井(單位：mm)

Table 3Comparison between mucking efficiency by gantry crane and that by belt conveyor

項目 出渣方式龍門吊皮帶機TBM掘進時間/min3535TBM換步時間/min55石渣垂直運輸時間/min600材料裝車備料時間/min2020循環(huán)時間/min8040正常純掘進時間利用率/%4040折算純掘進時間利用率/%2040每天純掘進時間/min288576每天掘進循環(huán)數7.214.4每天掘進長度/m10.821.6每月掘進長度/m270540

4.4經濟效益

對比2種石渣垂直運輸方式的經濟效益，需要從設備配置成本、運行成本、工期成本綜合分析。因此，首先需要確定設備配置。

采用TBM施工的地鐵隧道通常不會是單區(qū)間隧道。青島地鐵正在施工的二號線和剛剛開工的一號線，均采用雙護盾TBM施工，單臺TBM施工區(qū)間平均為4個，過站3次，TBM每次組裝掘進長度平均為4 km，每個區(qū)間平均長度為1 km。為了便于進行2種出渣方式下的成本對比，以上述平均值為計算條件，每2臺TBM出渣及施工材料運輸設備配置見表4。

表4　TBM出渣及材料運輸設備配置對比

采用4.3節(jié)平均月進尺計算結果，合理考慮TBM設備組裝調試、始發(fā)、掘進、過站、拆卸工序，礦車出渣工況下運輸設備占用時間約為2年，皮帶機出渣工況下運輸設備占用時間約為1.4年。2種出渣方式下運輸設備折舊成本對比見表5。

表5運輸設備折舊成本對比

Table 5Comparison between two mucking methods in terms of depreciation costs

運輸方式設備名稱單價/萬元合價/萬元折舊年限/年使用年限/年折舊額/萬元合計/萬元有軌運輸龍門吊15030010257內燃機車4202940102558.6礦車1539052148.2管片車5705226.6混凝土罐車221765266.88平板車5405215.2人車8645224.32896.8 皮帶機出渣,材料有軌運輸龍門吊4080102 15.2連續(xù)皮帶機15003000456垂直皮帶機60060091.2內燃機車240960101.4127.68管片車54051.410.64混凝土罐車2211051.429.26平板車53051.47.98人車84851.412.768750.728

注：皮帶機按工程量折舊，折舊長度為配合TBM掘進25 km。

施工期間設備運行成本見表6。

表6　運行成本對比

綜上所述，左右線2臺TBM同時施工，皮帶機出渣系統(tǒng)設備采購成本較礦車出渣系統(tǒng)高888萬元，設備折舊成本低146.07萬元，設備運行及人工成本低503.8萬元。即，按照設備折舊計算，皮帶機出渣系統(tǒng)綜合成本較礦車出渣系統(tǒng)低649.87萬元。如果全面考慮鋼枕等物資消耗，皮帶機出渣的經濟效益會更加顯著。

5　結論與討論

TBM法在長大隧道、巖石地層城市地鐵施工領域的應用越來越廣泛，與之配套的施工技術、施工設備也在不斷進步。TBM施工設備配置的一個總原則是配套設備的生產能力大于TBM生產能力，這樣才能充分發(fā)揮TBM快速掘進的優(yōu)勢，避免社會資源的浪費。龍門吊垂直提升出渣在土壓平衡盾構施工時能夠很好地保證盾構掘進效率，卻嚴重制約了雙護盾TBM的施工效率，垂直皮帶機出渣技術在其他行業(yè)具有廣泛成功的應用實例，并且在地鐵TBM施工中具有很好的技術可行性。

垂直皮帶機在地鐵TBM施工領域作為一項新技術，能夠提升掘進速度1倍以上，連續(xù)掘進4個區(qū)間、總掘進長度4 km可節(jié)約工期8個月，綜合成本節(jié)約500萬元以上。

因此，垂直皮帶機用于城市地鐵TBM施工具有較大的技術可行性和顯著的工期、經濟效益，具有很好的推廣價值，特別是開敞式TBM和雙護盾TBM施工中效果極為顯著；但在單護盾TBM和盾構施工的地鐵項目中，技術上是可行的，其應用效果不一定很好。

垂直皮帶機應用于城市地鐵TBM施工，真正投入應用之前，還有很多工作需要深入研究：1)TBM掘進、皮帶機安裝運行與車站施工之間不可避免地會存在干擾，需要提前研究，做好準備，盡量避免和減少干涉，從方案、技術措施、組織管理方面綜合管控，達到協調統(tǒng)一； 2)由于區(qū)間工期大大縮短，因而總體施工規(guī)劃擁有了繼續(xù)優(yōu)化的空間，可提升地鐵建設的總體速度； 3)垂直提升高度、設備配置、工序銜接對龍門吊提升出渣效率均存在一定影響，在出渣方式論證選擇過程中應全面分析； 4)在充分論證的前提下，尋找機遇盡快投入工程實踐，只有經過實踐檢驗才能發(fā)現更多的問題，從而不斷完善和優(yōu)化，做到科學應用和推廣。

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Feasibility Analysis of Vertical Belt Conveyor Used in TBM Construction of Metro

QI Mengxue

(Tunnel Engineering Co., Ltd., China Railway 18th Bureau Group, Chongqing 400700, China)

In recent years, the Metro tunnel construction in rock strata has become more and more common in China. The TBM construction speed is restricted by method of vertical mucking by gantry crane used in double-shield TBM tunneling in Qingdao. The effect of vertical mucking by gantry crane used in EPB shield is good and popular. The influence of vertical mucking by gantry crane on construction efficiency of double-shield TBM is analyzed. The vertical hoisting methods of material in related projects are studied. The differences between gantry crane and vertical belt conveyor are analyzed in terms of technology, economy and construction schedule. The vertical belt conveyor used in double-shield TBM and open TBM has many advantages, i.e. high transportation capacity, low failure rate and low cost; and it is worth popularizing.

vertical belt conveyor; TBM; Metro; mucking

2016-02-29;

2016-04-13

齊夢學(1973—)，男，河北樂亭人，2010年畢業(yè)于石家莊鐵道大學，建筑與土木工程專業(yè)，碩士，教授級高級工程師，現從事TBM施工技術、施工管理研究與應用工作。E-mail: tbmabc@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.08.017

U 455.3+3

A

1672-741X(2016)08-1004-07