楊慶輝

(中鐵十八局集團(tuán)隧道工程有限公司，重慶 400700)

?

地鐵TBM施工出渣方式優(yōu)化探討

楊慶輝

(中鐵十八局集團(tuán)隧道工程有限公司，重慶 400700)

TBM近年來逐步在我國(guó)地鐵建設(shè)施工領(lǐng)域獲得成功應(yīng)用，棄渣運(yùn)輸均采用了傳統(tǒng)的有軌運(yùn)輸+龍門吊提升方式，其施工能力和效率受到了一定的制約。隨著皮帶機(jī)垂直提升技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，設(shè)計(jì)能力、安裝尺寸、運(yùn)輸能力均有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，為采用TBM施工的地鐵隧道出渣提供了更加高效的方式。通過對(duì)青島地鐵2號(hào)線雙護(hù)盾TBM采用有軌運(yùn)輸+龍門吊與其它棄渣運(yùn)輸方式的分析和對(duì)比，認(rèn)為采用連續(xù)皮帶機(jī)+垂直皮帶機(jī)出渣，掘進(jìn)效率較龍門吊出渣可提高75%以上，為TBM在地鐵施工中充分發(fā)揮其快速施工的性能提供了一種途徑。

垂直皮帶機(jī)；TBM；地鐵；出渣方式；方案優(yōu)化

地鐵建設(shè)不斷升溫，除各省會(huì)城市在大規(guī)模建設(shè)外，已經(jīng)擴(kuò)展到大量地級(jí)市，截止2015年底已經(jīng)有39座城市獲批建設(shè)地鐵。地鐵隧道區(qū)間采用盾構(gòu)機(jī)或者巖石掘進(jìn)機(jī)(統(tǒng)稱為掘進(jìn)機(jī))開挖已經(jīng)得到了廣泛推廣應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)用于地鐵施工的盾構(gòu)機(jī)保有量已超過800臺(tái)[1]，用于地鐵施工的巖石掘進(jìn)機(jī)數(shù)量較少。不同的地質(zhì)條件有其適用的掘進(jìn)機(jī)機(jī)型，大部分城市的地質(zhì)條件適合采用盾構(gòu)機(jī)施工，而重慶、青島等多山城市修建地鐵，大多采用巖石掘進(jìn)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱“TBM”)。

經(jīng)調(diào)查，地鐵隧道施工不論采用盾構(gòu)機(jī)還是TBM施工，棄渣全部采用有軌運(yùn)輸方式運(yùn)抵井口，再利用門式起重機(jī)垂直提升至地面。該運(yùn)輸方式在盾構(gòu)機(jī)施工中是成熟的，也是匹配的，但在TBM施工中卻呈現(xiàn)明顯劣勢(shì)。本文結(jié)合工程實(shí)例，分析地鐵TBM施工中棄渣垂直運(yùn)輸采用龍門吊所存在的弊端，認(rèn)為其嚴(yán)重影響了TBM正常掘進(jìn)效率的發(fā)揮，存在巨大的工期和成本浪費(fèi)，因此有必要探索變革，以期為地鐵TBM施工提供一種更加高效、經(jīng)濟(jì)、合理的棄渣垂直運(yùn)輸方式。

1 傳統(tǒng)棄渣提升方式在地鐵TBM施工中的弊端

青島地鐵二號(hào)線采用了4臺(tái)雙護(hù)盾TBM，棄渣垂直提升全部采用龍門吊，在施工過程中，發(fā)現(xiàn)該運(yùn)輸方式效率低，嚴(yán)重制約了TBM正常掘進(jìn)速度。

所有掘進(jìn)機(jī)機(jī)型中，雙護(hù)盾TBM的綜合成洞速度是最快的，可以邊掘進(jìn)邊拼裝管片，一次性完成隧道開挖和永久支護(hù)，TBM施工的最高日進(jìn)尺和最高月進(jìn)尺也全部是雙護(hù)盾TBM創(chuàng)造的。

青島地鐵雙護(hù)盾TBM是依據(jù)本工程的地質(zhì)條件設(shè)計(jì)制造的。截至目前， 1#TBM完成兩個(gè)區(qū)間的掘進(jìn)任務(wù)，累計(jì)長(zhǎng)度1 816 m，最高月進(jìn)尺357 m，平均月進(jìn)尺283 m，該進(jìn)度指標(biāo)相對(duì)于地鐵隧道盾構(gòu)法開挖而言是正常水平，但在雙護(hù)盾TBM施工中卻是非常低的。根據(jù)制造商提供的設(shè)計(jì)成果，本項(xiàng)目地質(zhì)條件下TBM具有600 m/月的掘進(jìn)能力，實(shí)際施工中，由于受龍門吊出渣運(yùn)輸方式的影響，TBM應(yīng)有的施工效率受到了極大制約。

2 可供選用的棄渣垂直運(yùn)輸方式

2.1 龍門吊

龍門吊是地鐵施工中最為常見且目前使用最為廣泛的出渣方式，技術(shù)成熟，龍門吊的生產(chǎn)系列化，制造和維護(hù)成本低。絕大部分采用盾構(gòu)機(jī)及TBM施工的地鐵隧道均通過龍門吊完成棄渣和材料垂直運(yùn)輸。

2.2 罐籠

罐籠一般用作礦井人員、礦石、設(shè)備、材料等的提升，主要用于采煤和采礦領(lǐng)域。對(duì)于中、小型礦井，罐籠也可以作為主井提升設(shè)備，提升煤炭、矸石等礦料。礦斗通過罐籠直接提升，提升能力通常為1～3 t。

2.3 箕斗

箕斗主要應(yīng)用于采礦、采煤領(lǐng)域，用來提升礦石、廢石或煤炭，分斜井用和立井用兩種。根據(jù)箕斗具體工作形式不同，容量一般為3～30 t，西德的大型箕斗在20世紀(jì)七八十年代已經(jīng)達(dá)到40 t以上[2]。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，其提升能力得到很大提高，并獲得進(jìn)一步推廣應(yīng)用[3]。當(dāng)一個(gè)礦山須裝設(shè)兩套提升設(shè)備時(shí)，主井一般采用箕斗提升，副井則用罐籠提升。

2.4 吊桶提升

吊桶提升在豎井及平巷施工中也得到了一定的應(yīng)用，但是其與罐籠提升相比，存在占用設(shè)備多、人員進(jìn)出桶時(shí)間長(zhǎng)、材料運(yùn)輸不方便等缺點(diǎn)，多用于工程量小、時(shí)間短、日開鑿量不大的情況[4]。

2.5 大傾角皮帶機(jī)

大傾角帶式輸送機(jī)是一種連續(xù)輸送設(shè)備，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，并具有大傾角輸送、結(jié)構(gòu)緊湊、占地少等特點(diǎn)。適用于輸送碎石、石灰石、煤炭、砂、粘土、燒結(jié)砂粉、木屑、糧食等塊度不大于550 mm的多種物料。

2.6 垂直皮帶機(jī)

垂直皮帶機(jī)屬于大傾角皮帶機(jī)的特殊情況，主要應(yīng)用于豎井等垂直提升場(chǎng)合。有波狀擋邊帶式輸送機(jī)、口袋式帶式輸送機(jī)、壓帶式帶式輸送機(jī)、管狀帶式輸送機(jī)等多種形式。

擋邊帶式輸送機(jī)其結(jié)構(gòu)是在板式橡膠運(yùn)輸帶兩側(cè)粘上可自由伸縮的橡膠波形立式"裙邊"，在裙邊之間又設(shè)有一定強(qiáng)度和彈性的橫隔板組成匣形斗，使物料在斗中進(jìn)行連續(xù)輸送。該型皮帶機(jī)經(jīng)過多年不斷的發(fā)展，技術(shù)、工藝已經(jīng)非常成熟，并開發(fā)了多種系列，廣泛應(yīng)用于煤炭、冶金、建材、化工、輕工、礦山、港口等領(lǐng)域[5]。

垂直皮帶機(jī)工作環(huán)境溫度為-19～40℃,適合輸送堆積比重為5～25 kN/m3的各種散狀物料。該皮帶機(jī)的工作傾角能在0～90°任意布置，具有廣泛的用途和出色的工作能力[6]。

通過以上分析可以看出，由于采用TBM的地鐵施工中，施工距離長(zhǎng)、單位時(shí)間出渣量大、材料運(yùn)輸量大且頻繁，罐籠、箕斗和吊桶提升均不適用。龍門吊出渣可以滿足施工要求，但是TBM施工效率受到了極大的制約。結(jié)合地鐵車站結(jié)構(gòu)及施工和TBM吊裝井的設(shè)置，作者認(rèn)為垂直皮帶機(jī)的可行性較高，有必要進(jìn)行進(jìn)一步研究應(yīng)用。

3 垂直皮帶機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)外垂直皮帶機(jī)的研制和應(yīng)用較早，在1960年代初，西德Scholtz公司即研制成功波狀擋邊帶式輸送機(jī)[5]。1990年代以來逐漸在地下采礦和地下建筑工程豎井施工中得到應(yīng)用，并獲得非常好的效果。為了滿足市場(chǎng)對(duì)大型垂直皮帶機(jī)的需求，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，其提升能力也不斷增強(qiáng)，提升高度越來越高，其綜合成本低、效率高的優(yōu)點(diǎn)也越發(fā)凸顯，并獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。在美國(guó)、德國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的市政工程建設(shè)中已大量采用了波紋擋邊帶式輸送機(jī)，如紐約的城市下水管道工程、芝加哥的TARP工程的豎井均采用了該輸送機(jī)運(yùn)輸渣料，德國(guó)也有很多類似案例[6]。

我國(guó)在1990年代末從國(guó)外引進(jìn)帶式輸送機(jī)并應(yīng)用于采礦行業(yè)，其自主性研究起步較晚，綜合技術(shù)能力與國(guó)外差距較大。近年來隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步，在市場(chǎng)需求的推動(dòng)下，皮帶輸送機(jī)的技術(shù)水平也有了很大提高，但是在功能多元化、自動(dòng)化控制與集成、長(zhǎng)距離、大運(yùn)量、可靠性等核心技術(shù)方面與國(guó)外先進(jìn)水平仍有較大差距。

目前在采礦和一些難度較大的地下建筑工程施工領(lǐng)域或者采用傳統(tǒng)的斜井施工成本過于高昂的領(lǐng)域，采用豎井垂直皮帶機(jī)提升物料的方式正逐步得到應(yīng)用。

4 垂直皮帶機(jī)用于地鐵TBM施工的可行性分析

垂直皮帶輸送機(jī)具有占地面積小、輸送能力強(qiáng)等特點(diǎn)，特別適用于施工現(xiàn)場(chǎng)受空間和環(huán)保等條件限制的場(chǎng)合。尤其對(duì)于目前地鐵建設(shè)工程領(lǐng)域征地難度大、環(huán)保要求高的情況下，明挖車站受到較大的局限性，越來越多采用暗挖車站，這就給區(qū)間施工帶來了很大的困難；通過機(jī)車進(jìn)行長(zhǎng)距離運(yùn)輸，龍門吊垂直提升，TBM施工效率大大降低，且與車站施工存在相互干擾。

青島地鐵二號(hào)線在建設(shè)過程中，采用雙護(hù)盾TBM法、盾構(gòu)法和鉆爆法相結(jié)合的施工方法。由于青島具體地質(zhì)情況，盾構(gòu)法目前的施工并不是很順利。采用雙護(hù)盾TBM法施工的區(qū)間，開挖直徑6.3 m，采用四邊形管片襯砌結(jié)構(gòu)，管片寬度1.5 m，管片外徑6 m，內(nèi)徑5.4 m，出渣方式采用傳統(tǒng)的礦車+龍門吊的方案，目前最快的施工進(jìn)度357 m/月；但是受到出渣效率的影響，隨著掘進(jìn)長(zhǎng)度的增加，施工進(jìn)度進(jìn)一步提升的空間非常有限。而采用皮帶機(jī)系統(tǒng)運(yùn)輸?shù)姆绞?，將可以顯著提高施工效率。

4.1 渣料狀態(tài)

青島地鐵二號(hào)線采用TBM施工的區(qū)間，基本上處于全巖層段，根據(jù)出露情況，大部分為花崗巖，巖石抗壓強(qiáng)度高，完整性好。掘進(jìn)產(chǎn)生的石渣均為碎屑、小塊狀，通常最大粒徑不超過15 cm。根據(jù)刀盤開口率設(shè)置，最大石渣粒徑不超過20 cm，而垂直皮帶機(jī)系統(tǒng)配置可以滿足粒徑30 cm左右的石塊運(yùn)輸。因此，從渣料狀態(tài)來分析，垂直皮帶機(jī)可滿足施工要求。

4.2 安裝空間

根據(jù)目前青島地鐵區(qū)間施工的具體情況，每循環(huán)石渣46.73 m3×2.8 t/m3=130.8 t，考慮雙線同時(shí)掘進(jìn)施工，每循環(huán)渣量261.6 t，每循環(huán)掘進(jìn)時(shí)間40 min，則每小時(shí)的運(yùn)輸能力需求為392.4 t，安全系數(shù)取1.5，則配置運(yùn)輸能力588.6 t的垂直皮帶機(jī)可以滿足施工需求。

根據(jù)施工需求配置皮帶機(jī)的參數(shù)為：連續(xù)皮帶機(jī)寬度650 mm，垂直提升皮帶機(jī)寬度1 200 mm，隧道內(nèi)空間滿足連續(xù)皮帶機(jī)安裝需求。垂直皮帶機(jī)的安裝需求空間為4 m×6 m，根據(jù)目前車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)、豎井或者施工預(yù)留口尺寸，可以通過合理布置，滿足垂直皮帶機(jī)的井下布置而不會(huì)影響到施工材料的準(zhǔn)備和運(yùn)輸。

4.3 供電

垂直皮帶機(jī)提升能力585 t/h，提升高度40 m，配置200 kW的驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以滿足施工需求；連續(xù)皮帶機(jī)根據(jù)運(yùn)輸距離長(zhǎng)度不同，配置的功率也有所不同，按照運(yùn)輸距離5 km來計(jì)算，總驅(qū)動(dòng)功率不小于400 kW。通過市政供電，可滿足施工要求。

4.4 施工效率

青島地鐵TBM開挖直徑6.3 m，每循環(huán)掘進(jìn)長(zhǎng)度1.5 m，洞內(nèi)采用有軌方式運(yùn)輸棄渣，每循環(huán)所開挖的石渣裝載于4臺(tái)渣斗中，再利用55 t龍門吊將渣斗垂直提升至地面卸入渣池，井底至地面的垂直高度為27 m。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，每斗渣的垂直提升循環(huán)時(shí)間平均15 min，每掘進(jìn)循環(huán)卸渣時(shí)間需要60 min；疊加吊運(yùn)管片和裝卸豆礫石的時(shí)間，每列車備料需要20 min，故每掘進(jìn)循環(huán)卸渣加備料共需要時(shí)間80 min。

采用皮帶機(jī)出渣運(yùn)輸后，可以在掘進(jìn)過程完成材料運(yùn)輸工作，不用停機(jī)等待運(yùn)輸時(shí)間，實(shí)現(xiàn)連續(xù)掘進(jìn)，施工效率將大幅提高。具體工作參數(shù)對(duì)比見表1。

表1 地鐵隧道雙護(hù)盾TBM不同出渣方式掘進(jìn)效率對(duì)比表

注:運(yùn)輸距離按平均運(yùn)距2 500 m計(jì)算，每月掘進(jìn)25 d，每天掘進(jìn)時(shí)間18 h。列車進(jìn)洞速度6 km/h，出洞速度5 km/h。

從表1對(duì)比可見，與礦車出渣相比，采用皮帶機(jī)出渣時(shí)雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)效率可提高75%;并且隨著運(yùn)距增加，皮帶機(jī)出渣效率的優(yōu)勢(shì)更加明顯。

4.5 成本

皮帶系統(tǒng)出渣的設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用較高，但TBM施工速度大大提高，將節(jié)約大量的工期和運(yùn)行成本。以掘進(jìn)距離5 km投入的設(shè)備費(fèi)用和工期成本為例進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見表2。

通過表2分析可以看出，在掘進(jìn)5 km的情況下，采用礦車出渣的直接成本略低于皮帶機(jī)出渣。表2是按照設(shè)備采購(gòu)成本計(jì)算的，而實(shí)際上設(shè)備將重復(fù)周轉(zhuǎn)使用，按折舊計(jì)算的設(shè)備成本大大降低，節(jié)省工期等優(yōu)勢(shì)更加明顯。

表2 兩種出渣方式的成本對(duì)比表

5 結(jié)論與討論

綜上，傳統(tǒng)的龍門吊出渣方式，制約了雙護(hù)盾TBM的施工效率，未充分發(fā)揮其施工性能，造成了一定的資源浪費(fèi)。垂直皮帶機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用于地鐵施工，技術(shù)上可行且日益成熟，但是由于其初期采購(gòu)成本較高，在一定程度上限制了其大范圍的應(yīng)用。

現(xiàn)階段，受到國(guó)內(nèi)技術(shù)條件和慣性思維制約和影響，城市地鐵TBM法施工的隧道，仍在以龍門吊出渣，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益在一定程度上偏低，相信隨著認(rèn)識(shí)水平的提高，技術(shù)的進(jìn)步，垂直皮帶機(jī)等更為先進(jìn)的設(shè)備和作業(yè)方法能夠得到合理應(yīng)用，促進(jìn)TBM在地鐵施工領(lǐng)域更快、更好的運(yùn)行和發(fā)展。

同時(shí)，垂直皮帶機(jī)配合TBM施工，可以充分利用其快速施工的特點(diǎn)，優(yōu)化總體施工方案，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離連續(xù)掘進(jìn)施工，以正常掘進(jìn)方式通過車站，即先隧后站。但是其同時(shí)也要求在設(shè)計(jì)階段要考慮相關(guān)問題，包括設(shè)置位置、總體掘進(jìn)長(zhǎng)度、總體工期、設(shè)備來源等，進(jìn)而充分發(fā)揮TBM施工的優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)然，如配備破碎機(jī)將大塊棄渣分解到合適的粒徑，垂直皮帶機(jī)亦可用于車站暗挖施工，提升施工效率，減少車站施工對(duì)地面交通、構(gòu)筑物的影響。

[1]阮 霞.再制造是盾構(gòu)機(jī)下步發(fā)展的重點(diǎn)——訪北京設(shè)備管理協(xié)會(huì)盾構(gòu)機(jī)專委會(huì)秘書長(zhǎng)阮霞[J]．隧道建設(shè)，2013(10)：814

[2]李業(yè)飛.赴德國(guó)考察大型箕斗的介紹[J].煤礦設(shè)計(jì)，1992，152(2)：46-47

[3]孫如海.大型箕斗卸載方式的探討[J].礦山機(jī)械，2010(5)：50-52

[4]程志彬，付萬貴.利用吊桶提升施工平巷工程[J].建井技術(shù)，2006，12(6)：34-36

[5]杜月波.垂直帶式提升機(jī)[J]．建筑機(jī)械化，2000(5)：56-58

[6]沈永才，蔣衛(wèi)良，董紅贊.垂直提升波紋擋邊帶式輸送機(jī)的研究及應(yīng)用[J].煤礦機(jī)電，2003(5)：74-77

An Exploration into the Optimization of the Discharging-Transporting Mode of the TBM for Metro Construction

YANG Qinghui

(The 18th Bureau Group Co. Ltd. of China Railway ，Chongqing 400700,China)

TBM has been successfully applied to the construction of subways at home step by step in recent years.However,muck is still transported by the traditional rail transport + gantry crane lifting mode,in which case the construction capability and efficiency is often restricted to some extent.With the continuous development of the technique of the vertical conveyor,great progress is made in design capability,installation size and transport capacity,which provides a more efficient way of discharging and transporting muck in TBM subway construction.After comparing and analyzing the transporting mode of the rail transport + gantry crane lifting adopted by the dual protective shield for Line Two of the subway in Qingdao and other muck-transporting modes,it is found that the efficiency in using the TBM-continuous belt conveyor+vertical belt conveyor is more than 75% higher than that of discharging muck with the gantry crane lifting,which provides a new way of giving full play to the performance of TBM in its rapid construction in subway construction.

vertical belt conveyor;TBM；metro；muck-discharging and transporting mode;optimization of the scheme

2016-03-30

楊慶輝(1983—)，男，工程師，主要從事TBM施工與管理工作。kjyhy-yqh@163.com

10.13219/j.gjgyat.2016.05.008

U455.31

B

1672-3953(2016)05-0026-04