鄭孝福
(中鐵隧道局集團二處有限公司, 河北 三河 065201)
西秦嶺隧道重慶段采用直徑10.2 m的敞開式TBM進行施工,采用同步襯砌施工技術(shù),連續(xù)皮帶出碴,有軌運輸進料,獨頭有軌運輸最長距離達到20 km。運輸系統(tǒng)需為隧道TBM掘進及全段隧道多處襯砌工作面供應(yīng)材料,需滿足TBM快速掘進和同步襯砌快速施工的需要,因此,布置合理有效的運輸系統(tǒng)至關(guān)重要。目前文獻[1-14]均是對有軌運輸運輸設(shè)備選型、牽引力計算和運輸方式等某一方面或幾個方面的介紹,例如: 文獻[1]介紹了單線電氣化鐵路隧道施工有軌運輸系統(tǒng)的布設(shè),其實施條件、運力需求與西秦嶺特長隧道TBM施工條件差異很大; 文獻[2]對項目涉及有軌運輸?shù)男畔⒒M行了介紹; 文獻[6]介紹了有軌運輸和無軌運輸銜接的方法和技術(shù)。以上文獻均未結(jié)合TBM快速施工需求對整個運輸系統(tǒng)的規(guī)劃和調(diào)整過程進行系統(tǒng)且全面地論證和分析,大部分文獻僅對有軌運輸中的某一個局部細節(jié)進行了研究。本文結(jié)合西秦嶺隧道項目情況對運能分析、編組配置和道岔布置的規(guī)劃方法進行了詳細介紹,闡述系統(tǒng)規(guī)劃—實踐—修正的管理過程和方法,以期為同類工程提供參考。
西秦嶺隧道是蘭渝鐵路的第一長隧,是全線的控制工程,洞身全長28.236 km,左右線分離式設(shè)計。其中,左線出口DIK421+239~DIK415+645段(5.594 km)及DIK410+930~DIK403+590段(7.340 km)共計12.934 km采用TBM法施工,洞口DIK423+352~DIK421+239段(2.113 km)和DIK415+645~DIK410+930段(4.715 km)共計6.828 km為鉆爆法施工的預(yù)備洞,TBM步進通過。隧道縱坡為人字坡,洞口16.22 km為3‰的上坡,然后分別為長620 m的7‰反坡和長2.52 km的13‰反坡。西秦嶺隧道左線出口段平面示意圖如圖1所示。
圖1西秦嶺隧道左線出口段平面示意圖(單位: km)
Fig. 1 Sketch of plan of exit section for left line of West Qinglin Tunnel (unit: km)
洞內(nèi)布置4軌雙線43 kg/m的鋼軌,軌距為900 mm,線間凈距為110 cm,內(nèi)燃機車牽引。隧道掘進機出碴采用連續(xù)皮帶機,不占用有軌運輸資源。有軌運輸系統(tǒng)為隧道襯砌各工作面提供混凝土、TBM掘進所需的仰拱塊和支護材料,負責洞內(nèi)施工垃圾的清理運輸、整個左線出口施工段的人員通勤以及輔助零星材料的運輸。第1階段掘進長度為5 594 m,二次襯砌配置2臺模板襯砌臺車,有軌運輸最遠覆蓋長度為7 707 m,洞外車場布置、車輛編組、調(diào)度系統(tǒng)均已定型并實踐; 第2階段施工運輸最遠覆蓋長度為20 km,根據(jù)第1階段的總結(jié)分析,對第2階段有軌運輸系統(tǒng)進行了優(yōu)化,并結(jié)合工期要求將整段襯砌模板臺車增加至7臺。
根據(jù)TBM段地質(zhì)情況和以往的施工經(jīng)驗估計,掘進速度可以達到2 m/h。掘進機按照9-9-6原則組織施工,即連續(xù)掘進2個班(18 h)后,停機6 h進行強制保養(yǎng),極限情況下每天有效掘進時間可以達到18 h,即估算的最大掘進速度可以達到36 m/d。結(jié)合設(shè)計資料可得掘進工作面材料日最大需求量,見表1。
表1 掘進工作面材料日最大需求量
二次襯砌采用同步襯砌,施工進度與掘進盡量匹配,采用16 m的襯砌臺車,考慮2個工作面同時施工的運輸能力,每組澆筑時間按15 h計算,并保證工作混凝土的連續(xù)供應(yīng),需求量按延米設(shè)計方量7.5 m3計算取值。經(jīng)計算,每小時混凝土最大運能要求為16 m3,即每個工作面8 m3/h。
依據(jù)隧道運能要求和目前軌道運輸通用設(shè)備的性能參數(shù),列車編組主要分為二次襯砌混凝土運輸列車、噴射混凝土運輸列車、仰拱塊運輸列車、軌線及其他材料運輸列車和注漿料運輸列車5種類型。列車編組情況見表2。
表2 列車編組情況
注: 列車編組需對牽引力、制動力等進行論證,本文對此不進行專門的論述。
根據(jù)單列編組運載能力、行車速度和施工運能需求進行列車配置,行車速度按20 km/h考慮,并按最遠運距計算,對第1階段各列車組數(shù)配置計算如下:
1)仰拱塊運輸列車配置計算。車輛單程運行時間30 min,洞外裝車時間40 min,調(diào)車時間30 min,則每列車送達時間100 min,即單列運能為100 min運輸2塊仰拱,小于運能要求的每小時運輸2塊仰拱。因此,應(yīng)配置2列仰拱塊運輸列車。
2)噴射混凝土運輸列車配置計算。車輛單程運行時間30 min,洞外裝車時間50 min(含移車接料),調(diào)車時間30 min,則每列車送達時間110 min,即單列運能為8.7 m3/h,小于14 m3/h,不滿足要求。因此,應(yīng)配置2列噴射混凝土運輸列車。
3)二次襯砌混凝土運輸列車配置計算。車輛單程運行時間30 min,洞外裝車時間40 min(含罐車關(guān)艙),調(diào)車時間30 min,則每列車送達時間100 min,即單列運能為6 m3/h??紤]工作面連續(xù)澆筑的要求,按工作面核算運能,不滿足每工作面8 m3/h的要求,即每工作面應(yīng)至少配置2列二次襯砌混凝土運輸列車,總計需配置4列。
4)軌線及其他材料列車配置計算。車輛單程運行時間30 min,洞外裝車時間60 min,調(diào)車時間30 min,則每列車送達時間150 min,即單列運能為20節(jié)/h,不滿足10節(jié)/h的運能要求。因此,可配置1列軌線及其他材料列車。
5)配置1列注漿料運輸列車,由于運輸能力要求低,完成注漿作業(yè)后,可用作改掛人員運輸車通勤并可作為備用機車,主要在設(shè)備強制保養(yǎng)期間(6 h)運行,不占用18 h的運輸高峰期。
綜上計算,為滿足第1階段的最大運能需求,應(yīng)配置10列編組列車。根據(jù)第1階段的實踐情況,對第2階段的設(shè)備編組方式和列數(shù)進行了調(diào)整,內(nèi)燃機車增加至16臺,筒式混凝土輸送車增加至14臺,全段隧道運輸列車由10列增加至16列,并專門設(shè)置了人車牽引機車和TBM末端專用調(diào)車牽引機車。運輸設(shè)備配置見表3。
表3 運輸設(shè)備配置
隧道洞口緊鄰洛塘河,地形起伏較大,場地狹窄,洞口處僅有長80 m的場地可以作為TBM主機拼裝的場地,軌道通過設(shè)置在洞口前方的軍便梁跨越洛塘河進入布置在隧道對面山側(cè)的洞外生產(chǎn)臨時設(shè)施場地。
洞外車場主要負責材料的裝卸、車輛編組、車輛進場及始發(fā)、車輛停放及維修,是整個運輸系統(tǒng)的心臟位置,其需要結(jié)合拌合樓、材料堆放場、吊裝設(shè)備、卸料場、修理車間的位置并根據(jù)地形條件合理布置軌道。西秦嶺隧道洞外車場的場地非常緊張,包括拌合樓、仰拱預(yù)制場、鋼筋加工場、修理車間、材料堆放場和皮帶機棄碴場等,總面積為19 800 m2。受地形影響,整個場地呈“勺”型布置。洞外車場布置如圖2所示。
在洞口和車場之間設(shè)置列車進場等待區(qū),布置3股道,其中2股道在需要時停放列車,另1股道用于重車進洞,既能保證洞內(nèi)大量空車集中出洞時不會集中進入車場而導(dǎo)致車場塞車,造成調(diào)車困難和裝車困難,又能保證重車進洞時可在等待區(qū)切入Ⅱ線進洞,該線上所有車輛均向洞內(nèi)行駛,Ⅰ線(洞內(nèi)空車出洞線)上的所有車量均向洞外行駛。
車場設(shè)置12副道岔,C1~C11為單開道岔,C12為菱形道岔。1#~3#線位于跨徑25 m的龍門吊下,1#線為空車進入線及洞內(nèi)運出大物件卸車線; 2#線和3#線為TBM掘進時所需的仰拱塊、鋼支撐、鋼軌、網(wǎng)片等材料運輸車輛的裝載線及始發(fā)線,能滿足4列車始發(fā); 4#線和5#線為車輛停車線及噴射混凝土和二次襯砌混凝土車輛空車等待線; 6#~8#線為車輛維修線; 9#線為洞內(nèi)文明施工的雜物運輸及虛碴的棄碴線。
C4和C11之間為90拌合站的接料位置,C7和C10之間為75拌合站的接料位置,所有混凝土運輸車輛在車場緩沖區(qū)切換到Ⅰ線,通過C4切換到90拌合站或直接進入75拌合站裝載混凝土,裝載完成后直接始發(fā)。如果2個拌合站均有車輛正在裝載,則進場的混凝土運輸車輛通過C7切入4#線或5#線等待。
車場內(nèi)1#~9#線均為平坡,線路最小轉(zhuǎn)彎半徑為25 m,在牽引機車緊張的情況下,可以人工推動材料車輛進行調(diào)車編組作業(yè)。
洞內(nèi)每2~3 km作為1個區(qū)段,設(shè)置單開道岔連接左右線。道岔設(shè)置過密則會影響行車速度,易造成臺車頻繁跨越道岔,使道岔失去意義; 設(shè)置過稀會造成車輛會讓困難,容易出現(xiàn)同一道岔位置多列車同時避讓的情況,使運能降低。在正常情況下,輕車和重車分開行駛,在某區(qū)段內(nèi)一側(cè)道路被堵塞的情況下,列車在此區(qū)段單線行駛。通過單線地段時,一般采取重車先行的原則。單線地段主要出現(xiàn)在襯砌施工地段,一側(cè)軌道擺放輸送泵而被隔斷。在理想情況下,進區(qū)間和出區(qū)間的列車數(shù)量應(yīng)相等且每個區(qū)間只有2列車,即上下行各1列車,避免出現(xiàn)多列車相互避讓的情況。對于第1階段,施工長度為7.7 km,按8 km估算,高峰期間按8列車進洞、1列車在洞外車場的工況考慮(不考慮注漿車,其可以避開高峰運行期),最優(yōu)的情況是“四進四出”及左側(cè)或右側(cè)線路上同時有4列車在不同區(qū)間對向運行,由此估算出道岔的設(shè)置間距為2 km。但是在工程實踐中,發(fā)車時間往往不能控制到等間隔狀態(tài),也不是所有列車均在隧道內(nèi)運行,且道岔安裝時間較長,對現(xiàn)場施工影響很大,故安裝時機一般選擇在運輸壓力較小時進行,如在TBM接駁電纜或維修期間。因此,實際上道岔間距一般按大于2 km、小于3 km的原則并根據(jù)現(xiàn)場施工情況進行布置。
圖2 洞外車場布置圖
TBM末端設(shè)置浮放道岔,Ⅰ線和Ⅱ線軌道通過道岔進入TBM上的單線軌道。在道岔后面50 m的Ⅱ線上設(shè)置重車等待區(qū),當TBM上有列車正在裝卸時,進洞的車輛則在等待區(qū)等待,否則直接進入TBM裝卸。
施工列車運行具有很大的隨意性,工程中采用了“分區(qū)負責、集中控制”的方式進行指揮調(diào)度。
分區(qū)負責是指將車輛調(diào)配范圍分為洞外車場調(diào)度、運行區(qū)間調(diào)度和TBM末端調(diào)度,每班配備1名調(diào)度室總調(diào)度員、1名車場調(diào)度員、1名TBM末端調(diào)度員和1名機動調(diào)度員,他們分別在不同的調(diào)度范圍擔負不同的調(diào)度任務(wù)。
1)洞外車場由洞外車場調(diào)度員負責,其任務(wù)為空車進站引導(dǎo)、車輛裝卸、編組和重車始發(fā),目的是根據(jù)總調(diào)度的指令使相關(guān)重車盡快始發(fā)出場,而將需要進場的空車盡快調(diào)入裝車位置并快速裝卸。
2)區(qū)間調(diào)度員負責車場與TBM末端之間運行區(qū)間的調(diào)度,重點監(jiān)控洞內(nèi)通過單線地段車輛的通行秩序,防止車輛在該段發(fā)生擁堵。同時,需掌握發(fā)生在封閉區(qū)段一側(cè)的動態(tài)情況,并隨時向總調(diào)度報告車輛運行情況。
3)TBM末端調(diào)度負責TBM 7#拖車尾部的車輛調(diào)度,防止車輛在此發(fā)生擁堵,并及時向總調(diào)度發(fā)出需求指令,總調(diào)度根據(jù)需求指令指示洞外車場重車始發(fā)及車輛編組。
4)總調(diào)度根據(jù)各區(qū)調(diào)度員反饋的信息進行總體協(xié)調(diào)。每個機車上配備1名司機和1名調(diào)車員,調(diào)車員根據(jù)調(diào)度指令指揮車輛運行至目標作業(yè)位置。
在以上的編組模式中,根據(jù)情況也可將砂漿車掛在噴射混凝土運輸列車的前面進洞,第1階段經(jīng)常采用此種模式,受列車牽引力的限制,在第2階段不再采用此種編組模式。
噴射混凝土運輸列車、注漿車、二次襯砌混凝土運輸車在洞口車場緩沖段切換到Ⅰ線進入車場。如果拌合樓有閑置,則可以進入75拌合站或通過C4切換至90拌合站裝載混凝土,然后直接在拌合樓下始發(fā)進洞; 如果拌合站無閑置,則列車經(jīng)過C7切入4#線和5#線等待。
仰拱塊運輸車、軌線及其他材料運輸列車在洞口緩沖段切換到Ⅰ線進入車場,經(jīng)過C6切入1#線,如果列車需要卸載,則在1#線末端采用跨徑25 m的龍門吊卸車輔助其卸載,否則進入2#或3#線裝車,然后運行至C5附近等待始發(fā)指令。
由于混凝土列車的進場線和始發(fā)線均為Ⅰ線,在混凝土列車始發(fā)時可能與其他進場的列車在Ⅰ線上相遇。為了防止車輛堵塞,在洞口和車場進車線Ⅰ線之間設(shè)置3線緩沖區(qū),在C3位置設(shè)置進場信號,如沒有其他混凝土車輛始發(fā),則車輛經(jīng)過C3進入車場,否則在緩沖區(qū)等待進場信號。
在整個機車運行范圍內(nèi)設(shè)置無線對講系統(tǒng)和手機網(wǎng)絡(luò),在車場、TBM末端等重要位置設(shè)置視頻監(jiān)控系統(tǒng),在臺車、龍門吊、拌合站操作室和TBM值班室設(shè)置固定電話。調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
每列車、每名值班調(diào)度員、裝載龍門吊和拌合樓均為調(diào)度通信終端。在總調(diào)度室,總調(diào)度根據(jù)視頻監(jiān)控能看到車場車輛的進站、始發(fā)、車輛裝載情況和TBM上車輛的卸車、到達和離開情況; 通過調(diào)度系統(tǒng)能掌握整個工地上列車的全面運行情況; 通過對講機和各終端能實現(xiàn)點對點、點對面的語音通信,掌握和控制每個終端的運行情況,各通信終端又能實現(xiàn)點對點的互通。各分區(qū)調(diào)度根據(jù)總調(diào)度反饋的信息和轄區(qū)的情況,通過語音通信系統(tǒng)對調(diào)度區(qū)域的列車進行指揮,保證運輸系統(tǒng)高效地運行。
西秦嶺隧道自2010年7月TBM開始掘進,截至2013年4月TBM掘進完成,累計掘進12.87 km,平均月進度415 m,最快月進度841.8 m,最快周進度235 m,其中周進度和月進度均突破當期同等直徑TBM掘進的世界記錄。2010年9月開始同步襯砌,2014年1月完成主體段落隧道襯砌施工任務(wù),同步襯砌平均月進度為458.2 m,襯砌最快月進度為842.5 m。2015年下半年開始逐步拆除有軌運輸系統(tǒng)轉(zhuǎn)入道床施工,有軌運輸作為重要的生產(chǎn)支撐系統(tǒng),為全段隧道掘進和襯砌的快速施工提供了基本保障,通過實踐,驗證了運能需求分析和設(shè)備配置方法的正確性以及運輸系統(tǒng)布置的合理性。通過該工程施工,得到以下幾點體會。
1)要重視洞外車場的布置。TBM有軌運輸系統(tǒng)列車運行密度大,車輛裝卸作業(yè)多,輸送材料種類多,車場的軌線布置要與洞外拌合樓、材料存放區(qū)及裝卸設(shè)施配套,可以形成材料裝卸區(qū)、始發(fā)區(qū)和等待區(qū)。在臨時工程設(shè)計時要綜合考慮生產(chǎn)設(shè)施和軌線之間的相互配套。
2)要合理布置列車編組形式。在本工程中,第1階段和第2階段的列車編組發(fā)生了變化,且不可以提前預(yù)見,需要在施工中不斷總結(jié)和調(diào)整,如仰拱塊運輸列車由2節(jié)調(diào)整為4節(jié),進入TBM后方區(qū)間解編存儲,再由機頭推上TBM使用。調(diào)整后的編組方式減少了行車密度,同時在TBM保養(yǎng)期間也能提前運輸相關(guān)材料進入存儲區(qū)間,通過拉長有效運輸時間的方式降低運輸強度。
3)提高調(diào)度系統(tǒng)的信息化程度,使調(diào)度人員能及時收集車輛運行信息和各個工作面的需求信息,并能迅速地處理各種施工信息,提高車輛、運輸軌線的使用效率,減輕列車運行過程中的塞車現(xiàn)象。
隨著長大隧道施工距離的不斷增加,對長大隧道施工運輸系統(tǒng)的要求越來越高,如何使施工運輸系統(tǒng)高效、快捷是一個具有長期研究潛力的課題。
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