陳　鵬， 吳　堅， 張曉平, *， 謝維強， 孫茂舟， 涂新斌

(1. 中鐵十四局集團大盾構(gòu)工程有限公司， 江蘇 南京　211800； 2. 武漢大學土木建筑工程學院， 湖北 武漢　430072；3. 武漢大學巖土與結(jié)構(gòu)工程安全湖北省重點實驗室， 湖北 武漢　430072； 4. 國家電網(wǎng)公司， 北京　100031)

0　引言

泥水平衡式盾構(gòu)以其高效的施工特點，在現(xiàn)代城市建設(shè)中發(fā)揮愈來愈重要的作用，長距離大直徑成為隧道建設(shè)的發(fā)展方向[1-2]，而長距離大直徑泥水盾構(gòu)隧道的洞內(nèi)運輸調(diào)度合理性是影響隧道高效施工的關(guān)鍵因素。近年來，隨著我國大斷面盾構(gòu)隧道的增多[3-4]，特別是綜合管廊隧道內(nèi)部多采用預(yù)制箱涵結(jié)構(gòu)，并進行內(nèi)部結(jié)構(gòu)的同步施工[5-6]，運輸任務(wù)量很大。

在這種情況下，同有軌運輸相比[7-8]，無軌運輸沒有固定軌道，運輸車輛在洞內(nèi)具有靈活性大、運輸效率高和維修方便的優(yōu)點。當運輸距離較短時，車輛需求量少，物料可由車輛運輸多個來回完成，車輛調(diào)度比較簡單。然而，隨著運輸距離的增加，車輛需求量增加，洞內(nèi)的運輸車輛會出現(xiàn)優(yōu)先通行、車輛滯留等情況，如果車輛調(diào)度不當，物料不能及時運送到施工工作面，將會降低盾構(gòu)施工效率，延長施工工期。在實際隧道施工中，一般不進行物料運輸?shù)膬?yōu)化設(shè)計，即使有一定的優(yōu)化方案，也找不到比較合適的設(shè)計方法進行優(yōu)化，只能憑借工程經(jīng)驗進行粗略設(shè)計[9]。施工前難以確定準確的運輸車輛配置數(shù)量，經(jīng)常發(fā)生車輛過?；驀乐夭蛔愕那闆r，對施工效率和成本產(chǎn)生較大影響。因此，更好地優(yōu)化洞內(nèi)物料運輸流程，提高車輛運輸效率，降低運輸成本，對于盾構(gòu)施工的高效掘進是一個亟待解決的問題。

國內(nèi)外已有許多學者對盾構(gòu)隧道洞內(nèi)無軌運輸開展了相關(guān)研究。賓凌濤[10]對無軌運輸和有軌運輸?shù)氖┕し桨冈谶\輸時間和成本上進行了比較； 代永文[11]以通海隧道施工組織為例，通過對無軌運輸參數(shù)的計算，對有軌運輸和無軌運輸2種方案進行了比較，得出采用無軌運輸方式能夠?qū)崿F(xiàn)快速施工的結(jié)論； 周國龍[12]從安全、施工速度和經(jīng)濟效益等幾個方面對長大隧道洞內(nèi)運輸方式進行了比選，提出洞內(nèi)有軌轉(zhuǎn)無軌的運輸方式，可以明顯提高施工進度； 吳惠明[13]針對上海長江隧道大直徑、長距離和運輸規(guī)模大的特點，對不同類型車輛進行最佳編組和運輸工藝的優(yōu)化，大大提高了盾構(gòu)掘進效率，充分說明了無軌運輸系統(tǒng)的高效性； 謝波[14]結(jié)合南京地鐵10號線闡述了無軌運輸與有軌運輸，并從運輸效率、靈活性和經(jīng)濟性3方面分析其優(yōu)缺點，選擇無軌運輸作為洞內(nèi)車輛運輸方式。

也有學者對隧道運輸系統(tǒng)提出一些優(yōu)化方法和模型來指導(dǎo)現(xiàn)場施工，白云[15]采用拉格朗日乘子法得到了土壓平衡盾構(gòu)施工中軌道運輸?shù)淖顑?yōu)化模型，并成功指導(dǎo)了隧道的施工組織設(shè)計； 徐華升等[16]采用運籌學的方法建立了隧道施工運輸規(guī)劃的數(shù)學模型, 得到了總費用最小的物料調(diào)運方案； 封坤等[17]通過建立模糊綜合評判模型對盾構(gòu)隧道內(nèi)無軌運輸?shù)陌踩赃M行分析，對無軌運輸系統(tǒng)進行了優(yōu)化。

通過對國內(nèi)外一些研究成果的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大部分研究都是關(guān)于隧道洞內(nèi)運輸方式的優(yōu)化比選，鮮有對無軌運輸所涉及的車輛調(diào)度方案與運輸效率進行系統(tǒng)地研究。對于無軌運輸系統(tǒng)來說，很少有相應(yīng)的車輛運輸模型來對現(xiàn)場物料運輸調(diào)度進行指導(dǎo)。

針對目前實際施工過程中尚沒有完善的無軌運輸優(yōu)化模型來指導(dǎo)現(xiàn)場施工的現(xiàn)狀，本文首次提出長距離大直徑泥水盾構(gòu)隧道洞內(nèi)無軌運輸優(yōu)化模型，優(yōu)化車輛運輸流程，提高車輛運輸效率。以蘇通GIL綜合管廊工程為研究背景，通過施工現(xiàn)場前期物料運輸流程的調(diào)查統(tǒng)計，獲取運輸參數(shù)，建立理論運輸模型，得到在不同車輛投入量情況下車輛極限運輸長度及車輛滯留時間，對長距離物料運輸中如何選擇合理時機進行車輛投入與調(diào)度進行指導(dǎo)，提高車輛運輸效率，避免由于盲目增加車輛帶來的運力浪費，可以為蘇通GIL綜合管廊工程及類似隧道工程施工中物料運輸提供指導(dǎo)與借鑒。

1　工程背景

1.1　工程概況

蘇通GIL綜合管廊工程是淮南—南京—上海1 000 V交流特高壓輸變電工程的單項越江工程，越江線位位于G15 沈海高速蘇通長江大橋上游西側(cè)600～1 200 m處，隧道自南岸(蘇州)始發(fā)井向北下穿長江河道到達北岸(南通)接收井。隧道工程縱斷面如圖1所示，隧道全長5 528.545 m，其中，盾構(gòu)段達5 468.545 m，最大縱坡為5.0%。本工程采用1臺開挖直徑為12.07 m的泥水平衡盾構(gòu)由江南工作井始發(fā)，隧道外徑11.60 m、內(nèi)徑10.50 m，內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用中間預(yù)制箱涵及兩側(cè)現(xiàn)澆側(cè)箱涵的形式，成型隧道箱涵結(jié)構(gòu)斷面如圖2所示。

1.2　水平運輸方式

目前，隧道施工過程中常用的水平運輸方式分為有軌運輸和無軌運輸。如果盾構(gòu)施工僅僅是盾構(gòu)掘進和管片拼裝，而不采用同步拼裝預(yù)制中間箱涵、同步施工內(nèi)部結(jié)構(gòu)的施工方式，那么有軌運輸會更為可行，也更加高效和安全。但是，對于進行同步箱涵拼裝和洞內(nèi)結(jié)構(gòu)同步施工的長距離大直徑盾構(gòu)隧道來說，由于運輸條件的限制，無軌運輸比有軌運輸更有優(yōu)勢。根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(南京地鐵10號線過江隧道內(nèi)徑為10.2 m，采用同步拼裝箱涵和洞內(nèi)結(jié)構(gòu)同步施工，隧道采用了無軌運輸方式)，無軌運輸在運輸效率、安全性(對于大坡度隧道，軌道車的安全性是個極大的挑戰(zhàn)，一般軌道車適用的坡度不超過3%，本工程達到了5%)、靈活性和經(jīng)濟性上具有突出的優(yōu)點。故本工程采用無軌運輸?shù)男问竭M行洞內(nèi)物料運輸，車輛設(shè)計采用雙節(jié)雙頭車的設(shè)計方案，車型為DYC60管片箱涵雙頭運輸車，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1　蘇通GIL綜合管廊隧道縱斷面

圖2　成型隧道箱涵結(jié)構(gòu)斷面(單位： mm)

技術(shù)參數(shù)參數(shù)描述整車質(zhì)量26 t最大載重60 t尺寸22 000 mm×2 300 mm×2 600 mm載貨區(qū)長度10 000 mm最小離地間隙≥200 mm滿載最大爬坡6%動力系統(tǒng)276 kW,2 100 r/min技術(shù)參數(shù)參數(shù)描述最小轉(zhuǎn)彎半徑≥12 000 mm行走轉(zhuǎn)向模式直行、斜行排放標準國IV滿載上下坡設(shè)計最高速度7.5 km/h空載上下坡設(shè)計最高速度12 km/h滿載平地設(shè)計最高速度10 km/h空載平地設(shè)計最高速度15 km/h

車輛在隧道內(nèi)運輸主要分為2個行駛區(qū)間： 單車道行駛區(qū)間和3車道行駛區(qū)間。根據(jù)車輛在各區(qū)間的運輸條件，車輛在盾構(gòu)后部行駛位置如圖3所示。

1) 箱涵安裝臺車至內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工完成區(qū)域： 主要通行盾構(gòu)管片、砂漿、預(yù)制中箱涵、泥漿及水氣管路等，車輛通行距離為300～400 m，通行寬度為4.3 m。此區(qū)間單次只可通行1輛車，最多可有1輛雙頭車和1輛砂漿車順次進入，雙頭車駛?cè)胄敦泤^(qū)，砂漿車停放于轉(zhuǎn)運平臺。直到前一輛雙頭車駛出此區(qū)間，下一輛雙頭車才能駛?cè)?，其余滿載車輛全部停放于同步施工完成區(qū)域。

2) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工完成區(qū)域至洞口： 主要通行盾構(gòu)施工及內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工物料，車輛最大通行距離為5 468 m，通行寬度為8.3 m，此區(qū)間可實現(xiàn)全部車輛錯車，內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工車輛與盾構(gòu)施工運輸車輛相互影響較小。

圖3　車輛行駛位置平面示意圖

2　洞內(nèi)物料運輸模型

2.1　物料運輸需求

盾構(gòu)掘進所需要的物料主要包括： 管片、箱涵、砂漿、泥漿管、水管和一些輔助物料等，其中，應(yīng)重點考慮管片和箱涵的高效運輸。在盾構(gòu)施工循環(huán)中，管片、箱涵的拼裝和管路的延伸要達到一定程度的同步，才能使盾構(gòu)高效平穩(wěn)地推進。物料運輸流程的根本原則是： 物資必須提前到達卸貨等待區(qū)，利用盾構(gòu)流程轉(zhuǎn)換的合適時間進行卸貨，而不能讓盾構(gòu)等待物資到達。

1) 管片： 在盾構(gòu)推進過程中必須將下一環(huán)拼裝所需的8塊管片吊裝到喂片機上，每環(huán)管片環(huán)寬2 m，每輛車運輸4塊管片，每環(huán)需要2車次管片車完成運輸任務(wù)。

2) 箱涵： 在盾構(gòu)進行管片拼裝作業(yè)的時間內(nèi)必須將本環(huán)箱涵安裝完畢，每塊箱涵寬1.3 m，1輛箱涵車運輸2塊箱涵。每掘進10 m，需要安裝8塊箱涵，則需要4車次箱涵車完成運輸任務(wù)。

3) 泥漿管及水管(含進出管兩方向)： 管路延伸處位于盾構(gòu)臺車尾部，泥漿管為10 m/節(jié)，水管9 m/節(jié)，盾構(gòu)每掘進10 m需要延伸1次管路，包括2根泥漿管和4根水管，利用雙頭車運輸進洞。

4) 其他輔助物料： 水管、風管、管道支架和盾尾油脂等可以隨管片箱涵一起運入洞內(nèi)。

2.2　單輛車運輸流程

根據(jù)現(xiàn)場盾構(gòu)施工實際情況，盾構(gòu)完成1個單環(huán)掘進施工循環(huán)平均需要100 min，其中，掘進時間為60 min，管片拼裝時間為40 min，可以滿足盾構(gòu)正常工作狀態(tài)下進尺24 m/d的掘進要求。對現(xiàn)場單輛車洞內(nèi)運輸循環(huán)的時間進行分段統(tǒng)計，單輛車在洞內(nèi)一個運輸循環(huán)內(nèi)所需要的時間主要包括：卸貨時間、洞內(nèi)運輸時間、洞外運輸和裝車時間，具體流程如圖4所示。

圖4　單輛車洞內(nèi)物料運輸流程示意圖

Fig. 4Sketch of flowchart of materials transportation of single truck

1)t1為管片車在盾構(gòu)尾部的卸貨時間，平均用時20 min。

2)t2為箱涵車在盾構(gòu)尾部的卸貨時間，平均用時20 min，每輛箱涵車裝載2塊箱涵，第1塊箱涵起吊、安裝完畢后，才能起吊第2塊箱涵，此時，車輛才可以離開卸貨區(qū)。

3)t3為管材在盾構(gòu)尾部的卸貨時間，平均用時10 min，泥漿管可存放于4號臺車。

4)t4為車輛洞外運輸、吊裝時間，用時22 min，包括： 隧道洞門至吊裝區(qū)的空車行駛時間為5 min； 空車裝車的時間取10 min； 吊裝區(qū)至隧道洞門的滿載行駛時間為7 min。

5)t5為空車自卸貨區(qū)駛出隧道的總時間。

6)t6為滿載駛?cè)胨淼乐列敦泤^(qū)的總時間。

7)τ為車輛滯留時間，當車輛提前運輸?shù)蕉軜?gòu)卸貨等待區(qū)時，此時并不能進入到臺車尾部進行卸貨，車輛會滯留一段時間。

2.3　車輛運輸模型

為了使管片、箱涵的拼裝和管路的延伸達到一定程度的同步，盾構(gòu)每掘進10 m(5環(huán))就延伸一次管路，在此期間，物料運輸需要10車管片、 4車箱涵(8塊箱涵10.4 m)以及1車管材，且1車管材需要在管路延伸之前運輸?shù)?號臺車。故將掘進5環(huán)所需時間500 min定為一個同步運輸周期，包括T1、T2、T3、T4和T55個單環(huán)運輸周期。一個同步運輸周期內(nèi)要完成盾構(gòu)推進—拼環(huán)、管片箱涵吊裝卸貨、泥漿管路延伸和砂漿運輸?shù)裙ば颉?/p>

模型的初始狀況設(shè)定為： 1輛運有4塊管片的雙頭車在盾構(gòu)卸貨區(qū)進行卸車，1輛運有4塊管片的雙頭車在等待區(qū)等待，1輛運有2節(jié)箱涵的雙頭車在等待區(qū)等待。前一輛管片車卸貨完成并駛出卸貨區(qū)后，下一輛管片車立刻駛?cè)攵軜?gòu)卸貨區(qū)?？哲囻偝龆軜?gòu)卸貨區(qū)的時間為4 min、滿載車輛駛?cè)攵軜?gòu)卸貨區(qū)的時間為6 min，即2輛管片車的卸貨間隔時間為10 min。

運輸模型以車輛在盾構(gòu)吊裝平臺的作業(yè)時間為研究目標，在單環(huán)運輸周期內(nèi)，管片箱涵的卸貨時間要少于100 min，所以管片箱涵吊機在單環(huán)運輸周期內(nèi)會出現(xiàn)一段時間的吊裝間歇tij(i=1，2，3，4，5；j=1，2)。盾構(gòu)單環(huán)運輸周期T1(100 min)內(nèi)包括： 2車管片和1車箱涵的卸貨時間以及吊裝間歇，車輛單環(huán)運輸模型如圖5所示。同一車輛前一次卸貨完成至下一次到達盾構(gòu)卸貨區(qū)的時間間隔稱為一個卸貨周期T。車輛在一個卸貨周期內(nèi)行駛的最大里程稱為車輛極限運輸長度Lmax，即： 洞門至盾構(gòu)卸貨區(qū)的距離，在超過車輛極限運輸長度Lmax之后，需要再次投入車輛來滿足物料運輸?shù)男枨蟆?/p>

圖5　車輛單環(huán)運輸模型示意圖

卸貨周期

T=t4+t5+t6+τ；

(1)

(2)

(3)

式(1)—(3)中：t5、t6為車輛在洞內(nèi)運輸時間；t4為洞外裝車時間；τ為車輛滯留時間。

由式(1)—(3)可化簡得到車輛運輸長度

(4)

當車輛在洞內(nèi)的滯留時間τ為0時，車輛極限運輸長度

(5)

式(1)—(5)中：v1為車輛滿載平均速度，km/h；v2為車輛空載平均速度，km/h；L為車輛從卸貨區(qū)到洞門的運輸距離，m。

3　模型建立與分析

根據(jù)蘇通GIL綜合管廊工程施工現(xiàn)場車輛洞內(nèi)運輸?shù)膶嶋H情況，以投入3輛雙頭車的運輸流程為例，建立現(xiàn)場車輛運輸優(yōu)化模型。T1、T2、T3和T5每個周期內(nèi)分別運輸2車管片、1車箱涵，且運輸循環(huán)完全相同；T4周期內(nèi)運輸2車管片、1車管材。

對所建立的優(yōu)化模型中車輛能達到的極限運輸長度Lmax進行計算，并以此為理論依據(jù)，分析掘進過程中物料運輸車輛的合理調(diào)度方案，具體計算流程如下。

在一個同步運輸周期中，以卸貨周期T為目標函數(shù)，吊裝間歇tij為變量，變量tij的約束條件如下：

0≤t11≤30, 0≤t12≤30,t11+t12=30 。

(6)

0≤t41≤40, 0≤t42≤40,t41+t42=40 。

(7)

t11=t21=t31=t51。

(8)

t12=t22=t32=t52。

(9)

在運輸流程中為了保障物料運輸?shù)牧鲿承?，在車輛數(shù)目一定的情況下，卸貨周期T的最小值決定了車輛的極限運輸長度Lmax，所以得到車輛卸貨周期T的表達式如下：

T(tij)=min(50+t11+t12, 50+t12+t21, 40+t41+t42, 50+t32+t41, 50+t42+t51)=min(80, 50+t32+t41, 50+t42+t51) 。

(10)

結(jié)合式(6)—(9)，式(10)可化簡為：

T(tij)=min(80， 50+t12+t41, 120-t12-t41) 。

(11)

當變量tij變化時，卸貨周期會隨之發(fā)生改變，通過合理的分配吊裝間歇tij，可以使得車輛的卸貨周期T(tij)取得最大值Tmax，從而增大車輛極限運輸長度，達到車輛的最大運輸能力。

Tmax=max (tij) 。

(12)

當變量tij取值如下：

(13)

推出t12+t41∈[30， 40] 。

此時，目標函數(shù)T取得最大值

Tmax=max (T(tij))=80 min 。

(14)

由于雙頭車在隧道內(nèi)操控性較差，且出于行車安全的考慮，車輛在洞內(nèi)的行駛速度達不到最高設(shè)計速度，通過對雙頭車在隧道內(nèi)行駛速度的調(diào)查統(tǒng)計，取車輛滿載平均速度v1為4 km/h、空載平均速度v2為7.5 km/h，并用于車輛的調(diào)度計算。 將Tmax= 80 min帶入式(5)中，計算得到車輛極限運輸長度Lmax= 2 522 m，即在3輛車的條件下，物料運輸能達到的最遠距離為2 522 m，超過2 522 m之后需要增加車輛來滿足后期物料運輸?shù)男枨蟆?/p>

依此類推，按照優(yōu)化模型的運輸流程分別計算2輛車、4輛車、5輛車、6輛車能達到的極限運輸長度Lmax。

車輛極限運輸長度Lmax隨車輛數(shù)目的變化曲線如圖6所示，可以看出，車輛極限運輸長度Lmax和投入的車輛數(shù)目呈正相關(guān)。在投入5輛雙頭車的情況下，車輛極限運輸長度Lmax=5 348 m<5 468 m，即在運輸距離達到5 348 m之后，需要繼續(xù)投入車輛來滿足物料運輸需求； 而在投入6輛雙頭車的情況下，車輛極限運輸長度Lmax=6 870 m>5 468 m，可以滿足盾構(gòu)掘進5 468 m的物料運輸需求，并留有一定余量。

圖6　極限運輸長度Lmax隨車輛數(shù)目變化曲線

Fig. 6Relationship between maximum transportation lengthLmaxof vehicle and the number of vehicles

4　方案對比

原方案中運輸長度每增加2 000 m，運輸車輛到達卸貨等待區(qū)時會滯留一段時間，而在一次性投入3輛車之后，會使滯留時間有一個較大的增幅，造成車輛在洞內(nèi)長時間的等待，當投入車輛數(shù)目達到9輛時，滯留時間的最大值達到166 min。在優(yōu)化模型中，每當車輛達到極限運輸長度時，滯留時間為0，代表車輛無需等待就可以直接駛?cè)攵軜?gòu)卸貨區(qū)進行卸貨，當運輸距離超過極限運輸長度之后，需要逐輛增加車輛來滿足物料運輸需求，這時車輛的滯留時間只會有一個較小的增幅，當投入車輛數(shù)目為6輛時，滯留時間的最大值僅為35 min，較原方案減少了131 min。在長達5 468 m運輸距離中，優(yōu)化方案大大減少了車輛在洞內(nèi)的最長滯留時間，充分提高了每輛車的運輸效率，有效緩解了洞內(nèi)物料運輸車輛的擁堵狀況。通過運輸優(yōu)化模型的建立，可以對盾構(gòu)施工現(xiàn)場長距離物料運輸中車輛的合理調(diào)度提供理論指導(dǎo)，從而降低運輸成本。

5　結(jié)論與討論

本文以蘇通GIL綜合管廊工程為背景，通過對現(xiàn)場運輸參數(shù)的調(diào)查統(tǒng)計，建立了長距離大直徑泥水盾構(gòu)隧道洞內(nèi)無軌運輸優(yōu)化模型，對現(xiàn)場的車輛調(diào)度方案進行了優(yōu)化，有效地提高了車輛的運輸效率，保證了長距離盾構(gòu)掘進的高效施工，主要結(jié)論如下。

1) 以車輛在盾構(gòu)卸貨平臺的作業(yè)時間為研究目標，建立了車輛物料運輸?shù)睦碚撃Ｐ汀Ｔ谕度胲囕v數(shù)目一定的情況下，合理分配吊裝間歇，使卸貨周期T在同步運輸周期內(nèi)達到最大值Tmax，可增大車輛極限運輸長度，達到車輛的最大運輸能力。

2) 通過模型的建立與分析，車輛極限運輸長度Lmax和投入的車輛數(shù)目呈正相關(guān)，并根據(jù)Lmax選擇合理的距離來逐輛增加車輛，理論上共投入6輛雙頭車便可以滿足本工程獨頭掘進5 468 m的運輸需求，與原方案相比，車輛投入數(shù)目減少了3輛，降低了運輸成本。

3) 通過2種方案對比發(fā)現(xiàn)，在車輛數(shù)目一定的情況下，滯留時間會隨著運輸距離的增加而逐漸減小。優(yōu)化方案中車輛的最長滯留時間比原方案減少了131 min，提高了車輛的運輸效率，有效緩解了運輸車輛在洞內(nèi)的擁堵狀況。

本文首次提出了長距離盾構(gòu)隧道洞內(nèi)無軌運輸優(yōu)化理論模型，對車輛在洞內(nèi)的運輸流程和運輸效率進行了分析，但是對于盾構(gòu)施工過程中出現(xiàn)的特殊情況對物料運輸?shù)挠绊懺诶碚撃Ｐ椭形纯紤]，例如： 盾構(gòu)機械故障、車輛維修和同步施工滯后等。下一步的研究可以針對現(xiàn)場施工過程中出現(xiàn)的特殊情況，對車輛的運輸流程做出調(diào)整，使模型在不同的施工工況下均能對車輛物料運輸進行指導(dǎo)，以提高模型的適用性。