王春明 王家祥

[摘 要]雙護(hù)盾TBM（Double Shield Tunnel Boring Machine），由于安全性高，掘進(jìn)速度快，地質(zhì)適宜性強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)開(kāi)挖掘進(jìn)與襯砌管片拼裝同時(shí)交叉作業(yè)，在國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)大隧道中已得到充分應(yīng)用，其配套洞內(nèi)物料運(yùn)輸主要有皮帶機(jī)和柴油機(jī)車兩種系統(tǒng)，文章重點(diǎn)對(duì)在物資匱乏、供給不暢的偏遠(yuǎn)山區(qū)的洞內(nèi)物料運(yùn)輸系統(tǒng)的選型主要思路、原則、方式等進(jìn)行闡述，供類似工程借鑒。

[關(guān)鍵詞]TBM；洞內(nèi)運(yùn)輸；系統(tǒng)綜合選型

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2018.33.074

1 引 言

雙護(hù)盾TBM由于安全性高、掘進(jìn)速度快、地質(zhì)適宜性強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)掘進(jìn)與襯砌管片拼裝同時(shí)交叉作業(yè)，在國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)大隧道中已得到充分應(yīng)用，其配套洞內(nèi)物料運(yùn)輸主要有皮帶機(jī)和柴油機(jī)車兩種系統(tǒng)，選擇最優(yōu)系統(tǒng)是工程前期策劃的關(guān)鍵性課題，特別在物資匱乏、供給不暢的偏遠(yuǎn)山區(qū)或經(jīng)濟(jì)落后的海外市場(chǎng)，運(yùn)輸系統(tǒng)的選型尤為重要。文章依托尼泊爾巴瑞巴貝引水隧道工程項(xiàng)目，對(duì)雙護(hù)盾TBM的洞內(nèi)物料運(yùn)輸系統(tǒng)選型策劃進(jìn)行分析研究，為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)。

2 工程概況

2.1 工程簡(jiǎn)介

尼泊爾巴瑞巴貝引水隧道工程項(xiàng)目位于尼泊爾的中西部和遠(yuǎn)西部交接位置的巴迪亞地區(qū)，該項(xiàng)目為尼泊爾政府的第一個(gè)跨流域取水項(xiàng)目，被譽(yù)為尼泊爾最受重視的“國(guó)家驕傲工程”，該項(xiàng)目主要實(shí)施一條引水隧道和進(jìn)場(chǎng)道路，配套實(shí)施自發(fā)電廠、管片生產(chǎn)廠、砂石料開(kāi)采廠等工程。引水隧道為單線隧道，線路全長(zhǎng)12.2千米，采用TBM施工。成型隧道過(guò)水?dāng)嗝?.2米 ，坡度3‰，設(shè)計(jì)流量40m3/s。建成后可灌溉尼泊爾中西部和遠(yuǎn)西部交界處的巴迪亞和班克地區(qū)51000公頃農(nóng)田，徹底解決該區(qū)域極度缺水的現(xiàn)狀；并且利用約152米的水位差異建造發(fā)電站，為尼泊爾不太富裕的電力提供48兆瓦的電力支持。

2.2 地域資源情況

尼泊爾主要從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，是世界上欠發(fā)達(dá)國(guó)家之一，國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)較差，工業(yè)基礎(chǔ)弱、規(guī)模小、水平低、發(fā)展慢，雖然自90年代開(kāi)始實(shí)行以市場(chǎng)為導(dǎo)向的自由經(jīng)濟(jì)政策，但因政局多變和基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，經(jīng)濟(jì)狀況改觀甚微，仍嚴(yán)重依賴外援，預(yù)算支出的1/3來(lái)自外國(guó)捐贈(zèng)和貸款，故此，在該國(guó)家引入先進(jìn)的TBM隧道施工技術(shù)，僅靠尼泊爾境內(nèi)的資源來(lái)實(shí)現(xiàn)供應(yīng)保障可能性極低，只能通過(guò)進(jìn)口，資源組織難度大，資源運(yùn)輸周期長(zhǎng)。

2.3 洞內(nèi)運(yùn)輸系統(tǒng)的組成

雙護(hù)盾TBM洞內(nèi)運(yùn)輸系統(tǒng)分為皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)和柴油機(jī)車運(yùn)輸系統(tǒng)，主要包含渣土，管片襯砌，水泥、豆礫石等填充材料，洞內(nèi)施工人員，油料，水管，鋼軌，電纜以及其他臨時(shí)小型機(jī)械設(shè)備、零配件、材料的洞內(nèi)外運(yùn)輸。

3 洞內(nèi)運(yùn)輸選型要素

（1）洞內(nèi)物料運(yùn)輸系統(tǒng)匹配施工進(jìn)度要求，從設(shè)備配置、功率大小、數(shù)量等方面需滿足TBM的日、月進(jìn)度要求，并且施工總工期需滿足合同工期。

（2）洞內(nèi)物料運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)備功能性需齊全，需滿足洞內(nèi)運(yùn)輸?shù)乃形锪?、機(jī)械、人員等的所有運(yùn)輸要求。

（3）洞內(nèi)物料運(yùn)輸系統(tǒng)應(yīng)完整、安全可靠，不需附加任何條件即可實(shí)現(xiàn)工程所應(yīng)具備的功能和要求。

（4）運(yùn)輸系統(tǒng)應(yīng)能保證連續(xù)施工作業(yè)，且具備良好的穩(wěn)定性，系統(tǒng)中某單一設(shè)備損壞后不至于全面停工，尤其要確保隧道在不良地層的應(yīng)急處理能力。

4 配置方案研究

4.1 方案比選思路

針對(duì)該項(xiàng)目TBM的洞內(nèi)運(yùn)輸，主要通過(guò)對(duì)功能性分析、資源、成本、管理等方面進(jìn)行綜合論證。

4.2 洞內(nèi)柴油機(jī)車運(yùn)輸方案

4.2.1 配置方案

（1）總體布置方案。該項(xiàng)目隧道長(zhǎng)12.2千米，洞內(nèi)共配置三組錯(cuò)車平臺(tái)（兩組固定式、一組移動(dòng)式），由于TBM始發(fā)平臺(tái)面積較小，場(chǎng)地布置緊湊，為有效利用場(chǎng)地空間，錯(cuò)車平臺(tái)設(shè)置如下。

①采用移動(dòng)式和固定式錯(cuò)車平臺(tái)，用于洞內(nèi)柴油機(jī)車錯(cuò)車，共配置1組移動(dòng)式錯(cuò)車平臺(tái)，2組固定式錯(cuò)車平臺(tái)。

②掘進(jìn)長(zhǎng)度0～500米，洞內(nèi)不設(shè)置錯(cuò)車平臺(tái)，單軌運(yùn)輸，需配置2組柴油機(jī)車。

③掘進(jìn)長(zhǎng)度500～4000米，設(shè)置一組移動(dòng)式錯(cuò)車平臺(tái)，當(dāng)錯(cuò)車平臺(tái)與臺(tái)車尾部超過(guò)500米時(shí)，向掘進(jìn)方向移動(dòng)，配置3組柴油機(jī)車。

④掘進(jìn)長(zhǎng)度在4000～8000米，設(shè)置兩組錯(cuò)車平臺(tái)，第一組（固定式）位于4000米位置，第二組移動(dòng)式，當(dāng)其與臺(tái)車尾部超過(guò)500米時(shí)，向掘進(jìn)方向移動(dòng)，共需配置4組柴油機(jī)車。

⑤掘進(jìn)長(zhǎng)度在8000～12200米，設(shè)置三組錯(cuò)車平臺(tái)，第一組（固定式）位于4000米位置，第二組（固定式）位于8000米位置，第三組移動(dòng)式，需配置5組柴油機(jī)車。

（2）柴油機(jī)車編組方案。按照上文錯(cuò)車平臺(tái)布置方案，本工程共需5列柴油機(jī)車編組，為保證雙護(hù)盾掘進(jìn)模式下兩環(huán)一次的運(yùn)輸方式，單列柴油機(jī)車編組共采用“4節(jié)管片車+2節(jié)平板車（其中一節(jié)配豆礫石罐）+8節(jié)土廂車+1節(jié)柴油機(jī)車頭”的模式，如下圖所示。

另外，鑒于該工程隧道較長(zhǎng)，為便于洞內(nèi)外人員接送，共配置4臺(tái)人車，在上下班時(shí)掛在整臺(tái)柴油機(jī)車頭前端，接送作業(yè)人員；其余時(shí)段，置于洞外。

4.2.2 適應(yīng)性分析

（1）功能適應(yīng)性分析。在正常掘進(jìn)階段，按12千米的最大運(yùn)距計(jì)算，此時(shí)道岔為三組，分析5組機(jī)車數(shù)量配置適應(yīng)性，其相關(guān)參數(shù)暫定如表1所示。

根據(jù)計(jì)算，在運(yùn)距12000米的時(shí)候，5列正常運(yùn)輸?shù)牟裼蜋C(jī)車可以滿足日進(jìn)度42米（30環(huán)）的要求，當(dāng)運(yùn)距小于12000米時(shí)，運(yùn)輸效率將大大提升，可見(jiàn)，洞內(nèi)設(shè)置三組道岔和5列正常運(yùn)輸?shù)臋C(jī)車編組完全能夠滿足施工需求。

（2）容量適應(yīng)性分析。按照隧道洞徑和施工組織要求，委托專業(yè)公司對(duì)柴油機(jī)車進(jìn)行容量適應(yīng)性設(shè)計(jì)。

平板車：每次列車進(jìn)入隧洞運(yùn)輸2環(huán)管片，本工程采用4塊成環(huán)的混凝土管片，兩環(huán)共8塊管片，每節(jié)平板車上放置2塊管片，共4節(jié)平板車。

土廂：本工程刀盤開(kāi)挖直徑為5.06米，每環(huán)的理論土方量為：M1=5.06×5.06×3.14×1.4÷4=28.13方，松散系數(shù)按照1.2計(jì)算，實(shí)際出土量：M2=28.13×1.2=33.76方，兩環(huán)共出土：M3=33.76×2=67.52方；6節(jié)土廂總?cè)萘繛?M4=67.68方>M3，故6節(jié)土廂能夠滿足2環(huán)一循環(huán)的土方裝載需求。

豆礫石：刀盤開(kāi)挖直徑5.06米，管片外徑4.8米，每環(huán)管片背部理論間隙為：V1=（5.06×5.06÷4-4.8×4.8÷4）×1.4=2.01方，按照110%的填充系數(shù)，兩環(huán)共需豆礫石V2=2.01×1.1×2=4.42方。豆礫石車廂容積為8.69方，完全滿足兩環(huán)一循環(huán)的豆礫石用量需求。

4.2.3 資源配置需求

（1）設(shè)備配置。按照最大需求階段配置，洞內(nèi)機(jī)車運(yùn)輸共需配置柴油機(jī)車5列（整編），洞內(nèi)錯(cuò)車平臺(tái)3副，洞外翻渣機(jī)一臺(tái)套。

（2）人員配置。按照最大需求階段配置，洞內(nèi)機(jī)車運(yùn)輸共需配置人員為：機(jī)車司機(jī)10人（分白夜兩班），道岔管理員6人（每個(gè)道岔處一人、分白夜兩班），翻渣機(jī)2人（分為白、夜兩班）。

（3）成本預(yù)算。

4.3 洞內(nèi)連續(xù)皮帶機(jī)運(yùn)輸方案

4.3.1 配置方案

連續(xù)皮帶機(jī)安置在隧道腰部，隨TBM的掘進(jìn)進(jìn)尺逐步接長(zhǎng)，總需求量為25千米，TBM渣土通過(guò)連續(xù)皮帶機(jī)直接運(yùn)輸?shù)蕉赐猓瑹o(wú)須設(shè)置翻渣機(jī)，掘進(jìn)出土較為快捷安全。

本隧道受管片生產(chǎn)供應(yīng)及其他臨建設(shè)施影響，暫考慮每日平均掘進(jìn)進(jìn)度30環(huán)。洞內(nèi)渣土采用連續(xù)皮帶機(jī)運(yùn)輸時(shí)，管片、豆礫石及其他材料運(yùn)輸需用到柴油機(jī)車，TBM單軌梁有效吊裝距離為28米，管片車長(zhǎng)度為3.87米，最多每列機(jī)車編組28/3.87=7.23個(gè)，一環(huán)需2個(gè)管片車，受TBM單梁調(diào)運(yùn)距離及起吊高度等既有條件限制，每列機(jī)車平板車最大數(shù)量為6節(jié)，即一次3環(huán)管片運(yùn)輸。在正常掘進(jìn)階段，機(jī)車編組為6節(jié)平板車+2節(jié)豆礫石車廂+1節(jié)機(jī)車車頭。

4.3.2 適應(yīng)性分析

按照上文運(yùn)距為12千米時(shí)計(jì)算連續(xù)皮帶出渣時(shí)的運(yùn)輸機(jī)車需求數(shù)量。

考慮到管片及其他材料運(yùn)輸同樣是制約TBM掘進(jìn)進(jìn)度的重要因素，需配置4列運(yùn)輸機(jī)車和2個(gè)錯(cuò)車平臺(tái)，其中1個(gè)為固定式錯(cuò)車平臺(tái)，1個(gè)為移動(dòng)式錯(cuò)車平臺(tái)。

豆礫石：同上計(jì)算，三環(huán)共需豆礫石V2=2.01×1.1×36.63方。豆礫石車廂容積為8.69方，完全滿足三環(huán)一循環(huán)的豆礫石用量需求。

4.3.3 資源配置需求

（1）設(shè)備配置。按照最大需求階段配置，洞內(nèi)機(jī)車運(yùn)輸共需配置柴油機(jī)車4列，洞內(nèi)錯(cuò)車平臺(tái)2副，皮帶機(jī)系統(tǒng)一套。

（2）人員配置。按照最大需求階段配置，洞內(nèi)機(jī)車運(yùn)輸共需配置人員為：機(jī)車司機(jī)8人（分白夜兩班），道岔管理員4人（每個(gè)道岔處一人、分白夜兩班）。

（3）成本預(yù)算。

4.4 比選分析

4.4.1 進(jìn)度分析

按照前文分析，柴油機(jī)車出渣時(shí)，在12千米的里程位置最大的掘進(jìn)進(jìn)度為53.62米，連續(xù)皮帶機(jī)出渣時(shí)，在12千米的里程位置最大的掘進(jìn)進(jìn)度為75.6米，均大于設(shè)計(jì)平均掘進(jìn)速度30環(huán)（42米）的需求。

4.4.2 資源及成本投入分析

資源投入按照設(shè)備投入和后期投入考慮，總投入成本柴油機(jī)車約占皮帶機(jī)的39.34%。

4.4.3 管理投入分析

（1）皮帶運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)采用電力供能，需額外配置至少2臺(tái)800kW發(fā)電機(jī)，對(duì)于自發(fā)電的尼泊爾項(xiàng)目而言，配套投入再次增大。

（2）當(dāng)皮帶機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，TBM掘進(jìn)必須停止；當(dāng)某一柴油機(jī)車出現(xiàn)故障后，TBM采用剩余的柴油機(jī)車出渣運(yùn)料，依舊可以連續(xù)掘進(jìn)，后期連續(xù)掘進(jìn)的有效性更高。

4.4.4 比選結(jié)論

通過(guò)上文的比選，就尼泊爾項(xiàng)目而言，因?yàn)橹饕木蜻M(jìn)進(jìn)度受管片生產(chǎn)限制，平均進(jìn)度只能達(dá)到30環(huán)/天，尼泊爾地區(qū)又較偏遠(yuǎn)，設(shè)備、配件組織時(shí)效性較低，皮帶機(jī)成本投入太高，綜合對(duì)比考慮，單獨(dú)配置皮帶運(yùn)輸機(jī)用于渣土運(yùn)輸?shù)囊饬x不大，最終全部采用柴油機(jī)車系統(tǒng)進(jìn)行洞內(nèi)的物料運(yùn)輸，對(duì)比分析如表7所示。

5 實(shí)際施工的過(guò)程驗(yàn)證情況

目前，尼泊爾已累計(jì)掘進(jìn)4.3千米，正在使用3列柴油機(jī)車編組和1副移動(dòng)式錯(cuò)車平臺(tái)，2018年4月份月度進(jìn)尺為1067.837米，最高日進(jìn)尺為52.88米，基本達(dá)到柴油機(jī)車運(yùn)輸模式下的最高日掘進(jìn)理論計(jì)算值53.62米，柴油機(jī)車系統(tǒng)的配置設(shè)計(jì)滿足現(xiàn)場(chǎng)施工的實(shí)際需求。

6 結(jié) 論

由于TBM的高度機(jī)械化及自動(dòng)化，可以實(shí)現(xiàn)管片襯砌和開(kāi)挖掘進(jìn)的平行交叉作業(yè)，逐漸成為長(zhǎng)大隧道的主要開(kāi)挖設(shè)備，廣泛地運(yùn)用于隧道施工，其運(yùn)輸系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)同樣至關(guān)重要，特別是外界環(huán)境、地域條件及運(yùn)輸條件受限的不發(fā)達(dá)地區(qū)，需要進(jìn)行多方面的評(píng)估，選擇最適合于工程實(shí)施的運(yùn)輸系統(tǒng)，既能保證進(jìn)度要求，又可以降低成本投入。所以對(duì)長(zhǎng)大隧道的運(yùn)輸系統(tǒng)選型時(shí)，首先，需考慮合同工期，應(yīng)根據(jù)合同工期反算年、季、月的施工指標(biāo)；其次，需綜合考慮經(jīng)濟(jì)投入分析；最后，應(yīng)充分調(diào)研外部環(huán)境、市場(chǎng)形態(tài)、運(yùn)輸條件等外界因素，最終確定運(yùn)輸系統(tǒng)的類型、配置數(shù)量、組成單元等關(guān)鍵信息。

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[作者簡(jiǎn)介]王春明（1985—），男，漢族，重慶人，碩士研究生，高級(jí)工程師，中鐵二局集團(tuán)有限公司，研究方向：地下工程；王家祥（1979—），男，漢族，重慶人，碩士研究生，高級(jí)工程師，中鐵二局集團(tuán)有限公司，研究方向：地下工程。