袁濤

（中鐵十四局集團(tuán)隧道工程有限公司,濟(jì)南 250000）

1 引言

隨著我國城市化建設(shè)的不斷深入，人們對地下空間的利用需求不斷增加，盾構(gòu)法施工以其安全、環(huán)保、高效等優(yōu)勢，在地鐵、鐵路、引水隧道等工程中得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。在盾構(gòu)法施工中，盾構(gòu)機因為價值大、技術(shù)復(fù)雜等特點在選型時往往受到高度重視，而后配套的盾構(gòu)施工牽引車由于成本相對較低、機型雜、數(shù)量多，往往得不到應(yīng)有的重視[4]。但是在盾構(gòu)施工中，牽引車的運輸與盾構(gòu)掘進(jìn)是相互配合的，牽引車選擇不合理往往會制約施工效率，增加施工風(fēng)險。

國內(nèi)外在盾構(gòu)和TBM 施工中，應(yīng)用的洞內(nèi)運輸車輛主要為無軌膠輪車、軌道膠輪車以及普通的軌道運輸車。國內(nèi)外已有一些學(xué)者對盾構(gòu)隧道洞內(nèi)無軌運輸開展了相關(guān)研究。陳鵬等[5]針對蘇通GIL 綜合管廊工程大直徑、大坡度的特點，從運輸效率、安全性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性4 個方面綜合考量，選擇無軌膠輪車作為盾構(gòu)牽引車。張濤[6]從安全、效率、質(zhì)量等方面對天枰隧道內(nèi)運輸方案進(jìn)行了比選，提出了無軌膠輪車運輸方案，保證了施工質(zhì)量、加快了施工進(jìn)度。也有一些學(xué)者對盾構(gòu)隧道洞內(nèi)軌道運輸進(jìn)行了研究。韓明建[7]以山西省中部引黃工程TBM2 標(biāo)段施工為背景，從牽引能力、制動能力等方面進(jìn)行合理配置，為軌道膠輪車的使用提供了寶貴經(jīng)驗。汪思海[8]結(jié)合西（安）南（京）線桃花鋪2 號隧道的有軌運輸施工，從掘進(jìn)、支護(hù)、襯砌3 條作業(yè)線闡述單線長大隧道有軌運輸設(shè)備選型及配套，并驗證了其合理性。劉日[9]以太古高速周家山隧道工程為依托，對該工程大坡度斜井運輸方式進(jìn)行了深入研究，最終選擇了有軌運輸與無軌運輸相結(jié)合的方案。還有學(xué)者對牽引車進(jìn)行計算選型。曹文祥[10]以廈門市軌道交通4 號線4 標(biāo)三工區(qū)以典型施工為例，闡述了盾構(gòu)施工水平運輸車輛編組及電機車選型方法。

通過對國內(nèi)外學(xué)者的研究成果調(diào)查發(fā)現(xiàn)，牽引車的選型方法大多停留在類比相似工程、憑借工程經(jīng)驗，很少通過計算進(jìn)行選型。目前，還沒有針對小直徑、大坡度隧道施工盾構(gòu)牽引車的選型案例。本文以新疆某引水工程為背景，通過設(shè)計計算，提出了適用于小直徑、大坡度隧道盾構(gòu)牽引車的選型方法。選型結(jié)果安全、可靠，可為新疆引水工程及類似隧道工程施工中物料運輸提供指導(dǎo)與借鑒。

2 工程案例

2.1 工程概況

本項目盾構(gòu)段全長20.585 km，盾構(gòu)區(qū)間采用3 臺土壓平衡盾構(gòu)機施工，采用連續(xù)皮帶機出渣。盾構(gòu)區(qū)間開挖直徑5.5 m，管片外徑5.2 m，管片內(nèi)徑4.5 m，管片環(huán)寬為1.2 m。計劃每天掘進(jìn)10 環(huán)，月進(jìn)尺360 m。

盾構(gòu)機1 施工段洞內(nèi)水平運輸包含1 423 m 支洞和主洞段5 830 m（坡度1/5 000），其中支洞和主洞重載下坡，空載上坡，支洞最大坡度5%；盾構(gòu)機2 施工段洞內(nèi)水平運輸包含1 376 m 支洞和主洞段6 100 m（坡度1/5 000），其中支洞和主洞重載下坡，空載上坡。支洞最大坡度5%；盾構(gòu)機3-1 施工段洞內(nèi)水平運輸主洞段2 480（坡度1/5 000），其中主洞重載上坡，空載下坡；盾構(gòu)機3-2 施工段洞內(nèi)水平運輸包含690 m 支洞和主洞段5 800 m（坡度1/5 000），其中支洞重載下坡，空載上坡，主洞重載上坡，空載下坡。

2.2 物料運輸情況

1）本工程中土壓盾構(gòu)施工過程中，除渣土運輸由連續(xù)皮帶機承擔(dān)外，其他施工材料如管片、砂漿、長度6 m 水管、軌道、軌枕、盾尾油脂、潤滑油脂、泡沫劑、連續(xù)皮帶機架、風(fēng)筒、膨潤土等均由輔助運輸車承擔(dān)。

2）盾構(gòu)施工過程中，除正常掘進(jìn)物資運輸外，還需運送連續(xù)皮帶機運行過程中掉落的渣土；掘進(jìn)過程螺旋機噴涌出來的泥渣；發(fā)生刀盤卡死、盾體卡死時，加固土體的改性注漿材料（如衡盾泥、惰性砂漿等）；進(jìn)行壓氣換刀作業(yè)時，運輸?shù)毒吆蛻?yīng)急發(fā)電機以及柴油和進(jìn)倉所需的氧氣等物資。

3 物料運輸方案分析

選擇機車類型要遵循保證施工安全、保證施工質(zhì)量、加快施工進(jìn)度的原則。無軌膠輪車方案會車風(fēng)險大；有軌膠輪車方案運輸效率低，支洞作業(yè)時易發(fā)生溜車；普通軌道車方案施工效率較高，且安全風(fēng)險低。因此，本項目盾構(gòu)牽引車選用普通軌道運輸車。表1 為內(nèi)燃機車技術(shù)參數(shù)。

表1 內(nèi)燃機車技術(shù)參數(shù)

如表1 所示，T1=T2=20 min=0.33 h，單環(huán)掘進(jìn)時間T=40 min≈0.667 h。運輸車輛單趟運輸單環(huán)掘進(jìn)物資。主洞掘進(jìn)距離不斷增長，運輸車輛數(shù)量應(yīng)與掘進(jìn)距離以及掘進(jìn)物資需求相匹配。

采用3 輛普通軌道運輸車，對水平運輸速度進(jìn)行分析：

主洞段重載下坡速度V2：

式中，L1為支洞運輸距離，運行速度7 km/h，n為普通軌道運輸車數(shù)量，T為掘進(jìn)一環(huán)所用時間，T1為裝車耗時，T2為卸車耗時，V1為支洞重載下坡速度；X為掘進(jìn)距離。

計算得到不同掘進(jìn)距離處所需的車速見表2。

表2 不同掘進(jìn)距離所需車速

由表2 所得運輸車輛所需行駛速度可知：當(dāng)盾構(gòu)機掘進(jìn)至主洞段6 km（即盾構(gòu)段施工任務(wù)即將完成）時，車輛重載下坡運行速度V2=9.65 km/h，空載出洞時運行速度V3=14.47 km/h，運行速度未達(dá)到額定運行速度。

按照表2 內(nèi)燃機車運輸時間，采用3 列內(nèi)燃機車編組完全滿足盾構(gòu)每環(huán)40 min 掘進(jìn)施工物資需求，不影響盾構(gòu)施工的連續(xù)性，在設(shè)備故障可控的情況下，盾構(gòu)掘進(jìn)月進(jìn)尺可達(dá)到300～400 m。

4 盾構(gòu)施工水平運輸方案分析及機車選型計算

4.1 水平運輸方案分析

通常情況下，機車后配車輛根據(jù)用途需要渣土車、管片車和砂漿車。如考慮運輸效率和時間利用率，編組方案宜采用整列1 次出渣及運送管片和砂漿。但在本項目中，因盾構(gòu)區(qū)間坡度較大，采用渣土車運輸效率較低，所以采用了連續(xù)皮帶機出渣，不再需要渣土車出渣。

機車進(jìn)入隧道時將1 節(jié)重載砂漿車、4 節(jié)重載管片車1 次運輸至工作面。盾構(gòu)機掘進(jìn)作業(yè)時，連續(xù)皮帶機出渣、砂漿車轉(zhuǎn)運砂漿、管片車運輸管片可同時進(jìn)行，有利于提高時間利用率，一環(huán)掘進(jìn)完成后，機車牽引空載的砂漿車、管片車出洞。

4.2 列車編組

1 輛內(nèi)燃機車+1 節(jié)砂漿車+4 節(jié)管片車

4.3 機車選型計算

4.3.1 工況分析

1）4 節(jié)管片車（自重2.5 t/節(jié)）重約10 t。

2）一環(huán)管片自重：

式中，φ1為管片內(nèi)徑，4.5 m；φ2為管片外徑，5.2 m；L為管片寬度，1.2 m；ρ1為鋼筋混凝土管片密度，2.4 t/m3。

3）1 節(jié)砂漿車質(zhì)量G3約為5 t。

4）單節(jié)車砂漿容量為6.05 m3/節(jié)，砂漿密度取2.2 t/m3，滿車砂漿質(zhì)量G4為13.31 t。

5）機車牽引進(jìn)入隧道時，運送管片和砂漿至工作面，此時牽引負(fù)荷（質(zhì)量）為：

6）機車牽引退出隧道時，管片車、砂漿車空載，此時牽引負(fù)荷（質(zhì)量）為：

故機車最大牽引噸位出現(xiàn)在管片、砂漿的運輸過程中為43.66 t。

在盾構(gòu)施工中要求內(nèi)燃機車編組在坡道線路停車、啟動，牽引噸位主要按啟動地段坡度計算。在幾個盾構(gòu)區(qū)間中，最大坡度為5%，機車所需要牽引的最大質(zhì)量為43.66 t，機車的平均牽引速度為5 km/h。

4.3.2 機車系列選擇

NRO 系列內(nèi)燃機車作為普通機車的一種，以其低排放、低污染、結(jié)構(gòu)緊促、操作方便、綜合成本低的優(yōu)勢在軌道運輸中得到廣泛應(yīng)用。因此，本項目盾構(gòu)牽引車選用NRQ 系列內(nèi)燃機車。

結(jié)合本項目運輸工況、內(nèi)燃機車性能、盾構(gòu)掘進(jìn)實際運輸需求以及洞內(nèi)水平運輸安全性要求，對內(nèi)燃機車洞內(nèi)水平運輸速度進(jìn)行如下規(guī)定：

1）支洞段（坡度為5%）運輸速度不超過7 km/h；

2）主洞段（坡度為1/5 000），重載下坡速度不超過10 km/h；

3）物資卸載完畢空載返回運輸速度不超過15 km/h。

NRQ 系列內(nèi)燃機車技術(shù)參數(shù)表如表3 所示。

表3 NRQ 系列機車參數(shù)

4.3.3 機車型號確定

1）內(nèi)燃機車的啟動單位基本阻力計算

根據(jù)TB/T 1407.1—2018《列車牽引計算 第1 部分：機車牽引式列車》中3.4.1 可得：內(nèi)燃機車的單位啟動基本阻力為5 N/kN。

2）滾動軸承貨車的單位啟動基本阻力計算

根據(jù)TB/T 1407.1—2018《列車牽引計算 第1 部分：機車牽引式列車》中3.4.1 可得：滾動軸承貨車單位啟動基本阻力為3.5 N/kN。

3）黏著系數(shù)計算

根據(jù)TB/T 1407.1—2018《列車牽引計算 第1 部分：機車牽引式列車》中公式（60），國產(chǎn)各型電力傳動內(nèi)燃機車的計算黏著系數(shù)μj為：

式中，v為機車平均牽引速度，5 km/h。

4）黏著牽引力計算

根據(jù)TB/T 1407.1—2018《列車牽引計算 第1 部分：機車牽引式列車》中公式（59），黏著牽引力Fμ按式（6）計算：

式中，Pμ為機車黏重質(zhì)量；g為重力加速度。

根據(jù)公式（6）可計算得常用內(nèi)燃機車黏著牽引力，見表4。

表4 內(nèi)燃機車黏著牽引力

本項目行駛的坡度為50‰，根據(jù)TB/T 1407.1—2018《列車牽引計算 第1 部分：機車牽引式列車》中公式（64）可得：列車在限制坡道上以機車計算速度等速運行時按式（7）計算：

式中，F(xiàn)j為計算牽引力；λy為機車牽引力使用系數(shù)；ix為限制坡度。

其中，F(xiàn)j=Fμ，λy取0.9，ix=50，將上述數(shù)值代入公式中得：

1）25 t 機車在5%的坡道啟動牽引噸位為92.1 t；

2）30 t 機車在5%的坡道啟動牽引噸位為112.18 t；

3）35 t 機車在5%的坡道啟動牽引噸位為128.87 t。

通過上述計算可知，黏重質(zhì)量25 t 內(nèi)燃機車在5%坡道上的啟動牽引噸位已經(jīng)大于本項目盾構(gòu)施工所需的最大牽引噸位，可以滿足運用要求。為了進(jìn)一步保證物料運輸?shù)陌踩?，本項目選擇黏重質(zhì)量30 t 的內(nèi)燃機車。圖1 為NRQ30型內(nèi)燃機車。

圖1 NRQ30 型內(nèi)燃機車

5 結(jié)語

內(nèi)燃機車提供運輸列車編組的牽引動力，選用是否得當(dāng)直接關(guān)系到隧道內(nèi)運輸能否正常運行。在盾構(gòu)施工內(nèi)燃機車選型時，根據(jù)線路條件、掘進(jìn)參數(shù)，既要滿足運輸載荷要求又要兼顧作業(yè)效率，選擇合理的編組和機車。

在本項目中，采用了連續(xù)皮帶機出渣的方式進(jìn)行出渣，出渣方便，效率高，不再需要使用渣土車出渣，在很大程度上減少了內(nèi)燃機車在盾構(gòu)施工中所需牽引的噸位。機車編組為1輛內(nèi)燃機車+1 節(jié)砂漿車+4 節(jié)管片車，在不需要運輸渣土的情況下，選用了黏重質(zhì)量為30 t 的內(nèi)燃機車，經(jīng)過理論計算可得，其在5%坡道上的啟動牽引噸位完全可以滿足運用要求，并且具有很高的安全性。