楊武林，陳 波

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰，611830)

盾構(gòu)法施工技術(shù)常應(yīng)用于城市道路建設(shè)中的隧道開挖，因其施工安全、高效、節(jié)能且對周邊自然環(huán)境影響較小等特點得到了越來越廣泛的應(yīng)用與推廣。在實際施工過程中，具體的施工各環(huán)節(jié)均有比較完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，對遇見的不良條件與問題的應(yīng)急預(yù)案也比較完善，如何提高盾構(gòu)施工效率是施工技術(shù)人員思考的重點，盾構(gòu)施工編組列車的配置和軌線布置形式成為盾構(gòu)施工有序且高效進(jìn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。現(xiàn)場施工技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)隧道線路實際條件、隧道參數(shù)、運輸距離、盾構(gòu)機(jī)工作需求、相關(guān)原則等多方面進(jìn)行分析判斷，選擇地鐵盾構(gòu)施工編組列車的配置和軌線布置形式，保證盾構(gòu)施工順利進(jìn)行，避免因編組列車運輸系統(tǒng)影響隧道掘進(jìn)施工。本文結(jié)合多年的盾構(gòu)施工技術(shù)經(jīng)驗，以及國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，對地鐵盾構(gòu)施工編組列車的配置和軌線布置形式進(jìn)行分析，選擇最為符合施工標(biāo)準(zhǔn)的方式，希望可以為相關(guān)工作者在施工過程中提供參考和幫助。

1 地鐵盾構(gòu)施工編組列車運輸系統(tǒng)組成

目前，國內(nèi)地鐵盾構(gòu)法施工編組列車運輸系統(tǒng)均采用有軌運輸方式，該運輸系統(tǒng)主要由牽引機(jī)車、渣土運輸車、砂漿運輸車、管片運輸車組成運輸系統(tǒng)的編組列車。編組列車的配置順序為管片運輸車在最前方，其次是砂漿運輸車，再次是渣土運輸車，最后是牽引機(jī)車，列車進(jìn)入盾構(gòu)機(jī)后配套系統(tǒng)時，剛好使管片運輸車位于管片吊機(jī)下方，砂漿運輸車剛好位于盾構(gòu)機(jī)同步注漿罐附近。編組列車進(jìn)入隧道時牽引車推著列車前進(jìn)至盾構(gòu)機(jī)后配套，駛出時拉著列車至隧道外裝卸料區(qū)，牽引機(jī)車與材料車之間的連接方式為熱處理鋼銷和鋼板軟連接，保障了機(jī)車沿隧道軸線牢固靈活地完成運輸工作[1]。

在地鐵隧道掘進(jìn)施工中，編組列車負(fù)責(zé)洞內(nèi)施工材料的運進(jìn)以及開挖渣土的運出。編組列車進(jìn)入隧道時，管片運輸車、砂漿運輸車為重車，將管片、砂漿和其他材料運進(jìn)，渣土車為輕車；駛出隧道時渣土車為重車，管片運輸車、砂漿運輸車為輕車，從而完成地鐵盾構(gòu)施工材料轉(zhuǎn)運工作。

2 工況設(shè)定

某地鐵項目為兩站一區(qū)間，盾構(gòu)區(qū)間雙線隧道總長4000m，左線長2000m，右線長2000m，最小縱坡坡度為12‰，最大縱坡坡度為27.636‰。盾構(gòu)機(jī)采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)開挖直徑為8640mm。每環(huán)管片采用7塊(4+2+1)方案，由1塊封頂塊管片、4塊標(biāo)準(zhǔn)塊管片與2塊鄰接塊管片組成，鋼筋混凝土管片外徑8300mm，管片厚度400mm，管片幅寬1800mm。使用1.8m幅寬的管片，出土方量計算：π×R2×L=π×(8.64÷2)2×1.8=105.53m3/環(huán)，實際出渣量考慮1.63的松散系數(shù)(根據(jù)日常掘進(jìn)出渣情況擬定)，故出土量均為172m3/環(huán)以內(nèi)。

3 地鐵盾構(gòu)施工編組列車的配置

3.1 牽引機(jī)車的選擇

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)水平運輸設(shè)備采用電瓶機(jī)車作為牽引車，原則上配備材料渣土運輸車為5節(jié)渣土車(22m3/節(jié))、1節(jié)漿液車(8m3/節(jié))以及2節(jié)管片車。根據(jù)工況設(shè)定條件計算盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)出土方量為172m3/環(huán)，5節(jié)渣土車(22m3/節(jié))無法完成掘進(jìn)一環(huán)渣土量的運輸，因此，采用一環(huán)兩列編組配置，即掘進(jìn)約半環(huán)，換車一次，以下為機(jī)車編組荷載配置情況[2]。

(1)電瓶機(jī)車編組1進(jìn)洞需要牽引的最大重量為5節(jié)渣土車(空)、1節(jié)砂漿車(滿載)以及2節(jié)管片車(滿載)。

(2)電瓶機(jī)車編組2進(jìn)洞需要牽引的最大重量為5節(jié)渣土車(空)、1節(jié)砂漿車(滿載)以及2節(jié)管片車(滿載)。

(3)電瓶機(jī)車出洞需要牽引的最大重量為5節(jié)渣土車(滿載)、1節(jié)漿液車(空)以及2節(jié)管片車(空)。

現(xiàn)計算電瓶機(jī)車需要牽引重量：

G進(jìn)1=5×G渣車+G漿車+G漿+2×G管車+4×G管標(biāo)

G進(jìn)2=5×G渣車+G漿車+G漿+2×G管車+2×G管標(biāo)+G管K

G出=5×G渣車+5×G渣+G漿車+2×G管車

式中：G渣車為渣車和渣斗總重，為10.6t；G漿車為砂漿車重量，為7.2t；G漿為砂漿車最大裝砂漿重量，為8m3×2t/m3=16t；G管車為管片車自重，為3t；G管標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)塊或臨近塊管片的重量，為7.5t；G管k為封頂塊管片的重量，為2.5t；G渣為每斗渣土重量，為22m3×2t/m3=44t。

經(jīng)計算：G進(jìn)1=112.2t；G進(jìn)2=99.7t；G出=286.2t。

故機(jī)車最大牽引力需滿足牽引重量286.2t運輸。由于同一臺電瓶機(jī)車的起動粘著牽引重量都要小于運行牽引重量，因此，只計算重載上坡條件下電瓶機(jī)車的起動粘著牽引重量。

電瓶機(jī)車起動粘著牽引重量：機(jī)車粘著牽引力≥坡道阻力+列車綜合運行阻力+加速慣性力。即：G機(jī)×μ粘≥(G機(jī)+G編)×(μ軌+μ坡+a/g)

故G機(jī)≥G編×(μ軌+μ坡+a/g)/[μ粘-(μ軌+μ坡+a/g)]

式中：G機(jī)為機(jī)車重量；G編為機(jī)車最大牽引重量，為286.2t；μ軌為軌線坡度，此區(qū)間最大為27.636‰；μ坡為隧道坡道綜合阻力系數(shù)，為0.008；μ粘為機(jī)車粘著系數(shù)，為0.26；a為編組加速度，取0.05m/s2；g為重力加速度，9.8m/s2。

經(jīng)計算G機(jī)≥53.17t。因此，在27.636‰坡度下，所有渣斗全部裝滿渣土后，至少需要53.17t機(jī)車滿足牽引，考慮適當(dāng)冗余，選單臺55t電瓶機(jī)車合理，滿足要求[3]。

3.2 編組列車的配置

牽引車是盾構(gòu)施工運輸列車編組的牽引動力，牽引車的選擇直接關(guān)系到隧道內(nèi)運輸是否滿足施工的順利進(jìn)行，根據(jù)上述計算結(jié)論選擇55t電瓶機(jī)車，滿足要求。單列編組列車配置為：1節(jié)電瓶機(jī)車(55t)、5節(jié)渣土車(22m3/節(jié))、1節(jié)漿液車(8m3/節(jié))以及2節(jié)管片車。

4 軌線布置結(jié)構(gòu)形式分析

4.1 掘進(jìn)工序分析

本區(qū)間根據(jù)實際施工統(tǒng)計數(shù)據(jù)：盾構(gòu)掘進(jìn)時間每循環(huán)平均掘進(jìn)時間約為60min；管片安裝每環(huán)管片平均安裝時間為50min(熟練時)；卸砂漿、下管片及材料時間為8min。

一個循環(huán)時間為：掘進(jìn)半環(huán)(min)+車出(min)+車進(jìn)(min)+掘進(jìn)剩下半環(huán)(min)+管片拼裝(min)，該時間為盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)完成1環(huán)的所有工序總用時時間，其中掘進(jìn)完下半環(huán)編組出洞和下一環(huán)上半環(huán)編組進(jìn)洞的時間與管片拼裝時間重合。列車按照平均行車速度5km/h、隧道最長2km，計算列車進(jìn)出分別為24min。

綜上所述，掘進(jìn)完成一環(huán)的時間為158min。其中，掘進(jìn)完上半環(huán)編組出洞和下半環(huán)編組列車進(jìn)洞這段時間為停機(jī)等待時間，在該工序過程中盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)一個循環(huán)停機(jī)等待時間為：出洞(min)+進(jìn)洞(min)，在盾構(gòu)區(qū)間最長距離2km時，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)一個循環(huán)停機(jī)等待時間為48min。為了提高隧道施工效率，避免盾構(gòu)機(jī)停機(jī)等待，需加強(qiáng)施工過程控制，對施工工藝和施工方法做修改調(diào)整，合理增加相應(yīng)技術(shù)措施，提高施工生產(chǎn)效率和實現(xiàn)成本控制。

4.2 道岔結(jié)構(gòu)形式

道岔具有數(shù)量多、構(gòu)造復(fù)雜、使用壽命短、限制列車速度、行車安全性低、養(yǎng)護(hù)維修投入大等特點，與曲線、接頭并稱為軌道的三大薄弱環(huán)節(jié)。它的基本形式有三種：線路的連接、交叉、連接與交叉的組合。而在地鐵隧道施工中道岔使用形式相對單一，主要道岔形式為單式對稱道岔(雙開道岔)、左開道岔和右開道岔，道岔又分為普通道岔和浮放道岔。根據(jù)施工工藝要求與實際施工需要選擇適合的道岔形式[4]。

4.3 軌線布置結(jié)構(gòu)形式分析

軌線布置形式有單線制軌線布置、四軌三線制軌線布置和復(fù)合式軌線布置。

4.3.1 單線制軌線布置

由一條主軌道延伸至盾構(gòu)機(jī)后配套，隧道區(qū)間內(nèi)沒有會車區(qū)，而在隧道口布置一副雙開道岔供洞外調(diào)車使用，編組列車運輸時只能一列編組完成一個工序循環(huán)后，另一列編組才能進(jìn)洞進(jìn)行下一個工序循環(huán)，兩列編組不能同時駛?cè)攵磧?nèi)，這樣的軌線形式為單線制軌線布置。單線制軌線布置優(yōu)缺點如下：

(1)優(yōu)點：軌道需要量少，施工投入成本低，編組列車運行管理較簡單。

(2)缺點：只適用于短區(qū)間隧道施工，否則編組列車運輸脫節(jié)會使盾構(gòu)機(jī)停機(jī)等待；不利于應(yīng)付突發(fā)故障和事件；工序的適應(yīng)性差，當(dāng)工序脫節(jié)時難以臨時調(diào)車彌補(bǔ)。

4.3.2 四軌三線制軌線布置

由兩條軌道延伸至盾構(gòu)機(jī)后配套，在盾構(gòu)機(jī)后配套后設(shè)一副浮放道岔，可以由盾構(gòu)機(jī)或電機(jī)車拖移。通過浮放道岔編組列車可以由側(cè)面兩根軌道進(jìn)入盾構(gòu)機(jī)后配套內(nèi)。一列編組列車裝渣時，第二列編組列車在輕車道上等待；一列編組列車裝渣完成后行駛至重車車道上，第二列編組列車可以及時駛?cè)牒笈涮變?nèi)完成下一個循環(huán)的裝渣。四軌三線制軌線布置優(yōu)缺點如下：

(1)優(yōu)點：左右兩線的運輸互不干涉，運輸可以連續(xù)進(jìn)行，區(qū)間長短都適用；對編組配置的靈活性較大；編組列車的運渣量與編組列車數(shù)量受運行因素的影響較?。痪幗M列車的調(diào)度較靈活，有利于應(yīng)付突發(fā)故障和事件；工序適應(yīng)性較強(qiáng)，當(dāng)工序變動或脫節(jié)時便于及時調(diào)車。

(2)缺點：軌道需求量增大將近一倍，施工投入成本高。

4.3.3 復(fù)合式軌線布置

由一條主運輸軌線延伸至盾構(gòu)機(jī)后配套，仍為單線制軌線的形式，在盾構(gòu)機(jī)后配套后設(shè)兩副浮放道岔組成會車區(qū)。當(dāng)隧道特長時在隧道中部可增設(shè)雙線會車區(qū)，可以是固定的，也可以是移動式的，運輸系統(tǒng)參數(shù)根據(jù)會車區(qū)間隔距離計算而確定，既節(jié)省軌道又滿足特長盾構(gòu)區(qū)間施工運輸?shù)男枰?。?dāng)隧道區(qū)間短時，復(fù)合式軌線相當(dāng)于四軌三線制軌線，利用盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時間，另一列空的編組列車可駛?cè)朐诤笈涮缀蟛繒噮^(qū)等待。

復(fù)合式軌線制兼有單線制軌線和四軌三線制軌線的優(yōu)點。

4.4 運輸軌線布置分析

根據(jù)上述盾構(gòu)掘進(jìn)工序與軌線布置結(jié)構(gòu)形式分析，隧道施工洞內(nèi)采用單線制軌線布置掘進(jìn)停機(jī)等待時間比較長，不利于項目進(jìn)度控制和成本控制。為了彌補(bǔ)盾構(gòu)掘進(jìn)停機(jī)等待時間，項目增加相應(yīng)的技術(shù)措施實現(xiàn)更優(yōu)異的成本控制和進(jìn)度控制，在軌線布置結(jié)構(gòu)形式分析中，了解了各形式軌線布置的優(yōu)點和缺點，從進(jìn)度控制最優(yōu)化和成本控制最低化來進(jìn)行選擇軌線布置結(jié)構(gòu)形式。若選擇四軌三線制軌線布置形式，左右兩線軌道的運輸互不干涉，運輸可以連續(xù)進(jìn)行，區(qū)間長短都適用，但是軌道需求量增大將近一倍，不利于項目的成本控制；選擇復(fù)合式軌線布置兼有單線制軌線和四軌三線制軌線的優(yōu)點，其主運輸軌線仍為單線制軌線。

根據(jù)上述分析，結(jié)合現(xiàn)場實際情況和工藝要求，本盾構(gòu)區(qū)間隧道采用一環(huán)兩列編組配置，選擇復(fù)合式軌線布置。首先在洞口位置布設(shè)一副普通雙開道岔，根據(jù)施工工序要求，在洞口安裝道岔需拆除負(fù)環(huán)管片后重新布設(shè)，原有軌線需要拆除再重新布設(shè)道岔，選擇普通雙開道岔可以提前將道岔組裝完成，安裝道岔時可以直接整體吊裝下井，固定道岔后進(jìn)行后續(xù)軌道的延伸，比現(xiàn)場組織道岔節(jié)省時間，從而保證隧道施工進(jìn)度。在施工過程中方便一列電瓶編組列車進(jìn)行水平運輸時，另一列車可以進(jìn)行裝卸車等垂直運輸，滿足洞外調(diào)車要求。在隧道掘進(jìn)較長距離時，再增加一列編組列車，在掘進(jìn)后期投入隧道掘進(jìn)施工，實現(xiàn)三列編組列車互調(diào)，減少后期盾構(gòu)機(jī)停機(jī)等待時間。區(qū)間隧道單線長為2km，在掘進(jìn)后期時，根據(jù)隧道施工實際情況，計算隧道內(nèi)最佳安裝錯車平臺組成會車區(qū)的位置，提高隧道施工效率，從而最大限度保證隧道施工進(jìn)度和成本控制。在選擇軌線布置形式和道岔時，必須保證調(diào)車靈活、快速、安全，有序、銜接緊密，便于應(yīng)對突發(fā)故障和事件，保證施工安全[5]。

根據(jù)盾構(gòu)機(jī)和牽引機(jī)車尺寸要求，以及運輸限制條件，隧道施工水平運輸軌道選用43kg/m軌道，其盾構(gòu)機(jī)后配套軌道軌距為2910mm，編組列車軌道軌距為970mm，編組列車軌道位于盾構(gòu)機(jī)后配套軌道中間。軌線布置時保證兩列電瓶機(jī)車運行安全、出土口與渣斗的安全距離，雙軌行區(qū)兩車道中心距至少為2140mm。為滿足盾構(gòu)施工高效順利地進(jìn)行，綜合考慮材料節(jié)省，牽引機(jī)車運輸軌枕布置分為洞外平坡段、爬坡段、道岔段、降坡段、正常段，分別用10#槽鋼、20#工字鋼、20#工字鋼、20#槽鋼、20#槽鋼作為軌枕基材。

5 結(jié)論

地鐵盾構(gòu)法施工中合理地選擇編組列車的配置和軌線布置形式是保證整體隧道施工順利有序進(jìn)行的重點?，F(xiàn)場施工管理人員應(yīng)結(jié)合施工工序流程與生產(chǎn)調(diào)度的具體情況，遵循隧道施工運輸系統(tǒng)安全、合理、經(jīng)濟(jì)的原則，重點安排好各工序的銜接與調(diào)度工作，提高隧道施工生產(chǎn)效率，嚴(yán)格按照施工規(guī)范進(jìn)行，最大限度地保證隧道施工安全、有序地開展。