土壓平衡盾構機渣土運輸系統設計

張小熊　游志誠（.中交佛山城市軌道交通號線一期工程EPC項目總經理部，廣東　佛山　58000；.中交二航局技術中心，湖北　武漢　430074）

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土壓平衡盾構機渣土運輸系統設計

張小熊1游志誠2
（1.中交佛山城市軌道交通2號線一期工程EPC項目總經理部，廣東佛山528000；2.中交二航局技術中心，湖北武漢430074）

摘要：以某地鐵線土壓平衡盾構區間的渣土出運設計為例，介紹了土壓平衡盾構的渣土運輸系統，從渣土車選擇、電瓶車運輸能力選擇等方面，闡述了電瓶車編組的方式，通過對其運輸系統工效的分析，指出該工程采用的渣土運輸設計方案，提高了盾構掘進速度，縮短了施工工期。

關鍵詞：城市軌道，土壓盾構，運輸系統，渣土，電瓶車

0　引言

城市軌道交通已成為當今世界城市交通快速發展的主要動力，隨著隧道非開挖技術的日益成熟，盾構法隧道施工帶來的技術革新和技術效益正在凸顯［1，2］。在該工法中，盾構機因為價值大、技術復雜等特點在選型時往往受到高度重視，而后配套設備由于金額相對較低、機型雜、數量多等特點往往不被人重視［3］；土壓平衡盾構施工的工效一直是工程師關注的重點，盾構機的掘進效率不但由盾構機自身的掘進速度控制，很大程度上受到其后配套運輸系統運輸工效的制約［4，5］。

由于土壓盾構較泥水平衡盾構的諸多優點，盾構工法通常作為首選，土壓平衡盾構不但造價較低，同時掘進速度較快，場地需求也較小。

但是，后配套運輸系統和盾構掘進能力必須相匹配才能保證隧道掘進的速度。據此，根據施工規范、設計文件以及隧道區間地層情況，以運輸體系能夠科學高效的配合盾構掘進為原則，下文給出了復合式土壓平衡盾構的運輸方案配置設計。

1　工程概況

某市城市軌道交通2號線的A站～B站區間沿大道向北地下敷設，全長775 m，為復合式土壓平衡盾構機施工，隧道為圓形斷面，主要在粘土地層掘進。圖1為A站盾構施工階段的場地布置圖。

圖1　A站盾構施工階段場地布置圖

2　城市軌道運輸系統

國內土壓平衡盾構的渣土運輸系統主要是有軌運輸方式，有軌運輸由水平運輸和垂直運輸組成。

垂直運輸體系分為渣土出運和管片吊裝兩種，組成垂直提升的運渣倒渣系統以及管片、材料垂直下放系統。

水平運輸體系主要是電瓶車牽引車和電瓶車編組，電瓶車編組包括渣土車、管片運輸車和砂漿車。

軌道運輸的軌線有四軌三線制軌線、單線制軌線、復合式軌線（單線制軌線加會車浮放軌）等三種方式可供選擇。

1）四軌三線制。四軌三線制主要是左右兩線的運輸互不干涉，運輸過程保證連續，且不受隧道長度的制約，在隧道長度上適應范圍廣。但是四軌三線制的缺點主要是鋼軌和軌枕材料需要量大，且在較長隧道運輸時主要還是為單線制軌線運輸，目前國內的盾構隧道施工，渣土運輸方式還未見諸報道使用實例。

2）單線制軌線。單線制軌道由兩條軌道組成，占用隧道空間少，不受臺車大小限制，運輸過程中不受干涉，需要的軌道材料最少。但是在渣土出運過程中，盾構機很大一部分時間只能在停滯狀態，不能進行掘進，需等待電瓶車完成一個運輸循環才可進行下一次掘進，工效較低。

3）復合式軌線制。復合式軌線是結合了單線制軌線和四軌三線制軌線的優點，采用浮軌進行兩種軌線之間的對接，不僅能滿足施工工效，而且軌道材料需求也較少（見表1）。故本次盾構施工過程中擬選用該運輸方式。

表1　三種運輸方式優缺點

3　電瓶車編組

土壓平衡盾構電瓶車編組需要渣土車、管片車和砂漿車。根據復合式軌線制運輸方式，一列電瓶車編組需完成一環管片的掘進，渣土運輸，管片運輸以及砂漿運輸。

3.1渣土車選擇

不同地層的松方系數有所差別，一般松方系數取1.5進行計算，通常每立方米土方容重1.8 t～2 t，根據此區間地層和地下水特性，取1.9 t/m3。A站～B站區間土壓平衡盾構機開挖直徑為6.28 m，管片外徑為6 m，內徑為5.4 m，管片寬L =1.5 m。

1）每環渣土實方數約為：

V =πr2L =3.14×（6.28/2）2×1.5 =46.5 m3。

2）每環渣土重量為（渣土比重ρ=1.9 t/m3）：

G1=ρV =46.5×1.9 =88.35 t。

3）每環最大立方數約為（渣土的松散系數Ks=1.5）：

V' = VKs=46.5×1.5 =69.8 m3。

4）每環掘進需要渣土車數量：

N = V'/18 =3.88。

故選擇4輛18 m3渣土車，可滿足渣土出運需求。

3.2砂漿車和管片運輸車選擇

1）管片為C50混凝土澆筑，比重：

管片的含鋼量為ρ2=180 kg/m3，一環管片重量為：G4=（ρ1+ ρ2）·V4·L1=20.8 t。

故需采用20 t管片運輸車2臺。

2）掘進一環管片需要砂漿方量為（通常注漿填充系數k's取1.4進行計算）。

故取1臺6 m3的砂漿車。電瓶車編組選擇見表2。表3為單環管片掘進運輸參數。

表2　單臺電瓶車編組

表3　單環管片掘進運輸參數

3.3電瓶車運輸能力選擇

電瓶車運輸能力需要考慮電瓶車編組進入隧道和駛出隧道兩種情況下的負載情況，取最大負載。

1）渣土重約：G1=88.35 t。

2）4輛渣土車（自重4 t/輛）重量約：

G2=4×4 =16 t。

3）2輛管片車（自重2.5 t/輛）重量約：

G3=2.5×2 =5 t。

4）1輛砂漿車（自重5 t/輛）重量約：G5=5 t。

5）砂漿比重取2.2 t/m3，故砂漿載滿重量為：

G6=2.2×6 =13.2 t。

6）機車牽引退出隧道時，渣土車滿載，管片車、砂漿車空載。牽引負荷為：

G = G1+ G2+ G3+ G5=114.35 t。

7）機車牽引進入隧道時，運送管片和砂漿至工作面，此時渣土車為空載。牽引負荷為：

G' = G2+ G3+ G4+ G5+ G6=60 t。

故機車最大牽引重量出現在出渣運輸過程中為：G =114.35 t。

通常施工過程中土壓盾構掘進選用25 t和45 t電瓶機車作為運輸系統中的牽引車，選用25 t和45 t機車做對比計算分析，主要參數見表4。

表4　兩種電瓶車參數對比

w'q為機車單位啟動阻力計算單位啟動力，根據《列車牽引計算規程》取5 N/kN；w″q為貨運車輛的啟動基本阻力。

25t電瓶車啟動牽引噸位計算：

45t電瓶車啟動牽引噸位計算：

綜上25 t電瓶車可以滿足要求。

后配套運輸系統采取4 + 2 + 1形式可以滿足一環管片的掘進，即4臺18 m3的渣土車，2臺管片車，1臺砂漿車。

4　門吊選擇

土壓盾構垂直運輸系統通常由兩臺龍門吊組成，一臺運輸管片，一臺運輸渣土。

1）管片運輸門吊。經計算一環管片重G4= 20.8 t，一節管片運輸車最大疊放三塊管片，故此一環管片分兩次吊裝。故此16 t門吊可以滿足吊裝需求。

2）渣土運輸門吊。渣土出運時，渣土車和渣土一同起吊，重量為：

G7=（G1+ G2）/4 =26.1 t。

故選45 t門吊可以滿足渣土垂直運輸要求。

5　工效分析

整個運輸系統工效需綜合考慮水平運輸和垂直運輸工效，以及是否與盾構機掘進能力相匹配。以下運輸系統均是基于復合式軌線制運輸方式進行。1）水平運輸。羅賓斯盾構機掘進速度通常為5 cm/min，一環掘進時間為30 min。通常電瓶車行走速度平均為8.8 km/h。2）垂直運輸。45 t門吊每次卸渣循環時間為：小車平均行走行程10 m，大車平均行走10 m，提升及下降平均速度8 m/min，小車行走平均速度12 m/min，大車平均行走速度為20 m/min。門吊卸渣每個循環時間大約為12 min，故每天理論能進行120次循環（24 h）。渣土車共4節，單環管片出渣時間理論為48 min，加上管片吊裝及砂漿注入時間為1 h左右，見表5。由表5可知，單環管片掘進的理論循環時間為1 h 50 min，將設備故障，坡度等其他因素考慮在內，2 h可以進行一次循環。一個月按30 d工作考慮，盾構最多可以掘進360環，遠超設計180環/月的掘進速度，可以縮短工期。

表5　盾構掘進及運輸系統循環時間表

6　結語

A站～B站盾構區間，土壓平衡盾構后配套系統可配備45 t門吊一臺，16 t門吊一臺，25 t電瓶車組2臺，電瓶車編組選取4節渣土車，2節管片車和1節砂漿車可滿足每月最大360環的掘進速度。可為同類土壓盾構施工后配套系統提供借鑒。

參考文獻：

［1］王吉華.土壓平衡盾構始發掘進施工技術［J］.山西建筑，2009，35（9）：335-336.

［2］盧曉慧.盾構到達接收施工技術［J］.山西建筑，2010，36 （12）：314-316.

［3］王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術［M］.北京：人民交通出版社，2010.

［4］沈林沖，張金榮，秦建設，等.杭州地鐵1號線盾構選型探討［J］.鐵道建筑，2011（7）：71-74.

［5］杜亞娥.盾構后配套設備選用原則的考慮［J］.建設機械技術與管理，2009（2）：106-108.

Design of refused-soil transportation system of EPB shielding machine

Zhang Xiaoxiong1You Zhicheng2
（1.China Communication Foshan City Rail Transit Line No.2 Period 1st Engineering EPC Project Headquarter，Foshan 528000，China；
2.CCCC Second Harbor Engineering Co.，Ltd，National Enterprise Technology Center，Wuhan 430074，China）

Abstract：Taking the refused-soil transportation design the EPB shielding region of the subway line as an example，the paper introduces the refused-soil transportation system of EPB shielding system.Starting from aspects of refused-soil machine selection and battery truck transportation capacity selection，it describes battery truck organizing methods.Through systematically analyzing its transportation system efficiency，it points out that：it improves shielding digging speed and shortens construction duration through applying refused-soil transportation design scheme.

Key words：urban rail transit，Earth Pressure Balanced（EPB）shielding method，transportation system，refused-soil，battery truck

中圖分類號：U455.43

文獻標識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）06-0162-03

收稿日期：2015-12-18

作者簡介：張小熊（1981-），男，高級工程師；游志誠（1990-），男，碩士