矩形盾構施工渣土在隧道內運輸的研究

滕延鋒 李冀清

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

1 研究背景

施工渣土隧道內運輸是指渣土從掘進機前方土倉內通過一系列的機械設備被運輸至隧道外部的過程。在圓形盾構中，在殼體的內部和后部臺車之間安裝有固定式皮帶機，其進土口位于螺旋輸送機出土口的正下方，固定式皮帶機的出土口位于臺車上方。當需要出土時，施工渣土首先進入螺旋輸送機，再通過固定式皮帶機運輸至臺車上方，最后通過渣土車將施工渣土運輸至隧道外部，完成施工渣土的隧道內運輸作業（圖1）[1-2]。

圖1 圓形盾構施工時的渣土運輸系統

在矩形頂管施工過程中，由于不需要進行襯砌的拼裝工作，故其內部無管片拼裝區域，施工渣土通過螺旋輸送機排至渣土泵的渣土倉內，然后通過固體泵將渣土經排土管送至隧道外部（圖2）[3-4]。當隧道的長度較短時，也可以通過渣土車直接進行運輸。

在矩形盾構中，盾尾殼體內部有螺旋輸送機、中心橫梁、管片拼裝機和喂片機（圖3）。施工時，拼裝機工作區域分布在中心橫梁的兩側，而喂片機的工作區域則占據了中心橫梁后方的全部空間[5-6]。在上述條件下，為了保證管片拼裝作業的正常進行，無法在矩形盾構內部安裝類似于圓形盾構機的固定式皮帶機。

圖2 矩形頂管施工時的渣土運輸系統（俯視）

圖3 矩形盾構后方施工布置

同時，施工渣土是一種接近于固態的土體，如果采用矩形頂管的泵送渣土方法，則固態渣土在泵送過程中沿程壓力損失較大，無法實現長距離輸送。如果將渣土車直接放置在螺旋輸送機的下方進行渣土輸送，則一方面由于中心橫梁限制，渣土車的高度很??；另一方面，螺旋輸送機的下方僅可放一節渣土車。上述出土方法導致每次出土量很少，對施工的效率影響很大。綜上所述，矩形盾構由于自身的特點，無法直接采用現有的施工渣土運輸方式，必須提出適合矩形盾構施工的新型渣土運輸方式。

2 新型渣土運輸系統的構成

皮帶機運輸方式具有運輸量大、工作可靠、設備簡單的優勢，在施工渣土運輸中得到了廣泛的應用。矩形盾構由于后方空間用作管片拼裝區域，故無法直接采用固定式皮帶機。

但矩形盾構的渣土運輸和管片拼裝是分時進行的，即進行渣土運輸時不進行管片拼裝，因此，考慮使用移動式皮帶機，在拼裝時移走皮帶機即可解決上述問題?；谏鲜龇治?，本文提出了一種適應于矩形盾構施工的新型渣土運輸系統（圖4）。

圖4 新型渣土運輸系統組成

新型渣土運輸系統與圓形盾構的渣土運輸系統類似，主要由螺旋輸送機、皮帶機和渣土車組成。所不同的是，矩形盾構渣土運輸系統的皮帶機由2級皮帶機組成，并且第2級皮帶機為可移動式皮帶機。第1級皮帶機固定于中心橫梁下方，主要負責將渣土從螺旋輸送機運輸至中心橫梁下方。第2級皮帶機分作2段，中間使用鉸節點進行連接，負責將渣土從第1級皮帶機運輸至渣土車。第2級皮帶機位于臺車上方，其兩側設置鋼輪，可以在臺車上方沿著隧道軸線方向前后運動，其前端不僅可以完全位于第1級皮帶機出土口下方，還可以完全位于臺車上方，不與管片拼裝作業發生干涉。渣土車位于第2級皮帶機的下方，負責將渣土從第2級皮帶機運輸至隧道外部。

3 新型渣土運輸系統的工作模式

新型運輸系統采用2種工作模式，分別是運輸模式和待機模式。

運輸模式工作在盾構機推進狀態。當盾構機推進時，盾構機后方不進行管片拼裝作業，通過喂片機上的牽引裝置將第2級皮帶機從臺車上方向盾構前進方向拉出〔圖5（a）〕。當第2級皮帶機的前端接近第1級皮帶機的后端時，喂片機停止前進，使用喂片機上的提升裝置將第2級皮帶機的前端下放至隧道內部的地面上〔圖5（b）〕。喂片機帶動第2級皮帶機繼續向前運動，當第2級皮帶機的入土口在第1級皮帶機的出土口下方時，全部動作完成〔圖5（c）〕。

圖5 移動式皮帶機工作過程

經過圖5所示的動作過程，第2級皮帶機從完全位于臺車上方的初始狀態移動至第1級皮帶機的下方，形成了完整的渣土運輸路線，即渣土依次通過螺旋輸送機、第1級皮帶機、第2級皮帶機和渣土車，最終由渣土車運至隧道外部，完成隧道內渣土運輸作業。

當盾構完成推進作業，準備進行拼裝作業時，此時第2級皮帶機進入待機模式，即從圖5（c）所示的狀態，經過喂片機向后方牽引和提升，最終第2級皮帶機完全位于臺車上方，即處于圖5（a）所示的狀態。

新型渣土運輸系統在盾構拼裝狀態時，第2級皮帶機完全位于臺車上方，對拼裝作業無影響；在盾構推進時，第2級皮帶機從臺車上方拉出，與其他部件組成完整的渣土運輸系統。該新型系統不僅克服了矩形盾構施工空間狹小的難題，還利用了皮帶機運輸量大、結構簡單的優勢。

4 新型渣土運輸系統的應用

某工程中的矩形隧道采用盾構法施工，隧道內部凈空間尺寸寬8 650mm、高3 850mm。隧道內渣土運輸系統由螺旋運輸機、固定式皮帶機、移動式皮帶機和渣土車組成（圖6）。渣土首先從螺旋輸送機運送到第1級皮帶機〔圖6（a）〕；然后由第2級皮帶機運送至渣土車〔圖6（b）〕；最后由渣土車運送至矩形隧道外部〔圖6（c）〕。進行盾構拼裝時，第2級皮帶機處于待機模式〔圖6（d）〕。經實踐，新型渣土運送系統工作情況良好，符合預期設計目標。

圖6 新型渣土運輸系統工地應用

盾構每推進一環產生的渣土量為120 m3，當使用小渣土車直接從螺旋輸送機運土時，由于小渣土車容量小且每次只能運輸1節，盾構每推進一環需要進行20次渣土運輸作業，每環推進時間長達4 h，施工效率非常低。而采用新型渣土運輸系統時，每次使用2節容量為10 m3的渣土車，每環推進時間可縮減為1.5 h，極大地提升了施工效率。

5 結語

本文通過分析矩形盾構施工的特點，研制了適合矩形盾構施工的新型隧道內渣土運輸系統。新運輸系統使用可移動式皮帶機，在推進時從臺車上方拉出，在其他狀態下則仍放回至臺車上方。新的渣土運輸系統不僅可以解決皮帶機與管片拼裝時相互干涉的問題，同時可以高效地實現盾構推進作業，克服了因作業空間狹小對隧道內渣土運輸造成的不便。