地鐵區(qū)間隧道單護(hù)盾TBM施工運輸組織

魯 彬, 曹興隆

(中鐵開發(fā)投資有限公司, 重慶 404100)

在地鐵區(qū)間隧道單護(hù)盾TBM的施工中，施工運輸方案的設(shè)計需考慮出碴、管片運輸、水泥砂漿的運輸?shù)榷鄠€方面。因此，如何使單護(hù)盾TBM施工運輸方案實用性強并經(jīng)濟合理尚屬于難點。在長隧道單護(hù)盾TBM施工中，掘進(jìn)作業(yè)與襯砌作業(yè)相互干擾，不能同時施工，這一問題在小斷面隧道施工中更為突出。

根據(jù)工程經(jīng)驗，隨著TBM施工運輸距離的增加，隧道內(nèi)通風(fēng)與排水難度大，與無軌運輸相比，有軌運輸成本相對較低，運輸能力較強，出碴速度快，有利于施工的循環(huán)出碴，所以有軌運輸更多的應(yīng)用于長距離的的隧道施工運輸中。

1 有軌運輸?shù)某Ｓ迷O(shè)備

在單護(hù)盾TBM的隧道區(qū)間施工中，水平運輸需要考慮到管片的運輸、水泥砂漿的運輸、運碴這幾個方面，所以需要用到的運輸設(shè)備包括了電瓶牽引車、裝碴設(shè)備、運輸設(shè)備、軌道、電力設(shè)備五種設(shè)備。

(1)電瓶牽引車：作為水平運輸?shù)闹饕獱恳齽恿Α?/p>

(2)裝碴設(shè)備：運輸掘進(jìn)過程中開挖出來的掌子面圍巖碎屑在長距離隧道的施工中一般都采用礦斗車進(jìn)行裝碴。

(3)運輸設(shè)備：在單護(hù)盾TBM隧道的施工中需要用到水泥砂漿的運輸車、豆礫石的運輸車、鋼軌的運輸車和管片的運輸車。

(4)軌道：用于電瓶牽引車、裝碴設(shè)備與運輸設(shè)備前行的。

(5)電力設(shè)備：有軌運輸均采用機械作業(yè),所用設(shè)備均以電源為動力。

2 有軌運輸?shù)木幗M設(shè)置

單護(hù)盾TBM在掘進(jìn)施工時推進(jìn)油缸支撐在管片上，利用支撐反力進(jìn)行推進(jìn)，所以在掘進(jìn)施工時不能安裝管片，在掘進(jìn)距離大于一環(huán)管片縱向長度后停止掘進(jìn)并進(jìn)行管片安裝，管片安裝完成后推進(jìn)油缸支撐在新一環(huán)管片上繼續(xù)掘進(jìn)。

根據(jù)單護(hù)盾TBM的工作需求，在管片安裝開始時需要一列編組攜帶足夠的施工材料進(jìn)入后配套中，安裝完成后、開始掘進(jìn)時該列編組進(jìn)行裝碴，掘進(jìn)完成后該列編組駛出洞內(nèi)，下一列編組攜帶施工材料進(jìn)入后配套，此為單護(hù)盾TBM掘進(jìn)施工的一個常規(guī)循環(huán)。

可見一列編組需要包括電瓶牽引車、裝碴設(shè)備、運輸設(shè)備。

3 軌道布置方案選擇

在TBM施工中常用的軌道布置方案有單線制運輸方式、四軌三線制運輸方式。

3.1 單線制

軌距為900 mm及以上，在TBM后配套中, 2條外軌作為拖車的行走軌道,中間2軌作為運輸列車進(jìn)入后配套的行走軌道。當(dāng)隧道區(qū)間長度為1 000～2 000 m時,出碴運輸里程不長，又考慮到TBM掘進(jìn)循環(huán)時間與停止安裝管片時間幾乎相等(相當(dāng)于30～50 min),故采用單線運輸時,列車可在安裝管片期間完成倒車循環(huán),即重車駛出洞口,輕車從洞口駛?cè)牒笈涮變?nèi),等待下一環(huán)掘進(jìn)出碴。

3.2 四軌三線制

一般采用軌距762 mm的24 kg軌,TBM后配套尾部拖1條雙開道岔浮軌。在TBM后配套中, 2條外軌作為拖車的行走軌道,中間2軌作為列車進(jìn)入后配套的行走軌道,列車通過浮放軌分別從隧道左右2線進(jìn)入后配套的中間2軌,浮放軌以后為4軌組成的左右2線,每相鄰2軌的中線距均為813～820 mm。采用四軌三線運輸時,列車既可在安裝管片期間完成倒車循環(huán),也可以在盾構(gòu)機掘進(jìn)期間進(jìn)行倒車。

從表1的對比中可見在長距離運輸中，條件滿足的情況下優(yōu)先采用四軌三線制運輸。

當(dāng)隧道直徑較小，考慮到還需要設(shè)置人行通道、電纜、管道等輔助設(shè)施，采用四軌三線制布置的軌道較高，后配套建筑界限不滿足要求，且運輸車輛容易跳車，存在較大的安全隱患，在小斷面TBM洞內(nèi)建議采用單線制。

表1 運輸方式優(yōu)缺點比較

4 長距離單線制運輸組織設(shè)計

4.1 會車平臺設(shè)置

4.1.1 單線制軌道運輸錯車方案

可設(shè)置一定長度的鉆爆暗挖段作為會車平臺，通過在會車平臺設(shè)置道岔，由道岔引出一段支線，在會車時支線可提供一列駛?cè)氲碾娖寇嚲幗M停靠，待主線駛出隧道的運輸電瓶車編組通過后，駛?cè)氲碾娖寇嚲幗M從支線回到主線往掘進(jìn)方向繼續(xù)前進(jìn)。如圖1所示，在會車時，駛?cè)腚娖寇嚲幗M位于②位置，駛出電瓶車編組位于④位置，為了錯車成功，總體上分為三個步驟：首先，駛?cè)腚娖寇嚲幗M從②行走至③；接著，駛出電瓶車編組從④經(jīng)②行走至①；最后，駛?cè)腚娖寇嚲幗M從③經(jīng)②行走至④，錯車完成。

圖1 道岔錯車流程示意

4.1.2 會車平臺數(shù)量計算

假設(shè)電瓶車的平均速度為V，單護(hù)盾TBM隧道區(qū)間總長L，掘進(jìn)一環(huán)管片長度的時間為t1，安裝一環(huán)管片的時間為t2，根據(jù)調(diào)研可得知t1與t2是很相近的，可假定t1=t2=t。以保證單護(hù)盾TBM不停機等待裝碴礦斗車的前提下會車平臺與掌子面的最大距離L’和會車平臺數(shù)量n。

由于掌子面掘進(jìn)時需要電瓶車一直停靠在TBM后配套內(nèi)裝碴，掘進(jìn)完成后，準(zhǔn)備開始安裝管片時掌子面處的電瓶車才開始駛出掌子面，假設(shè)使用時間最少的情況是距離掌子面最近的一個會車點處已經(jīng)有一列編組等待。

圖2中T為電瓶車通過極限距離L′時所花費的時間。在經(jīng)過2Tmin后，第2組電瓶車要趕上TBM掘進(jìn)施工，因此第2組電瓶車需要在管片安裝期間到達(dá)單護(hù)盾TBM后配套的指定位置。

圖2 會車平臺與掌子面極限距離下的運輸過程

2T≤t

由以上兩式可得：

(1)

式(1)中：L′為會車平臺與掌子面的最大距離，m；V為電瓶車的平均速度，m/s；t為掘進(jìn)一環(huán)管片縱向長度的時間，s。

當(dāng)掌子面距離大于L′時，需設(shè)置新的一處會車平臺才能保證運輸不耽誤單護(hù)盾TBM的掘進(jìn)施工。

則會車平臺數(shù)量為：

當(dāng)2L≤Vt時n=0(n∈Z)

(2)

式(2)中：n為會車平臺數(shù)量；L為隧道區(qū)間總長，m；V為電瓶車的平均速度，m/s；t為掘進(jìn)一環(huán)管片縱向長度的時間，s。

4.2 運輸編組數(shù)量設(shè)置

運輸編組的數(shù)量與會車平臺的數(shù)量之間有一定的關(guān)系，編組數(shù)量不足時不能滿足單護(hù)盾TBM掘進(jìn)施工的要求，編組數(shù)量過多時會產(chǎn)生電瓶車過多的閑置，影響工程的經(jīng)濟效益，因此需要確定一個會車平臺數(shù)與所需最少編組數(shù)之間的關(guān)系式。在4.2節(jié)基礎(chǔ)上再假設(shè)L長的區(qū)間內(nèi)，共有n個會車平臺，每個會車平臺之間的距離取會車平臺極限距離L′=Vt/2，因此電瓶車運行通過兩個會車平臺之間的長度L′所花費的時間為t/2。根據(jù)工程經(jīng)驗，洞外裝車翻碴時間加上運輸過程中所需富余時間約等于t。

考慮最理想的極限運輸情況下的運輸流程，即最少編組數(shù)的情況，具體流程見圖3所示。

從圖3中可以看出，在時間為(n+3)t/2時各個運輸編組與其最初運行方向全部相反，在時間為(n+3)t時各個運輸編組回到時間為0時的運輸狀態(tài)，可見一個運輸過程循環(huán)的周期為(n+3)t。

按照圖3中的運輸調(diào)度方法，在理想情況下既不會耽誤單護(hù)盾TBM的掘進(jìn)施工，也不需要電瓶車在其中的會車平臺停車以等待錯車，因此可以得到運輸編組與會車平臺的關(guān)系式：

(3)

式(3)中：xmin為最少的運輸編組數(shù)量；n為會車平臺數(shù)量。

圖3 最少編組數(shù)情況下的運輸流程示意

5 施工應(yīng)用情況

在某軌道交通隧道單護(hù)盾TBM區(qū)間極限運距為4.63 km，電瓶車運行平均速度規(guī)定為5 km/h，根據(jù)隧道施工資料的統(tǒng)計，一個掘進(jìn)循環(huán)的平均速度為：TBM掘進(jìn)45 min、安裝管片45 min。則按照式(2)計算需要會車平臺數(shù)量為2，按照式(3)計算運輸編組最少為3，實際施工中采用這種運輸配置，滿足單護(hù)盾TBM的物料運輸要求。

6 結(jié)束語

針對單護(hù)盾TBM施工應(yīng)用于長距離的小斷面隧道施工的情況，采用單線制有軌運輸實用性和經(jīng)濟性較好。本文提出的基于上述情況的單護(hù)盾TBM后配套運輸方案設(shè)計方法，能有效保證資源合理分配，時間合理安排，對于提高施工效率、縮短工期有極大的幫助。在實際應(yīng)用中也取得良好的效果，可為同類施工工況的運輸組織設(shè)計提供參考。