新型膠輪機車運行方式在大坡度盾構隧道施工中的應用

劉堂

（中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司，北京 101100）

0 引言

有軌運輸和無軌運輸技術相對成熟，不同的運輸方式有其對應的適應環境，不同運輸設備的工程適應性存在差異。文獻[1]對比介紹了無軌膠輪機車與有軌機車材料運輸方案的優缺點；文獻[2]重點從工程應用和技術經濟性方面研究膠輪機車在施工運輸中的工程適用性，介紹了在緩坡隧道中運距為11km左右時有軌運輸和膠輪機車運送施工材料的綜合成本基本相當，運距較小時膠輪機車具有較大優勢，運距較大時有軌運輸的優勢顯著；文獻[3]對軌道導引式膠輪機車的選型要素進行了研究，重點介紹了牽引力計算、制動特性及配置要求。

膠輪機車抓地能力強，可提供較大的牽引力和制動力，適用于大坡度洞內運輸。過往膠輪機車運用案例中，大多是在隧道內修筑好的平面上運行，存在油耗高、故障率高、散熱差、動力不足、運行速度低、輪胎磨損嚴重等問題，有的雖然也可以在弧面上行車，但方向控制要求較高。

本文就莫斯科地鐵第三換乘環線東段大直徑盾構項目隧道施工中采用膠輪機車運輸施工材料進行探討，分析其結構特點、使用優勢，并創造性地提出在隧道管片弧面運行時的輪胎保護措施，使用了新的運行方式。

1 工程概況

莫斯科地鐵第三換乘環線東段大直徑盾構項目位于莫斯科東南部地區，緊鄰莫斯科河。該工程共兩個區間，總長2.947km，分別為1453m、1494m。區間隧道覆土深度11.9～23.4m，主要穿越地層為黏土層、砂質黏土層、砂層、富水細砂層。區間最小轉彎半徑400m，最大縱坡40‰。

隧道開挖采用鐵建重工生產的DZ777土壓平衡盾構機施工，由于盾構隧道埋深大、坡度陡、隧道與車站結構同步施工、井口空間狹小，出土采用塔吊+雙頭膠輪機車+連續皮帶機方式。盾構開挖直徑10.88m，單洞雙線區間，管片外徑10.5m，管片內徑9.6m，厚0.45m，寬1.8m。

圖1 莫斯科第三換乘環線東段大直徑盾構項目區間平面示意圖

2 膠輪機車基本結構

該膠輪機車額定載重為70噸，主要結構由車架、懸掛、驅動橋、從動橋、轉向機構、駕駛室、動力系統、制動系統、液壓系統、控制系統、電氣系統等組成，總體結構如圖2所示。

圖2 雙頭膠輪機車結構組成

其結構組成特點如下：

1）以低污染柴油發動機作為動力源，尾氣為國V標準，采用液壓驅動。

2）中間車架用于裝載預制管片、砂漿罐、渣土箱等物料，高度可隨懸掛油缸的伸縮進行變動（100-350mm）；輪胎也跟隨懸掛油缸的伸縮變換角度（如圖3），從而實現在管片弧面與洞外平地不同行駛工況間的自如切換。

圖3 輪胎與懸掛油缸

3）前后分別設置1個駕駛室，隧道內運行時無需調頭即可實現前后運行。

4）配備3種轉向模式，分別是直行、八字轉彎、20°角斜行，最小轉彎半徑為50m，隧道內運行機動靈活。

5）配備2套制動系統，分別是作用于每個車輪的液壓盤式制動器和用于緊急情況及駐車制動的彈簧空氣制動器，制動性能可靠，重載最大行駛坡度為50‰。

6）配置完善的監控系統，通過駕駛室內的多功能顯示器（如圖4）時刻監測設備運行狀態與參數，防止物料偏載、運行跑偏，確保行車安全。

圖4 駕駛室內多功能顯示器

3 經濟性對比

以該項目1.5公里隧道為例，因采用皮帶機出土，隧道內只需運輸管片、砂漿和零散材料。膠輪機車與傳統有軌內燃機車的經濟性對比見表1。

表1 膠輪機車與傳統有軌內燃機車的經濟性對比

可見，膠輪機車運輸方式較傳統的有軌機車運輸方式節約大量成本。

4 輪胎保護措施

在以往運用膠輪機車的項目中，輪胎損壞嚴重是最常見且最不好解決的問題（如圖5），為確保膠輪機車性能在該項目的良好發揮，針對在隧道管片弧面運行提出了新型解決方案。

圖5 某項目輪胎損壞照片

輪胎磨損主要原因在于輪胎受力不均、超載偏載、急剎車等。為使膠輪機車輪胎在管片弧面上均勻受力，減少輪胎損耗，經過驗證，可通過將輪胎懸掛油缸設計成可伸縮、可調整角度形式，即在洞外平面上運行時，輪胎使用垂直模式，在隧道內管片弧面上運行時，輪胎使用“八”字模式（最佳角度為8°，如圖6），達到輪胎正垂直管片接觸面的效果。

圖6 管片弧面上“八”字運行示意圖

膠輪機車在進出隧道時，空載與重載工作時間各占50%。空載最大車速15km/h；重載最大車速10km/h。

前軸車輪載荷：空載：4000kg@0-15km/h；滿載：10650kg@0-10km/h。

后軸車輪載荷：空載：5750kg@0-15km/h；滿載：11225kg@0-10km/h。

圖7為膠輪機車輪胎垂直于平面時的示意圖，圖8、圖9為在隧道內不同輪胎角度受力分析圖。

圖7 平地

圖8 弧面（一）

圖9 弧面（二）

通過對比可知，膠輪機車在隧道內弧面運行時，根據管片內徑將輪胎擺成8°角、正垂直于接觸面時，輪胎胎面均勻受力，且受力較小，可以減少輪胎單邊受力過大造成的不均勻磨損，起到輪胎保護效果。

另外，針對膠輪機車車體較長，在隧道內容易跑偏、不易操控，在各個驅動輪胎安裝了角度編碼器，在車架中心安裝了平衡儀與測重儀，通過駕駛室內的多功能顯示屏及時提示駕駛員車輛的運行狀態，防止運行跑遍，可減少輪胎不均勻受力。

5 結語

該項目是國產膠輪機車在地鐵大直徑大坡度盾構隧道施工中的首次運用。通過對過往膠輪機車運用案例的分析，在本項目中創造性地提出隧道弧面運行時采用“八”字輪行駛的新型方式，同時增加防跑偏措施，優化了整車功能設計。經過實踐檢驗，該項目膠輪機車性能表現優異，出色完成了既定作業任務，為項目節約了大量施工成本，也為膠輪機車在后續相似盾構隧道項目施工中的應用與推廣提供了有利佐證。