地鐵TBM出渣系統研究及應用

王文勝

(中鐵十一局集團漢江重工有限公司 湖北襄陽 441006)

1 引言

隨著我國經濟持續發展、城市化進程越來越快、規模越來越大，地鐵軌道交通在各大城市得到了飛速發展。由于城市施工場地空間有限，特別是在老城區、繁華街區等，不適合大型機械施工，且對施工噪聲等要求嚴格。對于掘進區間長、埋深較大的隧道，出渣效率已成為影響施工進度的重要因素。在工程施工中，出渣速度快慢，將直接影響著掘進施工效率，可見，隧道出渣方案及設備選型是否合理，對于提高設備利用率、施工效率、經濟效益具有十分重要的意義。

在地鐵隧道施工中，合理配置機械設備，發揮單體設備技術性能，并使隧道施工機械設備之間的參數匹配，降低能耗，減少重復投資，是施工單位研究的重要內容。目前，龍門吊技術成熟、生產系列化、制造和維護成本低，在地鐵隧道施工工程中，絕大部分使用龍門吊完成棄渣和材料垂直運輸。隨著皮帶輸送機出渣技術及施工技術[1－4]的不斷進步和完善，在地鐵單護盾和雙護盾等巖石掘進機施工中也逐步得到推廣應用。許多學者和專家將研究科研成果轉化應用，如楊慶輝[5]分析了地鐵TBM(隧道掘進機)施工出渣方式及優缺點；王華、齊夢學、王逢松、張萬照等人[6－9]分別研究了帶式輸送機出渣技術等。

本文結合青島地鐵1號線雙護盾TBM施工，分析了現有出渣方式對TBM施工進度制約，并從空間要求、經濟效益、應用實例等方面綜合考慮，提出了全新的TBM渣土處理解決方案。通過施工工藝研究及渣土運輸車、翻車機、皮帶輸送機3種設備的成功研制，為TBM在地鐵施工領域更快、更好的運行和發展提供了參考借鑒方案。

2 工程概況及施工方案

青島地鐵1號線起于東郭莊站，途經城陽區、李滄區、市北區、市南區、黃島區，止于王家港站，總體呈南北走向，全長21.9 km。團島－西青軌排井區間包含3站3區間，區間選用雙護盾TBM，采用先站后隧法施工，區段由并行的上行、下行線2條隧道組成。由于始發井位于團島軍營內，位置特殊，豎井不在隧道正上面，無法通過地鐵門吊出渣，需研究皮帶輸送等其他出渣技術方案。

本文針對青島地鐵隧道特殊環境和TBM施工特點，提出了全新出渣施工方案，如圖1所示。該方案是由渣土運輸車負責將TBM掘進產生的渣土從隧道前方運輸到翻車機內，再由翻車機固定渣土車并翻轉卸渣至下方皮帶上，通過皮帶輸送機轉運到運渣卡車車廂內，然后將渣土運輸到指定位置。

圖1 施工方案

3 設備研究

本工程出渣系統主要由渣土運輸車、翻車機、皮帶輸送機組成。根據TBM施工出渣量，提出三種設備基本技術指標，并進行了設計研究。

3.1 TBM施工出渣量

掘進每環產生渣土量:

3.14×6.22/4×1.5×1.5≈68 m3/環

掘進速度按8環/d計算，2臺TBM施工產生最大渣土量:

68×2×8＝1 088 m3/d

3.2 技術研究

3.2.1 渣土運輸車研究

根據TBM施工運渣需求及隧道斷面，掘進每環渣土選擇配備4臺渣土車進行運輸，則渣土車容量至少需要68÷4＝17 m3/臺，考慮裕度，需設計渣土車容量為18 m3/車，且外形尺寸需要控制為7.4 m×1.6 m×2.4 m(長×寬×高)。

渣土運輸車包含電機車、渣土車。電機車是根據地鐵工程機械化施工要求而開發研制的，由車架、走行系統、制動系統、牽引傳動系統、超級電容器模塊、操縱控制系統等部分組成，用于TBM渣土運輸的專用牽引機車，具有電制動、氣制動系統以及防滑鉤，避免出現溜車危險。渣土車由走行機構、車體、渣土斗和制動裝置組成，采用前后分離式走行機構，與車體之間采用芯盤連接，實現承重和轉向功能，再將輪組的制動汽缸設置為常閉機構，前后采用快速插頭，整體結構簡單，功能全面，如圖2所示。

圖2 渣土車三維圖

3.2.2 卸渣翻車機研究

分析單車翻車機[10]、雙車翻車機[11]、四車翻車機[12]等優缺點，針對本項目設計了三種型式初步方案，對比分析見表1。綜合考慮施工效率、自動化程度、設備成本、維護成本等因素，本工程項目選擇雙車翻車機結構型式較為理想。

節水“三同時”制度在國內很多城市已經實施，但調研發現落實效果不好。究其原因，與沒有完善的管理辦法及配套的實施細則等有關。

表1 翻車機分析對比

雙車翻車機主要由主體結構、壓車機構、靠車機構、托輥機構、動力系統、液壓系統、電氣控制系統以及附屬結構組成，如圖3所示。雙車翻車機設置有控制臺，通過電液系統控制壓車、靠車行動，動力系統通過齒輪機構驅動翻車機翻轉。在翻車機初始位置、最終位置均設置有傳感器，限制翻車機的翻轉角度。

圖3 翻車機三維圖

3.2.3 皮帶輸送機研究

采用雙車翻車機翻卸渣土車，TBM每環掘進渣土需2次翻卸，按照12～16 min/次計算，皮帶輸送機所需輸送量最大為68×60÷12＝340 m3/h，同樣考慮裕度，選擇額定輸送量為400 m3/h、輸送帶寬度為1 m、輸送速度為1 m/min的輸送機。

皮帶輸送機為皮帶輸送結構，分三段，額定輸送量為1 020 t/h，如圖4所示。選用橡膠皮帶，硫化無縫對接、表面包膠處理，具有摩擦力大、強度高的特點。

圖4 皮帶輸送機三維圖

3.3 技術創新

TBM施工渣土皮帶輸送系統技術方案主要創新點:

(1)TBM施工出渣系統創新方案。依據地鐵TBM施工運輸環境復雜、設備安裝空間小、轉運難度大等不利因素，提出了TBM渣土皮帶輸送技術方案，為地鐵TBM施工渣土運輸提供了全新的解決方案。

(2)翻車機壓靠機構創新設計。研發制造了新型靠車機構，該機構由傳統的雙油缸定向伸縮模式優化為單油缸自適應伸縮模式。新型靠車機構重量更輕，油缸數量更少，同時徹底消除了傳統靠車機構油缸存在的徑向力，油缸使用壽命大大增強。

(3)信息化控制系統創新應用。創新性地將CAN總線分布式IO網絡設計方法應用到翻車機的控制系統，布線更加簡單、控制延時少、控制安全可靠；應用了安全監控系統，為操作人員及時掌握TBM出渣設備實時運行狀態提供了便利，減少安全事故發生；信息化平臺實時顯示配套設備運行中的各項參數，為故障處理提供參考，同時，還可通過電腦或手機登錄指定網上平臺，在線查看設備的運行狀態和參數，便于項目智能化施工管理。

(4)電機車防溜車技術。電瓶車采用電制動方式，機車下坡道或減速運行，交流異步牽引電動機處于發電狀態，將機車動能轉化為電能通過變流器向超級電容器充電，當超級電容充滿電的情況下可自動轉換成電阻制動將能量消耗掉。當交流異步牽引電動機處于牽引狀態時，超級電容器放電，為交流異步牽引電動機提供電能，實現了“節能降耗”、“綠色環保”效應。

4 工程應用

研制的出渣系統在青島地鐵1號線二標區間投入使用以來，運行狀態良好，滿足TBM隧道施工出渣要求，贏得相關建設單位好評，出渣系統現場施工如圖5所示。該套設備主要優點:

圖5 現場施工

(1)出渣效率高。翻卸渣土效率1.5 min/車，相比地鐵出渣門吊提高4倍。

(2)操作簡單便捷。1～2人即可完成全流程操作。

(3)安全性高。配置有防溜車裝置、安全監控系統、信息化平臺等。

(4)節能環保。采用超級電容，響應節能降耗、綠色環保等國家號召。

(5)噪聲污染小，降低噪聲擾民問題的發生。

5 結論

針對青島地鐵TBM施工地理位置、運輸環境、設備安裝空間、轉運難度等特殊因素，研制了一套適用于地鐵TBM施工的出渣系統，為地鐵TBM施工渣土處理提供了全新的技術方案。該套設備成功應用，進一步促進TBM施工優勢的發揮，不僅保證了總體掘進速度及總體工期，還降低了施工安全風險。該出渣系統具有操作便捷、自動化程度高、出渣效率高、環保無污染等特點，具有很好的應用前景與推廣價值。