新疆某引水工程盾構施工物料運輸車選型分析

袁濤

（中鐵十四局集團隧道工程有限公司,濟南 250000）

1 引言

隨著我國城市化建設的不斷深入，人們對地下空間的利用需求不斷增加，盾構法施工以其安全、環保、高效等優勢，在地鐵、鐵路、引水隧道等工程中得到了廣泛應用[1-3]。在盾構法施工中，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，而后配套的盾構施工牽引車由于成本相對較低、機型雜、數量多，往往得不到應有的重視[4]。但是在盾構施工中，牽引車的運輸與盾構掘進是相互配合的，牽引車選擇不合理往往會制約施工效率，增加施工風險。

國內外在盾構和TBM 施工中，應用的洞內運輸車輛主要為無軌膠輪車、軌道膠輪車以及普通的軌道運輸車。國內外已有一些學者對盾構隧道洞內無軌運輸開展了相關研究。陳鵬等[5]針對蘇通GIL 綜合管廊工程大直徑、大坡度的特點，從運輸效率、安全性、靈活性和經濟性4 個方面綜合考量，選擇無軌膠輪車作為盾構牽引車。張濤[6]從安全、效率、質量等方面對天枰隧道內運輸方案進行了比選，提出了無軌膠輪車運輸方案，保證了施工質量、加快了施工進度。也有一些學者對盾構隧道洞內軌道運輸進行了研究。韓明建[7]以山西省中部引黃工程TBM2 標段施工為背景，從牽引能力、制動能力等方面進行合理配置，為軌道膠輪車的使用提供了寶貴經驗。汪思海[8]結合西（安）南（京）線桃花鋪2 號隧道的有軌運輸施工，從掘進、支護、襯砌3 條作業線闡述單線長大隧道有軌運輸設備選型及配套，并驗證了其合理性。劉日[9]以太古高速周家山隧道工程為依托，對該工程大坡度斜井運輸方式進行了深入研究，最終選擇了有軌運輸與無軌運輸相結合的方案。還有學者對牽引車進行計算選型。曹文祥[10]以廈門市軌道交通4 號線4 標三工區以典型施工為例，闡述了盾構施工水平運輸車輛編組及電機車選型方法。

通過對國內外學者的研究成果調查發現，牽引車的選型方法大多停留在類比相似工程、憑借工程經驗，很少通過計算進行選型。目前，還沒有針對小直徑、大坡度隧道施工盾構牽引車的選型案例。本文以新疆某引水工程為背景，通過設計計算，提出了適用于小直徑、大坡度隧道盾構牽引車的選型方法。選型結果安全、可靠，可為新疆引水工程及類似隧道工程施工中物料運輸提供指導與借鑒。

2 工程案例

2.1 工程概況

本項目盾構段全長20.585 km，盾構區間采用3 臺土壓平衡盾構機施工，采用連續皮帶機出渣。盾構區間開挖直徑5.5 m，管片外徑5.2 m，管片內徑4.5 m，管片環寬為1.2 m。計劃每天掘進10 環，月進尺360 m。

盾構機1 施工段洞內水平運輸包含1 423 m 支洞和主洞段5 830 m（坡度1/5 000），其中支洞和主洞重載下坡，空載上坡，支洞最大坡度5%；盾構機2 施工段洞內水平運輸包含1 376 m 支洞和主洞段6 100 m（坡度1/5 000），其中支洞和主洞重載下坡，空載上坡。支洞最大坡度5%；盾構機3-1 施工段洞內水平運輸主洞段2 480（坡度1/5 000），其中主洞重載上坡，空載下坡；盾構機3-2 施工段洞內水平運輸包含690 m 支洞和主洞段5 800 m（坡度1/5 000），其中支洞重載下坡，空載上坡，主洞重載上坡，空載下坡。

2.2 物料運輸情況

1）本工程中土壓盾構施工過程中，除渣土運輸由連續皮帶機承擔外，其他施工材料如管片、砂漿、長度6 m 水管、軌道、軌枕、盾尾油脂、潤滑油脂、泡沫劑、連續皮帶機架、風筒、膨潤土等均由輔助運輸車承擔。

2）盾構施工過程中，除正常掘進物資運輸外，還需運送連續皮帶機運行過程中掉落的渣土；掘進過程螺旋機噴涌出來的泥渣；發生刀盤卡死、盾體卡死時，加固土體的改性注漿材料（如衡盾泥、惰性砂漿等）；進行壓氣換刀作業時，運輸刀具和應急發電機以及柴油和進倉所需的氧氣等物資。

3 物料運輸方案分析

選擇機車類型要遵循保證施工安全、保證施工質量、加快施工進度的原則。無軌膠輪車方案會車風險大；有軌膠輪車方案運輸效率低，支洞作業時易發生溜車；普通軌道車方案施工效率較高，且安全風險低。因此，本項目盾構牽引車選用普通軌道運輸車。表1 為內燃機車技術參數。

表1 內燃機車技術參數

如表1 所示，T1=T2=20 min=0.33 h，單環掘進時間T=40 min≈0.667 h。運輸車輛單趟運輸單環掘進物資。主洞掘進距離不斷增長，運輸車輛數量應與掘進距離以及掘進物資需求相匹配。

采用3 輛普通軌道運輸車，對水平運輸速度進行分析：

主洞段重載下坡速度V2：

式中，L1為支洞運輸距離，運行速度7 km/h，n為普通軌道運輸車數量，T為掘進一環所用時間，T1為裝車耗時，T2為卸車耗時，V1為支洞重載下坡速度；X為掘進距離。

計算得到不同掘進距離處所需的車速見表2。

表2 不同掘進距離所需車速

由表2 所得運輸車輛所需行駛速度可知：當盾構機掘進至主洞段6 km（即盾構段施工任務即將完成）時，車輛重載下坡運行速度V2=9.65 km/h，空載出洞時運行速度V3=14.47 km/h，運行速度未達到額定運行速度。

按照表2 內燃機車運輸時間，采用3 列內燃機車編組完全滿足盾構每環40 min 掘進施工物資需求，不影響盾構施工的連續性，在設備故障可控的情況下，盾構掘進月進尺可達到300～400 m。

4 盾構施工水平運輸方案分析及機車選型計算

4.1 水平運輸方案分析

通常情況下，機車后配車輛根據用途需要渣土車、管片車和砂漿車。如考慮運輸效率和時間利用率，編組方案宜采用整列1 次出渣及運送管片和砂漿。但在本項目中，因盾構區間坡度較大，采用渣土車運輸效率較低，所以采用了連續皮帶機出渣，不再需要渣土車出渣。

機車進入隧道時將1 節重載砂漿車、4 節重載管片車1 次運輸至工作面。盾構機掘進作業時，連續皮帶機出渣、砂漿車轉運砂漿、管片車運輸管片可同時進行，有利于提高時間利用率，一環掘進完成后，機車牽引空載的砂漿車、管片車出洞。

4.2 列車編組

1 輛內燃機車+1 節砂漿車+4 節管片車

4.3 機車選型計算

4.3.1 工況分析

1）4 節管片車（自重2.5 t/節）重約10 t。

2）一環管片自重：

式中，φ1為管片內徑，4.5 m；φ2為管片外徑，5.2 m；L為管片寬度，1.2 m；ρ1為鋼筋混凝土管片密度，2.4 t/m3。

3）1 節砂漿車質量G3約為5 t。

4）單節車砂漿容量為6.05 m3/節，砂漿密度取2.2 t/m3，滿車砂漿質量G4為13.31 t。

5）機車牽引進入隧道時，運送管片和砂漿至工作面，此時牽引負荷（質量）為：

6）機車牽引退出隧道時，管片車、砂漿車空載，此時牽引負荷（質量）為：

故機車最大牽引噸位出現在管片、砂漿的運輸過程中為43.66 t。

在盾構施工中要求內燃機車編組在坡道線路停車、啟動，牽引噸位主要按啟動地段坡度計算。在幾個盾構區間中，最大坡度為5%，機車所需要牽引的最大質量為43.66 t，機車的平均牽引速度為5 km/h。

4.3.2 機車系列選擇

NRO 系列內燃機車作為普通機車的一種，以其低排放、低污染、結構緊促、操作方便、綜合成本低的優勢在軌道運輸中得到廣泛應用。因此，本項目盾構牽引車選用NRQ 系列內燃機車。

結合本項目運輸工況、內燃機車性能、盾構掘進實際運輸需求以及洞內水平運輸安全性要求，對內燃機車洞內水平運輸速度進行如下規定：

1）支洞段（坡度為5%）運輸速度不超過7 km/h；

2）主洞段（坡度為1/5 000），重載下坡速度不超過10 km/h；

3）物資卸載完畢空載返回運輸速度不超過15 km/h。

NRQ 系列內燃機車技術參數表如表3 所示。

表3 NRQ 系列機車參數

4.3.3 機車型號確定

1）內燃機車的啟動單位基本阻力計算

根據TB/T 1407.1—2018《列車牽引計算 第1 部分：機車牽引式列車》中3.4.1 可得：內燃機車的單位啟動基本阻力為5 N/kN。

2）滾動軸承貨車的單位啟動基本阻力計算

根據TB/T 1407.1—2018《列車牽引計算 第1 部分：機車牽引式列車》中3.4.1 可得：滾動軸承貨車單位啟動基本阻力為3.5 N/kN。

3）黏著系數計算

根據TB/T 1407.1—2018《列車牽引計算 第1 部分：機車牽引式列車》中公式（60），國產各型電力傳動內燃機車的計算黏著系數μj為：

式中，v為機車平均牽引速度，5 km/h。

4）黏著牽引力計算

根據TB/T 1407.1—2018《列車牽引計算 第1 部分：機車牽引式列車》中公式（59），黏著牽引力Fμ按式（6）計算：

式中，Pμ為機車黏重質量；g為重力加速度。

根據公式（6）可計算得常用內燃機車黏著牽引力，見表4。

表4 內燃機車黏著牽引力

本項目行駛的坡度為50‰，根據TB/T 1407.1—2018《列車牽引計算 第1 部分：機車牽引式列車》中公式（64）可得：列車在限制坡道上以機車計算速度等速運行時按式（7）計算：

式中，Fj為計算牽引力；λy為機車牽引力使用系數；ix為限制坡度。

其中，Fj=Fμ，λy取0.9，ix=50，將上述數值代入公式中得：

1）25 t 機車在5%的坡道啟動牽引噸位為92.1 t；

2）30 t 機車在5%的坡道啟動牽引噸位為112.18 t；

3）35 t 機車在5%的坡道啟動牽引噸位為128.87 t。

通過上述計算可知，黏重質量25 t 內燃機車在5%坡道上的啟動牽引噸位已經大于本項目盾構施工所需的最大牽引噸位，可以滿足運用要求。為了進一步保證物料運輸的安全性，本項目選擇黏重質量30 t 的內燃機車。圖1 為NRQ30型內燃機車。

圖1 NRQ30 型內燃機車

5 結語

內燃機車提供運輸列車編組的牽引動力，選用是否得當直接關系到隧道內運輸能否正常運行。在盾構施工內燃機車選型時，根據線路條件、掘進參數，既要滿足運輸載荷要求又要兼顧作業效率，選擇合理的編組和機車。

在本項目中，采用了連續皮帶機出渣的方式進行出渣，出渣方便，效率高，不再需要使用渣土車出渣，在很大程度上減少了內燃機車在盾構施工中所需牽引的噸位。機車編組為1輛內燃機車+1 節砂漿車+4 節管片車，在不需要運輸渣土的情況下，選用了黏重質量為30 t 的內燃機車，經過理論計算可得，其在5%坡道上的啟動牽引噸位完全可以滿足運用要求，并且具有很高的安全性。