小直徑土壓平衡盾構(gòu)大坡度防溜車(chē)技術(shù)

謝曉輝

(廣州珞珈環(huán)境技術(shù)有限公司，廣東 廣州 510030)

1 研究背景

隨著我國(guó)城際軌道交通、地鐵、水利等非開(kāi)挖隧道工程的增多，在越來(lái)越有限的地下空間中縱橫交錯(cuò)，甚至是采用小直徑轉(zhuǎn)彎達(dá)到規(guī)劃要求，對(duì)地下盾構(gòu)施工及大坡度水平運(yùn)輸提出了更高的要求。

為解決上述施工難題，通過(guò)調(diào)整合適的盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)，采用黏土輸送泵從盾體徑向孔向下泵送合適黏度的黏土，對(duì)殼體周邊不斷加壓填充，局部增強(qiáng)土體承載力，同時(shí)為殼體提供反作用力，達(dá)到輔助調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的目的，在電機(jī)車(chē)上增設(shè)雙向應(yīng)急防溜裝置，降低水平運(yùn)輸溜車(chē)、出軌概率，減小溜車(chē)帶來(lái)的危害。通過(guò)試驗(yàn)和改進(jìn)研制出“雙向應(yīng)急防溜制動(dòng)裝置”[1]，分別在220 kV石井～環(huán)西(西灣路～石沙路段)土建工程(施工2標(biāo))及長(zhǎng)沙市萬(wàn)家麗路快速化改造北延線電力隧道工程項(xiàng)目中成功應(yīng)用，其核心技術(shù)“電機(jī)車(chē)雙向應(yīng)急防溜制動(dòng)裝置”已獲得國(guó)家專利，關(guān)鍵技術(shù)“小直徑土壓平衡盾構(gòu)大坡度防溜車(chē)技術(shù)”于2021年9月4日經(jīng)由廣東省建筑業(yè)協(xié)會(huì)組織鑒定，其技術(shù)水平已達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

2 工法特點(diǎn)及適用范圍

1)構(gòu)造簡(jiǎn)單、靈活、占用空間小、成本低、操作簡(jiǎn)單方便。

2)沖擊載荷小、安全性較高、可循環(huán)使用。

3)使用環(huán)保無(wú)污染，對(duì)周邊環(huán)境無(wú)影響。

4)本工法適用于地鐵、電力管廊、供水管道等采用電機(jī)車(chē)水平運(yùn)輸?shù)乃淼朗┕ぁ?/p>

3 工藝原理

選用球形主動(dòng)鉸接系統(tǒng)盾構(gòu)機(jī)，滿足小半徑盾構(gòu)機(jī)在大坡度條件下的爬坡要求，解決了盾構(gòu)機(jī)在大坡度軟弱地層中掘進(jìn)問(wèn)題；在電機(jī)車(chē)上增設(shè)雙向應(yīng)急防溜制動(dòng)裝置，降低了大坡度水平運(yùn)輸溜車(chē)風(fēng)險(xiǎn)，降低對(duì)軌道的破壞，節(jié)約軌道維修時(shí)間，節(jié)省電機(jī)車(chē)出軌造成的軌道、軌枕、走道板等維修費(fèi)用，保障了盾構(gòu)水平運(yùn)輸及地表建筑物安全。

4 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

4.1 施工工藝流程

1)裝置組裝安裝流程。雙向應(yīng)急防溜制動(dòng)裝置的主要分5個(gè)部分：制動(dòng)托架、制動(dòng)器、前進(jìn)限位墩、氣動(dòng)系統(tǒng)。具體組裝流程見(jiàn)圖1。

圖1 制動(dòng)裝置組裝流程圖

2)制動(dòng)裝置工藝流程。制動(dòng)裝置施工工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2 制動(dòng)裝置工藝流程圖

4.2 操作要點(diǎn)

根據(jù)隧道58‰大坡度及電機(jī)車(chē)載重重量，首先確定符合大坡度水平運(yùn)輸?shù)碾姍C(jī)車(chē)，盾構(gòu)始發(fā)井長(zhǎng)度23 m，水平運(yùn)輸采用電機(jī)車(chē)兩列編組：a列電機(jī)車(chē)牽引1節(jié)8 m3渣車(chē)、1節(jié)4 m3砂漿車(chē)和2節(jié)管片車(chē)，長(zhǎng)度21.2 m；b列電機(jī)車(chē)牽引2節(jié)8 m3渣車(chē)及1節(jié)管片車(chē)，長(zhǎng)度19.8 m。

工程使用的管片外徑4.1 m，內(nèi)徑3.6 m，寬度1 m，一環(huán)管片共6塊，總重量約8.07 t，兩列編組總重量分別為Qa=20+7+11.2+3.5+6+(2.5+8.07)×2=68.84 t；Qb=20+(7+11.2)×2+2.5+8.07=66.97 t。

以最大載重的a列編組作為計(jì)算對(duì)象。

1)下坡制動(dòng)距離計(jì)算[2]。根據(jù)電機(jī)車(chē)的技術(shù)參數(shù)，取運(yùn)行阻力系數(shù)u為0.006；取最大下坡度im為54‰；假定P為電機(jī)車(chē)質(zhì)量，Q為后續(xù)車(chē)組質(zhì)量，重力加速度g取9.8 m/s2。

則列車(chē)的制動(dòng)距離Lz為：

=11.86 m<40 m，滿足制動(dòng)要求。

式中，vch為一個(gè)參數(shù)，表示持續(xù)速度；α為制動(dòng)狀態(tài)的粘著系數(shù)。

2)上坡?tīng)恳Φ挠?jì)算。考慮最不利情況計(jì)算，即在隧道最大坡度58‰進(jìn)行a列編組水平運(yùn)輸，取最大上坡坡度im為58‰，根據(jù)下式計(jì)算電機(jī)車(chē)的阻力：

W=(P+Q)(u+i)g=68.84×(0.006+0.058)×9.8=43 kN

電瓶車(chē)牽引力44.5 kN>43 kN，滿足牽引要求。

故隧道水平運(yùn)輸采用2臺(tái)XBQ20型電瓶牽引機(jī)車(chē)滿足牽引要求。機(jī)車(chē)整備重量20 t，啟動(dòng)牽引力44.5 kN，持續(xù)牽引力60 kN，持續(xù)速度8.8 km/h，最高速度20 km/h，空氣制動(dòng)裝置采用雙側(cè)閘瓦制動(dòng)，空氣壓縮機(jī)額定風(fēng)量0.5 m3/min。

在58‰大坡度隧道中運(yùn)輸存在打滑、溜車(chē)等情況。電機(jī)車(chē)駐車(chē)或者行進(jìn)過(guò)程中，如剎車(chē)系統(tǒng)出現(xiàn)故障發(fā)生溜車(chē)緊急情況，制造一種為機(jī)車(chē)提供足夠的制動(dòng)裝置并固定在機(jī)車(chē)與運(yùn)輸車(chē)之間的間隙，在機(jī)車(chē)運(yùn)行或者溜車(chē)等緊急情況下，通過(guò)氣動(dòng)裝置解除制動(dòng)裝置與機(jī)車(chē)的約束，使制動(dòng)裝置自由落體并吸附于機(jī)車(chē)行走軌道上，當(dāng)機(jī)車(chē)輪子轉(zhuǎn)至制動(dòng)裝置上，輪子與軌道之間的滾動(dòng)摩擦改變?yōu)橹苿?dòng)裝置與軌道的滑動(dòng)摩擦，機(jī)車(chē)自身重力作用于制動(dòng)裝置增大摩擦力達(dá)到機(jī)車(chē)制動(dòng)效果。雙向應(yīng)急防溜制動(dòng)裝置的主要分5個(gè)部分：制動(dòng)托架、制動(dòng)器、前進(jìn)限位墩、氣動(dòng)系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 雙向應(yīng)急防溜裝置照片

制動(dòng)托架：根據(jù)電機(jī)車(chē)車(chē)頭與連接板的實(shí)際空間大小制定適用的托架尺寸，石環(huán)項(xiàng)目采用鋼結(jié)構(gòu)形式，由1根長(zhǎng)度為1.2 m和2根0.3 m兩節(jié)槽鋼組成，主要承受制動(dòng)器的重力及確保制動(dòng)器在非工作狀態(tài)與軌道保持5 cm距離。1.2 m槽鋼焊接固定在牽引機(jī)車(chē)尾部，2根0.3 m槽鋼分別水平焊接固定在1.2 m槽鋼的0.52 m中心兩端位置，并在末端增設(shè)卡孔墊片，在拖架上設(shè)置2個(gè)氣動(dòng)閥，氣動(dòng)閥的伸縮桿穿過(guò)制動(dòng)器的掛耳，滿足制動(dòng)器懸掛、平衡固定的要求。

制動(dòng)器：采用2 cm厚鋼板制成長(zhǎng)×寬×高尺寸為46 cm×17 cm×23 cm的2個(gè)“鐵靴”，中間通過(guò)1根長(zhǎng)722 mm橫桿將鐵靴兩端懸挑，在橫桿對(duì)稱位置設(shè)置掛耳，確保制動(dòng)器平穩(wěn)固定在機(jī)車(chē)上，并在自由落體過(guò)程中平穩(wěn)落在軌道上；在制動(dòng)器底部增設(shè)2塊強(qiáng)離磁鐵，防止制動(dòng)器降至軌道面后反彈；與軌道接觸面固定聚氨酯板，增加制動(dòng)器與軌道面的摩擦力。

前進(jìn)限位墩：長(zhǎng)×寬×高為20 cm×17 cm×22 cm，將1 cm厚鋼板焊接制成的限位墩根據(jù)軌道距離設(shè)置固定在牽引車(chē)與運(yùn)輸車(chē)的連接端，高度、斜角與牽引車(chē)尾部一致，為機(jī)車(chē)制動(dòng)傳遞足夠的摩擦力，防止機(jī)車(chē)向前溜車(chē)。

氣動(dòng)系統(tǒng)：在駕駛室設(shè)置1個(gè)氣動(dòng)閥供氣的電磁閥控制裝置，為制動(dòng)托架上的氣動(dòng)閥提供足夠的氣壓，一旦出現(xiàn)開(kāi)啟駕駛室的電磁閥，控制電機(jī)車(chē)自身的氣動(dòng)系統(tǒng)向氣動(dòng)閥輸送足夠壓力的空氣，使氣動(dòng)閥的伸縮桿收縮，當(dāng)收縮量小于制動(dòng)器的懸掛臨界值時(shí)，制動(dòng)器自由落體下降至軌道面，一旦電機(jī)車(chē)車(chē)輪或限位墩與制動(dòng)器接觸，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)車(chē)車(chē)輪與軌道的點(diǎn)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)橹苿?dòng)器與軌道的線摩擦，摩擦面積增大，摩擦力相應(yīng)增大，提高電機(jī)車(chē)的制動(dòng)效果。為機(jī)車(chē)出現(xiàn)故障或者緊急溜車(chē)情況增加一道“安全鎖”。

5 材料與設(shè)備

本工法所需主要材料有1環(huán)管片、24 m3渣土、12 m軌道、6條軌枕，均用于載重。

本工法所需主要設(shè)備和機(jī)具有1臺(tái)5 m黏土輸送泵，用于填充土體/調(diào)整掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)；1臺(tái)25 t龍門(mén)吊和2臺(tái)25 t電瓶車(chē)，分別用于材料、設(shè)備垂直和水平運(yùn)輸；1臺(tái)全站儀，用于盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)測(cè)量。

6 效益分析

6.1 經(jīng)濟(jì)效益

經(jīng)濟(jì)效益以220 kV石井～環(huán)西電力隧道(西灣路～石沙路段)土建工程(施工2標(biāo))為例進(jìn)行分析，經(jīng)濟(jì)效益為34.2萬(wàn)元。

常規(guī)直徑盾構(gòu)法施工，在軌道轉(zhuǎn)彎處容易出現(xiàn)出軌情況，每次出軌搶修至少1個(gè)臺(tái)班，除破損軌道、軌枕、走道板等修復(fù)或更換，間接增加當(dāng)班作業(yè)人員14人，管理人員2人，綜合費(fèi)用=材料費(fèi)+間接人工費(fèi)=20萬(wàn)元+14人×0.8萬(wàn)元/人+2人×1.5萬(wàn)元/人=34.2萬(wàn)元。項(xiàng)目部采用小直徑土壓平衡盾構(gòu)大坡度防溜車(chē)技術(shù)，并采取一系列技術(shù)措施，經(jīng)過(guò)施工成本核算，在大坡度剩余800 m大坡度及小直徑半徑隧道施工中，考慮只出現(xiàn)一次出軌情況，合計(jì)減少成本34.2萬(wàn)元。

6.2 社會(huì)效益

小直徑土壓平衡盾構(gòu)大坡度防溜車(chē)技術(shù)通過(guò)實(shí)踐成功應(yīng)用，通過(guò)選用球形主動(dòng)鉸接盾構(gòu)機(jī)和電機(jī)車(chē)上增設(shè)雙向應(yīng)急防溜制動(dòng)裝置，滿足小半徑盾構(gòu)機(jī)在大坡度條件下的爬坡要求[3]，保障了電機(jī)車(chē)大坡度運(yùn)輸安全，降低對(duì)軌道的破壞，節(jié)約軌道維修時(shí)間，節(jié)省電機(jī)車(chē)出軌造成的軌道、軌枕、走道板等維修費(fèi)用，保障了盾構(gòu)水平運(yùn)輸及地表建筑物安全，各項(xiàng)創(chuàng)造性和先進(jìn)性技術(shù)得到了驗(yàn)證，具有施工安全、可靠、環(huán)保等特點(diǎn)，贏得了各參建單位及業(yè)主單位的好評(píng)，獲得了良好的社會(huì)效益。隨著城市軌道交通建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，盾構(gòu)在大坡度段軟土地層中掘進(jìn)的項(xiàng)目越來(lái)越多，本項(xiàng)目的技術(shù)研究將對(duì)以后類似工程提供重要的參考。

7 應(yīng)用實(shí)例

220 kV石井～環(huán)西(西灣路～石沙路段)土建工程(施工2標(biāo))位于廣東省廣州市白云區(qū)，主要工程量包括4、5、6號(hào)工作井及區(qū)間隧道，其中，隧道直徑4.1 m，采用4360土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，里程DK4+184.99～DK4+384.99范圍200 m坡度58‰，里程K4+384.99～DK4+534.99范圍150 m坡度54‰。項(xiàng)目開(kāi)工日期為2016年2月22日(可為分項(xiàng)分部工程的開(kāi)工-驗(yàn)收時(shí)間)。

廣州220 kV石井～環(huán)西電力隧道(西灣路～石沙路段)土建工程(施工2標(biāo))主要工程量為4、5、6號(hào)工作井及4～6號(hào)工作井區(qū)間隧道，位于廣州市白云區(qū)，隧道采用盾構(gòu)法施工，從4號(hào)工作井始發(fā)，沿西槎路、石槎路地下南北敷設(shè)，途經(jīng)5號(hào)工作井，最終由6號(hào)工作井吊出，隧道水平運(yùn)輸采用2臺(tái)XBQ20型電瓶牽引機(jī)車(chē)，機(jī)車(chē)整備重量20 t，啟動(dòng)牽引力44.5 kN，持續(xù)牽引力60 kN，持續(xù)速度8.8 km/h，最高速度20 km/h，空氣制動(dòng)裝置采用雙側(cè)閘瓦制動(dòng)，空氣壓縮機(jī)額定風(fēng)量0.5 m3/min。

隧道最大坡度58‰，為防止電機(jī)車(chē)在駐車(chē)、行進(jìn)過(guò)程中剎車(chē)失靈或失效等造成溜車(chē)情況發(fā)生，在牽引機(jī)車(chē)與運(yùn)輸車(chē)之間增設(shè)雙向防溜裝置，通過(guò)在駕駛室設(shè)置電磁閥控制機(jī)車(chē)自身氣動(dòng)系統(tǒng)，向氣動(dòng)閥輸送足夠氣壓的空氣使其收縮，聯(lián)動(dòng)卡栓收縮時(shí)制動(dòng)器下降至軌道，機(jī)車(chē)與制動(dòng)器發(fā)生接觸實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)制動(dòng)效果，在大坡度隧道水平運(yùn)輸過(guò)程中，存在短距溜車(chē)情況，但未發(fā)生一起出軌事故，在20‰坡度試驗(yàn)段進(jìn)行試驗(yàn)，電機(jī)車(chē)以5 km/h的速度空車(chē)運(yùn)行，通過(guò)雙向應(yīng)急防溜裝置制動(dòng)，制動(dòng)距離約2.8 m。

8 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，城市及城際軌道交通建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，盾構(gòu)隧道的埋深越來(lái)越大，地質(zhì)情況越來(lái)越復(fù)雜，存在淤泥質(zhì)土、液化砂層甚至溶土洞等不良地質(zhì)的情況，增加了施工安全風(fēng)險(xiǎn)。該技術(shù)成果較好解決了這些難題，有效控制隧道掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)，保證了施工安全和工程質(zhì)量；同時(shí)大大節(jié)約人力、物力的投入，其綜合效益非常顯著，能為同類地質(zhì)條件背景下非開(kāi)挖施工提供新的技術(shù)措施，推廣應(yīng)用前景廣闊。

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