盾构辅助设备选型技术

刘 逢

0 引言

在盾构法施工中,根据隧道和地下工程的地质和水文情况,确定了盾构机的类型和规格。随后,为了保证盾构机正常掘进和出渣运输服务的辅助设备(包括电瓶机车、龙门吊、搅拌站、水循环设备、通风设备、充电设备等)就必须由此确定。盾构机与盾构辅助设备组成一个生产设备系统,各设备之间环环相扣。要发挥盾构机快速高效安全的施工性能,我们就必须使相应的盾构辅助设备先进可靠而且配置合理,因此对盾构辅助设备的选型亦为重要。

1 电瓶机车组的选型

电瓶机车在盾构法施工中主要用于盾构施工出渣、管片运输、砂浆及其他掘进过程中所需材料的运输。电瓶机车由牵引机车、渣土车、管片车、砂浆车组成。

1.1 牵引机车的性能配置

牵引机车,由蓄电池箱供应直流电,直流电通过牵引变频器转换成电压与频率可调的三相交流电供两台普通三相异步牵引电动机,每台电动机转子通过万向联轴节驱动齿轮减速传动箱,经过二级齿轮减速传动到车轴上,从而牵引机组。牵引机车主要结构分为车体、走行装置、制动系统、传动系统、蓄电池箱、操纵控制系统、空压机系统等部分。

1.1.1 牵引力核算及机车编组类型

对于电瓶机车的牵引吨位一般根据线路的纵向坡度、机车编组类型等因素决定,下面结合深圳地铁2号2202标段的电瓶机车的选型浅析其牵引力计算和机车编组类型。本标段单线隧道总长6497.16 m;刀盘开挖直径6280 mm;管片外径6000 mm,管片内径5400 mm,环宽1500 mm;区间隧道最大线路纵坡为27‰,最小曲线半径为400 m;本标段采用 45 t电瓶机车、18 m3渣车、15 t管片车、7 m3砂浆车。

编组方案Ⅰ(一列机车编组):

计算基本参数:考虑后期施工容余量,线路最大纵坡:35‰;持续速度:7.8 km/h;最高速度:15.6 km/h;列车最大载荷 Q(不含机车):255 t。机车启动粘着牵引重量:

其中,Qq为机车启动时牵引重量,kN;Fg为粘着牵引力,Fg=μ×P,N,μ为粘着系数,取0.33,P为机车粘着重量,kN;ig为坡道阻力系数,取纵坡千分数绝对值,ig=35,上坡为正,下坡为负;wg′为坡道上机车单位阻力,wg′=5 N/kN;wg″为坡道上车辆单位阻力,wg″=17 N/kN;Qya为机车所配动力计算牵引重量,kN。

按35‰上坡道计算,设机车自重为45 t,即设机车的粘着重量为45 kN,则机车的启动粘着牵引重量为:Qq=[0.33×450000-450×(5+35)]/(17+35)≈2510 kN≈256 t。

在35‰坡道上,45 t机车的粘着牵引重量为256 t,大于按一列车编组的机车最大牵引载荷255 t。

编组方案Ⅱ(两列机车编组):

根据编组方案Ⅰ核算过程,可知编组方案Ⅱ:

第一列机车:进洞牵引载荷20 t+27.5 t+17.5 t=65 t;

最大牵引载荷20 t+32 t×2+27.5 t+17.5 t=129 t。

第二列机车:进洞牵引载荷30 t+27.5 t=57.5 t;

最大牵引载荷30 t+32 t×3+27.5 t=153.5 t。

根据上述计算,两列编组最大的牵引载荷是153.5 t;由上述4种机车牵引力计算:45 t电瓶车可以换成35 t电瓶车;但考虑为以后工程的施工预留余量、维修保养及零配件采购的方便,项目部确定采用45 t电瓶机车。

在确定车辆编组后,可以考虑在洞门井口处附近设置一组道岔,提高机车组运行效率,以及出渣及运送管片、浆液与盾构的作业相衔接工效。

1.1.2 牵引机车选型中其他技术要点

牵引机车在考虑编组确定机车数量后,对于其他配置上还应该注意几个重点:1)牵引机车的变频器。在我们选型的过程中要重点考察变频器的主功率元件、电源控制可控硅容量、主控板、CPU等核心元件的可靠性和功效。2)牵引车的牵引电机。所选用牵引电机的形式、功率、转距、调速范围、过载能力、防护和绝缘等级等是选型过程中要考虑的关键指标。3)蓄电池:是整列机车的“电站”,其电源的持久可以减少更换和充电频率,为掘进生产环节中节省时间提高效率。在其采购过程中要考虑其容量大小与牵引机车的匹配性以及同类型号的替代等性能。4)在使用过程中的重点:主要关注驱动轴的连接器的螺栓紧固、变频调速的集成电路板以及变速箱的紧固等问题。

1.2 其他车组的选型技术要点

1)渣土车:重点考虑渣土车卸渣方式、容量;在使用维护过程中要重点关注刹车片及闸瓦、刹车汽缸漏气、牵引销的脱落等问题。

2)砂浆车:重点考虑砂浆车搅拌系统所用轴承漏浆和泵送功系统(螺杆泵,在螺杆和转动轴之间的十字联轴节的保护套定位原厂是钢丝卡簧容易断裂,造成螺杆和螺杆腔定位失效,泵送能力不足,磨损加剧或浓浆泵)。

3)管片车:要考虑载重量、最小转弯半径、刹车方式。

2 龙门吊的选型

龙门吊在盾构施工中主要用于出渣、管片装卸及其他掘进材料(如:泡沫、油脂、管片螺栓)等吊装。在电瓶机车编组确定后,龙门吊的吨位随即确定。对于龙门吊的龙门吊跨度、悬臂方式、净空高、主供电方式(滑触线或电缆卷盘)等主要依据施工现场的空间位置和始发方案来确定选型,上述方面确定后,还应重点关注以下方面:

1)翻渣系统及方向:在龙门吊翻渣系统上主要采用副钩倾倒或支座倾倒两种方式;出渣的方向有垂直线路或平行于线路方向,具体的选择主要依据施工现场需求的方案;

2)大钩及起升小车的变频系统的可靠性;

3)起吊卷扬机构系统安全性;

4)安全保护装置的可靠性(如:起升高度限位器、起重量限位器、避雷针、风速仪、报警器、电气保护装置、地锚装置等);

5)副钩吨位。

3 搅拌设备的选型

搅拌设备主要用于盾构掘进中同步注浆液和渣土改良液的拌制,其生产产量能力的选择主要依据掘进效率和供应量的需求,但在设备的选型上我们还应注意以下问题:

1)生产所需要的材料如:水、水泥、粉煤灰、河砂等电平称自动计量精度要求,是直接关系到浆液的配置是否成功的关键;

2)配料机高度;

3)是否有振动筛进行过滤;

4)搅拌机下料方式,其采用浓浆泵泵送还是采用自重滑落方式等,这关系到下料口空间的尺寸问题;

5)搅拌设备的布置,主要根据现场空间位置来确定,特别是筒仓地基基础是施工中的关键(涉及地下管线和使用安全);

6)使用过程中主要维护电气传感装置、水泥和粉煤灰的泵送口防潮防堵、气动仓门、自动上料机的润滑保养等问题。

4 通风机选型

4.1 通风方式

隧道的通风主要采用压入通风为主,排风为副。在盾构始发井设置大功率的通风机,将地面的新鲜空气送入隧道,利用软风管连接到盾构机的盾尾位置,保证盾构隧道内有足够的新鲜空气,再在盾构机的台车尾部设置较小功率的排风机,将盾构机上的热空气排走。完成热空气交换和补充新鲜空气的功能,使掘进工人在较好的条件下工作。

4.2 通风参数的确定

通风设计的基本依据是风量、风压以及它的可靠性和稳定性。深圳二号线2202标段最长区间的长为1783.9 m,隧道内直径为5400 mm,盾构机及运输设备均以电力为动力,无机械废气污染。

主风管管径综合考虑盾构后配套台车预留的风管位置和尺寸,最好取比较大的风管,可以取φ 1200 mm～φ 1300 mm;本标段施工中实际选用φ 1100 mm。通风风量:Q=343 m3/min。风机风量:Qf=623 m3/min。

根据以上技术参数确定通风设备的选型,使设备的技术参数满足施工的需要。在性价比角度上还可以考虑是否选用变频风机。在本标段盾构施工中选用的是射流风机,型号SFD-4-10/0,工作风量为900 m3/min～1450 m3/min,功率37 kW×2。

5 水循环系统设备的选型

对于水循环设备的选择主要依据盾构机的类型,确定其是否需要冷却系统以及水循环设备的技术参数。本标段采用海瑞克φ 6250型土压平衡盾构,采用液压驱动方式,需要冷却系统。水循环系统设备主要包括冷却塔和循环水泵。

冷却塔的选型应考虑总流量、进出口温度差、冷却的填料、循环水泵的扬程、流量及冷却风量等问题。

6 结语

本文通过对电瓶机车组、龙门吊、搅拌站、通风设备、水循环设备等盾构辅助设备的选型分析,阐述在设备选择上把握的要点以及需要考虑的问题,并结合使用过程中维护和保养的重点,保证盾构机与盾构辅助设备组成的生产设备系统稳定和可靠,充分发挥盾构机快速高效安全的施工性能,提高生产的效率,降低施工的风险和经济成本。

[1]张凤祥,傅德明.盾构隧道施工手册[M].北京:人民交通出版社,2005.

[2]鞠世健,竺维彬.符合地层的盾构施工技术[M].北京:中国科学技术出版社,2005.

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