浅谈土压平衡盾构施工后配套设备选型

许光明

(中铁隧道集团杭州分公司，杭州 310000)

0 引言

目前，盾构法施工以其高效、安全的优点，在我国地铁建设中广泛使用。在该工法中，盾构机因为价值大、技术复杂等特点在选型时往往受到高度重视，而后配套设备由于金额相对较低、机型杂、数量多等特点往往不被人重视［1］;但在施工中，盾构机与后配套设备形成一个施工流水线，任何一个环节上的设备出现问题，都直接影响着生产效率。在具体的施工中，因为后配套设备的故障或不匹配影响施工进度的事例并不少见，盾构机确定后，盾构施工进展顺不顺利，效益能否充分发挥，主要取决于后配套设备选型是否合理，场地布置是否科学。

1 后配套设备选型的基本原则及要求

后配套的选择是保障工程项目顺利实施的前提条件之一，也是设备保障的重要组成部分，除满足盾构机的性能匹配要求外，还应与施工场地布置、盾构机意向施工区域的发展规划要求相结合，经过技术经济比较后确定［2］。后配套的选型原则主要有以下4个方面。

1.1 适用性原则

后配套具有较长使用寿命，可用于多个地铁项目工程，应根据使用寿命内预计的常用使用条件下或最不利使用条件下进行选择，以便具有较广泛的适用性。

1.2 技术先进性原则

设备制造不断改进和更新，要适应目前的需要并适度超前，力争上游。具体来说有2方面的要求:一是不同种类(厂家)的设备间应尽可能选择技术先进的设备;二是同一种类(厂家)的设备间，设备配置与功能选择应适应技术先进的要求。

技术先进性要以可靠性为前提，应选择经过工程实践验证、可靠性高的先进设备。

1.3 经济合理性原则

经济合理性是指后配套设备在满足使用要求的前提下，其综合效益最佳，施工成本合理，也就是不能孤立地分析单项成本，而应该从整个工程项目，乃至考虑设备全寿命阶段的适应性和可能进行必要技术改进情况，综合分析比选确定。

1.4 统筹兼顾原则

后配套选型是一个复杂的系统工程，涉及的因素很多，而这些因素间互相影响。施工场地布置直接影响门吊的跨径和悬臂形式;水平运输出土方式(一次出土，二次出土)影响门吊的吨位;适用性影响电瓶车的牵引力选择，进而影响碴土车容量及门吊吨位等。因此，应按照盾构机市场区域定位，充分考虑包括设备购置价格、设备保养成本、设备运行成本、设备生产效率等经济性指标，与适用于不同项目条件、操作保养简单，配套机械大众化，更新改造方便等适用性相结合的原则，在满足本项目的前提下，统筹兼顾适用性与技术先进性，使设备配置具有一定的前瞻性。

1.5 设备选型的基本要求

设备间生产能力相匹配，避免各工序施工的瓶颈现象，减少无功消耗时间，最大限度地发挥设备的效能。施工中工序衔接紧密，合理提高生产效率，缩短工期，降低生产成本。

2 后配套设备的组成

盾构机后配套设备材料主要包括洞内水平运输设备、洞口垂直提升设备、洞内通风、砂浆搅拌设备、洞内布置的供水供电行走、照明排污等临时设施，对设备选型起制约作用的主要是水平运输系统和垂直运输系统。后配套配置见表1［3］。

表1 后配套设备组成Table 1 Relative equipments

3 后配套配置方案比选

后配套设备选型配置方案的比选主要考虑以下几个原则:即尺寸原则、满足施工进度要求原则、设备能力等级弃小取大及保证施工安全原则、考虑实际施工环境影响原则、尽量采用现有厂家生产通用标准件原则以及厂家在国内有良好使用记录，可确定盾构施工后配套设备的主要技术参数及完成选型工作。

4 水平运输系统方案比选

水平运输系统方案确定的重点在于选定出土方式和列车编组方式、轨道布置形式、电瓶车牵引力、碴土车及浆液车容量等［4］。

4.1 轨道布置形式

轨道布置形式一般有四轨三线制、单线制和复合式3种布置形式。

4.1.1 四轨三线制轨线

采用四轨三线制时，由于隧道空间所限，在盾构机后配套后部设一双开道岔浮放轨道，可由盾构机或由机车拖移。优点:左右两线的运输互不干涉，运输是连续的，与区间隧道的长度无关。缺点:轨道需要量增大1倍，轨枕要求的长度长，需要量大。

4.1.2 单线制轨线

列车直接进入盾构机后配套。优点:钢轨和轨枕材料需要量少;轨面标高低，有利于盾构机后配套设备布置;列车运行管理较为简单。缺点:只适用于短区间隧道施工，否则列车运行的脱节将会使盾构机掘进发生停机等待。

4.1.3 复合式轨线

主运输轨线仍为单线制轨线，在后配套后部设2副浮放双开道岔组成会车点。当隧道特长时在隧道中部可增设双线会车点，可以是固定的或可移动式的。会车点间隔距离根据运输系统参数计算确定。既节省钢轨和轨枕材料又满足特长盾构区间施工运输需要。当隧道区间长度短时，复合式轨线相当于四轨三线制轨线，利用盾构机掘进时间，另一组空的编组列车可驶入在后配套后部等待。复合式轨线制兼有单线制轨线和四轨三线制轨线的优点。天津地铁3号线七标区间长度为1 300 m，轨线按此方案配置。

4.2 轨道及轨枕

4.2.1 轨道

轨道采用轨道钢(钢轨)，一般而言，碴土车容量小则采用轻轨，碴土车容量大则采用重轨，24，33，38，43 kg/m 4种规格的钢轨都有使用，但大部分使用者认为24 kg/m的钢轨很容易变形，不建议使用，建议碴土车容量12 m3以上的应使用38 kg/m以上的钢轨为宜，并认为43 kg/m以上的钢轨太重，轨道铺设不方便。

4.2.2 轨枕

轨枕主要有3种型式:一是大轨枕，一般采用18或20号工字钢加工而成，优点是列车行走稳定性好，缺点是一次性投入大，铺设不方便;二是弧形轨枕，采用弧形钢板焊接短槽钢或短钢板焊接而成，优点是一次性投入小，铺设方便，缺点是制作难度较大;三是短轨枕，采用短槽钢下垫钢板，直接铺设在管片底部，其受力性能较差，较少使用。

4.3 出土方式

出土方式分为一次出土和两次出土2种方式。盾构机每一环进尺出土量由1列运输完成即为一次出土，由2列车完成即为两次出土。采用复合式轨线制的前提下采用2次出土方式使盾构掘进中途需等待一次电瓶车往返时间，对施工效率有较大制约，除短区间外基本不采用。

4.4 列车编组方式

一次出土方式运输列车编组主要有以下3种方式。

4.4.1 编组方式1

一个列车编组，由4节碴土车、2节管片车组成和1个砂浆车组成(见图1)。管片运输车在前方，列车进入盾构机后配套系统时，刚好使管片运输车位于管片吊机下方。管片运输车前面不能有其他车辆，否则会防碍管片的吊卸，其次紧跟砂浆运输车，进入时恰好位于盾构机注浆罐附近，再次为碴土车，机车在最后。

图1 列车编组方式1Fig.1 Train formation mode 1

图2 列车编组方式2Fig.2 Train formation mode 2

工作循环:编组列车进入隧道时，管片运输车、砂浆运输车为重车，运碴车为空车。掘进完成后，编组列车驶出隧道时管片运输车、砂浆运输车为轻车，运碴车为重车。列车到达洞口出碴井后，提升门吊把碴车车箱吊离碴车底盘至地面卸碴。然后利用门吊装运管片和砂浆等，然后驶入，完成1个工作循环。

优点:管理简单，工序之间逻辑关系清晰，设备成本较低。

缺点:门吊提升系统成为制约因素，存在盾构机无功等待时间，不利于工期要求和施工成本的控制，仅适用线路较短或盾构始发阶段。

4.4.2 编组方式2

2个列车编组，1号列车编组由4节碴土车+1节平板运输车(用于钢轨、轨枕、润滑油脂及其他杂物)组成，2号编组列车由2节管片车和1节砂浆车组成，如图2所示。

工作循环:掘进后，1号编组列车满载使出，管片拼装，2号编组列车驶入，卸载后驶出。1号编组列车驶入，完成1个循环。

优点:效率较第1种编组方式要高，编组列车和盾构机的利用效率达到充分利用，成本增加不多，适应较长线路(1.0～1.5 km以内)。

为适应特殊土层(如松散系数较大的砂砾层)上述2个编组可进一步优化如下:第1个编组由6台车组成，由1台电瓶车牵引4台碴土车和1台管片车，负责土体和部分管片运输;另1个编组由5台车组成，由1台电瓶车牵引2台管片车及1台浆液车，并增加1台出土车(11.5 m3/台)。每掘进1个循环(1.2 m/环)的土方及浆液由2个编组列车运输到盾构机指定位置。列车编组见图3。

图3 特殊地层列车编组方式Fig.3 Train formation modes for special geology

4.4.3 编组方式3

2个列车编组，2列编组相同，均由4节碴土车、2节管片车组成和1个砂浆车组成，此编组方式即所谓“大编组”方式，列车编组见图4。

图4 列车大编组方式Fig.4 Long train formation mode

工作循环:每列编组列车可完成一环掘进所需材料、碴土改良材料、管片、碴土等运输，两列车交替运行以确保施工的连续。

优点:不受运输距离的约束，对工期有利，组织管理方便。

缺点:成本稍高，但合理组织更能有效地降低施工成本。

4.5 编组车辆选型计算

4.5.1 碴土车选择

4.5.1.1 碴土车在设计时满足技术要求

1)碴土车的长度和浆液车及管片车需同时考虑，整节列车的长度不能超过盾构机内水平皮带输送机的限定长度，否则，最后端的1节碴土车将无法装运碴土。

2)碴土车的碴斗和底盘必须是相对独立的2部分，以使龙门吊在吊运时只吊起碴斗，而底盘不同时吊起。

3)碴土车的宽度不得超过盾构机内部的最大限宽，且有一定的富余量。

4)4节碴土车的容积必须保证一次性装载完每环掘土量。

5)转弯半径不得大于25 m。

6)碴土车必须具有一定的刚度和强度，保证在龙门吊吊运时不发生变形或断裂，同时也不能设计过重，否则，将造成龙门吊超过设计吊重。

7)考虑到碴土车在龙门吊吊出时需顺利翻碴，在碴土车两侧分别设计了起吊轴和偏心翻转轴。

4.5.1.2 碴土车容量计算

1)软土施工区域的盾构区间形式。软土施工区域的盾构区间管片宽度大多为1.2 m，盾构外径最大为6.34 m左右。

2)出土量计算。每环理论出土量:π/4×D2×B=π/4×6.342×1.2=37.88 m3/环(D 为盾构外径，6.34 m;B为管片宽度，1.2 m)。

考虑松方系数的实际开挖的出土量计算:掘进单位循环出碴量为Q=πr2Bη=π×3.172×1.2×1.15=43.56 m3(r为刀盘开挖半径，3.17m;η为松散系数，1.15)。

地质情况不同将导致松散系数差别较大，变化范围在1.05～1.5之间。后配套运输系统要适应多个盾构区间掘进。按照1.15松方系数计算，如与实际不符则靠增减碴土车数量来解决松方系数的问题。

3)碴土车。①使用3节碴土车时:每节碴车要求容量V碴车=Q/3=14.5 m3，选用15.0 m3碴车。使用3节碴土车时，对应的门吊吨位增加，成本增加。同时，对轨道和轨枕的要求适当保守。②使用4节碴土车时:每节碴车要求容量V碴车=Q/4=10.89 m3，选用12.0 m3碴车。使用4节碴土车时，常规使用的配置、门吊和碴车等设备利用率高，施工时间衔接紧凑，技术较成熟。

4.5.2 砂浆车选择

盾构推进中的同步注浆是充填土体与管片圆环间的建筑间隙和减少后期变形的主要手段，也是盾构推进施工中的一道重要工序。浆液压注要及时、均匀、足量，确保其建筑空隙得以及时和足量的充填。浆液车主要是将浆液从洞外运到盾构机后方台车上的储浆池内，满足每环同步注浆的最大注浆量。每推进1环的建筑空隙为1.66 m3。每环的压浆量一般为建筑空隙的100% ～250%，即每推进一环同步注浆量为1.66～4.14 m3。

每循环注浆量Q注浆=3.0m3。取砂浆罐车容量Q罐车=6.0 m3≥Q注浆。外观尺寸为4 390 mm×1 474 mm×2 335 mm。宽度满足最大限宽要求，即1 474 mm＜1 600 mm，以上配置为特殊工况和抢险保留一定的富余量。

4.5.3 管片车选择

依据管片设计图一环的管片设计为3+2+1形式，考虑到重量和稳定性，管片运输最多3片叠放，故每环需采用2台管片车运输。

选用管片车应满足以下技术要求［5］:

1)同时考虑盾构机内部限界尺寸及管片设计尺寸，管片设计尺寸按1 200 mm考虑。

2)管片叠放在管片车上时，必须和管片车是柔性接触，即设置专门的橡胶垫，橡胶垫位置应适于管片受力，防止运输过程中管片的损坏。

3)按照管片的弧形应将管片车设计成“凹”行结构，以保证最底层管片和管片车“三线”的充分接触。

4)转弯半径不得大于25 m。

5)行走装置应设置缓冲装置，制动可靠。

4.5.4 电瓶车选型

电瓶车是水平运输系统的动力工具，也是其核心设备，选用是否得当直接关系到洞内运输能否正常运行，电瓶车的选型主要考虑其牵引能力。

4.5.4.1 电瓶车的选用技术要求［6］

1)每辆电瓶车必须具备牵引1节浆车、2节管片车和4节碴土车并全负荷的能力(即满足大编组牵引能力)。

2)能保证在40‰坡道上安全起动并牵引整列车正常行驶。

3)具备电制动、空气制动和手制动3种制动方式。

4)具有变频装置，以适应不同的工况。

5)配备的蓄电池单次充电需保证10 km的运输。

6)因电瓶车和碴土车、浆车、管片车为一个统一的运输整体，对整体的刹车、轨距、连接方式等应有整体的部署。

4.5.4.2 选型计算

1)工况分析。电瓶车主要有2种工况:一种工况为满载碴土驶出，管片车及砂浆车空载;另一种工况为装载二环管片及满载浆液驶进，碴土车空载。

2)电瓶车牵引时最大载质量计算。电瓶车每环出碴时牵引质量最大，在大编组情况下，最大质量时列车编组为3节15 m3满载碴土车加+1节空砂浆车+2节空管片车，对出碴时牵引质量进行计算，可算出牵引最大质量。其中:M碴=15×1.7=26 t(碴土质量，密度根据地质资料最大为1.9 t/m3，松方密度=1.9/1.15=1.65 t/m3，密度按 1.7 t/m3选用);M碴车=11.4 t(碴车含自质量，按兰州北车提供数据计算，下同);M浆车=7.5 t(浆车自质量);M管片车=2.5 t(管片车自质量)。

机车牵引计算:M碴土车=3×［15×1.7+11.4］=110.7 t，M管片车=2 ×2.5=5 t，M砂浆车=1 ×7.5=7.5 t，合计110.7+5+7.5=123.2 t。4.5.4.3 机车牵引吨位计算

1)35 t机车30‰坡道牵引吨位计算。其计算公式为:

式中:Fμ为黏着牵引力;μ为机车黏着系数，0.26;P为机车黏重，350 kN;Wq为机车单位起动阻力，5 N/kN(根据机车《牵规》取值);iq为坡道阻力系数30‰。

Wq//=3+0.4ig=3+0.4×30=15 N/kN。

将数值代入(1)式可得 GQ=［91 000-350(5+30)］/(15+30)=1 750 kN(约175 t)。

2)35 t机车35‰坡道牵引吨位计算。GQ=［91 000-350(5+35)］/(15+35)=1 540 kN(约154 t)。

3)35 t机车40‰坡道牵引吨位计算。GQ=［91 000-350(5+40)］/(15+40)=1 370 kN(约137 t)。

实际最大牵引吨位Mmax=123.2 t。

5 垂直提升设备方案比选

在盾构施工中，除盾构机外龙门吊是使用频率最高的设备，是盾构配套设备中最重要的设备之一，施工中所有的垂直运输均由龙门吊完成。

5.1 门吊的选择应满足以下技术要求

1)首先应满足满载吊运时的最大重量，即碴斗自重+满载碴土重量或是电瓶车整机自重。

2)根据施工场地条件限制，龙门吊布置一般有2种方式，即平行于盾构掘进方向和垂直于盾构掘进方向，设计跨距应结合施工场地的条件并考虑通用性进行设计。由于工作井尺寸基本固定，龙门吊布置形式是跨双井或单井平行布置，或垂直布置，其跨距均不同，为提高设备适用性，龙门吊一般应按10～26 m跨径进行可变跨径设计，并应考虑采用可拆卸式的双悬臂结构。

3)净高一般设计为8～10 m以上，以保证翻碴结构必须的正常高度(其高度应考虑以下因素:碴土池地面以上高度3～4 m，碴土车高度2.5 m，必要的安全操作空间0.5～1.0 m，如果小龙门吊需从大门吊下通过，还需考虑小门吊结构高度2～2.5 m)。

4)翻碴结构分为2种，即龙门吊中央翻碴和侧面翻碴2种形式，选用时应根据施工场地条件限制自行设计。

5)为保证大车行走平稳，大车行走机构一般采用变频设计，最大行走速度适宜。

6)为节省垂直运输的时间和吊运时的稳定性，主起升结构一般采用变频设计，双制动，最大速度应在10 m/min(重载)左右，空载最大速度可适当加大。

7)起吊扁担采用自动平衡装置，吊具可拆卸，摘挂方便灵活。

8)龙门吊设计时还需考虑声光报警、防雷、防潮、手动夹轨装置、起升高度限位装置、起重量限位装置、大小车行走限位装置、起升高度显示仪、重量显示仪、避雷针、风速仪、蜂鸣器等。

5.2 龙门吊的选型计算

5.2.1 主龙门吊的选型计算

根据施工安排，每个井口需安装1台龙门吊，用于吊装电瓶列车入井及吊出碴车卸碴。以电瓶列车各配套车辆的技术参数为依据，可确定或计算出龙门吊的技术参数。

1)单件最大质量比较。碴及碴车质量:ρ碴×V斗+M碴车=1.7 ×15+6=31.5 t。35 t电瓶车质量:35 t。

2)龙门吊吨位的确定。从1)可以得出，龙门吊吨位应大于35 t。

结合对龙门吊厂家的调查，国标门吊配置为(25/5，32/5(10)，50/10)，非标的有(38/10，45/10)2 种型号，由于起重设备主要配件设计都靠上不靠下，38，45，50t的价格相差不大，故取起质量为45 t U型双梁龙门吊(标准配置)，安全性能满足施工需要。

5.2.2 副龙门吊选型计算

副龙门应考虑具备管片下井和始发阶段小斗出土的条件。吊装最大质量:考虑1节管片车和3片管片，每片管片最大4.5 t，故设计起质量为3×4.5=13.5 t。选取起质量为16 t U型双梁龙门吊(标准配置)，安全性能满足施工需要。

5.2.3 大龙吊卸碴计算

取本标段最大垂直提升高度H=25 m(地下15 m，地上10 m，其中15 m为地面到起重面的距离，而非端头井的深度)。

6 浆液供给系统和辅助设备

浆液供给系统和辅助设备较为简单，此文不做介绍。

7 结论与建议

土压平衡盾构法施工的后配套设备配置方案，涉及到与盾构机能力匹配及施工进度、一次配置成本或长期使用成本、对本标段或今后不同标段的适用性以及施工管理的易操作性等问题。盾构机如要达到较高的施工进度需配置强大的配套设备系统，如要取得高的施工效益需最佳的施工设备配置。设备配置方案应在两者之间选择合适的平衡点。

［1］ 陈馈，洪开荣，吴学松.盾构施工技术［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［2］ 地盘工学会.盾构法的调查·设计·施工［M］.北京:中国建筑工业出版社，2007.

［3］ 王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术［M］.北京:人民交通出版社，2010.

［4］ 沈林冲，张金荣，秦建设，等.杭州地铁1号线盾构选型探讨［J］.铁道建筑，2011(7):71-74.

［5］ 杜亚娥.盾构后配套设备选用原则的考虑［J］.建设机械技术与管理，2009(2):106-108.(DU Ya’e.Consider of shield supporting equipment selecting principle［J］.Construction Machinery Technology ＆ Management，2009(2):106-108.(in Chinese))

［6］ 曾华波.复合地层土压平衡盾构施工应用技术研究［D］.南京:河海大学水利工程专业，2006.