土压平衡盾构机渣土运输系统设计

张小熊　游志诚（.中交佛山城市轨道交通号线一期工程EPC项目总经理部，广东　佛山　58000；.中交二航局技术中心，湖北　武汉　430074）



土压平衡盾构机渣土运输系统设计

张小熊1游志诚2
（1.中交佛山城市轨道交通2号线一期工程EPC项目总经理部，广东佛山528000；2.中交二航局技术中心，湖北武汉430074）

摘要：以某地铁线土压平衡盾构区间的渣土出运设计为例，介绍了土压平衡盾构的渣土运输系统，从渣土车选择、电瓶车运输能力选择等方面，阐述了电瓶车编组的方式，通过对其运输系统工效的分析，指出该工程采用的渣土运输设计方案，提高了盾构掘进速度，缩短了施工工期。

关键词：城市轨道，土压盾构，运输系统，渣土，电瓶车

0　引言

城市轨道交通已成为当今世界城市交通快速发展的主要动力，随着隧道非开挖技术的日益成熟，盾构法隧道施工带来的技术革新和技术效益正在凸显［1，2］。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［3］；土压平衡盾构施工的工效一直是工程师关注的重点，盾构机的掘进效率不但由盾构机自身的掘进速度控制，很大程度上受到其后配套运输系统运输工效的制约［4，5］。

由于土压盾构较泥水平衡盾构的诸多优点，盾构工法通常作为首选，土压平衡盾构不但造价较低，同时掘进速度较快，场地需求也较小。

但是，后配套运输系统和盾构掘进能力必须相匹配才能保证隧道掘进的速度。据此，根据施工规范、设计文件以及隧道区间地层情况，以运输体系能够科学高效的配合盾构掘进为原则，下文给出了复合式土压平衡盾构的运输方案配置设计。

1　工程概况

某市城市轨道交通2号线的A站～B站区间沿大道向北地下敷设，全长775 m，为复合式土压平衡盾构机施工，隧道为圆形断面，主要在粘土地层掘进。图1为A站盾构施工阶段的场地布置图。

图1　A站盾构施工阶段场地布置图

2　城市轨道运输系统

国内土压平衡盾构的渣土运输系统主要是有轨运输方式，有轨运输由水平运输和垂直运输组成。

垂直运输体系分为渣土出运和管片吊装两种，组成垂直提升的运渣倒渣系统以及管片、材料垂直下放系统。

水平运输体系主要是电瓶车牵引车和电瓶车编组，电瓶车编组包括渣土车、管片运输车和砂浆车。

轨道运输的轨线有四轨三线制轨线、单线制轨线、复合式轨线（单线制轨线加会车浮放轨）等三种方式可供选择。

1）四轨三线制。四轨三线制主要是左右两线的运输互不干涉，运输过程保证连续，且不受隧道长度的制约，在隧道长度上适应范围广。但是四轨三线制的缺点主要是钢轨和轨枕材料需要量大，且在较长隧道运输时主要还是为单线制轨线运输，目前国内的盾构隧道施工，渣土运输方式还未见诸报道使用实例。

2）单线制轨线。单线制轨道由两条轨道组成，占用隧道空间少，不受台车大小限制，运输过程中不受干涉，需要的轨道材料最少。但是在渣土出运过程中，盾构机很大一部分时间只能在停滞状态，不能进行掘进，需等待电瓶车完成一个运输循环才可进行下一次掘进，工效较低。

3）复合式轨线制。复合式轨线是结合了单线制轨线和四轨三线制轨线的优点，采用浮轨进行两种轨线之间的对接，不仅能满足施工工效，而且轨道材料需求也较少（见表1）。故本次盾构施工过程中拟选用该运输方式。

表1　三种运输方式优缺点

3　电瓶车编组

土压平衡盾构电瓶车编组需要渣土车、管片车和砂浆车。根据复合式轨线制运输方式，一列电瓶车编组需完成一环管片的掘进，渣土运输，管片运输以及砂浆运输。

3.1渣土车选择

不同地层的松方系数有所差别，一般松方系数取1.5进行计算，通常每立方米土方容重1.8 t～2 t，根据此区间地层和地下水特性，取1.9 t/m3。A站～B站区间土压平衡盾构机开挖直径为6.28 m，管片外径为6 m，内径为5.4 m，管片宽L =1.5 m。

1）每环渣土实方数约为：

V =πr2L =3.14×（6.28/2）2×1.5 =46.5 m3。

2）每环渣土重量为（渣土比重ρ=1.9 t/m3）：

G1=ρV =46.5×1.9 =88.35 t。

3）每环最大立方数约为（渣土的松散系数Ks=1.5）：

V' = VKs=46.5×1.5 =69.8 m3。

4）每环掘进需要渣土车数量：

N = V'/18 =3.88。

故选择4辆18 m3渣土车，可满足渣土出运需求。

3.2砂浆车和管片运输车选择

1）管片为C50混凝土浇筑，比重：

管片的含钢量为ρ2=180 kg/m3，一环管片重量为：G4=（ρ1+ ρ2）·V4·L1=20.8 t。

故需采用20 t管片运输车2台。

2）掘进一环管片需要砂浆方量为（通常注浆填充系数k's取1.4进行计算）。

故取1台6 m3的砂浆车。电瓶车编组选择见表2。表3为单环管片掘进运输参数。

表2　单台电瓶车编组

表3　单环管片掘进运输参数

3.3电瓶车运输能力选择

电瓶车运输能力需要考虑电瓶车编组进入隧道和驶出隧道两种情况下的负载情况，取最大负载。

1）渣土重约：G1=88.35 t。

2）4辆渣土车（自重4 t/辆）重量约：

G2=4×4 =16 t。

3）2辆管片车（自重2.5 t/辆）重量约：

G3=2.5×2 =5 t。

4）1辆砂浆车（自重5 t/辆）重量约：G5=5 t。

5）砂浆比重取2.2 t/m3，故砂浆载满重量为：

G6=2.2×6 =13.2 t。

6）机车牵引退出隧道时，渣土车满载，管片车、砂浆车空载。牵引负荷为：

G = G1+ G2+ G3+ G5=114.35 t。

7）机车牵引进入隧道时，运送管片和砂浆至工作面，此时渣土车为空载。牵引负荷为：

G' = G2+ G3+ G4+ G5+ G6=60 t。

故机车最大牵引重量出现在出渣运输过程中为：G =114.35 t。

通常施工过程中土压盾构掘进选用25 t和45 t电瓶机车作为运输系统中的牵引车，选用25 t和45 t机车做对比计算分析，主要参数见表4。

表4　两种电瓶车参数对比

w'q为机车单位启动阻力计算单位启动力，根据《列车牵引计算规程》取5 N/kN；w″q为货运车辆的启动基本阻力。

25t电瓶车启动牵引吨位计算：

45t电瓶车启动牵引吨位计算：

综上25 t电瓶车可以满足要求。

后配套运输系统采取4 + 2 + 1形式可以满足一环管片的掘进，即4台18 m3的渣土车，2台管片车，1台砂浆车。

4　门吊选择

土压盾构垂直运输系统通常由两台龙门吊组成，一台运输管片，一台运输渣土。

1）管片运输门吊。经计算一环管片重G4= 20.8 t，一节管片运输车最大叠放三块管片，故此一环管片分两次吊装。故此16 t门吊可以满足吊装需求。

2）渣土运输门吊。渣土出运时，渣土车和渣土一同起吊，重量为：

G7=（G1+ G2）/4 =26.1 t。

故选45 t门吊可以满足渣土垂直运输要求。

5　工效分析

整个运输系统工效需综合考虑水平运输和垂直运输工效，以及是否与盾构机掘进能力相匹配。以下运输系统均是基于复合式轨线制运输方式进行。1）水平运输。罗宾斯盾构机掘进速度通常为5 cm/min，一环掘进时间为30 min。通常电瓶车行走速度平均为8.8 km/h。2）垂直运输。45 t门吊每次卸渣循环时间为：小车平均行走行程10 m，大车平均行走10 m，提升及下降平均速度8 m/min，小车行走平均速度12 m/min，大车平均行走速度为20 m/min。门吊卸渣每个循环时间大约为12 min，故每天理论能进行120次循环（24 h）。渣土车共4节，单环管片出渣时间理论为48 min，加上管片吊装及砂浆注入时间为1 h左右，见表5。由表5可知，单环管片掘进的理论循环时间为1 h 50 min，将设备故障，坡度等其他因素考虑在内，2 h可以进行一次循环。一个月按30 d工作考虑，盾构最多可以掘进360环，远超设计180环/月的掘进速度，可以缩短工期。

表5　盾构掘进及运输系统循环时间表

6　结语

A站～B站盾构区间，土压平衡盾构后配套系统可配备45 t门吊一台，16 t门吊一台，25 t电瓶车组2台，电瓶车编组选取4节渣土车，2节管片车和1节砂浆车可满足每月最大360环的掘进速度。可为同类土压盾构施工后配套系统提供借鉴。

参考文献：

［1］王吉华.土压平衡盾构始发掘进施工技术［J］.山西建筑，2009，35（9）：335-336.

［2］卢晓慧.盾构到达接收施工技术［J］.山西建筑，2010，36 （12）：314-316.

［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.

Design of refused-soil transportation system of EPB shielding machine

Zhang Xiaoxiong1You Zhicheng2
（1.China Communication Foshan City Rail Transit Line No.2 Period 1st Engineering EPC Project Headquarter，Foshan 528000，China；
2.CCCC Second Harbor Engineering Co.，Ltd，National Enterprise Technology Center，Wuhan 430074，China）

Abstract：Taking the refused-soil transportation design the EPB shielding region of the subway line as an example，the paper introduces the refused-soil transportation system of EPB shielding system.Starting from aspects of refused-soil machine selection and battery truck transportation capacity selection，it describes battery truck organizing methods.Through systematically analyzing its transportation system efficiency，it points out that：it improves shielding digging speed and shortens construction duration through applying refused-soil transportation design scheme.

Key words：urban rail transit，Earth Pressure Balanced（EPB）shielding method，transportation system，refused-soil，battery truck

中图分类号：U455.43

文献标识码：A

文章编号：1009-6825（2016）06-0162-03

收稿日期：2015-12-18

作者简介：张小熊（1981-），男，高级工程师；游志诚（1990-），男，硕士