多功能胶轮车(MSV)在TBM施工运输中的工程适应性研究

齐梦学

(中铁十八局集团隧道工程有限公司， 重庆 400700)

多功能胶轮车(MSV)在TBM施工运输中的工程适应性研究

齐梦学

(中铁十八局集团隧道工程有限公司， 重庆 400700)

TBM施工运输主要有2种方式： 1)采用长距离连续皮带机出渣、有轨运输方式运送施工材料； 2)短距离有轨运输出渣并运送施工材料。近年来也有少量项目采用多功能胶轮车(MSV)运送施工材料。为了研究MSV在TBM施工运输中的适用条件，结合MSV的结构特点，从道路适应性与速度、运输能力与适用范围、空间适应性以及操控性能等方面分析其技术可行性，从设备配置及采购、周转材料及安拆、运行方面对比分析其经济性。分析结果表明： 1)针对TBM施工材料运输，当隧道纵坡较大时，从安全角度考虑应该优先选用MSV方式运输； 2)在缓坡隧道中，运距为11 km左右时有轨运输和MSV运送施工材料的综合成本基本相当，运距较小时MSV具有较大优势，运距较大时有轨运输的优势显著。

TBM； 施工运输； 多功能胶轮车(MSV)； 有轨运输； 工程适应性； 经济性

0 引言

随着科学技术的进步，TBM(全断面隧道掘进机)设备制造与施工技术取得了长足发展，技术经济性不断提高，因而TBM法隧道施工技术在国内外的应用越来越广泛。在发达国家，TBM法已经成为隧道施工的首选方法。我国采用TBM施工开始时间虽早，但直到20世纪90年代才真正成功完成了工程实践，之后TBM的工程应用规模不断扩大。山西省万家寨引黄工程同时使用6台双护盾TBM施工[1]，辽宁某在建工程采用8台敞开式TBM同时施工[2]，刚刚开工的新疆某工程将采用20台敞开式TBM同时施工(其中2台用于支洞施工，其余18台用于主体工程施工)，目前正在规划论证的渤海湾烟大海底隧道将采用15台TBM施工，琼州海峡海底隧道将采用12台TBM施工[3]，藏水入疆工程同样需要投入使用大量的TBM[4]。

TBM法的迅速推广和大范围应用，得益于TBM装备水平的提高，同样也离不开施工组织水平的提高、配套设备的发展和进步。例如： 西康铁路秦岭隧道敞开式TBM采用有轨运输出渣的平均月进尺为310 m，纯掘进时间利用率为29.77%[5]；辽西北供水工程TBM6采用连续皮带机出渣、有轨运输运送施工材料，平均月进尺616 m，纯掘进时间利用率达59.76%[6]；吉林引松工程TBM1第1阶段于2016年1月10日提前110 d贯通[7]，采用连续皮带机出渣，平均月进尺710 m，纯掘进时间利用率达63%[8]。上述工程施工成效不断提高是多种因素共同作用的结果，其中出渣及运输技术的发展和进步具有重要的促进作用。

以往关于有轨运输、皮带机出渣方面的研究较多。文献[5]和文献[9]介绍了目前TBM施工常用的出渣运输方式为有轨运输和连续皮带机；文献[10]简要论述不同类型TBM及其配套的出渣和材料运输模式的地质适应性、经济性及施工特点，对连续皮带机、有轨机车和无轨胶轮车运输方式进行了对比分析；文献[11]重点论述了西秦岭隧道TBM施工有轨运输的信息化通信手段及机车日常维护和保养工作；文献[12]研究了小直径TBM施工有轨运输的轨道系统设计、运输车辆选型和设备配置组合方式；文献[13]结合西秦岭隧道从技术、工期、经济效益角度全面对比了有轨运输和连续皮带机2种出渣方式；文献[14]研究了垂直皮带机在城市地铁TBM施工中的应用。

近年来也有少量项目采用多功能胶轮车(MSV)运送施工材料，但针对MSV在TBM施工运输中的应用未见系统论述。基于此，本文针对MSV和有轨运输2种TBM施工材料运输方式进行对比分析，重点从工程应用和技术经济性方面研究MSV在TBM施工运输中的工程适用性。

1 TBM施工运输方式

TBM施工过程中，破岩所产生的弃渣、初期支护及管线延伸所需施工材料、TBM维修保养所需物料、作业人员都离不开运输，并且运输系统对保证TBM正常施工意义重大，高效适用的运输方式能够大大提高TBM施工进度，降低施工成本。

经调研，适用于TBM施工材料的运输方式主要有2种： 有轨运输和无轨运输。有轨运输需要在洞内铺设钢轨，以机车牵引列车编组，可用于所有TBM施工材料及人员运输，也可以运送弃渣；无轨运输，需要配置专用的MSV，否则车辆无法进入狭小的TBM后配套，同样可用于所有TBM施工材料及人员运输，一般不适合运输弃渣。

有轨运输是TBM施工运输的主要方式，近年来长隧道TBM出渣基本上采用连续皮带机方式。在长运距工况下采用皮带机出渣更有利于保证TBM快速掘进、降低成本，但连续皮带机安装拆卸占用的工期较长、一次性投入成本大，因而当运距较小时不宜采用，同时弃渣之外的所有运输还要依赖于有轨运输方式。

MSV无需铺设轨道，可节约周转材料的消耗成本，与有轨运输相比，其运输效率偏低，不适合长距离运输，但在短距离运输时具有一定优势[10-11]。

2 MSV结构、特点及国内外现状

2.1 MSV结构和特点

MSV通常由动力单元、载重单元、制动单元、操作与控制单元4部分组成，总体结构如图1所示。

图1 MSV结构组成Fig. 1 Structural components of MSV

MSV结构组成特点： 1)以低污染柴油发动机作为动力源，采用液压驱动； 2)中间为用于装载物料或人员的多功能平台，高度较低(图1所示MSV42的平台高度为425 mm)，可以装载预制管片、混凝土搅拌运输车、砂浆车、钢筋网、钢拱架、锚杆等全部隧道施工用物资以及人员乘坐车厢，必要时还可以增设随车吊等配套设备与工具，平台长度可以根据施工需求进行针对性设计与配置； 3)前后分别设置1个操作室，洞内运行时无需调头即可轻松实现前后运行，对于洞内狭小空间运输调度极为有利； 4)配备3套制动系统，分别是通过静压传动实现的无磨损制动、作用于每个车轮的液压盘式制动器和用于紧急情况及驻车制动的弹簧制动器，因而其制动性能非常可靠； 5)重载最高运行速度不低于20 km/h，满足洞内运输速度要求； 6)最小转弯半径为25 m，洞内运行更灵活； 7)配置完善的监控系统，时刻监测设备运行状态与参数，确保行车安全。

2.2国内应用情况

经调研，国内有2个项目采用了MSV进行TBM施工运输。

1)内蒙古神东补连塔煤矿2#辅运平硐，采用单护盾TBM施工，开挖直径为7.6 m，管片内径为6.6 m，底管片内表面平面宽度为3.5 m，隧道长度为2 745 m，综合坡度为5.5°[15]。该工程采用连续皮带机出渣，MSV运送施工材料。MSV设备为国产品牌，见图2。经实地考察认为该设备可用，但使用效果较差，主要问题是动力不足、速度慢。

图2 补连塔煤矿使用的MSVFig. 2 MSV used in tunnel of Bulianta Coal Mine

2)山西中部引黄工程TBM2采用双护盾施工，开挖直径为5.06 m，管片内径为4.30 m，底管片内表面底部预留承轨台，TBM掘进总长度为24 km，支洞施工长度为3.67 km，综合坡度为6.5%[16-17]。MSV用于支洞施工期间运输施工材料，采用的MSV设备为国产品牌，属首创的轨道引导式多功能胶轮车，见图3。该设备在本工程的应用效果较差，存在设备功率配置高(700 kW)、故障率高、散热差、轮胎磨损严重、运行速度低等问题。

(a) 运行中的MSV

(b) 维修中的MSV

Fig. 3 MSV used in TBM2 Bid Section of Yellow River Diversion Project in Central Shanxi

2.3国外应用情况

经调研，国外MSV应用实例相对较多，德国Mühlhäuser、法国Techni-Metal Systems(即TMS)、法国Metalliance等品牌的产品均有工程应用实例。某制造商提供的部分MSV应用情况见表1。

3 综合分析

有轨运输和无轨运输技术相对成熟，不同的运输方式有其相应的适应环境，不同运输设备的工程适应性存在差异。

表1 MSV应用情况Table 1 Application performance of MSV

MSV抓地能力强，可提供较大的牵引力和制动力，适用于大坡度洞内运输；前后两端均设置驾驶室，无需洞内调头，有利于行车操控；同时对运输环境也有一定的要求，虽然可以在弧面上行车，但方向控制要求较高。

在长距离运输时，MSV由于摩擦力大、运量小导致综合能耗大，而有轨运输则不存在该问题。

MSV由于发动机功率配置较高，对隧道施工通风要求更加严格，需要从尾气排放、施工通风2方面着手解决。

4 技术可行性分析

结合TBM施工的工程条件和MSV设备运行条件，从以下几方面分析其技术可行性。

4.1道路适应性与运行速度

分析各品牌产品的性能可知，MSV可以在路面平整、倾斜甚至弧面上正常行驶，可适应的坡度通常为12%～25%，不同坡度下的运行速度可达5～25 km/h(理论值)。

敞开式TBM施工时，不可避免地存在拼装钢拱架的区域，此时地面会出现凹凸不平，为了保护钢拱架、避免因洞底积水和淤泥影响胶轮的抓地能力，需将洞底填筑平整，待完工后再清除。

4.2运输能力与适用范围

根据现有车型，MSV大多为单机运行，也有少量品牌的运输车可以形成编组运行，本文以通用的单机为研究对象。

MSV的载重分布范围较广，最小载重为10 t，最大载重可达200 t，能够满足混凝土搅拌运输车/砂浆罐、仰拱预制块/管片、钢轨、人员乘坐车厢等载重需求，还可配置升降平台、随车吊等装备，因此运输能力和适用场合比较灵活。

4.3空间适应性

通常情况下MSV设备宽度为1.0～2.1 m、车板长度达6 m以上，高度为2.0～2.8 m，应根据洞径、TBM后配套净空尺寸、需要的运载能力等边界条件选用，也可以根据工程需要进行针对性设计。

4.4操控性能

采用MSV运输，无需全程设置双车道，间隔适当距离设置错车平台即可，因此大多数情况下MSV在洞底居中行驶。为保证行驶安全，MSV配置有姿态控制传感器，实时监测设备姿态并及时提示驾驶员，以便调整MSV在正常区域运行；此外，有的设备还会配置自动调整功能。

MSV进入TBM后配套区域有2种方式： 1)后配套设计为平台式，通过坡道进入； 2)后配套设计为门架式，走行轨道安装于特制的钢枕上，MSV走行于2根钢轨之间的区域。不论采用哪种方式，都需要在MSV左右两侧设置传感器实时监控与后配套之间的距离，以确保MSV以正确的姿态运行，保证安全。

4.5尾气排放

MSV根据承载能力不同，发动机功率配置差异较大，通常仅运送施工材料时MSV功率为100～400 kW，对应的具有类似功能的有轨运输内燃机车功率配置为80～155 kW；同时MSV的配置数量比内燃机车多，因而其对洞内通风要求更高。通过优化通风系统设计与配置、加强通风管理、增加尾气净化处理装置，MSV在尾气排放方面技术可行。

综上所述，从技术角度分析，MSV能够适应TBM施工物料运输需求，相关技术问题均有相应的解决方案和应对措施，具有较好的技术适应性。

5 经济性分析

本文结合最常用的TBM施工材料及人员运送工况，选择应用最多的敞开式TBM对MSV和有轨运输系统的经济性进行对比分析。

5.1条件设定

2种运输方式下，TBM施工弃渣均采用连续皮带机运至洞外，本次对比分析的对象是施工材料及人员运输。为了方便对比，拟定相同的工况条件见表2。

表2 工况条件Table 2 Engineering conditions

有轨运输采用P43钢轨铺设在钢枕上，布设单线轨道，洞内每2 km铺设1组错车平台(含道岔长度约80 m)。每个列车编组可以运输2个掘进循环所需物料，则通常情况下的列车编组为牵引机车1台+6 m3混凝土罐车2台 + 平板车1台 + 人车1台，上下班人员单独运输，运送钢轨时增加1台平板车(可以随时运输，但通常会在整备时间运输备料)，最大牵引质量为75～80 t。可选用粘着质量为20 t的内燃机车，发动机功率为100 kW。

MSV走行在洞底时，通常不需要特殊处理。上述工况下可选用单台载重25 t的MSV，满载42 t，发动机功率为168 kW，单台次可运输6 m3混凝土罐车1台及部分钢拱架、钢筋网、锚杆、钢枕等材料或者人员，上下班人员单独运输，钢轨利用整备时间单独运输，采用分体式混凝土罐车和人员乘坐车厢。洞内每1 km设置1处错车平台，长度约25 m。

5.2设备配置及采购成本

结合TBM施工工况，按同等运距计算、对比2种运输方式的设备配置，见表3。

表3不同运距设备配置情况

Table 3 Equipment allocation with different transportation distances

最大运距/km车辆数量LOCO/列MSV/台323837124101561320716

注： 有轨运输以“LOCO”表示，多功能胶轮车以“MSV”表示，下同。

根据表3统计施工材料运输设备配置及采购价格情况，见表4。

表4设备配置及采购价格对比

Table 4 Comparison between locomotive transportation and MSV transportation in terms of equipment allocation and purchasing cost

运距/km运输方式设备名称规格台数单价/万元合价/万元总价/万元备注38121520LOCOMSVLOCOMSVLOCOMSVLOCOMSVLOCOMSV内燃机车20t2200400混凝土罐车6m3525125平板车10t3824人车20人3824MSV42t34281284混凝土罐6m342080人车车厢10人42．510内燃机车20t3200600混凝土罐车6m3725175平板车10t4832人车20人4832MSV42t74282996混凝土罐6m3820160人车车厢10人52．512．5内燃机车20t4200800混凝土罐车6m31025250平板车10t5840人车20人4832MSV42t104284280混凝土罐6m31120220人车车厢10人52．512．5内燃机车20t62001200混凝土罐车6m31425350平板车10t7856人车20人5840MSV42t134285564混凝土罐6m31520300人车车厢10人62．515内燃机车20t72001400混凝土罐车6m31625400平板车10t9872人车20人6848MSV42t164286848混凝土罐6m31820360人车车厢10人82．52057313748393168．511224512．51646587919207228备用1台备用1台备用1台备用1台备用2台备用2台备用1台备用1台备用2台备用1台备用2台备用1台备用2台备用4台备用1台备用2台备用2台备用2台备用4台

5.3周转材料及其安拆成本

为了简化对比过程， 2种运输方式下相同的配置不作比较，仅就不同之处进行对比分析。

配置基本相同之处： 1)TBM后配套走行钢轨； 2)TBM后配套钢枕，虽然二者略有区别，但对成本影响不大，成本差异可忽略。

配置不同之处： 1)有轨运输需要配置钢轨、扣件、钢枕、道岔、错车平台等，钢枕以工20型钢加工； 2)MSV运输仅需配置错车平台，可以利用弃渣现场施作而不必花费材料成本。

经计算、分析和汇总，上述周转材料配置数量及采购成本见表5。

表5周转材料配置数量及采购成本对比

Table 5 Comparison between locomotive transportation and MSV transportation in terms of circulation material amount and cost

运距/km主要周转材料配置LOCO钢轨/t钢枕/t错车平台道岔MSV错车平台周转材料成本/万元LOCOMSV3310470162428．97．158750126031071034．925．031211001890514111531．539．331513652360718141918．750．062018053150922192524．767．94

注： 周转材料成本包含扣件等辅助物资。

周转材料安装及拆卸成本统计见表6。

表6 周转材料安拆成本对比

5.4运行成本

有轨运输与MSV运输方式的运行成本差异主要体现在燃油消耗、维护保养和人工工费3方面。司机、材料装卸、有轨运输轨道安装、运输调度、扳道工等按3班配置人员，设备维护保养、线路维护按1班配置人员。燃油消耗和维护保养成本参考多年施工统计数据以及制造商提供的信息。

运行成本统计见表7。

表7 运行成本对比

5.5综合成本

根据设备折旧、周转材料摊销分2种情况分析综合成本： 1)全部按照采购成本对比； 2)考虑折旧和摊销因素。

按照设备及周转材料采购成本对比2种运输方式的综合成本见表8。按照设备折旧、周转材料摊销成本对比2种运输方式的综合成本见表9。根据相关管理规定，设备折旧年限为10年、周转材料摊销年限为12年，残值均按5%计算。

表8 综合成本对比(采购价格)

表9 综合成本对比(折旧摊销价格)

由表8可见，设备与周转材料按照采购成本计算，有轨运输综合成本普遍低于MSV运输成本，相差比例为21%～34%。

但是，对于任何一个施工项目，设备及周转材料不应按采购成本核算，而应按折旧与摊销成本进行核算。在此条件下，运距为11 km时有轨运输与MSV运输施工材料成本基本持平；11 km以内的小运距情况下有轨运输综合成本高于MSV，运距越小二者差值越大，差值比最高达到70%(运距为3 km时)；运距11 km以上的大运距情况下有轨运输综合成本低于MSV，并且随着运距加大有轨运输的成本优势越发明显，运距为20 km时二者差值比最高达14.53%。图4示出LOCO和MSV运输成本差与运距的关系曲线。

图4 LOCO和MSV运输成本差与运距的关系曲线

Fig. 4 Relationship between transporting cost difference (between locomotive transportation and MSV transportation) and transportation distance

6 结论与讨论

1)当隧道坡度较大时(3%以上)，从安全的角度考虑，MSV具有明显优势，应优先选用。虽然内燃机车和列车编组能够适应的坡度较大，如SCHÖMA内燃机车的运行坡度可达7%，也有特种机型能够适应更大坡度，但其运载能力会大大降低，安全风险相对较高，因此不建议采用。

2)在坡度较小情况下，小运距时MSV的技术经济性高于有轨运输，建议采用性能可靠、应用业绩丰富的MSV产品；根据现有数据，运距11 km左右时MSV和有轨运输的技术经济性基本相当，用户可根据自身设备物资持有情况、技术储备、人才储备、操作习惯等因素综合判定，择优选用；大运距时有轨运输系统具有一定的优势，并且运距越长其优势越明显。

3)MSV用于TBM施工出渣运输的技术经济性，还有待进一步论证。

4)任何一项技术、一种设备，都有其特定的适用条件，应科学对待。MSV同样如此，推广介绍、论证选用时要站在客观的立场上，遵循科学规律。

5)国产MSV虽然已经投入使用，但总体性能与国际品牌尚存在一定差距，可靠性偏低，希望国内厂家继续深度研发，提升设备可靠性，进而得以推广应用。

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StudyofEngineeringAdaptabilityofMultifunctionalServiceVehicle(MSV)toTBMConstructionTransportation

QI Mengxue

(TunnelEngineeringCo.,Ltd.,ChinaRailway18thBureauGroup,Chongqing400700,China)

There are two kinds of transportation modes in TBM construction transportation, i.e. long-distance mucking by continuous belt conveyor and locomotive transportation of construction materials and short-distance mucking and construction material transportation. In recent years, a few multifunctional service vehicles (MSV) have been used for construction material transportation in some projects. The technical practicability of MSV is analyzed in terms of road adaptability and speed, transportation capacity and application field, space adaptability and control performance; and the economy of MSV is analyzed in terms of equipment allocation and purchasing, circulation materials and installation and operation. The analytical results show that: 1) The MSV should be chosen considering safety factors when the tunnel longitudinal slope angle is large. 2) The locomotive transportation and MSV transportation can both be chosen considering comprehensive cost when the tunnel longitudinal slope angle is small and the transportation distance is about 11 km.The MSV transportation is superior to locomotive transportation when the transportation distance is short; while the locomotive transportation is superior to MSV transportation when transportation distance is long.

TBM; construction transportation; multifunctional service vehicle (MSV); locomotive transportation; engineering adaptability; economy

2017-05-04;

2017-09-05

齐梦学(1973—)，男，河北乐亭人，2010年毕业于石家庄铁道大学，建筑与土木工程专业，硕士，教授级高级工程师，现从事TBM施工技术、施工管理研究与应用。E-mail: tbmabc@163.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.11.018

U 455.3

B

2096-4498(2017)11-1475-08