西秦岭特长隧道TBM施工有轨运输系统工程实践

郑孝福

(中铁隧道局集团二处有限公司， 河北 三河 065201)

0 引言

西秦岭隧道重庆段采用直径10.2 m的敞开式TBM进行施工，采用同步衬砌施工技术，连续皮带出碴，有轨运输进料，独头有轨运输最长距离达到20 km。运输系统需为隧道TBM掘进及全段隧道多处衬砌工作面供应材料，需满足TBM快速掘进和同步衬砌快速施工的需要，因此，布置合理有效的运输系统至关重要。目前文献[1-14]均是对有轨运输运输设备选型、牵引力计算和运输方式等某一方面或几个方面的介绍，例如： 文献[1]介绍了单线电气化铁路隧道施工有轨运输系统的布设，其实施条件、运力需求与西秦岭特长隧道TBM施工条件差异很大； 文献[2]对项目涉及有轨运输的信息化进行了介绍； 文献[6]介绍了有轨运输和无轨运输衔接的方法和技术。以上文献均未结合TBM快速施工需求对整个运输系统的规划和调整过程进行系统且全面地论证和分析，大部分文献仅对有轨运输中的某一个局部细节进行了研究。本文结合西秦岭隧道项目情况对运能分析、编组配置和道岔布置的规划方法进行了详细介绍，阐述系统规划—实践—修正的管理过程和方法，以期为同类工程提供参考。

1 工程概况

西秦岭隧道是兰渝铁路的第一长隧，是全线的控制工程，洞身全长28.236 km，左右线分离式设计。其中，左线出口DIK421+239～DIK415+645段(5.594 km)及DIK410+930～DIK403+590段(7.340 km)共计12.934 km采用TBM法施工，洞口DIK423+352～DIK421+239段(2.113 km)和DIK415+645～DIK410+930段(4.715 km)共计6.828 km为钻爆法施工的预备洞，TBM步进通过。隧道纵坡为人字坡，洞口16.22 km为3‰的上坡，然后分别为长620 m的7‰反坡和长2.52 km的13‰反坡。西秦岭隧道左线出口段平面示意图如图1所示。

图1西秦岭隧道左线出口段平面示意图(单位： km)

Fig. 1 Sketch of plan of exit section for left line of West Qinglin Tunnel (unit: km)

2 运能需求及设备配置

洞内布置4轨双线43 kg/m的钢轨，轨距为900 mm，线间净距为110 cm，内燃机车牵引。隧道掘进机出碴采用连续皮带机，不占用有轨运输资源。有轨运输系统为隧道衬砌各工作面提供混凝土、TBM掘进所需的仰拱块和支护材料，负责洞内施工垃圾的清理运输、整个左线出口施工段的人员通勤以及辅助零星材料的运输。第1阶段掘进长度为5 594 m，二次衬砌配置2台模板衬砌台车，有轨运输最远覆盖长度为7 707 m，洞外车场布置、车辆编组、调度系统均已定型并实践； 第2阶段施工运输最远覆盖长度为20 km，根据第1阶段的总结分析，对第2阶段有轨运输系统进行了优化，并结合工期要求将整段衬砌模板台车增加至7台。

2.1 运能需求计算

根据TBM段地质情况和以往的施工经验估计，掘进速度可以达到2 m/h。掘进机按照9-9-6原则组织施工，即连续掘进2个班(18 h)后，停机6 h进行强制保养，极限情况下每天有效掘进时间可以达到18 h，即估算的最大掘进速度可以达到36 m/d。结合设计资料可得掘进工作面材料日最大需求量，见表1。

表1 掘进工作面材料日最大需求量

二次衬砌采用同步衬砌，施工进度与掘进尽量匹配，采用16 m的衬砌台车，考虑2个工作面同时施工的运输能力，每组浇筑时间按15 h计算，并保证工作混凝土的连续供应，需求量按延米设计方量7.5 m3计算取值。经计算，每小时混凝土最大运能要求为16 m3，即每个工作面8 m3/h。

2.2 列车编组

依据隧道运能要求和目前轨道运输通用设备的性能参数，列车编组主要分为二次衬砌混凝土运输列车、喷射混凝土运输列车、仰拱块运输列车、轨线及其他材料运输列车和注浆料运输列车5种类型。列车编组情况见表2。

表2 列车编组情况

注： 列车编组需对牵引力、制动力等进行论证，本文对此不进行专门的论述。

2.3 列车配置

根据单列编组运载能力、行车速度和施工运能需求进行列车配置，行车速度按20 km/h考虑，并按最远运距计算，对第1阶段各列车组数配置计算如下：

1)仰拱块运输列车配置计算。车辆单程运行时间30 min，洞外装车时间40 min，调车时间30 min，则每列车送达时间100 min，即单列运能为100 min运输2块仰拱，小于运能要求的每小时运输2块仰拱。因此，应配置2列仰拱块运输列车。

2)喷射混凝土运输列车配置计算。车辆单程运行时间30 min，洞外装车时间50 min(含移车接料)，调车时间30 min，则每列车送达时间110 min，即单列运能为8.7 m3/h，小于14 m3/h，不满足要求。因此，应配置2列喷射混凝土运输列车。

3)二次衬砌混凝土运输列车配置计算。车辆单程运行时间30 min，洞外装车时间40 min(含罐车关舱)，调车时间30 min，则每列车送达时间100 min，即单列运能为6 m3/h。考虑工作面连续浇筑的要求，按工作面核算运能，不满足每工作面8 m3/h的要求，即每工作面应至少配置2列二次衬砌混凝土运输列车，总计需配置4列。

4)轨线及其他材料列车配置计算。车辆单程运行时间30 min，洞外装车时间60 min，调车时间30 min，则每列车送达时间150 min，即单列运能为20节/h，不满足10节/h的运能要求。因此，可配置1列轨线及其他材料列车。

5)配置1列注浆料运输列车，由于运输能力要求低，完成注浆作业后，可用作改挂人员运输车通勤并可作为备用机车，主要在设备强制保养期间(6 h)运行，不占用18 h的运输高峰期。

综上计算，为满足第1阶段的最大运能需求，应配置10列编组列车。根据第1阶段的实践情况，对第2阶段的设备编组方式和列数进行了调整，内燃机车增加至16台，筒式混凝土输送车增加至14台，全段隧道运输列车由10列增加至16列，并专门设置了人车牵引机车和TBM末端专用调车牵引机车。运输设备配置见表3。

表3 运输设备配置

3 轨道布置

隧道洞口紧邻洛塘河，地形起伏较大，场地狭窄，洞口处仅有长80 m的场地可以作为TBM主机拼装的场地，轨道通过设置在洞口前方的军便梁跨越洛塘河进入布置在隧道对面山侧的洞外生产临时设施场地。

3.1 洞外车场布置

洞外车场主要负责材料的装卸、车辆编组、车辆进场及始发、车辆停放及维修，是整个运输系统的心脏位置，其需要结合拌合楼、材料堆放场、吊装设备、卸料场、修理车间的位置并根据地形条件合理布置轨道。西秦岭隧道洞外车场的场地非常紧张，包括拌合楼、仰拱预制场、钢筋加工场、修理车间、材料堆放场和皮带机弃碴场等，总面积为19 800 m2。受地形影响，整个场地呈“勺”型布置。洞外车场布置如图2所示。

在洞口和车场之间设置列车进场等待区，布置3股道，其中2股道在需要时停放列车，另1股道用于重车进洞，既能保证洞内大量空车集中出洞时不会集中进入车场而导致车场塞车，造成调车困难和装车困难，又能保证重车进洞时可在等待区切入Ⅱ线进洞，该线上所有车辆均向洞内行驶，Ⅰ线(洞内空车出洞线)上的所有车量均向洞外行驶。

车场设置12副道岔，C1～C11为单开道岔，C12为菱形道岔。1#～3#线位于跨径25 m的龙门吊下，1#线为空车进入线及洞内运出大物件卸车线； 2#线和3#线为TBM掘进时所需的仰拱块、钢支撑、钢轨、网片等材料运输车辆的装载线及始发线，能满足4列车始发； 4#线和5#线为车辆停车线及喷射混凝土和二次衬砌混凝土车辆空车等待线； 6#～8#线为车辆维修线； 9#线为洞内文明施工的杂物运输及虚碴的弃碴线。

C4和C11之间为90拌合站的接料位置，C7和C10之间为75拌合站的接料位置，所有混凝土运输车辆在车场缓冲区切换到Ⅰ线，通过C4切换到90拌合站或直接进入75拌合站装载混凝土，装载完成后直接始发。如果2个拌合站均有车辆正在装载，则进场的混凝土运输车辆通过C7切入4#线或5#线等待。

车场内1#～9#线均为平坡，线路最小转弯半径为25 m，在牵引机车紧张的情况下，可以人工推动材料车辆进行调车编组作业。

3.2 洞内运行区段分段及轨道布置

洞内每2～3 km作为1个区段，设置单开道岔连接左右线。道岔设置过密则会影响行车速度，易造成台车频繁跨越道岔，使道岔失去意义； 设置过稀会造成车辆会让困难，容易出现同一道岔位置多列车同时避让的情况，使运能降低。在正常情况下，轻车和重车分开行驶，在某区段内一侧道路被堵塞的情况下，列车在此区段单线行驶。通过单线地段时，一般采取重车先行的原则。单线地段主要出现在衬砌施工地段，一侧轨道摆放输送泵而被隔断。在理想情况下，进区间和出区间的列车数量应相等且每个区间只有2列车，即上下行各1列车，避免出现多列车相互避让的情况。对于第1阶段，施工长度为7.7 km，按8 km估算，高峰期间按8列车进洞、1列车在洞外车场的工况考虑(不考虑注浆车，其可以避开高峰运行期)，最优的情况是“四进四出”及左侧或右侧线路上同时有4列车在不同区间对向运行，由此估算出道岔的设置间距为2 km。但是在工程实践中，发车时间往往不能控制到等间隔状态，也不是所有列车均在隧道内运行，且道岔安装时间较长，对现场施工影响很大，故安装时机一般选择在运输压力较小时进行，如在TBM接驳电缆或维修期间。因此，实际上道岔间距一般按大于2 km、小于3 km的原则并根据现场施工情况进行布置。

图2 洞外车场布置图

3.3 TBM末端轨道布置

TBM末端设置浮放道岔，Ⅰ线和Ⅱ线轨道通过道岔进入TBM上的单线轨道。在道岔后面50 m的Ⅱ线上设置重车等待区，当TBM上有列车正在装卸时，进洞的车辆则在等待区等待，否则直接进入TBM装卸。

4 运输调度

4.1 调度安排

施工列车运行具有很大的随意性，工程中采用了“分区负责、集中控制”的方式进行指挥调度。

分区负责是指将车辆调配范围分为洞外车场调度、运行区间调度和TBM末端调度，每班配备1名调度室总调度员、1名车场调度员、1名TBM末端调度员和1名机动调度员，他们分别在不同的调度范围担负不同的调度任务。

1)洞外车场由洞外车场调度员负责，其任务为空车进站引导、车辆装卸、编组和重车始发，目的是根据总调度的指令使相关重车尽快始发出场，而将需要进场的空车尽快调入装车位置并快速装卸。

2)区间调度员负责车场与TBM末端之间运行区间的调度，重点监控洞内通过单线地段车辆的通行秩序，防止车辆在该段发生拥堵。同时，需掌握发生在封闭区段一侧的动态情况，并随时向总调度报告车辆运行情况。

3)TBM末端调度负责TBM 7#拖车尾部的车辆调度，防止车辆在此发生拥堵，并及时向总调度发出需求指令，总调度根据需求指令指示洞外车场重车始发及车辆编组。

4)总调度根据各区调度员反馈的信息进行总体协调。每个机车上配备1名司机和1名调车员，调车员根据调度指令指挥车辆运行至目标作业位置。

在以上的编组模式中，根据情况也可将砂浆车挂在喷射混凝土运输列车的前面进洞，第1阶段经常采用此种模式，受列车牵引力的限制，在第2阶段不再采用此种编组模式。

喷射混凝土运输列车、注浆车、二次衬砌混凝土运输车在洞口车场缓冲段切换到Ⅰ线进入车场。如果拌合楼有闲置，则可以进入75拌合站或通过C4切换至90拌合站装载混凝土，然后直接在拌合楼下始发进洞； 如果拌合站无闲置，则列车经过C7切入4#线和5#线等待。

仰拱块运输车、轨线及其他材料运输列车在洞口缓冲段切换到Ⅰ线进入车场，经过C6切入1#线，如果列车需要卸载，则在1#线末端采用跨径25 m的龙门吊卸车辅助其卸载，否则进入2#或3#线装车，然后运行至C5附近等待始发指令。

由于混凝土列车的进场线和始发线均为Ⅰ线，在混凝土列车始发时可能与其他进场的列车在Ⅰ线上相遇。为了防止车辆堵塞，在洞口和车场进车线Ⅰ线之间设置3线缓冲区，在C3位置设置进场信号，如没有其他混凝土车辆始发，则车辆经过C3进入车场，否则在缓冲区等待进场信号。

4.2 调度指挥系统

在整个机车运行范围内设置无线对讲系统和手机网络，在车场、TBM末端等重要位置设置视频监控系统，在台车、龙门吊、拌合站操作室和TBM值班室设置固定电话。调度系统结构如图3所示。

图3 调度系统结构图

每列车、每名值班调度员、装载龙门吊和拌合楼均为调度通信终端。在总调度室，总调度根据视频监控能看到车场车辆的进站、始发、车辆装载情况和TBM上车辆的卸车、到达和离开情况； 通过调度系统能掌握整个工地上列车的全面运行情况； 通过对讲机和各终端能实现点对点、点对面的语音通信，掌握和控制每个终端的运行情况，各通信终端又能实现点对点的互通。各分区调度根据总调度反馈的信息和辖区的情况，通过语音通信系统对调度区域的列车进行指挥，保证运输系统高效地运行。

5 结论与体会

西秦岭隧道自2010年7月TBM开始掘进，截至2013年4月TBM掘进完成，累计掘进12.87 km，平均月进度415 m，最快月进度841.8 m，最快周进度235 m，其中周进度和月进度均突破当期同等直径TBM掘进的世界记录。2010年9月开始同步衬砌，2014年1月完成主体段落隧道衬砌施工任务，同步衬砌平均月进度为458.2 m，衬砌最快月进度为842.5 m。2015年下半年开始逐步拆除有轨运输系统转入道床施工，有轨运输作为重要的生产支撑系统，为全段隧道掘进和衬砌的快速施工提供了基本保障，通过实践，验证了运能需求分析和设备配置方法的正确性以及运输系统布置的合理性。通过该工程施工，得到以下几点体会。

1)要重视洞外车场的布置。TBM有轨运输系统列车运行密度大，车辆装卸作业多，输送材料种类多，车场的轨线布置要与洞外拌合楼、材料存放区及装卸设施配套，可以形成材料装卸区、始发区和等待区。在临时工程设计时要综合考虑生产设施和轨线之间的相互配套。

2)要合理布置列车编组形式。在本工程中，第1阶段和第2阶段的列车编组发生了变化，且不可以提前预见，需要在施工中不断总结和调整，如仰拱块运输列车由2节调整为4节，进入TBM后方区间解编存储，再由机头推上TBM使用。调整后的编组方式减少了行车密度，同时在TBM保养期间也能提前运输相关材料进入存储区间，通过拉长有效运输时间的方式降低运输强度。

3)提高调度系统的信息化程度，使调度人员能及时收集车辆运行信息和各个工作面的需求信息，并能迅速地处理各种施工信息，提高车辆、运输轨线的使用效率，减轻列车运行过程中的塞车现象。

随着长大隧道施工距离的不断增加，对长大隧道施工运输系统的要求越来越高，如何使施工运输系统高效、快捷是一个具有长期研究潜力的课题。

[1] 熊文安. 有轨运输在钻爆法小断面特长隧道安革连—琶布铁路安全隧道施工中的技术运用[J]. 隧道建设, 2015, 35(增刊2): 97.

XIONG Wen′an. Application of track transportation in construction of small cross-selection extremely-long tunnel constructed by drilling and blasting method: Case study of Angren-Pap Railway Tunnel[J]. Tunnel Construction, 2015, 35(S2): 97.

[2] 杨永强, 徐赞. 西秦岭TBM铁路单线隧道信息化辅助有轨运输安全管理[J]. 隧道建设, 2011, 31(增刊2): 218.

YANG Yongqiang, XU Zan. Safety management of information-aided assistant track transporttion: Case study of West Qinling single-lined tunnel bored by TBM[J]. Tunnel Construction, 2011, 31(S2): 218.

[3] 齐梦学. 长大隧道开敞式TBM同步衬砌施工技术应用前景及发展趋势[J]. 隧道建设, 2013, 33(8): 679.

QI Mengxue. Application prospect and developing trend of synchronous lining construction technology for long tunnel constructed by open TBMs[J]. Tunnel Construction, 2013, 33(8): 679.

[4] 周国龙. 长大隧道洞内有轨转无轨运输方式浅谈[J]. 隧道建设, 2009, 29(增刊2): 133.

ZHOU Guolong. Disscusion on conversion of track transportation system into trackless transportation system in long tunnels[J]. Tunnel Construction, 2009, 29(S2): 133.

[5] 赵玉良. 有轨运输斜井设备配套及井底车场布置[J]. 隧道建设, 2007, 27(增刊1): 19.

ZHAO Yuliang. Equipment matching for inclined shaft with rail-bound transportation system and arrangement of shaft station[J]. Tunnel Construction, 2007, 27(S1): 19.

[6] 石文林. 长大单线铁路隧道有轨运输快速施工组织[J]. 隧道建设, 2009, 29(S2): 125.

SHI Wenlin. Rapid construction organization for long single-track railway tunnels with rail-bound transport system[J]. Tunnel Construction, 2009, 29(S2): 125.

[7] 徐加兵. 单线铁路长大隧道有轨运输方式的探讨[J]. 铁道标准设计, 2005(2): 72.

XU Jiabing. Rail haulage for long tunnels on single track railway[J]. Railway Standard Design, 2005(2): 72.

[8] 倪自玉. 有轨运输在锦屏辅助洞工程中的应用[J]. 科技创新导报, 2011(2): 72.

NI Ziyu. Research on the rail transport of the auxiliary tunnel of Jinping Hydropower Station[J]. Science and Technology Innovation Herald, 2011(2): 72.

[9] 孙天志. 单线隧道有轨运输[J]. 西部探矿工程, 2003(6): 111.

SUN Tianzhi. Railway transport for single track tunnel[J]. West-China Exploration Engineering, 2003(6): 111.

[10] 张永明. 井下有轨运输车辆的选型计算[J]. 有色金属(矿山部分), 2011, 63(2): 47.

ZHANG Yongming. Selection calculation of the underground track transportation vehicle[J]. Nonferrous Metals(Mining Selection), 2011, 63(2): 47.

[11] 赵兴寨, 王建芳, 冷鑫. 隧道施工中有轨运输防干扰技术探讨[J]. 价值工程, 2010, 29(32): 116.

ZHAO Xingzhai, WANG Jianfang, LENG Xin. Discussion on rail transportation anti-interference technology in tunnel construction[J]. Value Engineering, 2010, 29(32): 116.

[12] 李昌. 大坡度长斜井有轨运输系统优化技术[J]. 隧道建设, 2009, 29(5): 574.

LI Chang. Optimization of track transportation system of long steep inclined shafts[J]. Tunnel Construction, 2009, 29(5): 574.

[13] 杨建喜, 张进, 李世民, 等. 开敞式TBM隧道仰拱衬砌同步施工关键技术[J]. 隧道建设, 2017, 37(5): 622.

YANG Jianxi, ZHANG Jin, LI Shimin, et al. Key technologies for synchronous construction of inverted arch lining of tunnel bored by open TBM[J]. Tunnel Construction, 2017, 37(5): 622.

[14] 唐健, 陈馈. 特长隧洞施工运输车辆调度控制系统[J]. 隧道建设, 2006, 26(3): 88.

TANG Jian, CHEN Kui. Dispatch and control system for transportation trains for construction of super-long tunnels[J]. Tunnel Construction, 2006, 26(3): 88.