洞内水平运输系统综合选型研究

王春明 王家祥

[摘 要]双护盾TBM（Double Shield Tunnel Boring Machine），由于安全性高，掘进速度快，地质适宜性强，能够实现开挖掘进与衬砌管片拼装同时交叉作业，在国内外长大隧道中已得到充分应用，其配套洞内物料运输主要有皮带机和柴油机车两种系统，文章重点对在物资匮乏、供给不畅的偏远山区的洞内物料运输系统的选型主要思路、原则、方式等进行阐述，供类似工程借鉴。

[关键词]TBM；洞内运输；系统综合选型

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2018.33.074

1 引 言

双护盾TBM由于安全性高、掘进速度快、地质适宜性强，能够实现掘进与衬砌管片拼装同时交叉作业，在国内外长大隧道中已得到充分应用，其配套洞内物料运输主要有皮带机和柴油机车两种系统，选择最优系统是工程前期策划的关键性课题，特别在物资匮乏、供给不畅的偏远山区或经济落后的海外市場，运输系统的选型尤为重要。文章依托尼泊尔巴瑞巴贝引水隧道工程项目，对双护盾TBM的洞内物料运输系统选型策划进行分析研究，为类似工程提供经验。

2 工程概况

2.1 工程简介

尼泊尔巴瑞巴贝引水隧道工程项目位于尼泊尔的中西部和远西部交接位置的巴迪亚地区，该项目为尼泊尔政府的第一个跨流域取水项目，被誉为尼泊尔最受重视的“国家骄傲工程”，该项目主要实施一条引水隧道和进场道路，配套实施自发电厂、管片生产厂、砂石料开采厂等工程。引水隧道为单线隧道，线路全长12.2千米，采用TBM施工。成型隧道过水断面4.2米 ，坡度3‰，设计流量40m3/s。建成后可灌溉尼泊尔中西部和远西部交界处的巴迪亚和班克地区51000公顷农田，彻底解决该区域极度缺水的现状；并且利用约152米的水位差异建造发电站，为尼泊尔不太富裕的电力提供48兆瓦的电力支持。

2.2 地域资源情况

尼泊尔主要从事农业生产，是世界上欠发达国家之一，国家基础建设较差，工业基础弱、规模小、水平低、发展慢，虽然自90年代开始实行以市场为导向的自由经济政策，但因政局多变和基础设施薄弱，经济状况改观甚微，仍严重依赖外援，预算支出的1/3来自外国捐赠和贷款，故此，在该国家引入先进的TBM隧道施工技术，仅靠尼泊尔境内的资源来实现供应保障可能性极低，只能通过进口，资源组织难度大，资源运输周期长。

2.3 洞内运输系统的组成

双护盾TBM洞内运输系统分为皮带机出渣系统和柴油机车运输系统，主要包含渣土，管片衬砌，水泥、豆砾石等填充材料，洞内施工人员，油料，水管，钢轨，电缆以及其他临时小型机械设备、零配件、材料的洞内外运输。

3 洞内运输选型要素

（1）洞内物料运输系统匹配施工进度要求，从设备配置、功率大小、数量等方面需满足TBM的日、月进度要求，并且施工总工期需满足合同工期。

（2）洞内物料运输系统的设备功能性需齐全，需满足洞内运输的所有物料、机械、人员等的所有运输要求。

（3）洞内物料运输系统应完整、安全可靠，不需附加任何条件即可实现工程所应具备的功能和要求。

（4）运输系统应能保证连续施工作业，且具备良好的稳定性，系统中某单一设备损坏后不至于全面停工，尤其要确保隧道在不良地层的应急处理能力。

4 配置方案研究

4.1 方案比选思路

针对该项目TBM的洞内运输，主要通过对功能性分析、资源、成本、管理等方面进行综合论证。

4.2 洞内柴油机车运输方案

4.2.1 配置方案

（1）总体布置方案。该项目隧道长12.2千米，洞内共配置三组错车平台（两组固定式、一组移动式），由于TBM始发平台面积较小，场地布置紧凑，为有效利用场地空间，错车平台设置如下。

①采用移动式和固定式错车平台，用于洞内柴油机车错车，共配置1组移动式错车平台，2组固定式错车平台。

②掘进长度0～500米，洞内不设置错车平台，单轨运输，需配置2组柴油机车。

③掘进长度500～4000米，设置一组移动式错车平台，当错车平台与台车尾部超过500米时，向掘进方向移动，配置3组柴油机车。

④掘进长度在4000～8000米，设置两组错车平台，第一组（固定式）位于4000米位置，第二组移动式，当其与台车尾部超过500米时，向掘进方向移动，共需配置4组柴油机车。

⑤掘进长度在8000～12200米，设置三组错车平台，第一组（固定式）位于4000米位置，第二组（固定式）位于8000米位置，第三组移动式，需配置5组柴油机车。

（2）柴油机车编组方案。按照上文错车平台布置方案，本工程共需5列柴油机车编组，为保证双护盾掘进模式下两环一次的运输方式，单列柴油机车编组共采用“4节管片车+2节平板车（其中一节配豆砾石罐）+8节土厢车+1节柴油机车头”的模式，如下图所示。

另外，鉴于该工程隧道较长，为便于洞内外人员接送，共配置4台人车，在上下班时挂在整台柴油机车头前端，接送作业人员；其余时段，置于洞外。

4.2.2 适应性分析

（1）功能适应性分析。在正常掘进阶段，按12千米的最大运距计算，此时道岔为三组，分析5组机车数量配置适应性，其相关参数暂定如表1所示。

根据计算，在运距12000米的时候，5列正常运输的柴油机车可以满足日进度42米（30环）的要求，当运距小于12000米时，运输效率将大大提升，可见，洞内设置三组道岔和5列正常运输的机车编组完全能够满足施工需求。

（2）容量适应性分析。按照隧道洞径和施工组织要求，委托专业公司对柴油机车进行容量适应性设计。

平板车：每次列车进入隧洞运输2环管片，本工程采用4块成环的混凝土管片，两环共8块管片，每节平板车上放置2块管片，共4节平板车。

土厢：本工程刀盘开挖直径为5.06米，每环的理论土方量为：M1=5.06×5.06×3.14×1.4÷4=28.13方，松散系数按照1.2计算，实际出土量：M2=28.13×1.2=33.76方，两环共出土：M3=33.76×2=67.52方；6节土厢总容量为 M4=67.68方>M3，故6节土厢能够满足2环一循环的土方装载需求。

豆砾石：刀盘开挖直径5.06米，管片外径4.8米，每环管片背部理论间隙为：V1=（5.06×5.06÷4-4.8×4.8÷4）×1.4=2.01方，按照110%的填充系数，两环共需豆砾石V2=2.01×1.1×2=4.42方。豆砾石车厢容积为8.69方，完全满足两环一循环的豆砾石用量需求。

4.2.3 资源配置需求

（1）设备配置。按照最大需求阶段配置，洞内机车运输共需配置柴油机车5列（整编），洞内错车平台3副，洞外翻渣机一台套。

（2）人员配置。按照最大需求阶段配置，洞内机车运输共需配置人员为：机车司机10人（分白夜两班），道岔管理员6人（每个道岔处一人、分白夜两班），翻渣机2人（分为白、夜两班）。

（3）成本预算。

4.3 洞内连续皮带机运输方案

4.3.1 配置方案

连续皮带机安置在隧道腰部，随TBM的掘进进尺逐步接长，总需求量为25千米，TBM渣土通过连续皮带机直接运输到洞外，无须设置翻渣机，掘进出土较为快捷安全。

本隧道受管片生产供应及其他临建设施影响，暂考虑每日平均掘进进度30环。洞内渣土采用连续皮带机运输时，管片、豆砾石及其他材料运输需用到柴油机车，TBM单轨梁有效吊装距离为28米，管片车长度为3.87米，最多每列机车编组28/3.87=7.23个，一环需2个管片车，受TBM单梁调运距离及起吊高度等既有条件限制，每列机车平板车最大数量为6节，即一次3环管片运输。在正常掘进阶段，机车编组为6节平板车+2节豆砾石车厢+1节机车车头。

4.3.2 适应性分析

按照上文运距为12千米时计算连续皮带出渣时的运输机车需求数量。

考虑到管片及其他材料运输同样是制约TBM掘进进度的重要因素，需配置4列运输机车和2个错车平台，其中1个为固定式错车平台，1个为移动式错车平台。

豆砾石：同上计算，三环共需豆砾石V2=2.01×1.1×36.63方。豆砾石车厢容积为8.69方，完全满足三环一循环的豆砾石用量需求。

4.3.3 资源配置需求

（1）设备配置。按照最大需求阶段配置，洞内机车运输共需配置柴油机车4列，洞内错车平台2副，皮带机系统一套。

（2）人员配置。按照最大需求阶段配置，洞内机车运输共需配置人员为：机车司机8人（分白夜两班），道岔管理员4人（每个道岔处一人、分白夜两班）。

（3）成本预算。

4.4 比选分析

4.4.1 进度分析

按照前文分析，柴油机车出渣时，在12千米的里程位置最大的掘进进度为53.62米，连续皮带机出渣时，在12千米的里程位置最大的掘进进度为75.6米，均大于设计平均掘进速度30环（42米）的需求。

4.4.2 资源及成本投入分析

资源投入按照设备投入和后期投入考虑，总投入成本柴油机车约占皮带机的39.34%。

4.4.3 管理投入分析

（1）皮带运输机系统采用电力供能，需额外配置至少2台800kW发电机，对于自发电的尼泊尔项目而言，配套投入再次增大。

（2）当皮带机系统出现故障时，TBM掘进必须停止；当某一柴油机车出现故障后，TBM采用剩余的柴油机车出渣运料，依旧可以连续掘进，后期连续掘进的有效性更高。

4.4.4 比选结论

通过上文的比选，就尼泊尔项目而言，因为主要的掘进进度受管片生产限制，平均进度只能达到30环/天，尼泊尔地区又较偏远，设备、配件组织时效性较低，皮带机成本投入太高，综合对比考虑，单独配置皮带运输机用于渣土运输的意义不大，最终全部采用柴油机车系统进行洞内的物料运输，对比分析如表7所示。

5 实际施工的过程验证情况

目前，尼泊尔已累计掘进4.3千米，正在使用3列柴油机车编组和1副移动式错车平台，2018年4月份月度进尺为1067.837米，最高日进尺为52.88米，基本达到柴油机车运输模式下的最高日掘进理论计算值53.62米，柴油机车系统的配置设计满足现场施工的实际需求。

6 结 论

由于TBM的高度机械化及自动化，可以实现管片衬砌和开挖掘进的平行交叉作业，逐渐成为长大隧道的主要开挖设备，广泛地运用于隧道施工，其运输系统的选型设计同样至关重要，特别是外界环境、地域条件及运输条件受限的不发达地区，需要进行多方面的评估，选择最适合于工程实施的运输系统，既能保证进度要求，又可以降低成本投入。所以对长大隧道的运输系统选型时，首先，需考虑合同工期，应根据合同工期反算年、季、月的施工指标；其次，需综合考虑经济投入分析；最后，应充分调研外部环境、市场形态、运输条件等外界因素，最终确定运输系统的类型、配置数量、组成单元等关键信息。

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[作者简介]王春明（1985—），男，汉族，重庆人，硕士研究生，高级工程师，中铁二局集团有限公司，研究方向：地下工程；王家祥（1979—），男，汉族，重庆人，硕士研究生，高级工程师，中铁二局集团有限公司，研究方向：地下工程。