矩形盾构施工渣土在隧道内运输的研究

滕延锋 李冀清

上海市机械施工集团有限公司 上海 200072

1 研究背景

施工渣土隧道内运输是指渣土从掘进机前方土仓内通过一系列的机械设备被运输至隧道外部的过程。在圆形盾构中，在壳体的内部和后部台车之间安装有固定式皮带机，其进土口位于螺旋输送机出土口的正下方，固定式皮带机的出土口位于台车上方。当需要出土时，施工渣土首先进入螺旋输送机，再通过固定式皮带机运输至台车上方，最后通过渣土车将施工渣土运输至隧道外部，完成施工渣土的隧道内运输作业（图1）[1-2]。

图1 圆形盾构施工时的渣土运输系统

在矩形顶管施工过程中，由于不需要进行衬砌的拼装工作，故其内部无管片拼装区域，施工渣土通过螺旋输送机排至渣土泵的渣土仓内，然后通过固体泵将渣土经排土管送至隧道外部（图2）[3-4]。当隧道的长度较短时，也可以通过渣土车直接进行运输。

在矩形盾构中，盾尾壳体内部有螺旋输送机、中心横梁、管片拼装机和喂片机（图3）。施工时，拼装机工作区域分布在中心横梁的两侧，而喂片机的工作区域则占据了中心横梁后方的全部空间[5-6]。在上述条件下，为了保证管片拼装作业的正常进行，无法在矩形盾构内部安装类似于圆形盾构机的固定式皮带机。

图2 矩形顶管施工时的渣土运输系统（俯视）

图3 矩形盾构后方施工布置

同时，施工渣土是一种接近于固态的土体，如果采用矩形顶管的泵送渣土方法，则固态渣土在泵送过程中沿程压力损失较大，无法实现长距离输送。如果将渣土车直接放置在螺旋输送机的下方进行渣土输送，则一方面由于中心横梁限制，渣土车的高度很小；另一方面，螺旋输送机的下方仅可放一节渣土车。上述出土方法导致每次出土量很少，对施工的效率影响很大。综上所述，矩形盾构由于自身的特点，无法直接采用现有的施工渣土运输方式，必须提出适合矩形盾构施工的新型渣土运输方式。

2 新型渣土运输系统的构成

皮带机运输方式具有运输量大、工作可靠、设备简单的优势，在施工渣土运输中得到了广泛的应用。矩形盾构由于后方空间用作管片拼装区域，故无法直接采用固定式皮带机。

但矩形盾构的渣土运输和管片拼装是分时进行的，即进行渣土运输时不进行管片拼装，因此，考虑使用移动式皮带机，在拼装时移走皮带机即可解决上述问题。基于上述分析，本文提出了一种适应于矩形盾构施工的新型渣土运输系统（图4）。

图4 新型渣土运输系统组成

新型渣土运输系统与圆形盾构的渣土运输系统类似，主要由螺旋输送机、皮带机和渣土车组成。所不同的是，矩形盾构渣土运输系统的皮带机由2级皮带机组成，并且第2级皮带机为可移动式皮带机。第1级皮带机固定于中心横梁下方，主要负责将渣土从螺旋输送机运输至中心横梁下方。第2级皮带机分作2段，中间使用铰节点进行连接，负责将渣土从第1级皮带机运输至渣土车。第2级皮带机位于台车上方，其两侧设置钢轮，可以在台车上方沿着隧道轴线方向前后运动，其前端不仅可以完全位于第1级皮带机出土口下方，还可以完全位于台车上方，不与管片拼装作业发生干涉。渣土车位于第2级皮带机的下方，负责将渣土从第2级皮带机运输至隧道外部。

3 新型渣土运输系统的工作模式

新型运输系统采用2种工作模式，分别是运输模式和待机模式。

运输模式工作在盾构机推进状态。当盾构机推进时，盾构机后方不进行管片拼装作业，通过喂片机上的牵引装置将第2级皮带机从台车上方向盾构前进方向拉出〔图5（a）〕。当第2级皮带机的前端接近第1级皮带机的后端时，喂片机停止前进，使用喂片机上的提升装置将第2级皮带机的前端下放至隧道内部的地面上〔图5（b）〕。喂片机带动第2级皮带机继续向前运动，当第2级皮带机的入土口在第1级皮带机的出土口下方时，全部动作完成〔图5（c）〕。

图5 移动式皮带机工作过程

经过图5所示的动作过程，第2级皮带机从完全位于台车上方的初始状态移动至第1级皮带机的下方，形成了完整的渣土运输路线，即渣土依次通过螺旋输送机、第1级皮带机、第2级皮带机和渣土车，最终由渣土车运至隧道外部，完成隧道内渣土运输作业。

当盾构完成推进作业，准备进行拼装作业时，此时第2级皮带机进入待机模式，即从图5（c）所示的状态，经过喂片机向后方牵引和提升，最终第2级皮带机完全位于台车上方，即处于图5（a）所示的状态。

新型渣土运输系统在盾构拼装状态时，第2级皮带机完全位于台车上方，对拼装作业无影响；在盾构推进时，第2级皮带机从台车上方拉出，与其他部件组成完整的渣土运输系统。该新型系统不仅克服了矩形盾构施工空间狭小的难题，还利用了皮带机运输量大、结构简单的优势。

4 新型渣土运输系统的应用

某工程中的矩形隧道采用盾构法施工，隧道内部净空间尺寸宽8 650mm、高3 850mm。隧道内渣土运输系统由螺旋运输机、固定式皮带机、移动式皮带机和渣土车组成（图6）。渣土首先从螺旋输送机运送到第1级皮带机〔图6（a）〕；然后由第2级皮带机运送至渣土车〔图6（b）〕；最后由渣土车运送至矩形隧道外部〔图6（c）〕。进行盾构拼装时，第2级皮带机处于待机模式〔图6（d）〕。经实践，新型渣土运送系统工作情况良好，符合预期设计目标。

图6 新型渣土运输系统工地应用

盾构每推进一环产生的渣土量为120 m3，当使用小渣土车直接从螺旋输送机运土时，由于小渣土车容量小且每次只能运输1节，盾构每推进一环需要进行20次渣土运输作业，每环推进时间长达4 h，施工效率非常低。而采用新型渣土运输系统时，每次使用2节容量为10 m3的渣土车，每环推进时间可缩减为1.5 h，极大地提升了施工效率。

5 结语

本文通过分析矩形盾构施工的特点，研制了适合矩形盾构施工的新型隧道内渣土运输系统。新运输系统使用可移动式皮带机，在推进时从台车上方拉出，在其他状态下则仍放回至台车上方。新的渣土运输系统不仅可以解决皮带机与管片拼装时相互干涉的问题，同时可以高效地实现盾构推进作业，克服了因作业空间狭小对隧道内渣土运输造成的不便。