地铁区间隧道单护盾TBM施工运输组织

鲁 彬, 曹兴隆

(中铁开发投资有限公司, 重庆 404100)

在地铁区间隧道单护盾TBM的施工中，施工运输方案的设计需考虑出碴、管片运输、水泥砂浆的运输等多个方面。因此，如何使单护盾TBM施工运输方案实用性强并经济合理尚属于难点。在长隧道单护盾TBM施工中，掘进作业与衬砌作业相互干扰，不能同时施工，这一问题在小断面隧道施工中更为突出。

根据工程经验，随着TBM施工运输距离的增加，隧道内通风与排水难度大，与无轨运输相比，有轨运输成本相对较低，运输能力较强，出碴速度快，有利于施工的循环出碴，所以有轨运输更多的应用于长距离的的隧道施工运输中。

1 有轨运输的常用设备

在单护盾TBM的隧道区间施工中，水平运输需要考虑到管片的运输、水泥砂浆的运输、运碴这几个方面，所以需要用到的运输设备包括了电瓶牵引车、装碴设备、运输设备、轨道、电力设备五种设备。

(1)电瓶牵引车：作为水平运输的主要牵引动力。

(2)装碴设备：运输掘进过程中开挖出来的掌子面围岩碎屑在长距离隧道的施工中一般都采用矿斗车进行装碴。

(3)运输设备：在单护盾TBM隧道的施工中需要用到水泥砂浆的运输车、豆砾石的运输车、钢轨的运输车和管片的运输车。

(4)轨道：用于电瓶牵引车、装碴设备与运输设备前行的。

(5)电力设备：有轨运输均采用机械作业,所用设备均以电源为动力。

2 有轨运输的编组设置

单护盾TBM在掘进施工时推进油缸支撑在管片上，利用支撑反力进行推进，所以在掘进施工时不能安装管片，在掘进距离大于一环管片纵向长度后停止掘进并进行管片安装，管片安装完成后推进油缸支撑在新一环管片上继续掘进。

根据单护盾TBM的工作需求，在管片安装开始时需要一列编组携带足够的施工材料进入后配套中，安装完成后、开始掘进时该列编组进行装碴，掘进完成后该列编组驶出洞内，下一列编组携带施工材料进入后配套，此为单护盾TBM掘进施工的一个常规循环。

可见一列编组需要包括电瓶牵引车、装碴设备、运输设备。

3 轨道布置方案选择

在TBM施工中常用的轨道布置方案有单线制运输方式、四轨三线制运输方式。

3.1 单线制

轨距为900 mm及以上，在TBM后配套中, 2条外轨作为拖车的行走轨道,中间2轨作为运输列车进入后配套的行走轨道。当隧道区间长度为1 000～2 000 m时,出碴运输里程不长，又考虑到TBM掘进循环时间与停止安装管片时间几乎相等(相当于30～50 min),故采用单线运输时,列车可在安装管片期间完成倒车循环,即重车驶出洞口,轻车从洞口驶入后配套内,等待下一环掘进出碴。

3.2 四轨三线制

一般采用轨距762 mm的24 kg轨,TBM后配套尾部拖1条双开道岔浮轨。在TBM后配套中, 2条外轨作为拖车的行走轨道,中间2轨作为列车进入后配套的行走轨道,列车通过浮放轨分别从隧道左右2线进入后配套的中间2轨,浮放轨以后为4轨组成的左右2线,每相邻2轨的中线距均为813～820 mm。采用四轨三线运输时,列车既可在安装管片期间完成倒车循环,也可以在盾构机掘进期间进行倒车。

从表1的对比中可见在长距离运输中，条件满足的情况下优先采用四轨三线制运输。

当隧道直径较小，考虑到还需要设置人行通道、电缆、管道等辅助设施，采用四轨三线制布置的轨道较高，后配套建筑界限不满足要求，且运输车辆容易跳车，存在较大的安全隐患，在小断面TBM洞内建议采用单线制。

表1 运输方式优缺点比较

4 长距离单线制运输组织设计

4.1 会车平台设置

4.1.1 单线制轨道运输错车方案

可设置一定长度的钻爆暗挖段作为会车平台，通过在会车平台设置道岔，由道岔引出一段支线，在会车时支线可提供一列驶入的电瓶车编组停靠，待主线驶出隧道的运输电瓶车编组通过后，驶入的电瓶车编组从支线回到主线往掘进方向继续前进。如图1所示，在会车时，驶入电瓶车编组位于②位置，驶出电瓶车编组位于④位置，为了错车成功，总体上分为三个步骤：首先，驶入电瓶车编组从②行走至③；接着，驶出电瓶车编组从④经②行走至①；最后，驶入电瓶车编组从③经②行走至④，错车完成。

图1 道岔错车流程示意

4.1.2 会车平台数量计算

假设电瓶车的平均速度为V，单护盾TBM隧道区间总长L，掘进一环管片长度的时间为t1，安装一环管片的时间为t2，根据调研可得知t1与t2是很相近的，可假定t1=t2=t。以保证单护盾TBM不停机等待装碴矿斗车的前提下会车平台与掌子面的最大距离L’和会车平台数量n。

由于掌子面掘进时需要电瓶车一直停靠在TBM后配套内装碴，掘进完成后，准备开始安装管片时掌子面处的电瓶车才开始驶出掌子面，假设使用时间最少的情况是距离掌子面最近的一个会车点处已经有一列编组等待。

图2中T为电瓶车通过极限距离L′时所花费的时间。在经过2Tmin后，第2组电瓶车要赶上TBM掘进施工，因此第2组电瓶车需要在管片安装期间到达单护盾TBM后配套的指定位置。

图2 会车平台与掌子面极限距离下的运输过程

2T≤t

由以上两式可得：

(1)

式(1)中：L′为会车平台与掌子面的最大距离，m；V为电瓶车的平均速度，m/s；t为掘进一环管片纵向长度的时间，s。

当掌子面距离大于L′时，需设置新的一处会车平台才能保证运输不耽误单护盾TBM的掘进施工。

则会车平台数量为：

当2L≤Vt时n=0(n∈Z)

(2)

式(2)中：n为会车平台数量；L为隧道区间总长，m；V为电瓶车的平均速度，m/s；t为掘进一环管片纵向长度的时间，s。

4.2 运输编组数量设置

运输编组的数量与会车平台的数量之间有一定的关系，编组数量不足时不能满足单护盾TBM掘进施工的要求，编组数量过多时会产生电瓶车过多的闲置，影响工程的经济效益，因此需要确定一个会车平台数与所需最少编组数之间的关系式。在4.2节基础上再假设L长的区间内，共有n个会车平台，每个会车平台之间的距离取会车平台极限距离L′=Vt/2，因此电瓶车运行通过两个会车平台之间的长度L′所花费的时间为t/2。根据工程经验，洞外装车翻碴时间加上运输过程中所需富余时间约等于t。

考虑最理想的极限运输情况下的运输流程，即最少编组数的情况，具体流程见图3所示。

从图3中可以看出，在时间为(n+3)t/2时各个运输编组与其最初运行方向全部相反，在时间为(n+3)t时各个运输编组回到时间为0时的运输状态，可见一个运输过程循环的周期为(n+3)t。

按照图3中的运输调度方法，在理想情况下既不会耽误单护盾TBM的掘进施工，也不需要电瓶车在其中的会车平台停车以等待错车，因此可以得到运输编组与会车平台的关系式：

(3)

式(3)中：xmin为最少的运输编组数量；n为会车平台数量。

图3 最少编组数情况下的运输流程示意

5 施工应用情况

在某轨道交通隧道单护盾TBM区间极限运距为4.63 km，电瓶车运行平均速度规定为5 km/h，根据隧道施工资料的统计，一个掘进循环的平均速度为：TBM掘进45 min、安装管片45 min。则按照式(2)计算需要会车平台数量为2，按照式(3)计算运输编组最少为3，实际施工中采用这种运输配置，满足单护盾TBM的物料运输要求。

6 结束语

针对单护盾TBM施工应用于长距离的小断面隧道施工的情况，采用单线制有轨运输实用性和经济性较好。本文提出的基于上述情况的单护盾TBM后配套运输方案设计方法，能有效保证资源合理分配，时间合理安排，对于提高施工效率、缩短工期有极大的帮助。在实际应用中也取得良好的效果，可为同类施工工况的运输组织设计提供参考。