新疆某引水工程盾构施工物料运输车选型分析

袁涛

（中铁十四局集团隧道工程有限公司,济南 250000）

1 引言

随着我国城市化建设的不断深入，人们对地下空间的利用需求不断增加，盾构法施工以其安全、环保、高效等优势，在地铁、铁路、引水隧道等工程中得到了广泛应用[1-3]。在盾构法施工中，盾构机因为价值大、技术复杂等特点在选型时往往受到高度重视，而后配套的盾构施工牵引车由于成本相对较低、机型杂、数量多，往往得不到应有的重视[4]。但是在盾构施工中，牵引车的运输与盾构掘进是相互配合的，牵引车选择不合理往往会制约施工效率，增加施工风险。

国内外在盾构和TBM 施工中，应用的洞内运输车辆主要为无轨胶轮车、轨道胶轮车以及普通的轨道运输车。国内外已有一些学者对盾构隧道洞内无轨运输开展了相关研究。陈鹏等[5]针对苏通GIL 综合管廊工程大直径、大坡度的特点，从运输效率、安全性、灵活性和经济性4 个方面综合考量，选择无轨胶轮车作为盾构牵引车。张涛[6]从安全、效率、质量等方面对天枰隧道内运输方案进行了比选，提出了无轨胶轮车运输方案，保证了施工质量、加快了施工进度。也有一些学者对盾构隧道洞内轨道运输进行了研究。韩明建[7]以山西省中部引黄工程TBM2 标段施工为背景，从牵引能力、制动能力等方面进行合理配置，为轨道胶轮车的使用提供了宝贵经验。汪思海[8]结合西（安）南（京）线桃花铺2 号隧道的有轨运输施工，从掘进、支护、衬砌3 条作业线阐述单线长大隧道有轨运输设备选型及配套，并验证了其合理性。刘日[9]以太古高速周家山隧道工程为依托，对该工程大坡度斜井运输方式进行了深入研究，最终选择了有轨运输与无轨运输相结合的方案。还有学者对牵引车进行计算选型。曹文祥[10]以厦门市轨道交通4 号线4 标三工区以典型施工为例，阐述了盾构施工水平运输车辆编组及电机车选型方法。

通过对国内外学者的研究成果调查发现，牵引车的选型方法大多停留在类比相似工程、凭借工程经验，很少通过计算进行选型。目前，还没有针对小直径、大坡度隧道施工盾构牵引车的选型案例。本文以新疆某引水工程为背景，通过设计计算，提出了适用于小直径、大坡度隧道盾构牵引车的选型方法。选型结果安全、可靠，可为新疆引水工程及类似隧道工程施工中物料运输提供指导与借鉴。

2 工程案例

2.1 工程概况

本项目盾构段全长20.585 km，盾构区间采用3 台土压平衡盾构机施工，采用连续皮带机出渣。盾构区间开挖直径5.5 m，管片外径5.2 m，管片内径4.5 m，管片环宽为1.2 m。计划每天掘进10 环，月进尺360 m。

盾构机1 施工段洞内水平运输包含1 423 m 支洞和主洞段5 830 m（坡度1/5 000），其中支洞和主洞重载下坡，空载上坡，支洞最大坡度5%；盾构机2 施工段洞内水平运输包含1 376 m 支洞和主洞段6 100 m（坡度1/5 000），其中支洞和主洞重载下坡，空载上坡。支洞最大坡度5%；盾构机3-1 施工段洞内水平运输主洞段2 480（坡度1/5 000），其中主洞重载上坡，空载下坡；盾构机3-2 施工段洞内水平运输包含690 m 支洞和主洞段5 800 m（坡度1/5 000），其中支洞重载下坡，空载上坡，主洞重载上坡，空载下坡。

2.2 物料运输情况

1）本工程中土压盾构施工过程中，除渣土运输由连续皮带机承担外，其他施工材料如管片、砂浆、长度6 m 水管、轨道、轨枕、盾尾油脂、润滑油脂、泡沫剂、连续皮带机架、风筒、膨润土等均由辅助运输车承担。

2）盾构施工过程中，除正常掘进物资运输外，还需运送连续皮带机运行过程中掉落的渣土；掘进过程螺旋机喷涌出来的泥渣；发生刀盘卡死、盾体卡死时，加固土体的改性注浆材料（如衡盾泥、惰性砂浆等）；进行压气换刀作业时，运输刀具和应急发电机以及柴油和进仓所需的氧气等物资。

3 物料运输方案分析

选择机车类型要遵循保证施工安全、保证施工质量、加快施工进度的原则。无轨胶轮车方案会车风险大；有轨胶轮车方案运输效率低，支洞作业时易发生溜车；普通轨道车方案施工效率较高，且安全风险低。因此，本项目盾构牵引车选用普通轨道运输车。表1 为内燃机车技术参数。

表1 内燃机车技术参数

如表1 所示，T1=T2=20 min=0.33 h，单环掘进时间T=40 min≈0.667 h。运输车辆单趟运输单环掘进物资。主洞掘进距离不断增长，运输车辆数量应与掘进距离以及掘进物资需求相匹配。

采用3 辆普通轨道运输车，对水平运输速度进行分析：

主洞段重载下坡速度V2：

式中，L1为支洞运输距离，运行速度7 km/h，n为普通轨道运输车数量，T为掘进一环所用时间，T1为装车耗时，T2为卸车耗时，V1为支洞重载下坡速度；X为掘进距离。

计算得到不同掘进距离处所需的车速见表2。

表2 不同掘进距离所需车速

由表2 所得运输车辆所需行驶速度可知：当盾构机掘进至主洞段6 km（即盾构段施工任务即将完成）时，车辆重载下坡运行速度V2=9.65 km/h，空载出洞时运行速度V3=14.47 km/h，运行速度未达到额定运行速度。

按照表2 内燃机车运输时间，采用3 列内燃机车编组完全满足盾构每环40 min 掘进施工物资需求，不影响盾构施工的连续性，在设备故障可控的情况下，盾构掘进月进尺可达到300～400 m。

4 盾构施工水平运输方案分析及机车选型计算

4.1 水平运输方案分析

通常情况下，机车后配车辆根据用途需要渣土车、管片车和砂浆车。如考虑运输效率和时间利用率，编组方案宜采用整列1 次出渣及运送管片和砂浆。但在本项目中，因盾构区间坡度较大，采用渣土车运输效率较低，所以采用了连续皮带机出渣，不再需要渣土车出渣。

机车进入隧道时将1 节重载砂浆车、4 节重载管片车1 次运输至工作面。盾构机掘进作业时，连续皮带机出渣、砂浆车转运砂浆、管片车运输管片可同时进行，有利于提高时间利用率，一环掘进完成后，机车牵引空载的砂浆车、管片车出洞。

4.2 列车编组

1 辆内燃机车+1 节砂浆车+4 节管片车

4.3 机车选型计算

4.3.1 工况分析

1）4 节管片车（自重2.5 t/节）重约10 t。

2）一环管片自重：

式中，φ1为管片内径，4.5 m；φ2为管片外径，5.2 m；L为管片宽度，1.2 m；ρ1为钢筋混凝土管片密度，2.4 t/m3。

3）1 节砂浆车质量G3约为5 t。

4）单节车砂浆容量为6.05 m3/节，砂浆密度取2.2 t/m3，满车砂浆质量G4为13.31 t。

5）机车牵引进入隧道时，运送管片和砂浆至工作面，此时牵引负荷（质量）为：

6）机车牵引退出隧道时，管片车、砂浆车空载，此时牵引负荷（质量）为：

故机车最大牵引吨位出现在管片、砂浆的运输过程中为43.66 t。

在盾构施工中要求内燃机车编组在坡道线路停车、启动，牵引吨位主要按启动地段坡度计算。在几个盾构区间中，最大坡度为5%，机车所需要牵引的最大质量为43.66 t，机车的平均牵引速度为5 km/h。

4.3.2 机车系列选择

NRO 系列内燃机车作为普通机车的一种，以其低排放、低污染、结构紧促、操作方便、综合成本低的优势在轨道运输中得到广泛应用。因此，本项目盾构牵引车选用NRQ 系列内燃机车。

结合本项目运输工况、内燃机车性能、盾构掘进实际运输需求以及洞内水平运输安全性要求，对内燃机车洞内水平运输速度进行如下规定：

1）支洞段（坡度为5%）运输速度不超过7 km/h；

2）主洞段（坡度为1/5 000），重载下坡速度不超过10 km/h；

3）物资卸载完毕空载返回运输速度不超过15 km/h。

NRQ 系列内燃机车技术参数表如表3 所示。

表3 NRQ 系列机车参数

4.3.3 机车型号确定

1）内燃机车的启动单位基本阻力计算

根据TB/T 1407.1—2018《列车牵引计算 第1 部分：机车牵引式列车》中3.4.1 可得：内燃机车的单位启动基本阻力为5 N/kN。

2）滚动轴承货车的单位启动基本阻力计算

根据TB/T 1407.1—2018《列车牵引计算 第1 部分：机车牵引式列车》中3.4.1 可得：滚动轴承货车单位启动基本阻力为3.5 N/kN。

3）黏着系数计算

根据TB/T 1407.1—2018《列车牵引计算 第1 部分：机车牵引式列车》中公式（60），国产各型电力传动内燃机车的计算黏着系数μj为：

式中，v为机车平均牵引速度，5 km/h。

4）黏着牵引力计算

根据TB/T 1407.1—2018《列车牵引计算 第1 部分：机车牵引式列车》中公式（59），黏着牵引力Fμ按式（6）计算：

式中，Pμ为机车黏重质量；g为重力加速度。

根据公式（6）可计算得常用内燃机车黏着牵引力，见表4。

表4 内燃机车黏着牵引力

本项目行驶的坡度为50‰，根据TB/T 1407.1—2018《列车牵引计算 第1 部分：机车牵引式列车》中公式（64）可得：列车在限制坡道上以机车计算速度等速运行时按式（7）计算：

式中，Fj为计算牵引力；λy为机车牵引力使用系数；ix为限制坡度。

其中，Fj=Fμ，λy取0.9，ix=50，将上述数值代入公式中得：

1）25 t 机车在5%的坡道启动牵引吨位为92.1 t；

2）30 t 机车在5%的坡道启动牵引吨位为112.18 t；

3）35 t 机车在5%的坡道启动牵引吨位为128.87 t。

通过上述计算可知，黏重质量25 t 内燃机车在5%坡道上的启动牵引吨位已经大于本项目盾构施工所需的最大牵引吨位，可以满足运用要求。为了进一步保证物料运输的安全性，本项目选择黏重质量30 t 的内燃机车。图1 为NRQ30型内燃机车。

图1 NRQ30 型内燃机车

5 结语

内燃机车提供运输列车编组的牵引动力，选用是否得当直接关系到隧道内运输能否正常运行。在盾构施工内燃机车选型时，根据线路条件、掘进参数，既要满足运输载荷要求又要兼顾作业效率，选择合理的编组和机车。

在本项目中，采用了连续皮带机出渣的方式进行出渣，出渣方便，效率高，不再需要使用渣土车出渣，在很大程度上减少了内燃机车在盾构施工中所需牵引的吨位。机车编组为1辆内燃机车+1 节砂浆车+4 节管片车，在不需要运输渣土的情况下，选用了黏重质量为30 t 的内燃机车，经过理论计算可得，其在5%坡道上的启动牵引吨位完全可以满足运用要求，并且具有很高的安全性。