长距离盾构隧道水平运输系统技术研究及应用

王亚飞，刘亚辉，黄运生,王 磊,沙俊玲,刘 洋

(1.中铁隧道局集团路桥工程有限公司，天津 300308；2.安徽建筑大学 安徽省城市建设和地下空间工程技术研究中心，安徽 合肥 230601)

1 概述

盾构法施工因高效、安全等优点,已逐步成为地铁区间隧道的主要施工方法[1]，且盾构隧道工程中不可避免的会遇到长距离的工况[2]。在长距离盾构隧道施工时，随着距离的增长，隧道内渣土和物料的运输对隧道掘进速度的影响越来越明显[3]，导致长距离盾构隧道的水平运输成为工程施工的重点关注问题之一。

目前，已有学者对盾构隧道水平运输进行研究，陈鹏等人以苏通GIL综合管廊工程为背景，通过对现场运输参数的调查统计，建立了单车道段车辆调度模型,首次提出了长距离盾构隧道洞内无轨运输优化理论模型[4]；谢波以南京地铁10号线泥水盾构隧道施工总结并进行对比研究了四轨三线[5]以及复合式主运输轨道和单轨道运输等几种水平运输模式[6]。无轨运输虽然运输调度相对容易灵活，但由于错车安全性较低，一般采用单列车运输物料和渣土。随着隧道距离的加长以及隧道洞径的加大，单列车无轨运输所花时间成本增加，甚至会出现盾构掘进机停滞的现象。四轨三线的轨道运输，在盾构机后部设置双开岔道，空载和满载电瓶车可以互不干扰运行，但由于所需钢轨和轨枕材料较多，成本大幅增加；同时，由于两条线路是互不相通的，当某一侧的电瓶车发生故障时，将会影响掘进速度。

以合肥轨道交通4号线天—翠区间为工程背景，对长距离盾构隧道的水平运输进行研究，通过在风井位置增设轨道、进行水平运输调度，使得架设错车轨道更加方便，观察和检修电瓶车更加容易，并且电瓶车可以更加灵活的在隧道内进行调度，实现空载和满载同时运行，从而保证盾构掘进速率。

2 工程背景

合肥轨道交通4号线天水路站—翠柏路站区间线路平面呈“S”形，区间线路出翠柏路站后以R=350平曲线从规划铜陵北路与泗水路交口进入规划铜陵北路，沿规划铜陵北路自北向南前行一段距离后，进入合肥东编组站北侧合肥热电集团铁路专用线项目用地向东敷设，下穿二十埠河后进入泗水路南侧新站区空地，以R=350平曲线下穿合肥东编组站42股道群，继续向南下穿部分铁路用房，侧穿合肥东编组站工务段在用水塔后，沿当涂北路向南敷设到达天水路站。

天水路站—翠柏路站区间共设置联络通道4座，其中区间风井兼联络通道1座。在施工过程中采用双线同时施工，其右线2 841.926 m、左线2 953.689 m，左右线间距10 m～16.72 m，隧道覆土厚度8.06 m～20.86 m，其中区间穿越合肥东编组站处，覆土厚度(至道床顶)14.35 m～15.59 m，左右线线间距11.82 m～16.39 m。

3 长距离运输的难点

1)盾构区间较长，施工单程距离远，最大距离接近3 km，采用单轨道运输单个电瓶车来回一次所需时间长，运输效率低下，施工进度慢。

2)采用四轨三线法进行水平运输，由于两条轨道之间是单独运行的，当某一辆电瓶车发生故障时将会极大的耽误工程进度，并且所需花费较大。

3)长距离盾构区间采用多轨道方式，电瓶车在轨道上运行，难以检测其实时位置，增加了电瓶车调度的难度。

4 应对措施

盾构法隧道施工需将管片从地面由垂直与水平运输系统送到盾构掘进机的工作面,而废弃土也必须经水平与垂直运输系统由盾构掘进机的工作面运至地面[7]。因盾构施工作业环境的不同，选择不同的编组方式以及不同电瓶车的施工调度方式运输物料和渣土不仅会在很大程度上影响电瓶车的掘进速率，还会在一定程度上保障施工的安全性、快捷性。

4.1 电瓶车编组方式

目前国内在盾构掘进施工的运输系统中，因开挖条件的限制以及有轨运输设备构造简单、占用空间小、容易维修等特点，大部分施工作业都是采用有轨运输渣土和物料的方式，只有少部分在条件不允许的情况下，例如因其作业场地小、坡度大等区域，采用无轨运输的方式要比采用有轨运输的方式便捷很多。下面主要以某施工段为例，探讨说明采用有轨运输的两种电瓶车的编组方式。

合肥轨道交通4号线天—翠区间盾构掘进中一环长度为1.5 m，一环出渣量为55 m3～60.3 m3，一个车装渣量为18 m3，考虑到黏土特性翻渣时渣罐内部分渣土无法倾倒完全、渣土改良的状态对出渣量的影响以及以往掘进经验确定掘进一环出渣为3.5车。

当始发井空间大小能够满足要求时，为减少盾构掘进时的停机时间和电瓶车的往返次数，有效的利用电瓶车的额定功率，将电瓶车编组设置为1节电瓶车+4节出渣车+1节砂浆车+2节管片车，左右线各设两组，一列编组完成一个循环掘进。采用这种长编组的方式不仅可加快施工速率、缩短施工工期，还节省大量的人力、材料、机器等资源，如图1所示。

当在城市内施工，为尽量减小对周围环境的影响，始发井空间不宜设计很大时，不能够满足电瓶车组满编设置，可采用短编组运行。即盾构机台车掘进一环的出渣量由两辆短编的电瓶车组完成，现可将短编的电瓶车组设置为1节电瓶车+2节出渣车+1节砂浆车+2节管片车，两辆电瓶车运行一趟即可完成一个循环掘进，如图2所示。

4.2 施工调度原理

采用有轨运输的方式进行盾构隧道的运输时，影响盾构掘进速率的主要因素便是电瓶车进行渣土和物料的运输。尤其对于长距离施工段来说，因其运输距离长，电瓶车往返所需的时间就会大大加长，这样就会在很大程度上耽误盾构机的掘进，所以很多人员也开发出了一些方式可以让电瓶车快速到达掌子面，进行快速运输。例如采用四轨三线以及复合式的运输方式，主要是增加电瓶车轨道和电瓶车的数量。但是在增加电瓶车轨道和电瓶车数量的同时，就会带来一些问题。其中最主要的问题便是因电瓶车数量增多和运输岔道的增加，电瓶车的施工调度问题而引发的一系列安全问题。因多辆电瓶车在有岔道的运输轨道上运行，如果没有很好的电瓶车的调度，在运输过程就容易发生电瓶车相撞事故。

大直径盾构长距离掘进施工调度的主要工作分为盾构施工水平运输与垂直运输的调度管理。长距离隧道掘进效率与水平运输设备的关系尤为重要,水平运输的能力在很大程度上制约了隧道的掘进速度[8]。

长大盾构隧道施工时，一般采用在隧道内间隔1 200 m左右增设1组道岔，实现隧道内错车,增加电瓶车编组数量，提高隧道内运输效率。在增加道岔与电瓶车编组数量后，必须加强洞内水平运输专项管理，防止发生撞车事故[9]。

本文以某长距离区间为例，说明在长距离区间中进行多辆电瓶车在岔道内进行运输调度。因其在长距离的盾构区间中为保障通风、照明以及安全等问题，在隧道中段设置了一处风井。为更加合理的利用区间内的风井以及节省资源和方便电瓶车的运输、施工，便在风井内架设了供电瓶车运输时进行错车的轨道。

使用两辆电瓶车进行循环往复的运载渣土和建筑材料，并且在运载箱两侧贴上反光条，在风井前后隧道内各安装红外线检测装置，便于检测电瓶车位置。同时，在风井位置，铺设错车轨道，并进行实时监控。

运输开始时，两辆电瓶车A，B相继从始发井出发，当红外线检测装置1第一次接收到电瓶车的运载箱上的反光条所传回的信息时，则可判定为空载电瓶车A，电瓶车A继续运行通过风井。当红外线检测装置2收到第一次反光条传回的信息，可判定是空载电瓶车A通过风井，则电瓶车A运行至掌子面处进行承接渣土。当红外线检测装置1第二次接收到信息时，判定为电瓶车B，则将空载电瓶车B运行至风井中的岔道中等待。当红外线检测装置2收到第二次信息，判定为返程的满载电瓶车A，电瓶车A继续返回通过风井。当红外线检测装置1收到第三次信息，判定满载电瓶车A通过风井，则电瓶车A继续返程至始发井，同时空载电瓶车B从风井的岔道中驶出。当红外线检测装置2收到第三次信息，判定为空载电瓶车B通过风井，电瓶车B继续前进至掌子面承接渣土，同时在始发井处倾倒完渣土的电瓶车A继续出发。当红外线检测装置1收到第四次信息，判定为空载电瓶车A，空载电瓶车A驶入风井岔道等候。当红外线检测装置2收到第四次信息，判定为返程的满载电瓶车B，电瓶车B继续返回。当红外线检测装置1收到第五次信息，判定为通过风井的满载电瓶车B，满载电瓶车B继续返回至始发井，同时空载电瓶车A从风井岔道内驶出，前往掌子面处。电瓶车A，B继续循环往复的运行见表1。

表1 电瓶车调度表

4.3 工程应用

天水路站—翠柏路站区间盾构隧道,因其盾构掘进区间接近3 000 m，根据有关安全及通风要求，需要在天水路站和翠柏路站的区间隧道中间设计建造风井，以便于通风、采光、逃生救援等。该项目便合理运用风井，利用风井内的空间建造供电瓶车错车的岔道，从而使得多辆电瓶车可同时在盾构掘进隧道内往返承接渣土和运送管片等材料。采用了两辆电瓶车在隧道内通过如表1所示相应的调度，结合红外线检测装置以及接收信号等装置反馈相关信息，从而使得总控制室知道电瓶车所在位置和A，B电瓶车是空载前往掌子面承接渣土，还是满载返回始发井，进而总控制室可根据调度表知晓电瓶车是否驶往风井内的岔道。若需要将空载电瓶车驶入风井内岔道，则总控制室可下达让电瓶车驶入岔道的命令给电瓶车驾驶员，从而在风井内完成与满载电瓶车的错车。在这样的调度方式下可使得电瓶车满载同时运行，进一步加快运送渣土和建筑材料的速率，减少盾构机在掘进过程中的停机时间，保证施工进度。

这样的错车调度方式可以编辑为程序，因调度表可一直延长到收到信号n次，所以可将电瓶车调度表做成数据库，主脑接收到隧道内信号器反馈回来的信息，若根据数据库判断出是需要驶入风井岔道的，则亮红灯，如果根据数据库判断出可以通过岔道，则绿灯亮起。当电瓶车驾驶员看到是红灯时，便进入岔道内等候，当看到绿灯亮时，便从风井内主道通过。这样可实现半自动化，在很大程度上减少因工作人员人为失误导致的故障发生。再进一步还可实现渣土运输的全自动化，让AI智能代替电瓶车驾驶员的工作，全程通过调度表做成的数据库，反馈给相关信息给AI智能，让它判断出电瓶车下一步的运行轨迹，总控制室只负责监督和查看是否正常运行。轨道设置如图3所示。

5 结论

长距离盾构隧道掘进时，渣土量增多，提高水平运输的效率，将会大大加快施工进度：

1)根据始发井内空间大小选择合适的编组方式，空间大的始发井可尽量采用长编组，空间有限的始发井便可采用短编组。2)通过详细的调度表，进行合理快速的电瓶车调度，使得多辆电瓶车在隧道内有条不紊的运行。3)对于长距离隧道水平，采用两辆电瓶车进行有序的循环调度，可以达到快速运输渣土的目的，减少盾构机台车掘进停滞的时间，进而提高施工效率。4)通过设置错车轨道，使空载和满载电瓶车各行其道，降低了水平运输中因电瓶车错车而发生的事故，增加了安全保障。