地铁盾构法施工编组列车配置与轨线布置分析

杨武林，陈 波

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 都江堰，611830)

盾构法施工技术常应用于城市道路建设中的隧道开挖，因其施工安全、高效、节能且对周边自然环境影响较小等特点得到了越来越广泛的应用与推广。在实际施工过程中，具体的施工各环节均有比较完善的技术标准与规范，对遇见的不良条件与问题的应急预案也比较完善，如何提高盾构施工效率是施工技术人员思考的重点，盾构施工编组列车的配置和轨线布置形式成为盾构施工有序且高效进行的关键环节。现场施工技术人员应根据隧道线路实际条件、隧道参数、运输距离、盾构机工作需求、相关原则等多方面进行分析判断，选择地铁盾构施工编组列车的配置和轨线布置形式，保证盾构施工顺利进行，避免因编组列车运输系统影响隧道掘进施工。本文结合多年的盾构施工技术经验，以及国家相关标准和规范，对地铁盾构施工编组列车的配置和轨线布置形式进行分析，选择最为符合施工标准的方式，希望可以为相关工作者在施工过程中提供参考和帮助。

1 地铁盾构施工编组列车运输系统组成

目前，国内地铁盾构法施工编组列车运输系统均采用有轨运输方式，该运输系统主要由牵引机车、渣土运输车、砂浆运输车、管片运输车组成运输系统的编组列车。编组列车的配置顺序为管片运输车在最前方，其次是砂浆运输车，再次是渣土运输车，最后是牵引机车，列车进入盾构机后配套系统时，刚好使管片运输车位于管片吊机下方，砂浆运输车刚好位于盾构机同步注浆罐附近。编组列车进入隧道时牵引车推着列车前进至盾构机后配套，驶出时拉着列车至隧道外装卸料区，牵引机车与材料车之间的连接方式为热处理钢销和钢板软连接，保障了机车沿隧道轴线牢固灵活地完成运输工作[1]。

在地铁隧道掘进施工中，编组列车负责洞内施工材料的运进以及开挖渣土的运出。编组列车进入隧道时，管片运输车、砂浆运输车为重车，将管片、砂浆和其他材料运进，渣土车为轻车；驶出隧道时渣土车为重车，管片运输车、砂浆运输车为轻车，从而完成地铁盾构施工材料转运工作。

2 工况设定

某地铁项目为两站一区间，盾构区间双线隧道总长4000m，左线长2000m，右线长2000m，最小纵坡坡度为12‰，最大纵坡坡度为27.636‰。盾构机采用土压平衡盾构机，盾构开挖直径为8640mm。每环管片采用7块(4+2+1)方案，由1块封顶块管片、4块标准块管片与2块邻接块管片组成，钢筋混凝土管片外径8300mm，管片厚度400mm，管片幅宽1800mm。使用1.8m幅宽的管片，出土方量计算：π×R2×L=π×(8.64÷2)2×1.8=105.53m3/环，实际出渣量考虑1.63的松散系数(根据日常掘进出渣情况拟定)，故出土量均为172m3/环以内。

3 地铁盾构施工编组列车的配置

3.1 牵引机车的选择

盾构机掘进水平运输设备采用电瓶机车作为牵引车，原则上配备材料渣土运输车为5节渣土车(22m3/节)、1节浆液车(8m3/节)以及2节管片车。根据工况设定条件计算盾构机掘进出土方量为172m3/环，5节渣土车(22m3/节)无法完成掘进一环渣土量的运输，因此，采用一环两列编组配置，即掘进约半环，换车一次，以下为机车编组荷载配置情况[2]。

(1)电瓶机车编组1进洞需要牵引的最大重量为5节渣土车(空)、1节砂浆车(满载)以及2节管片车(满载)。

(2)电瓶机车编组2进洞需要牵引的最大重量为5节渣土车(空)、1节砂浆车(满载)以及2节管片车(满载)。

(3)电瓶机车出洞需要牵引的最大重量为5节渣土车(满载)、1节浆液车(空)以及2节管片车(空)。

现计算电瓶机车需要牵引重量：

G进1=5×G渣车+G浆车+G浆+2×G管车+4×G管标

G进2=5×G渣车+G浆车+G浆+2×G管车+2×G管标+G管K

G出=5×G渣车+5×G渣+G浆车+2×G管车

式中：G渣车为渣车和渣斗总重，为10.6t；G浆车为砂浆车重量，为7.2t；G浆为砂浆车最大装砂浆重量，为8m3×2t/m3=16t；G管车为管片车自重，为3t；G管标为标准块或临近块管片的重量，为7.5t；G管k为封顶块管片的重量，为2.5t；G渣为每斗渣土重量，为22m3×2t/m3=44t。

经计算：G进1=112.2t；G进2=99.7t；G出=286.2t。

故机车最大牵引力需满足牵引重量286.2t运输。由于同一台电瓶机车的起动粘着牵引重量都要小于运行牵引重量，因此，只计算重载上坡条件下电瓶机车的起动粘着牵引重量。

电瓶机车起动粘着牵引重量：机车粘着牵引力≥坡道阻力+列车综合运行阻力+加速惯性力。即：G机×μ粘≥(G机+G编)×(μ轨+μ坡+a/g)

故G机≥G编×(μ轨+μ坡+a/g)/[μ粘-(μ轨+μ坡+a/g)]

式中：G机为机车重量；G编为机车最大牵引重量，为286.2t；μ轨为轨线坡度，此区间最大为27.636‰；μ坡为隧道坡道综合阻力系数，为0.008；μ粘为机车粘着系数，为0.26；a为编组加速度，取0.05m/s2；g为重力加速度，9.8m/s2。

经计算G机≥53.17t。因此，在27.636‰坡度下，所有渣斗全部装满渣土后，至少需要53.17t机车满足牵引，考虑适当冗余，选单台55t电瓶机车合理，满足要求[3]。

3.2 编组列车的配置

牵引车是盾构施工运输列车编组的牵引动力，牵引车的选择直接关系到隧道内运输是否满足施工的顺利进行，根据上述计算结论选择55t电瓶机车，满足要求。单列编组列车配置为：1节电瓶机车(55t)、5节渣土车(22m3/节)、1节浆液车(8m3/节)以及2节管片车。

4 轨线布置结构形式分析

4.1 掘进工序分析

本区间根据实际施工统计数据：盾构掘进时间每循环平均掘进时间约为60min；管片安装每环管片平均安装时间为50min(熟练时)；卸砂浆、下管片及材料时间为8min。

一个循环时间为：掘进半环(min)+车出(min)+车进(min)+掘进剩下半环(min)+管片拼装(min)，该时间为盾构机掘进完成1环的所有工序总用时时间，其中掘进完下半环编组出洞和下一环上半环编组进洞的时间与管片拼装时间重合。列车按照平均行车速度5km/h、隧道最长2km，计算列车进出分别为24min。

综上所述，掘进完成一环的时间为158min。其中，掘进完上半环编组出洞和下半环编组列车进洞这段时间为停机等待时间，在该工序过程中盾构机掘进一个循环停机等待时间为：出洞(min)+进洞(min)，在盾构区间最长距离2km时，盾构机掘进一个循环停机等待时间为48min。为了提高隧道施工效率，避免盾构机停机等待，需加强施工过程控制，对施工工艺和施工方法做修改调整，合理增加相应技术措施，提高施工生产效率和实现成本控制。

4.2 道岔结构形式

道岔具有数量多、构造复杂、使用寿命短、限制列车速度、行车安全性低、养护维修投入大等特点，与曲线、接头并称为轨道的三大薄弱环节。它的基本形式有三种：线路的连接、交叉、连接与交叉的组合。而在地铁隧道施工中道岔使用形式相对单一，主要道岔形式为单式对称道岔(双开道岔)、左开道岔和右开道岔，道岔又分为普通道岔和浮放道岔。根据施工工艺要求与实际施工需要选择适合的道岔形式[4]。

4.3 轨线布置结构形式分析

轨线布置形式有单线制轨线布置、四轨三线制轨线布置和复合式轨线布置。

4.3.1 单线制轨线布置

由一条主轨道延伸至盾构机后配套，隧道区间内没有会车区，而在隧道口布置一副双开道岔供洞外调车使用，编组列车运输时只能一列编组完成一个工序循环后，另一列编组才能进洞进行下一个工序循环，两列编组不能同时驶入洞内，这样的轨线形式为单线制轨线布置。单线制轨线布置优缺点如下：

(1)优点：轨道需要量少，施工投入成本低，编组列车运行管理较简单。

(2)缺点：只适用于短区间隧道施工，否则编组列车运输脱节会使盾构机停机等待；不利于应付突发故障和事件；工序的适应性差，当工序脱节时难以临时调车弥补。

4.3.2 四轨三线制轨线布置

由两条轨道延伸至盾构机后配套，在盾构机后配套后设一副浮放道岔，可以由盾构机或电机车拖移。通过浮放道岔编组列车可以由侧面两根轨道进入盾构机后配套内。一列编组列车装渣时，第二列编组列车在轻车道上等待；一列编组列车装渣完成后行驶至重车车道上，第二列编组列车可以及时驶入后配套内完成下一个循环的装渣。四轨三线制轨线布置优缺点如下：

(1)优点：左右两线的运输互不干涉，运输可以连续进行，区间长短都适用；对编组配置的灵活性较大；编组列车的运渣量与编组列车数量受运行因素的影响较小；编组列车的调度较灵活，有利于应付突发故障和事件；工序适应性较强，当工序变动或脱节时便于及时调车。

(2)缺点：轨道需求量增大将近一倍，施工投入成本高。

4.3.3 复合式轨线布置

由一条主运输轨线延伸至盾构机后配套，仍为单线制轨线的形式，在盾构机后配套后设两副浮放道岔组成会车区。当隧道特长时在隧道中部可增设双线会车区，可以是固定的，也可以是移动式的，运输系统参数根据会车区间隔距离计算而确定，既节省轨道又满足特长盾构区间施工运输的需要。当隧道区间短时，复合式轨线相当于四轨三线制轨线，利用盾构机掘进时间，另一列空的编组列车可驶入在后配套后部会车区等待。

复合式轨线制兼有单线制轨线和四轨三线制轨线的优点。

4.4 运输轨线布置分析

根据上述盾构掘进工序与轨线布置结构形式分析，隧道施工洞内采用单线制轨线布置掘进停机等待时间比较长，不利于项目进度控制和成本控制。为了弥补盾构掘进停机等待时间，项目增加相应的技术措施实现更优异的成本控制和进度控制，在轨线布置结构形式分析中，了解了各形式轨线布置的优点和缺点，从进度控制最优化和成本控制最低化来进行选择轨线布置结构形式。若选择四轨三线制轨线布置形式，左右两线轨道的运输互不干涉，运输可以连续进行，区间长短都适用，但是轨道需求量增大将近一倍，不利于项目的成本控制；选择复合式轨线布置兼有单线制轨线和四轨三线制轨线的优点，其主运输轨线仍为单线制轨线。

根据上述分析，结合现场实际情况和工艺要求，本盾构区间隧道采用一环两列编组配置，选择复合式轨线布置。首先在洞口位置布设一副普通双开道岔，根据施工工序要求，在洞口安装道岔需拆除负环管片后重新布设，原有轨线需要拆除再重新布设道岔，选择普通双开道岔可以提前将道岔组装完成，安装道岔时可以直接整体吊装下井，固定道岔后进行后续轨道的延伸，比现场组织道岔节省时间，从而保证隧道施工进度。在施工过程中方便一列电瓶编组列车进行水平运输时，另一列车可以进行装卸车等垂直运输，满足洞外调车要求。在隧道掘进较长距离时，再增加一列编组列车，在掘进后期投入隧道掘进施工，实现三列编组列车互调，减少后期盾构机停机等待时间。区间隧道单线长为2km，在掘进后期时，根据隧道施工实际情况，计算隧道内最佳安装错车平台组成会车区的位置，提高隧道施工效率，从而最大限度保证隧道施工进度和成本控制。在选择轨线布置形式和道岔时，必须保证调车灵活、快速、安全，有序、衔接紧密，便于应对突发故障和事件，保证施工安全[5]。

根据盾构机和牵引机车尺寸要求，以及运输限制条件，隧道施工水平运输轨道选用43kg/m轨道，其盾构机后配套轨道轨距为2910mm，编组列车轨道轨距为970mm，编组列车轨道位于盾构机后配套轨道中间。轨线布置时保证两列电瓶机车运行安全、出土口与渣斗的安全距离，双轨行区两车道中心距至少为2140mm。为满足盾构施工高效顺利地进行，综合考虑材料节省，牵引机车运输轨枕布置分为洞外平坡段、爬坡段、道岔段、降坡段、正常段，分别用10#槽钢、20#工字钢、20#工字钢、20#槽钢、20#槽钢作为轨枕基材。

5 结论

地铁盾构法施工中合理地选择编组列车的配置和轨线布置形式是保证整体隧道施工顺利有序进行的重点。现场施工管理人员应结合施工工序流程与生产调度的具体情况，遵循隧道施工运输系统安全、合理、经济的原则，重点安排好各工序的衔接与调度工作，提高隧道施工生产效率，严格按照施工规范进行，最大限度地保证隧道施工安全、有序地开展。