盾构法施工后配套运输方案

地铁盾构法施工后配套轨道运输方案摘要：土压平衡式盾构法施工的后配套运输系统配置方案，涉及到与盾构机能力匹配及施工进度、一次配置成本或长期使用成本、对本标段或今后不同标段的适用性、以及施工管理的易操作性等问题。一台盾构机，如要达到较高的施工进度必须配置强大的后配套运输系统。如要取得较高的施工效益必须配置最佳的后配套运输系统。目前，国内盾构法施工的后配套运输系统基本上均采用有轨运输方式。运输系统的主要参数与隧道长度、隧道坡度、工程进度要求、盾构机型号及参数有关，也与施工单位的管理方式有关。前者是必须满足的必要条件，后者是可综合考虑的相关因素。一、轨道运输系统的组成和运输循环1．地铁盾构法施工的场地特点一般来说，地铁车站就是盾构机的始发点。而地铁车站一般均设在地面以下，在地铁车站主框架施工完毕后，盾构机开始在车站里面组装始发。隧道和盾构机距地面15米到30米不等。盾构机施工期间，车站主框架要为盾构机设一安装井，同时也作为出渣井。有时除安装井外还专门另设出渣井。这种场地特点，使渣土从隧道运出后，需要垂直提升到地面上倒卸后再运走。其他材料也要从地面垂直下放到井底再转运到隧道里。2．轨道运输系统设备组成上述地铁盾构法施工的场地特点，决定了轨道运输系统必须由以下设施组成：·由提升门吊、门吊上的翻转倒碴装置（或固定在地面上的翻转倒碴装置）、门吊轨线、地面渣仓等，组成垂直提升的运渣倒碴系统、以及管片、材料垂直下放系统。·由牵引机车、碴土运输车、沙浆运输车、管片运输车组成水平运输系统的编组列车。根据情况可以是一列或两列以上。编组列车如上图所示，管片运输车在前方，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。管片运输车前面也不能有其他车辆，否则会防碍管片的吊卸。其次紧跟沙浆运输车，进入盾构机后配套系统时恰好位于盾构机同步注浆罐附近。机车在最后，进入时推着列车，驶出时拉着列车。采用每掘进循环渣土由一列车运出方案时，每列列车编组必须包含2辆管片车、1辆沙浆车、数辆碴车、和1辆牵引机车。2辆管片车装载1环管片，1辆沙浆车装载一循环注浆料。每掘进循环渣土2列车运出时，其中一列列车编组只包含碴车和机车。·由钢轨和轨枕组成隧道运输轨线，可以是单线制、四轨三线制或复合式轨线制。3．轨道运输系统循环过程如下图所示：（1）编组列车进入隧道时，管片运输车、砂浆运输车为重车，将管片和砂浆和其他材料运进，运渣车为空车。驶出隧道时管片运输车、砂浆运输车为轻车，运渣车为重车，将渣土水平运出，提升门吊系统则完成渣土的垂直运输。（2）渣土的吊卸：门吊把渣车车箱吊离渣车底盘，到规定的高度后，车箱随门吊小车横移到渣仓纵方向位置，再随门吊大车移动到渣仓横向位置，利用设置在门吊上的翻转机构，随着吊钩下落车箱及渣土利用重心与转轴的不平衡而翻转卸渣。从车箱被吊离底盘到车箱吊回底盘，卸渣过程约需8~12分钟左右。受起升下降速度及起重安全规程所限，不同容量的车箱在这一过程中需要的时间基本相同。4．有轨运输方式的优点有轨运输方式的优点是适用性强，能把从泥浆（指的是含水较多的渣土）到砂砾和卵石等各种类型的盾构机切削出来的碴土运出。把管片、背衬浆料，各种材料运进。能适应各种区间隧道长度，系统本身采用的工业技术及产品也极为成熟可靠。目前国内的土压平衡式盾构法施工的运输系统，均采用轨道方式。国内外TBM施工有采用长距离输送带方式进行碴土运输的实例，但国内的盾构法施工绝大多数采用轨道运输系统。主要原因是盾构机的掘进和管片安装不能同步进行，输送带连续输送的优势不能发挥，而管片和各种材料的运进仍需轨道运输系统。盾构区间施工距离一般也不长，在短距离的施工区间同时配置两种运输系统带来诸多不便，因此盾构法施工目前少有采用输送带长距离进行碴土运输的实例。二、运输方案选择、设计、计算1．运输方案选择需要考虑的因素·工程施工进度要求和配置成本后配套运输系统的能力肯定和首先要满足工程施工进度要求，在此前提下，配置成本有不同的考虑：A、完全按本工程施工进度的要求来考虑。这时又有两种可能：一是后配套运输系统投资在本工程中完全摊销（例如：盾构机是租用的或其他原因），运输系统设备在满足可靠性和进度的前提下，技术等级和使用寿命仅考虑本工程需要以使成本最低。二是投资在本工程中不完全摊销，设备的技术等级和使用寿命须适当考虑。B、兼顾以后工程预计的施工进度要求来考虑。由于后配套运输系统往往随盾构机继续在以后的工程施工中使用，因此建议后配套运输系统的能力要兼顾以后工程施工进度的需要。另外需要提醒的是：后配套运输系统的能力必须比盾构机的能力略大，以补偿工序衔接脱节时带来的时间损失以保证预定的施工进度。因为工序脱节是难以避免的。·系统技术等级和配置成本后配套运输系统设备的技术等级不同也影响配置成本。但技术等级低一般会导致系统的可靠性低。由此在施工中带来的损失往往比节省的配置成本大得多，因此建议适当考虑系统设备的技术等级。·系统标准化系列化要求A、如果本公司其他的盾构机已经有后配套运输系统的配置，那么本工程后配套运输设备配置的型号规格最好与原有的设备相同。除非原有的设备不合理需要改换。B、后配套运输系统的能力与设备的规格、数量有关。同一种配置能力，设备规格大的数量少，规格小的数量多。要综合考虑设备的规格，使之具有普遍的适用性。假设本工程预定的施工进度不高，那么配置适当规格和数量的设备，待下一工程施工进度要求高或低时，只增减设备的数量而不需改变设备的规格，使本公司的设备标准化，对公司长期的技术、管理、成本都有好处。2．运输方案设计、计算假设具体的某一盾构区间工程参数已定，包括施工进度、隧道坡度、区间长度、盾构机各参数等，仅仅针对这一盾构区间工程，后配套运输方案设计如下（以Φ6000mm左右直径盾构机为例）：2.1运输系统参数或特征确定·轨线制选择轨道运输的轨线有四轨三线制轨线、单线制轨线、复合式轨线（单线制轨线加会车浮放轨）等三种方式可供选择，分别阐述如下：（1）四轨三线制由于空间所限，一般采用762mm轨距，左右线分别为重车和轻车运输线，在盾构机后配套后部设一双开道岔浮放轨，可由盾构机拖行，也可由机车拖移，通过浮放轨，列车可进入由两根内轨组成的中线而进入盾构机后配套内部。优点：·对编组列车的容量没有特别的要求，可组织实施两列以上编组列车施工运输组织，由于左右两线的运输互不干涉，运输是连续的，与区间隧道的长度无关。不管区间隧道是长是短都能适应。·列车调度有较大的灵活性，易于应付突发性故障和事件。·工序适应性较强，当工序临时变动或脱节时，便于进行列车临时调度。·运输列车长度可长可短，可配合各种长度的盾构机输送带。缺点：·轨道需要量增大一倍，轨枕要求的长度长、强度大，需要量很大。（2）单线制轨线由于不存在会车，单线制的轨距可达900mm或以上，列车直接进入盾构机后配套。优点：·由于车宽仅受盾构机后配套内净空限制，在后配套内净空允许的情况下，列车车辆的车宽较宽，单辆或单列车运量较大。·轨道需要量少。轨枕材料需要量少。·轨面标高低，有利于盾构机后配套设备布置。缺点：·对列车的容量有特别的要求。当每列列车的容量等于盾构机一环掘进的渣量时，列车循环一次时间（驶进、驶出、装渣、卸渣时间总和）不能大于盾构机两个循环时间，否则将会使盾构机在一个掘进循环中停机等待一次。也就是说，在每台盾构配两列车，每列列车的容量等于一环掘进的渣量的情况下，单线制轨线只能适于区间长度为2000米以下的隧道的出碴运输（设机车平均速度为8kw/h）。当每列列车的容量小于盾构机一环掘进的渣量，例如，盾构机一环掘进的渣量由两列车运出时，列车重车驶出及轻车驶入的时间总和，即为盾构机一环掘进中停机等待的时间。例如，设列车平均行驶速度为8km/h，当运距为1000m时，盾构机一环掘进中停机等待的时间为15分钟。因此，单线制轨线只适应于短区间隧道施工。·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，难以临时调度弥补。（3）复合式轨线制四轨三线制的缺点是钢轨和轨枕材料需要量大。单线轨制的缺点是不适用于特长盾构区间施工。两者结合取长补短形成复合式轨线制：当盾构区间特长（3000m以上）时，主运输轨线仍为单线制轨线，在后配套后部和隧道的特定点设双线会车点，可以是固定的或可移动式的。会车点间隔距离根据运输系统诸参数计算确定，既节省钢轨和轨枕材料又满足特长盾构区间施工运输需要。但复合式轨线制对行车调度系统和施工工序的准时要求严格，略有差错全线混乱。但通过强化管理仍可办得到。行车调度可借助于铁路的自动闭塞系统来管理，中央调度室控制各会车点的红绿灯放行列车。施工工序的准时靠强化管理实现。四轨三线制和单线制轨线比较，各有优缺点。但现场用单线轨制较多。主要是盾构区间长度一般都不太长，单线制轨线可以适应，而四轨三线制的钢轨和轨枕材料需要量确实太大，现采用得不多。复合式轨线制在TBM施工中有使用的实例，但目前在盾构施工中尚未有实例。如盾构区间隧道的长度特长时，复合式轨线制将体现出优势。·渣土运输车容量选择在影响后配套运输系统能力的所有因素中，唯一没有选择余地的是门吊的提升速度，考察众多门吊产品及根据实际经验，重物在自由状态下提升的速度一般不超过20M／min，运行速度一般为20－30M／min左右，由于地铁隧道标高与地面标高差一般为15－30M，因此，即使为碴车提升设置导向稳定装置，也因提升高度太短，提升平均速度提高不多，反而会使碴车定位时间延长。根据门吊的提升速度、大车小车的运行速度计算及已经实际测试过的数据，每台门吊每天的极限提升循环车数约为120车。因此，渣车容量的大小成为制约垂直运输能力的因素，渣车容量越大则垂直运输能力越大。·编组列车容量选择渣土运输车容量确定后，还需确定编组列车的容量。盾构机一个掘进循环的渣土是由一列车运出？还是由两列车运出？或者由多列车运出？在轨线制选择中已涉及这一问题。就成本来说，一个掘进循环的渣土由一列车运出还是由两列车运出差别不大，各车辆的数量是相同的。只有机车的数量不同，但一个大机车的价格和两个小机车的价格差不多。供决策的因素是区间的长短和出渣场地条件。·列车运行持续速度选择隧道坡度和机车持续速度对机车的粘重和功率影响很大，而机车的粘重和功率又直接决定机车的价格。隧道坡度在工程参数确定后是无法改变的，但机车持续速度是可以选择的。从满足施工进度方面说，机车持续速度越快越好。从降低机车价格方面说，机车持续速度越低越好。但实际上决定机车持续速度的因素是轨道铺设标准，由于地铁隧道施工运输轨线都是临时性质的，轨道铺设标准较低。即使机车具备较高的持续速度能力，也难以发挥。根据经验，地铁隧道施工运输轨线允许的行驶速度一般在15～20km/h以下。故中隧集团目前在地铁隧道施工的机车持续速度一般为8km/h，最高速度为16km/h。根据这一速度再来计算列车的容量等级和所需的列车数。·运输系统的技术等级选择后配套运输系统的技术等级由系统诸多部分采用何种工业技术来评定。系统当中当然会包含传统的或现代的工业技术。以机车为例：如选用内燃机车，则有进口内燃机车和国产内燃机车之分。如选用蓄电池机车，则有直交变频机车和直流机车之分。建议采用具有较高技术等级的设备以提高运输系统的可靠性。·渣土的松方系数和容重地质情况不同将导致松方系数差别较大，例如：中隧集团在广州越三区间隧道实测的松方系数达1.8，在南京地铁南北线一期工程玄武门－南京站区间隧道实测的松方系数只有1.1弱，但后配套运输系统要适应多个盾构区间掘进，故一般按照1.5松方系数计算，如与实际不符则靠增减渣车数量来解决。在刀盘切削的条件下，盾构掘进松方因含有大量的水，其容重较山岭隧道开挖松方的容重略大。而且不管松方系数如何，实际容重多为1.8—2.0吨/立方左右，因为当切削的岩土粒度较大时，往土仓加的泥水填满了岩土的空隙，当切削的岩土粒度较小时，松方比较密实，与实方的重量差不多。2.2运输能力计算和设备配置设以某一盾构区间为例进行计算、配置，设其工程参数为：盾构机切削直径：Φ6300mm盾构区间长度：2000M施工平均进