淺談土壓平衡盾構施工后配套設備選型

許光明

(中鐵隧道集團杭州分公司，杭州 310000)

0 引言

目前，盾構法施工以其高效、安全的優點，在我國地鐵建設中廣泛使用。在該工法中，盾構機因為價值大、技術復雜等特點在選型時往往受到高度重視，而后配套設備由于金額相對較低、機型雜、數量多等特點往往不被人重視［1］;但在施工中，盾構機與后配套設備形成一個施工流水線，任何一個環節上的設備出現問題，都直接影響著生產效率。在具體的施工中，因為后配套設備的故障或不匹配影響施工進度的事例并不少見，盾構機確定后，盾構施工進展順不順利，效益能否充分發揮，主要取決于后配套設備選型是否合理，場地布置是否科學。

1 后配套設備選型的基本原則及要求

后配套的選擇是保障工程項目順利實施的前提條件之一，也是設備保障的重要組成部分，除滿足盾構機的性能匹配要求外，還應與施工場地布置、盾構機意向施工區域的發展規劃要求相結合，經過技術經濟比較后確定［2］。后配套的選型原則主要有以下4個方面。

1.1 適用性原則

后配套具有較長使用壽命，可用于多個地鐵項目工程，應根據使用壽命內預計的常用使用條件下或最不利使用條件下進行選擇，以便具有較廣泛的適用性。

1.2 技術先進性原則

設備制造不斷改進和更新，要適應目前的需要并適度超前，力爭上游。具體來說有2方面的要求:一是不同種類(廠家)的設備間應盡可能選擇技術先進的設備;二是同一種類(廠家)的設備間，設備配置與功能選擇應適應技術先進的要求。

技術先進性要以可靠性為前提，應選擇經過工程實踐驗證、可靠性高的先進設備。

1.3 經濟合理性原則

經濟合理性是指后配套設備在滿足使用要求的前提下，其綜合效益最佳，施工成本合理，也就是不能孤立地分析單項成本，而應該從整個工程項目，乃至考慮設備全壽命階段的適應性和可能進行必要技術改進情況，綜合分析比選確定。

1.4 統籌兼顧原則

后配套選型是一個復雜的系統工程，涉及的因素很多，而這些因素間互相影響。施工場地布置直接影響門吊的跨徑和懸臂形式;水平運輸出土方式(一次出土，二次出土)影響門吊的噸位;適用性影響電瓶車的牽引力選擇，進而影響碴土車容量及門吊噸位等。因此，應按照盾構機市場區域定位，充分考慮包括設備購置價格、設備保養成本、設備運行成本、設備生產效率等經濟性指標，與適用于不同項目條件、操作保養簡單，配套機械大眾化，更新改造方便等適用性相結合的原則，在滿足本項目的前提下，統籌兼顧適用性與技術先進性，使設備配置具有一定的前瞻性。

1.5 設備選型的基本要求

設備間生產能力相匹配，避免各工序施工的瓶頸現象，減少無功消耗時間，最大限度地發揮設備的效能。施工中工序銜接緊密，合理提高生產效率，縮短工期，降低生產成本。

2 后配套設備的組成

盾構機后配套設備材料主要包括洞內水平運輸設備、洞口垂直提升設備、洞內通風、砂漿攪拌設備、洞內布置的供水供電行走、照明排污等臨時設施，對設備選型起制約作用的主要是水平運輸系統和垂直運輸系統。后配套配置見表1［3］。

表1 后配套設備組成Table 1 Relative equipments

3 后配套配置方案比選

后配套設備選型配置方案的比選主要考慮以下幾個原則:即尺寸原則、滿足施工進度要求原則、設備能力等級棄小取大及保證施工安全原則、考慮實際施工環境影響原則、盡量采用現有廠家生產通用標準件原則以及廠家在國內有良好使用記錄，可確定盾構施工后配套設備的主要技術參數及完成選型工作。

4 水平運輸系統方案比選

水平運輸系統方案確定的重點在于選定出土方式和列車編組方式、軌道布置形式、電瓶車牽引力、碴土車及漿液車容量等［4］。

4.1 軌道布置形式

軌道布置形式一般有四軌三線制、單線制和復合式3種布置形式。

4.1.1 四軌三線制軌線

采用四軌三線制時，由于隧道空間所限，在盾構機后配套后部設一雙開道岔浮放軌道，可由盾構機或由機車拖移。優點:左右兩線的運輸互不干涉，運輸是連續的，與區間隧道的長度無關。缺點:軌道需要量增大1倍，軌枕要求的長度長，需要量大。

4.1.2 單線制軌線

列車直接進入盾構機后配套。優點:鋼軌和軌枕材料需要量少;軌面標高低，有利于盾構機后配套設備布置;列車運行管理較為簡單。缺點:只適用于短區間隧道施工，否則列車運行的脫節將會使盾構機掘進發生停機等待。

4.1.3 復合式軌線

主運輸軌線仍為單線制軌線，在后配套后部設2副浮放雙開道岔組成會車點。當隧道特長時在隧道中部可增設雙線會車點，可以是固定的或可移動式的。會車點間隔距離根據運輸系統參數計算確定。既節省鋼軌和軌枕材料又滿足特長盾構區間施工運輸需要。當隧道區間長度短時，復合式軌線相當于四軌三線制軌線，利用盾構機掘進時間，另一組空的編組列車可駛入在后配套后部等待。復合式軌線制兼有單線制軌線和四軌三線制軌線的優點。天津地鐵3號線七標區間長度為1 300 m，軌線按此方案配置。

4.2 軌道及軌枕

4.2.1 軌道

軌道采用軌道鋼(鋼軌)，一般而言，碴土車容量小則采用輕軌，碴土車容量大則采用重軌，24，33，38，43 kg/m 4種規格的鋼軌都有使用，但大部分使用者認為24 kg/m的鋼軌很容易變形，不建議使用，建議碴土車容量12 m3以上的應使用38 kg/m以上的鋼軌為宜，并認為43 kg/m以上的鋼軌太重，軌道鋪設不方便。

4.2.2 軌枕

軌枕主要有3種型式:一是大軌枕，一般采用18或20號工字鋼加工而成，優點是列車行走穩定性好，缺點是一次性投入大，鋪設不方便;二是弧形軌枕，采用弧形鋼板焊接短槽鋼或短鋼板焊接而成，優點是一次性投入小，鋪設方便，缺點是制作難度較大;三是短軌枕，采用短槽鋼下墊鋼板，直接鋪設在管片底部，其受力性能較差，較少使用。

4.3 出土方式

出土方式分為一次出土和兩次出土2種方式。盾構機每一環進尺出土量由1列運輸完成即為一次出土，由2列車完成即為兩次出土。采用復合式軌線制的前提下采用2次出土方式使盾構掘進中途需等待一次電瓶車往返時間，對施工效率有較大制約，除短區間外基本不采用。

4.4 列車編組方式

一次出土方式運輸列車編組主要有以下3種方式。

4.4.1 編組方式1

一個列車編組，由4節碴土車、2節管片車組成和1個砂漿車組成(見圖1)。管片運輸車在前方，列車進入盾構機后配套系統時，剛好使管片運輸車位于管片吊機下方。管片運輸車前面不能有其他車輛，否則會防礙管片的吊卸，其次緊跟砂漿運輸車，進入時恰好位于盾構機注漿罐附近，再次為碴土車，機車在最后。

圖1 列車編組方式1Fig.1 Train formation mode 1

圖2 列車編組方式2Fig.2 Train formation mode 2

工作循環:編組列車進入隧道時，管片運輸車、砂漿運輸車為重車，運碴車為空車。掘進完成后，編組列車駛出隧道時管片運輸車、砂漿運輸車為輕車，運碴車為重車。列車到達洞口出碴井后，提升門吊把碴車車箱吊離碴車底盤至地面卸碴。然后利用門吊裝運管片和砂漿等，然后駛入，完成1個工作循環。

優點:管理簡單，工序之間邏輯關系清晰，設備成本較低。

缺點:門吊提升系統成為制約因素，存在盾構機無功等待時間，不利于工期要求和施工成本的控制，僅適用線路較短或盾構始發階段。

4.4.2 編組方式2

2個列車編組，1號列車編組由4節碴土車+1節平板運輸車(用于鋼軌、軌枕、潤滑油脂及其他雜物)組成，2號編組列車由2節管片車和1節砂漿車組成，如圖2所示。

工作循環:掘進后，1號編組列車滿載使出，管片拼裝，2號編組列車駛入，卸載后駛出。1號編組列車駛入，完成1個循環。

優點:效率較第1種編組方式要高，編組列車和盾構機的利用效率達到充分利用，成本增加不多，適應較長線路(1.0～1.5 km以內)。

為適應特殊土層(如松散系數較大的砂礫層)上述2個編組可進一步優化如下:第1個編組由6臺車組成，由1臺電瓶車牽引4臺碴土車和1臺管片車，負責土體和部分管片運輸;另1個編組由5臺車組成，由1臺電瓶車牽引2臺管片車及1臺漿液車，并增加1臺出土車(11.5 m3/臺)。每掘進1個循環(1.2 m/環)的土方及漿液由2個編組列車運輸到盾構機指定位置。列車編組見圖3。

圖3 特殊地層列車編組方式Fig.3 Train formation modes for special geology

4.4.3 編組方式3

2個列車編組，2列編組相同，均由4節碴土車、2節管片車組成和1個砂漿車組成，此編組方式即所謂“大編組”方式，列車編組見圖4。

圖4 列車大編組方式Fig.4 Long train formation mode

工作循環:每列編組列車可完成一環掘進所需材料、碴土改良材料、管片、碴土等運輸，兩列車交替運行以確保施工的連續。

優點:不受運輸距離的約束，對工期有利，組織管理方便。

缺點:成本稍高，但合理組織更能有效地降低施工成本。

4.5 編組車輛選型計算

4.5.1 碴土車選擇

4.5.1.1 碴土車在設計時滿足技術要求

1)碴土車的長度和漿液車及管片車需同時考慮，整節列車的長度不能超過盾構機內水平皮帶輸送機的限定長度，否則，最后端的1節碴土車將無法裝運碴土。

2)碴土車的碴斗和底盤必須是相對獨立的2部分，以使龍門吊在吊運時只吊起碴斗，而底盤不同時吊起。

3)碴土車的寬度不得超過盾構機內部的最大限寬，且有一定的富余量。

4)4節碴土車的容積必須保證一次性裝載完每環掘土量。

5)轉彎半徑不得大于25 m。

6)碴土車必須具有一定的剛度和強度，保證在龍門吊吊運時不發生變形或斷裂，同時也不能設計過重，否則，將造成龍門吊超過設計吊重。

7)考慮到碴土車在龍門吊吊出時需順利翻碴，在碴土車兩側分別設計了起吊軸和偏心翻轉軸。

4.5.1.2 碴土車容量計算

1)軟土施工區域的盾構區間形式。軟土施工區域的盾構區間管片寬度大多為1.2 m，盾構外徑最大為6.34 m左右。

2)出土量計算。每環理論出土量:π/4×D2×B=π/4×6.342×1.2=37.88 m3/環(D 為盾構外徑，6.34 m;B為管片寬度，1.2 m)。

考慮松方系數的實際開挖的出土量計算:掘進單位循環出碴量為Q=πr2Bη=π×3.172×1.2×1.15=43.56 m3(r為刀盤開挖半徑，3.17m;η為松散系數，1.15)。

地質情況不同將導致松散系數差別較大，變化范圍在1.05～1.5之間。后配套運輸系統要適應多個盾構區間掘進。按照1.15松方系數計算，如與實際不符則靠增減碴土車數量來解決松方系數的問題。

3)碴土車。①使用3節碴土車時:每節碴車要求容量V碴車=Q/3=14.5 m3，選用15.0 m3碴車。使用3節碴土車時，對應的門吊噸位增加，成本增加。同時，對軌道和軌枕的要求適當保守。②使用4節碴土車時:每節碴車要求容量V碴車=Q/4=10.89 m3，選用12.0 m3碴車。使用4節碴土車時，常規使用的配置、門吊和碴車等設備利用率高，施工時間銜接緊湊，技術較成熟。

4.5.2 砂漿車選擇

盾構推進中的同步注漿是充填土體與管片圓環間的建筑間隙和減少后期變形的主要手段，也是盾構推進施工中的一道重要工序。漿液壓注要及時、均勻、足量，確保其建筑空隙得以及時和足量的充填。漿液車主要是將漿液從洞外運到盾構機后方臺車上的儲漿池內，滿足每環同步注漿的最大注漿量。每推進1環的建筑空隙為1.66 m3。每環的壓漿量一般為建筑空隙的100% ～250%，即每推進一環同步注漿量為1.66～4.14 m3。

每循環注漿量Q注漿=3.0m3。取砂漿罐車容量Q罐車=6.0 m3≥Q注漿。外觀尺寸為4 390 mm×1 474 mm×2 335 mm。寬度滿足最大限寬要求，即1 474 mm＜1 600 mm，以上配置為特殊工況和搶險保留一定的富余量。

4.5.3 管片車選擇

依據管片設計圖一環的管片設計為3+2+1形式，考慮到重量和穩定性，管片運輸最多3片疊放，故每環需采用2臺管片車運輸。

選用管片車應滿足以下技術要求［5］:

1)同時考慮盾構機內部限界尺寸及管片設計尺寸，管片設計尺寸按1 200 mm考慮。

2)管片疊放在管片車上時，必須和管片車是柔性接觸，即設置專門的橡膠墊，橡膠墊位置應適于管片受力，防止運輸過程中管片的損壞。

3)按照管片的弧形應將管片車設計成“凹”行結構，以保證最底層管片和管片車“三線”的充分接觸。

4)轉彎半徑不得大于25 m。

5)行走裝置應設置緩沖裝置，制動可靠。

4.5.4 電瓶車選型

電瓶車是水平運輸系統的動力工具，也是其核心設備，選用是否得當直接關系到洞內運輸能否正常運行，電瓶車的選型主要考慮其牽引能力。

4.5.4.1 電瓶車的選用技術要求［6］

1)每輛電瓶車必須具備牽引1節漿車、2節管片車和4節碴土車并全負荷的能力(即滿足大編組牽引能力)。

2)能保證在40‰坡道上安全起動并牽引整列車正常行駛。

3)具備電制動、空氣制動和手制動3種制動方式。

4)具有變頻裝置，以適應不同的工況。

5)配備的蓄電池單次充電需保證10 km的運輸。

6)因電瓶車和碴土車、漿車、管片車為一個統一的運輸整體，對整體的剎車、軌距、連接方式等應有整體的部署。

4.5.4.2 選型計算

1)工況分析。電瓶車主要有2種工況:一種工況為滿載碴土駛出，管片車及砂漿車空載;另一種工況為裝載二環管片及滿載漿液駛進，碴土車空載。

2)電瓶車牽引時最大載質量計算。電瓶車每環出碴時牽引質量最大，在大編組情況下，最大質量時列車編組為3節15 m3滿載碴土車加+1節空砂漿車+2節空管片車，對出碴時牽引質量進行計算，可算出牽引最大質量。其中:M碴=15×1.7=26 t(碴土質量，密度根據地質資料最大為1.9 t/m3，松方密度=1.9/1.15=1.65 t/m3，密度按 1.7 t/m3選用);M碴車=11.4 t(碴車含自質量，按蘭州北車提供數據計算，下同);M漿車=7.5 t(漿車自質量);M管片車=2.5 t(管片車自質量)。

機車牽引計算:M碴土車=3×［15×1.7+11.4］=110.7 t，M管片車=2 ×2.5=5 t，M砂漿車=1 ×7.5=7.5 t，合計110.7+5+7.5=123.2 t。4.5.4.3 機車牽引噸位計算

1)35 t機車30‰坡道牽引噸位計算。其計算公式為:

式中:Fμ為黏著牽引力;μ為機車黏著系數，0.26;P為機車黏重，350 kN;Wq為機車單位起動阻力，5 N/kN(根據機車《牽規》取值);iq為坡道阻力系數30‰。

Wq//=3+0.4ig=3+0.4×30=15 N/kN。

將數值代入(1)式可得 GQ=［91 000-350(5+30)］/(15+30)=1 750 kN(約175 t)。

2)35 t機車35‰坡道牽引噸位計算。GQ=［91 000-350(5+35)］/(15+35)=1 540 kN(約154 t)。

3)35 t機車40‰坡道牽引噸位計算。GQ=［91 000-350(5+40)］/(15+40)=1 370 kN(約137 t)。

實際最大牽引噸位Mmax=123.2 t。

5 垂直提升設備方案比選

在盾構施工中，除盾構機外龍門吊是使用頻率最高的設備，是盾構配套設備中最重要的設備之一，施工中所有的垂直運輸均由龍門吊完成。

5.1 門吊的選擇應滿足以下技術要求

1)首先應滿足滿載吊運時的最大重量，即碴斗自重+滿載碴土重量或是電瓶車整機自重。

2)根據施工場地條件限制，龍門吊布置一般有2種方式，即平行于盾構掘進方向和垂直于盾構掘進方向，設計跨距應結合施工場地的條件并考慮通用性進行設計。由于工作井尺寸基本固定，龍門吊布置形式是跨雙井或單井平行布置，或垂直布置，其跨距均不同，為提高設備適用性，龍門吊一般應按10～26 m跨徑進行可變跨徑設計，并應考慮采用可拆卸式的雙懸臂結構。

3)凈高一般設計為8～10 m以上，以保證翻碴結構必須的正常高度(其高度應考慮以下因素:碴土池地面以上高度3～4 m，碴土車高度2.5 m，必要的安全操作空間0.5～1.0 m，如果小龍門吊需從大門吊下通過，還需考慮小門吊結構高度2～2.5 m)。

4)翻碴結構分為2種，即龍門吊中央翻碴和側面翻碴2種形式，選用時應根據施工場地條件限制自行設計。

5)為保證大車行走平穩，大車行走機構一般采用變頻設計，最大行走速度適宜。

6)為節省垂直運輸的時間和吊運時的穩定性，主起升結構一般采用變頻設計，雙制動，最大速度應在10 m/min(重載)左右，空載最大速度可適當加大。

7)起吊扁擔采用自動平衡裝置，吊具可拆卸，摘掛方便靈活。

8)龍門吊設計時還需考慮聲光報警、防雷、防潮、手動夾軌裝置、起升高度限位裝置、起重量限位裝置、大小車行走限位裝置、起升高度顯示儀、重量顯示儀、避雷針、風速儀、蜂鳴器等。

5.2 龍門吊的選型計算

5.2.1 主龍門吊的選型計算

根據施工安排，每個井口需安裝1臺龍門吊，用于吊裝電瓶列車入井及吊出碴車卸碴。以電瓶列車各配套車輛的技術參數為依據，可確定或計算出龍門吊的技術參數。

1)單件最大質量比較。碴及碴車質量:ρ碴×V斗+M碴車=1.7 ×15+6=31.5 t。35 t電瓶車質量:35 t。

2)龍門吊噸位的確定。從1)可以得出，龍門吊噸位應大于35 t。

結合對龍門吊廠家的調查，國標門吊配置為(25/5，32/5(10)，50/10)，非標的有(38/10，45/10)2 種型號，由于起重設備主要配件設計都靠上不靠下，38，45，50t的價格相差不大，故取起質量為45 t U型雙梁龍門吊(標準配置)，安全性能滿足施工需要。

5.2.2 副龍門吊選型計算

副龍門應考慮具備管片下井和始發階段小斗出土的條件。吊裝最大質量:考慮1節管片車和3片管片，每片管片最大4.5 t，故設計起質量為3×4.5=13.5 t。選取起質量為16 t U型雙梁龍門吊(標準配置)，安全性能滿足施工需要。

5.2.3 大龍吊卸碴計算

取本標段最大垂直提升高度H=25 m(地下15 m，地上10 m，其中15 m為地面到起重面的距離，而非端頭井的深度)。

6 漿液供給系統和輔助設備

漿液供給系統和輔助設備較為簡單，此文不做介紹。

7 結論與建議

土壓平衡盾構法施工的后配套設備配置方案，涉及到與盾構機能力匹配及施工進度、一次配置成本或長期使用成本、對本標段或今后不同標段的適用性以及施工管理的易操作性等問題。盾構機如要達到較高的施工進度需配置強大的配套設備系統，如要取得高的施工效益需最佳的施工設備配置。設備配置方案應在兩者之間選擇合適的平衡點。

［1］ 陳饋，洪開榮，吳學松.盾構施工技術［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［2］ 地盤工學會.盾構法的調查·設計·施工［M］.北京:中國建筑工業出版社，2007.

［3］ 王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術［M］.北京:人民交通出版社，2010.

［4］ 沈林沖，張金榮，秦建設，等.杭州地鐵1號線盾構選型探討［J］.鐵道建筑，2011(7):71-74.

［5］ 杜亞娥.盾構后配套設備選用原則的考慮［J］.建設機械技術與管理，2009(2):106-108.(DU Ya’e.Consider of shield supporting equipment selecting principle［J］.Construction Machinery Technology ＆ Management，2009(2):106-108.(in Chinese))

［6］ 曾華波.復合地層土壓平衡盾構施工應用技術研究［D］.南京:河海大學水利工程專業，2006.