淺談大直徑土壓盾構水平運輸系統的設計

[摘要]：盾構水平運輸系統運輸擔負著盾構機掘進時渣出的外運，應根據隧道作業條件進行設計。水平運輸系統設計時應充分考慮，運輸軌道的布置形式、道岔的選用、電瓶車的選用、運輸系統軌枕的設計和固定形式等因素，在確保運輸系統的可操作性和安全性的同時，提高運輸系統的運輸效率。

[主題詞]：運輸系統；軌道布置；道岔；電瓶車；運輸效率。

1、引言

現今進行如地下軌道交通等大型隧道挖掘時，通常會應用盾構隧道施工技術。通過盾構機前端的刀盤不停旋轉將隧道前方未開掘的土石切削挖掘成渣土，然后緊接著利用盾構機臺機的傳輸機構將挖下來的渣土運至外設的電瓶車，電瓶車再連續不斷地將承載著的渣土運至出土井，最后運至隧道外。隨著地下軌道交通的發展，目前應用于城際軌道的盾構隧道截面面積都較大（直徑達到8.8m），這樣單位距離上的渣土方量大，需要電瓶車連續不斷地來回作業才能完成單位距離上的隧道渣土外運，并且隨著隧道挖掘的前進，長度不斷延伸，電瓶車的運輸距離也就不斷增長，必將要花費更多時間在運輸過程上，這就耽誤了施工的時間，降低了整體效率。

如果要提高運輸效率，則需要增加電瓶車容量或者增加電瓶車的數量。不過由于隧道空間、改造成本的限制，實際施工中一般是通過增加電瓶車的數量來解決渣土外運問題。不過電瓶車數量增加后，就帶來了電瓶車調度困難的問題，一旦調度不當，延誤施工進度，甚至發生電瓶車碰撞的事故。

2、運輸系統設計要求

大直徑土壓盾構水平運輸系統設計必須滿足以下三點要求：

1）運輸效率高：大直盾構水平運輸系統必須滿足土壓盾構機掘進時渣土的外運工序，使盾構機每掘進一環（1.6m以上）的停機時間為零。

2）安全性高：水平運輸系統動作時具有較高的安全系數，避免發生車輛碰撞等事故發生。

3）可實行性高：水平運輸系統必須具有較高的可實行性，盡量利用現有條件，節約成本。

3、運輸系統設計要點

3.1、運輸軌道布置形式和道岔的選用

大直徑土壓盾構水平運輸系統軌道形式設計為循環式運輸軌道，軌道大體結構為臺車內及后面50m為兩列軌道，中間四軌道的形式，隨著隧道的延伸不斷延伸。本隧道軌道間距970mm，采用43Kg軌道鋪設，軌枕采用200X200H型鋼加支撐鋪設。

當隧道掘進200m后，在距離盾構井41m處安裝一套渡線道岔，編號為1#渡線道岔，1#渡線道岔往暗挖擴大端方向鋪設長140m的四列軌道。2#道岔安裝于臺車后50m的位置，1#道岔與2#道岔之間鋪設四列軌道。1#道岔總長28m，分兩部組成，總重量8t，道岔采用43Kg軌道鋼固定于16mm鋼板上，軌道間采用連接板固定連接。2#道岔總長15m，總重量7t，分三部分組成，方便于道岔的安裝和運輸。

當電瓶車在隧道中損壞且需要較長維修時間，為避免影響隧道中電瓶車循環運作，本隧道軌道特設置儲車道，需要維修的電瓶車開入儲車道進行維修。儲車道總車140m，可滿足2臺電瓶車儲放。

3.2、電瓶車的選用

為滿足土壓盾構出渣量要求，電瓶車的選用為運輸系統的重要內容。以直徑8.8m土壓盾構為例，運輸系統選用3列電瓶車，每列電瓶車配置5節土斗、1節砂漿車、1節管片小車，電瓶車以循環的形式進行運作。

設定進入隧道方向定為上行，出隧道方向定為下行，上行通道為A道，下行通道為B道。軌道運作過程為，電瓶從始發井口上行進入隧道，經過2#雙開道岔后，進入臺車內部執行裝載渣土、吊管片、送漿等任務，完成任務后電瓶車下行，經過雙開2#道岔時，搬動改道板，電瓶車下行到B道至到達1、2#出土井，在1、2#出土井執行卸渣土、裝管片、裝漿任務，完成任務后上行到1#渡線道岔，經過1#渡線道岔后，搬動改道板，電瓶車上行到A通道進入隧道，完成第一次循環，另外兩臺電瓶車以同樣的方法循環執行任務。如遇到需要兩臺電瓶車同時出土時，先下行的電瓶車可前行到3、4#出口處進行吊土，后下行的電瓶車在1、2#出土口吊土。

運作過程中1、2#道岔安排專人負責電瓶車上下行的指揮，1#安排2名專職指揮工，2#道安排1名專職指揮工，負責電瓶的調配。道岔進出方向安裝紅綠警示燈，道岔指揮人員及時操作改道板，確保電瓶車順利通過道岔處。電瓶車接近道岔時司機減速鳴笛，確認道岔正確后，方能勻速通過道岔。道岔首次安裝為盾構機掘進200m后，以后將每延伸200m2#道岔向前移動一次。道岔移動時利用電瓶車拖動拆除道岔。由于臺車軌道剛好為電瓶車軌道的的3倍距離，因此，拆除道岔后，只須將軌道連接即可完成四列軌道的延伸。

3.3、運輸系統軌枕的設計

1）軌枕結構 軌道采用43#軌道鋼，軌枕采用200*200H鋼，每隔800～1000mm橫向安放于隧道，軌枕上方按970mm距離鋪設4條軌道，電瓶車按需要，可在左、中、右位置行走，盾構機臺車輪子（間距2910mm）在外側軌道行走。為保證軌枕強度，在中間部位加撐200*200H鋼，為防止軌枕因受力移動，在軌枕兩端和中部分別有4顆φ18mm膨脹螺栓固定于管片上，同時，能用管片螺栓連接的盡量利用管片螺栓。見圖4.

2）受力分析

在兩臺電瓶車同時壓在同一根軌枕時受力最大，求出此時的最大彎矩。

200*200H鋼的截面系數W＝10.52*105mm3=1.052*10-3m3

Mmax=250000*485*970/1455=80.8*106Nmm=80.8*103Nm

σ=M/W=80.8*103/1.052*10-3=76.8*106Pa

H鋼（σ）＝325MPa，考慮到安全系數，上述應力是在安全的范圍。

2.2膨脹螺栓受力分析：

軌枕單邊受力時分析圖如圖6：

在最極端的情況下，單邊軌枕受到電瓶車一半的力，即

P3=P4=12.5t

由圖1可知

P1＝480*P3+(9480+980)0*P4/480+980=14.948t=14.948*104N

根據圖中幾何關系，可知：

P1x=56789N，

整個軌枕分布12顆φ18mm螺栓，按有效受剪螺栓8顆計算，每顆螺栓受剪力

F＝56789/8＝7098.7N，

φ18mm螺栓截面積A＝254mm2=254*10-6m2

剪切應力τ=F/A=7098/254*10-6=27.95MPa，

可知，螺栓受此剪力，考慮上安全系數，強度沒問題，足夠安全。

4、結束語

隧道水平運輸為盾構施工中風險控制點，為此，加強運輸系統的管理為隧道工作的重點。應安排專職軌道調度人員，統一安排管理道岔和電瓶車的運行調度，從而提高運作效率。同時必須做好軌道日常檢查工作，機修人員負責每天對軌道及道岔進行巡查，日常檢查內容包括扳道器完好性、道岔軌道壓板安裝是否緊固等，對出現的問題及時處理，確保系統的完好性，從而達到提高水平運輸系統安全系數的目的。