西秦嶺特長隧道TBM施工有軌運(yùn)輸系統(tǒng)工程實(shí)踐

鄭孝福

(中鐵隧道局集團(tuán)二處有限公司， 河北 三河 065201)

0 引言

西秦嶺隧道重慶段采用直徑10.2 m的敞開式TBM進(jìn)行施工，采用同步襯砌施工技術(shù)，連續(xù)皮帶出碴，有軌運(yùn)輸進(jìn)料，獨(dú)頭有軌運(yùn)輸最長距離達(dá)到20 km。運(yùn)輸系統(tǒng)需為隧道TBM掘進(jìn)及全段隧道多處襯砌工作面供應(yīng)材料，需滿足TBM快速掘進(jìn)和同步襯砌快速施工的需要，因此，布置合理有效的運(yùn)輸系統(tǒng)至關(guān)重要。目前文獻(xiàn)[1-14]均是對(duì)有軌運(yùn)輸運(yùn)輸設(shè)備選型、牽引力計(jì)算和運(yùn)輸方式等某一方面或幾個(gè)方面的介紹，例如： 文獻(xiàn)[1]介紹了單線電氣化鐵路隧道施工有軌運(yùn)輸系統(tǒng)的布設(shè)，其實(shí)施條件、運(yùn)力需求與西秦嶺特長隧道TBM施工條件差異很大； 文獻(xiàn)[2]對(duì)項(xiàng)目涉及有軌運(yùn)輸?shù)男畔⒒M(jìn)行了介紹； 文獻(xiàn)[6]介紹了有軌運(yùn)輸和無軌運(yùn)輸銜接的方法和技術(shù)。以上文獻(xiàn)均未結(jié)合TBM快速施工需求對(duì)整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)的規(guī)劃和調(diào)整過程進(jìn)行系統(tǒng)且全面地論證和分析，大部分文獻(xiàn)僅對(duì)有軌運(yùn)輸中的某一個(gè)局部細(xì)節(jié)進(jìn)行了研究。本文結(jié)合西秦嶺隧道項(xiàng)目情況對(duì)運(yùn)能分析、編組配置和道岔布置的規(guī)劃方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹，闡述系統(tǒng)規(guī)劃—實(shí)踐—修正的管理過程和方法，以期為同類工程提供參考。

1 工程概況

西秦嶺隧道是蘭渝鐵路的第一長隧，是全線的控制工程，洞身全長28.236 km，左右線分離式設(shè)計(jì)。其中，左線出口DIK421+239～DIK415+645段(5.594 km)及DIK410+930～DIK403+590段(7.340 km)共計(jì)12.934 km采用TBM法施工，洞口DIK423+352～DIK421+239段(2.113 km)和DIK415+645～DIK410+930段(4.715 km)共計(jì)6.828 km為鉆爆法施工的預(yù)備洞，TBM步進(jìn)通過。隧道縱坡為人字坡，洞口16.22 km為3‰的上坡，然后分別為長620 m的7‰反坡和長2.52 km的13‰反坡。西秦嶺隧道左線出口段平面示意圖如圖1所示。

圖1西秦嶺隧道左線出口段平面示意圖(單位： km)

Fig. 1 Sketch of plan of exit section for left line of West Qinglin Tunnel (unit: km)

2 運(yùn)能需求及設(shè)備配置

洞內(nèi)布置4軌雙線43 kg/m的鋼軌，軌距為900 mm，線間凈距為110 cm，內(nèi)燃機(jī)車牽引。隧道掘進(jìn)機(jī)出碴采用連續(xù)皮帶機(jī)，不占用有軌運(yùn)輸資源。有軌運(yùn)輸系統(tǒng)為隧道襯砌各工作面提供混凝土、TBM掘進(jìn)所需的仰拱塊和支護(hù)材料，負(fù)責(zé)洞內(nèi)施工垃圾的清理運(yùn)輸、整個(gè)左線出口施工段的人員通勤以及輔助零星材料的運(yùn)輸。第1階段掘進(jìn)長度為5 594 m，二次襯砌配置2臺(tái)模板襯砌臺(tái)車，有軌運(yùn)輸最遠(yuǎn)覆蓋長度為7 707 m，洞外車場布置、車輛編組、調(diào)度系統(tǒng)均已定型并實(shí)踐； 第2階段施工運(yùn)輸最遠(yuǎn)覆蓋長度為20 km，根據(jù)第1階段的總結(jié)分析，對(duì)第2階段有軌運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，并結(jié)合工期要求將整段襯砌模板臺(tái)車增加至7臺(tái)。

2.1 運(yùn)能需求計(jì)算

根據(jù)TBM段地質(zhì)情況和以往的施工經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，掘進(jìn)速度可以達(dá)到2 m/h。掘進(jìn)機(jī)按照9-9-6原則組織施工，即連續(xù)掘進(jìn)2個(gè)班(18 h)后，停機(jī)6 h進(jìn)行強(qiáng)制保養(yǎng)，極限情況下每天有效掘進(jìn)時(shí)間可以達(dá)到18 h，即估算的最大掘進(jìn)速度可以達(dá)到36 m/d。結(jié)合設(shè)計(jì)資料可得掘進(jìn)工作面材料日最大需求量，見表1。

表1 掘進(jìn)工作面材料日最大需求量

二次襯砌采用同步襯砌，施工進(jìn)度與掘進(jìn)盡量匹配，采用16 m的襯砌臺(tái)車，考慮2個(gè)工作面同時(shí)施工的運(yùn)輸能力，每組澆筑時(shí)間按15 h計(jì)算，并保證工作混凝土的連續(xù)供應(yīng)，需求量按延米設(shè)計(jì)方量7.5 m3計(jì)算取值。經(jīng)計(jì)算，每小時(shí)混凝土最大運(yùn)能要求為16 m3，即每個(gè)工作面8 m3/h。

2.2 列車編組

依據(jù)隧道運(yùn)能要求和目前軌道運(yùn)輸通用設(shè)備的性能參數(shù)，列車編組主要分為二次襯砌混凝土運(yùn)輸列車、噴射混凝土運(yùn)輸列車、仰拱塊運(yùn)輸列車、軌線及其他材料運(yùn)輸列車和注漿料運(yùn)輸列車5種類型。列車編組情況見表2。

表2 列車編組情況

注： 列車編組需對(duì)牽引力、制動(dòng)力等進(jìn)行論證，本文對(duì)此不進(jìn)行專門的論述。

2.3 列車配置

根據(jù)單列編組運(yùn)載能力、行車速度和施工運(yùn)能需求進(jìn)行列車配置，行車速度按20 km/h考慮，并按最遠(yuǎn)運(yùn)距計(jì)算，對(duì)第1階段各列車組數(shù)配置計(jì)算如下：

1)仰拱塊運(yùn)輸列車配置計(jì)算。車輛單程運(yùn)行時(shí)間30 min，洞外裝車時(shí)間40 min，調(diào)車時(shí)間30 min，則每列車送達(dá)時(shí)間100 min，即單列運(yùn)能為100 min運(yùn)輸2塊仰拱，小于運(yùn)能要求的每小時(shí)運(yùn)輸2塊仰拱。因此，應(yīng)配置2列仰拱塊運(yùn)輸列車。

2)噴射混凝土運(yùn)輸列車配置計(jì)算。車輛單程運(yùn)行時(shí)間30 min，洞外裝車時(shí)間50 min(含移車接料)，調(diào)車時(shí)間30 min，則每列車送達(dá)時(shí)間110 min，即單列運(yùn)能為8.7 m3/h，小于14 m3/h，不滿足要求。因此，應(yīng)配置2列噴射混凝土運(yùn)輸列車。

3)二次襯砌混凝土運(yùn)輸列車配置計(jì)算。車輛單程運(yùn)行時(shí)間30 min，洞外裝車時(shí)間40 min(含罐車關(guān)艙)，調(diào)車時(shí)間30 min，則每列車送達(dá)時(shí)間100 min，即單列運(yùn)能為6 m3/h。考慮工作面連續(xù)澆筑的要求，按工作面核算運(yùn)能，不滿足每工作面8 m3/h的要求，即每工作面應(yīng)至少配置2列二次襯砌混凝土運(yùn)輸列車，總計(jì)需配置4列。

4)軌線及其他材料列車配置計(jì)算。車輛單程運(yùn)行時(shí)間30 min，洞外裝車時(shí)間60 min，調(diào)車時(shí)間30 min，則每列車送達(dá)時(shí)間150 min，即單列運(yùn)能為20節(jié)/h，不滿足10節(jié)/h的運(yùn)能要求。因此，可配置1列軌線及其他材料列車。

5)配置1列注漿料運(yùn)輸列車，由于運(yùn)輸能力要求低，完成注漿作業(yè)后，可用作改掛人員運(yùn)輸車通勤并可作為備用機(jī)車，主要在設(shè)備強(qiáng)制保養(yǎng)期間(6 h)運(yùn)行，不占用18 h的運(yùn)輸高峰期。

綜上計(jì)算，為滿足第1階段的最大運(yùn)能需求，應(yīng)配置10列編組列車。根據(jù)第1階段的實(shí)踐情況，對(duì)第2階段的設(shè)備編組方式和列數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，內(nèi)燃機(jī)車增加至16臺(tái)，筒式混凝土輸送車增加至14臺(tái)，全段隧道運(yùn)輸列車由10列增加至16列，并專門設(shè)置了人車牽引機(jī)車和TBM末端專用調(diào)車牽引機(jī)車。運(yùn)輸設(shè)備配置見表3。

表3 運(yùn)輸設(shè)備配置

3 軌道布置

隧道洞口緊鄰洛塘河，地形起伏較大，場地狹窄，洞口處僅有長80 m的場地可以作為TBM主機(jī)拼裝的場地，軌道通過設(shè)置在洞口前方的軍便梁跨越洛塘河進(jìn)入布置在隧道對(duì)面山側(cè)的洞外生產(chǎn)臨時(shí)設(shè)施場地。

3.1 洞外車場布置

洞外車場主要負(fù)責(zé)材料的裝卸、車輛編組、車輛進(jìn)場及始發(fā)、車輛停放及維修，是整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)的心臟位置，其需要結(jié)合拌合樓、材料堆放場、吊裝設(shè)備、卸料場、修理車間的位置并根據(jù)地形條件合理布置軌道。西秦嶺隧道洞外車場的場地非常緊張，包括拌合樓、仰拱預(yù)制場、鋼筋加工場、修理車間、材料堆放場和皮帶機(jī)棄碴場等，總面積為19 800 m2。受地形影響，整個(gè)場地呈“勺”型布置。洞外車場布置如圖2所示。

在洞口和車場之間設(shè)置列車進(jìn)場等待區(qū)，布置3股道，其中2股道在需要時(shí)停放列車，另1股道用于重車進(jìn)洞，既能保證洞內(nèi)大量空車集中出洞時(shí)不會(huì)集中進(jìn)入車場而導(dǎo)致車場塞車，造成調(diào)車?yán)щy和裝車?yán)щy，又能保證重車進(jìn)洞時(shí)可在等待區(qū)切入Ⅱ線進(jìn)洞，該線上所有車輛均向洞內(nèi)行駛，Ⅰ線(洞內(nèi)空車出洞線)上的所有車量均向洞外行駛。

車場設(shè)置12副道岔，C1～C11為單開道岔，C12為菱形道岔。1#～3#線位于跨徑25 m的龍門吊下，1#線為空車進(jìn)入線及洞內(nèi)運(yùn)出大物件卸車線； 2#線和3#線為TBM掘進(jìn)時(shí)所需的仰拱塊、鋼支撐、鋼軌、網(wǎng)片等材料運(yùn)輸車輛的裝載線及始發(fā)線，能滿足4列車始發(fā)； 4#線和5#線為車輛停車線及噴射混凝土和二次襯砌混凝土車輛空車等待線； 6#～8#線為車輛維修線； 9#線為洞內(nèi)文明施工的雜物運(yùn)輸及虛碴的棄碴線。

C4和C11之間為90拌合站的接料位置，C7和C10之間為75拌合站的接料位置，所有混凝土運(yùn)輸車輛在車場緩沖區(qū)切換到Ⅰ線，通過C4切換到90拌合站或直接進(jìn)入75拌合站裝載混凝土，裝載完成后直接始發(fā)。如果2個(gè)拌合站均有車輛正在裝載，則進(jìn)場的混凝土運(yùn)輸車輛通過C7切入4#線或5#線等待。

車場內(nèi)1#～9#線均為平坡，線路最小轉(zhuǎn)彎半徑為25 m，在牽引機(jī)車緊張的情況下，可以人工推動(dòng)材料車輛進(jìn)行調(diào)車編組作業(yè)。

3.2 洞內(nèi)運(yùn)行區(qū)段分段及軌道布置

洞內(nèi)每2～3 km作為1個(gè)區(qū)段，設(shè)置單開道岔連接左右線。道岔設(shè)置過密則會(huì)影響行車速度，易造成臺(tái)車頻繁跨越道岔，使道岔失去意義； 設(shè)置過稀會(huì)造成車輛會(huì)讓困難，容易出現(xiàn)同一道岔位置多列車同時(shí)避讓的情況，使運(yùn)能降低。在正常情況下，輕車和重車分開行駛，在某區(qū)段內(nèi)一側(cè)道路被堵塞的情況下，列車在此區(qū)段單線行駛。通過單線地段時(shí)，一般采取重車先行的原則。單線地段主要出現(xiàn)在襯砌施工地段，一側(cè)軌道擺放輸送泵而被隔斷。在理想情況下，進(jìn)區(qū)間和出區(qū)間的列車數(shù)量應(yīng)相等且每個(gè)區(qū)間只有2列車，即上下行各1列車，避免出現(xiàn)多列車相互避讓的情況。對(duì)于第1階段，施工長度為7.7 km，按8 km估算，高峰期間按8列車進(jìn)洞、1列車在洞外車場的工況考慮(不考慮注漿車，其可以避開高峰運(yùn)行期)，最優(yōu)的情況是“四進(jìn)四出”及左側(cè)或右側(cè)線路上同時(shí)有4列車在不同區(qū)間對(duì)向運(yùn)行，由此估算出道岔的設(shè)置間距為2 km。但是在工程實(shí)踐中，發(fā)車時(shí)間往往不能控制到等間隔狀態(tài)，也不是所有列車均在隧道內(nèi)運(yùn)行，且道岔安裝時(shí)間較長，對(duì)現(xiàn)場施工影響很大，故安裝時(shí)機(jī)一般選擇在運(yùn)輸壓力較小時(shí)進(jìn)行，如在TBM接駁電纜或維修期間。因此，實(shí)際上道岔間距一般按大于2 km、小于3 km的原則并根據(jù)現(xiàn)場施工情況進(jìn)行布置。

圖2 洞外車場布置圖

3.3 TBM末端軌道布置

TBM末端設(shè)置浮放道岔，Ⅰ線和Ⅱ線軌道通過道岔進(jìn)入TBM上的單線軌道。在道岔后面50 m的Ⅱ線上設(shè)置重車等待區(qū)，當(dāng)TBM上有列車正在裝卸時(shí)，進(jìn)洞的車輛則在等待區(qū)等待，否則直接進(jìn)入TBM裝卸。

4 運(yùn)輸調(diào)度

4.1 調(diào)度安排

施工列車運(yùn)行具有很大的隨意性，工程中采用了“分區(qū)負(fù)責(zé)、集中控制”的方式進(jìn)行指揮調(diào)度。

分區(qū)負(fù)責(zé)是指將車輛調(diào)配范圍分為洞外車場調(diào)度、運(yùn)行區(qū)間調(diào)度和TBM末端調(diào)度，每班配備1名調(diào)度室總調(diào)度員、1名車場調(diào)度員、1名TBM末端調(diào)度員和1名機(jī)動(dòng)調(diào)度員，他們分別在不同的調(diào)度范圍擔(dān)負(fù)不同的調(diào)度任務(wù)。

1)洞外車場由洞外車場調(diào)度員負(fù)責(zé)，其任務(wù)為空車進(jìn)站引導(dǎo)、車輛裝卸、編組和重車始發(fā)，目的是根據(jù)總調(diào)度的指令使相關(guān)重車盡快始發(fā)出場，而將需要進(jìn)場的空車盡快調(diào)入裝車位置并快速裝卸。

2)區(qū)間調(diào)度員負(fù)責(zé)車場與TBM末端之間運(yùn)行區(qū)間的調(diào)度，重點(diǎn)監(jiān)控洞內(nèi)通過單線地段車輛的通行秩序，防止車輛在該段發(fā)生擁堵。同時(shí)，需掌握發(fā)生在封閉區(qū)段一側(cè)的動(dòng)態(tài)情況，并隨時(shí)向總調(diào)度報(bào)告車輛運(yùn)行情況。

3)TBM末端調(diào)度負(fù)責(zé)TBM 7#拖車尾部的車輛調(diào)度，防止車輛在此發(fā)生擁堵，并及時(shí)向總調(diào)度發(fā)出需求指令，總調(diào)度根據(jù)需求指令指示洞外車場重車始發(fā)及車輛編組。

4)總調(diào)度根據(jù)各區(qū)調(diào)度員反饋的信息進(jìn)行總體協(xié)調(diào)。每個(gè)機(jī)車上配備1名司機(jī)和1名調(diào)車員，調(diào)車員根據(jù)調(diào)度指令指揮車輛運(yùn)行至目標(biāo)作業(yè)位置。

在以上的編組模式中，根據(jù)情況也可將砂漿車掛在噴射混凝土運(yùn)輸列車的前面進(jìn)洞，第1階段經(jīng)常采用此種模式，受列車牽引力的限制，在第2階段不再采用此種編組模式。

噴射混凝土運(yùn)輸列車、注漿車、二次襯砌混凝土運(yùn)輸車在洞口車場緩沖段切換到Ⅰ線進(jìn)入車場。如果拌合樓有閑置，則可以進(jìn)入75拌合站或通過C4切換至90拌合站裝載混凝土，然后直接在拌合樓下始發(fā)進(jìn)洞； 如果拌合站無閑置，則列車經(jīng)過C7切入4#線和5#線等待。

仰拱塊運(yùn)輸車、軌線及其他材料運(yùn)輸列車在洞口緩沖段切換到Ⅰ線進(jìn)入車場，經(jīng)過C6切入1#線，如果列車需要卸載，則在1#線末端采用跨徑25 m的龍門吊卸車輔助其卸載，否則進(jìn)入2#或3#線裝車，然后運(yùn)行至C5附近等待始發(fā)指令。

由于混凝土列車的進(jìn)場線和始發(fā)線均為Ⅰ線，在混凝土列車始發(fā)時(shí)可能與其他進(jìn)場的列車在Ⅰ線上相遇。為了防止車輛堵塞，在洞口和車場進(jìn)車線Ⅰ線之間設(shè)置3線緩沖區(qū)，在C3位置設(shè)置進(jìn)場信號(hào)，如沒有其他混凝土車輛始發(fā)，則車輛經(jīng)過C3進(jìn)入車場，否則在緩沖區(qū)等待進(jìn)場信號(hào)。

4.2 調(diào)度指揮系統(tǒng)

在整個(gè)機(jī)車運(yùn)行范圍內(nèi)設(shè)置無線對(duì)講系統(tǒng)和手機(jī)網(wǎng)絡(luò)，在車場、TBM末端等重要位置設(shè)置視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在臺(tái)車、龍門吊、拌合站操作室和TBM值班室設(shè)置固定電話。調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

每列車、每名值班調(diào)度員、裝載龍門吊和拌合樓均為調(diào)度通信終端。在總調(diào)度室，總調(diào)度根據(jù)視頻監(jiān)控能看到車場車輛的進(jìn)站、始發(fā)、車輛裝載情況和TBM上車輛的卸車、到達(dá)和離開情況； 通過調(diào)度系統(tǒng)能掌握整個(gè)工地上列車的全面運(yùn)行情況； 通過對(duì)講機(jī)和各終端能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)面的語音通信，掌握和控制每個(gè)終端的運(yùn)行情況，各通信終端又能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的互通。各分區(qū)調(diào)度根據(jù)總調(diào)度反饋的信息和轄區(qū)的情況，通過語音通信系統(tǒng)對(duì)調(diào)度區(qū)域的列車進(jìn)行指揮，保證運(yùn)輸系統(tǒng)高效地運(yùn)行。

5 結(jié)論與體會(huì)

西秦嶺隧道自2010年7月TBM開始掘進(jìn)，截至2013年4月TBM掘進(jìn)完成，累計(jì)掘進(jìn)12.87 km，平均月進(jìn)度415 m，最快月進(jìn)度841.8 m，最快周進(jìn)度235 m，其中周進(jìn)度和月進(jìn)度均突破當(dāng)期同等直徑TBM掘進(jìn)的世界記錄。2010年9月開始同步襯砌，2014年1月完成主體段落隧道襯砌施工任務(wù)，同步襯砌平均月進(jìn)度為458.2 m，襯砌最快月進(jìn)度為842.5 m。2015年下半年開始逐步拆除有軌運(yùn)輸系統(tǒng)轉(zhuǎn)入道床施工，有軌運(yùn)輸作為重要的生產(chǎn)支撐系統(tǒng)，為全段隧道掘進(jìn)和襯砌的快速施工提供了基本保障，通過實(shí)踐，驗(yàn)證了運(yùn)能需求分析和設(shè)備配置方法的正確性以及運(yùn)輸系統(tǒng)布置的合理性。通過該工程施工，得到以下幾點(diǎn)體會(huì)。

1)要重視洞外車場的布置。TBM有軌運(yùn)輸系統(tǒng)列車運(yùn)行密度大，車輛裝卸作業(yè)多，輸送材料種類多，車場的軌線布置要與洞外拌合樓、材料存放區(qū)及裝卸設(shè)施配套，可以形成材料裝卸區(qū)、始發(fā)區(qū)和等待區(qū)。在臨時(shí)工程設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮生產(chǎn)設(shè)施和軌線之間的相互配套。

2)要合理布置列車編組形式。在本工程中，第1階段和第2階段的列車編組發(fā)生了變化，且不可以提前預(yù)見，需要在施工中不斷總結(jié)和調(diào)整，如仰拱塊運(yùn)輸列車由2節(jié)調(diào)整為4節(jié)，進(jìn)入TBM后方區(qū)間解編存儲(chǔ)，再由機(jī)頭推上TBM使用。調(diào)整后的編組方式減少了行車密度，同時(shí)在TBM保養(yǎng)期間也能提前運(yùn)輸相關(guān)材料進(jìn)入存儲(chǔ)區(qū)間，通過拉長有效運(yùn)輸時(shí)間的方式降低運(yùn)輸強(qiáng)度。

3)提高調(diào)度系統(tǒng)的信息化程度，使調(diào)度人員能及時(shí)收集車輛運(yùn)行信息和各個(gè)工作面的需求信息，并能迅速地處理各種施工信息，提高車輛、運(yùn)輸軌線的使用效率，減輕列車運(yùn)行過程中的塞車現(xiàn)象。

隨著長大隧道施工距離的不斷增加，對(duì)長大隧道施工運(yùn)輸系統(tǒng)的要求越來越高，如何使施工運(yùn)輸系統(tǒng)高效、快捷是一個(gè)具有長期研究潛力的課題。

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