洞內水平運輸系統綜合選型研究

王春明 王家祥

[摘 要]雙護盾TBM（Double Shield Tunnel Boring Machine），由于安全性高，掘進速度快，地質適宜性強，能夠實現開挖掘進與襯砌管片拼裝同時交叉作業，在國內外長大隧道中已得到充分應用，其配套洞內物料運輸主要有皮帶機和柴油機車兩種系統，文章重點對在物資匱乏、供給不暢的偏遠山區的洞內物料運輸系統的選型主要思路、原則、方式等進行闡述，供類似工程借鑒。

[關鍵詞]TBM；洞內運輸；系統綜合選型

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2018.33.074

1 引 言

雙護盾TBM由于安全性高、掘進速度快、地質適宜性強，能夠實現掘進與襯砌管片拼裝同時交叉作業，在國內外長大隧道中已得到充分應用，其配套洞內物料運輸主要有皮帶機和柴油機車兩種系統，選擇最優系統是工程前期策劃的關鍵性課題，特別在物資匱乏、供給不暢的偏遠山區或經濟落后的海外市場，運輸系統的選型尤為重要。文章依托尼泊爾巴瑞巴貝引水隧道工程項目，對雙護盾TBM的洞內物料運輸系統選型策劃進行分析研究，為類似工程提供經驗。

2 工程概況

2.1 工程簡介

尼泊爾巴瑞巴貝引水隧道工程項目位于尼泊爾的中西部和遠西部交接位置的巴迪亞地區，該項目為尼泊爾政府的第一個跨流域取水項目，被譽為尼泊爾最受重視的“國家驕傲工程”，該項目主要實施一條引水隧道和進場道路，配套實施自發電廠、管片生產廠、砂石料開采廠等工程。引水隧道為單線隧道，線路全長12.2千米，采用TBM施工。成型隧道過水斷面4.2米 ，坡度3‰，設計流量40m3/s。建成后可灌溉尼泊爾中西部和遠西部交界處的巴迪亞和班克地區51000公頃農田，徹底解決該區域極度缺水的現狀；并且利用約152米的水位差異建造發電站，為尼泊爾不太富裕的電力提供48兆瓦的電力支持。

2.2 地域資源情況

尼泊爾主要從事農業生產，是世界上欠發達國家之一，國家基礎建設較差，工業基礎弱、規模小、水平低、發展慢，雖然自90年代開始實行以市場為導向的自由經濟政策，但因政局多變和基礎設施薄弱，經濟狀況改觀甚微，仍嚴重依賴外援，預算支出的1/3來自外國捐贈和貸款，故此，在該國家引入先進的TBM隧道施工技術，僅靠尼泊爾境內的資源來實現供應保障可能性極低，只能通過進口，資源組織難度大，資源運輸周期長。

2.3 洞內運輸系統的組成

雙護盾TBM洞內運輸系統分為皮帶機出渣系統和柴油機車運輸系統，主要包含渣土，管片襯砌，水泥、豆礫石等填充材料，洞內施工人員，油料，水管，鋼軌，電纜以及其他臨時小型機械設備、零配件、材料的洞內外運輸。

3 洞內運輸選型要素

（1）洞內物料運輸系統匹配施工進度要求，從設備配置、功率大小、數量等方面需滿足TBM的日、月進度要求，并且施工總工期需滿足合同工期。

（2）洞內物料運輸系統的設備功能性需齊全，需滿足洞內運輸的所有物料、機械、人員等的所有運輸要求。

（3）洞內物料運輸系統應完整、安全可靠，不需附加任何條件即可實現工程所應具備的功能和要求。

（4）運輸系統應能保證連續施工作業，且具備良好的穩定性，系統中某單一設備損壞后不至于全面停工，尤其要確保隧道在不良地層的應急處理能力。

4 配置方案研究

4.1 方案比選思路

針對該項目TBM的洞內運輸，主要通過對功能性分析、資源、成本、管理等方面進行綜合論證。

4.2 洞內柴油機車運輸方案

4.2.1 配置方案

（1）總體布置方案。該項目隧道長12.2千米，洞內共配置三組錯車平臺（兩組固定式、一組移動式），由于TBM始發平臺面積較小，場地布置緊湊，為有效利用場地空間，錯車平臺設置如下。

①采用移動式和固定式錯車平臺，用于洞內柴油機車錯車，共配置1組移動式錯車平臺，2組固定式錯車平臺。

②掘進長度0～500米，洞內不設置錯車平臺，單軌運輸，需配置2組柴油機車。

③掘進長度500～4000米，設置一組移動式錯車平臺，當錯車平臺與臺車尾部超過500米時，向掘進方向移動，配置3組柴油機車。

④掘進長度在4000～8000米，設置兩組錯車平臺，第一組（固定式）位于4000米位置，第二組移動式，當其與臺車尾部超過500米時，向掘進方向移動，共需配置4組柴油機車。

⑤掘進長度在8000～12200米，設置三組錯車平臺，第一組（固定式）位于4000米位置，第二組（固定式）位于8000米位置，第三組移動式，需配置5組柴油機車。

（2）柴油機車編組方案。按照上文錯車平臺布置方案，本工程共需5列柴油機車編組，為保證雙護盾掘進模式下兩環一次的運輸方式，單列柴油機車編組共采用“4節管片車+2節平板車（其中一節配豆礫石罐）+8節土廂車+1節柴油機車頭”的模式，如下圖所示。

另外，鑒于該工程隧道較長，為便于洞內外人員接送，共配置4臺人車，在上下班時掛在整臺柴油機車頭前端，接送作業人員；其余時段，置于洞外。

4.2.2 適應性分析

（1）功能適應性分析。在正常掘進階段，按12千米的最大運距計算，此時道岔為三組，分析5組機車數量配置適應性，其相關參數暫定如表1所示。

根據計算，在運距12000米的時候，5列正常運輸的柴油機車可以滿足日進度42米（30環）的要求，當運距小于12000米時，運輸效率將大大提升，可見，洞內設置三組道岔和5列正常運輸的機車編組完全能夠滿足施工需求。

（2）容量適應性分析。按照隧道洞徑和施工組織要求，委托專業公司對柴油機車進行容量適應性設計。

平板車：每次列車進入隧洞運輸2環管片，本工程采用4塊成環的混凝土管片，兩環共8塊管片，每節平板車上放置2塊管片，共4節平板車。

土廂：本工程刀盤開挖直徑為5.06米，每環的理論土方量為：M1=5.06×5.06×3.14×1.4÷4=28.13方，松散系數按照1.2計算，實際出土量：M2=28.13×1.2=33.76方，兩環共出土：M3=33.76×2=67.52方；6節土廂總容量為 M4=67.68方>M3，故6節土廂能夠滿足2環一循環的土方裝載需求。

豆礫石：刀盤開挖直徑5.06米，管片外徑4.8米，每環管片背部理論間隙為：V1=（5.06×5.06÷4-4.8×4.8÷4）×1.4=2.01方，按照110%的填充系數，兩環共需豆礫石V2=2.01×1.1×2=4.42方。豆礫石車廂容積為8.69方，完全滿足兩環一循環的豆礫石用量需求。

4.2.3 資源配置需求

（1）設備配置。按照最大需求階段配置，洞內機車運輸共需配置柴油機車5列（整編），洞內錯車平臺3副，洞外翻渣機一臺套。

（2）人員配置。按照最大需求階段配置，洞內機車運輸共需配置人員為：機車司機10人（分白夜兩班），道岔管理員6人（每個道岔處一人、分白夜兩班），翻渣機2人（分為白、夜兩班）。

（3）成本預算。

4.3 洞內連續皮帶機運輸方案

4.3.1 配置方案

連續皮帶機安置在隧道腰部，隨TBM的掘進進尺逐步接長，總需求量為25千米，TBM渣土通過連續皮帶機直接運輸到洞外，無須設置翻渣機，掘進出土較為快捷安全。

本隧道受管片生產供應及其他臨建設施影響，暫考慮每日平均掘進進度30環。洞內渣土采用連續皮帶機運輸時，管片、豆礫石及其他材料運輸需用到柴油機車，TBM單軌梁有效吊裝距離為28米，管片車長度為3.87米，最多每列機車編組28/3.87=7.23個，一環需2個管片車，受TBM單梁調運距離及起吊高度等既有條件限制，每列機車平板車最大數量為6節，即一次3環管片運輸。在正常掘進階段，機車編組為6節平板車+2節豆礫石車廂+1節機車車頭。

4.3.2 適應性分析

按照上文運距為12千米時計算連續皮帶出渣時的運輸機車需求數量。

考慮到管片及其他材料運輸同樣是制約TBM掘進進度的重要因素，需配置4列運輸機車和2個錯車平臺，其中1個為固定式錯車平臺，1個為移動式錯車平臺。

豆礫石：同上計算，三環共需豆礫石V2=2.01×1.1×36.63方。豆礫石車廂容積為8.69方，完全滿足三環一循環的豆礫石用量需求。

4.3.3 資源配置需求

（1）設備配置。按照最大需求階段配置，洞內機車運輸共需配置柴油機車4列，洞內錯車平臺2副，皮帶機系統一套。

（2）人員配置。按照最大需求階段配置，洞內機車運輸共需配置人員為：機車司機8人（分白夜兩班），道岔管理員4人（每個道岔處一人、分白夜兩班）。

（3）成本預算。

4.4 比選分析

4.4.1 進度分析

按照前文分析，柴油機車出渣時，在12千米的里程位置最大的掘進進度為53.62米，連續皮帶機出渣時，在12千米的里程位置最大的掘進進度為75.6米，均大于設計平均掘進速度30環（42米）的需求。

4.4.2 資源及成本投入分析

資源投入按照設備投入和后期投入考慮，總投入成本柴油機車約占皮帶機的39.34%。

4.4.3 管理投入分析

（1）皮帶運輸機系統采用電力供能，需額外配置至少2臺800kW發電機，對于自發電的尼泊爾項目而言，配套投入再次增大。

（2）當皮帶機系統出現故障時，TBM掘進必須停止；當某一柴油機車出現故障后，TBM采用剩余的柴油機車出渣運料，依舊可以連續掘進，后期連續掘進的有效性更高。

4.4.4 比選結論

通過上文的比選，就尼泊爾項目而言，因為主要的掘進進度受管片生產限制，平均進度只能達到30環/天，尼泊爾地區又較偏遠，設備、配件組織時效性較低，皮帶機成本投入太高，綜合對比考慮，單獨配置皮帶運輸機用于渣土運輸的意義不大，最終全部采用柴油機車系統進行洞內的物料運輸，對比分析如表7所示。

5 實際施工的過程驗證情況

目前，尼泊爾已累計掘進4.3千米，正在使用3列柴油機車編組和1副移動式錯車平臺，2018年4月份月度進尺為1067.837米，最高日進尺為52.88米，基本達到柴油機車運輸模式下的最高日掘進理論計算值53.62米，柴油機車系統的配置設計滿足現場施工的實際需求。

6 結 論

由于TBM的高度機械化及自動化，可以實現管片襯砌和開挖掘進的平行交叉作業，逐漸成為長大隧道的主要開挖設備，廣泛地運用于隧道施工，其運輸系統的選型設計同樣至關重要，特別是外界環境、地域條件及運輸條件受限的不發達地區，需要進行多方面的評估，選擇最適合于工程實施的運輸系統，既能保證進度要求，又可以降低成本投入。所以對長大隧道的運輸系統選型時，首先，需考慮合同工期，應根據合同工期反算年、季、月的施工指標；其次，需綜合考慮經濟投入分析；最后，應充分調研外部環境、市場形態、運輸條件等外界因素，最終確定運輸系統的類型、配置數量、組成單元等關鍵信息。

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[作者簡介]王春明（1985—），男，漢族，重慶人，碩士研究生，高級工程師，中鐵二局集團有限公司，研究方向：地下工程；王家祥（1979—），男，漢族，重慶人，碩士研究生，高級工程師，中鐵二局集團有限公司，研究方向：地下工程。