深埋小直徑盾構物料長距離運輸技術

劉開揚 許劍波 彭文韜 陳 偉

中建三局基礎設施建設投資有限公司 湖北 武漢 430073

武漢大東湖核心區污水傳輸系統工程為國內首次對深層污水傳輸隧道建設的大膽嘗試，面臨諸多技術難點。盾構施工作為深埋隧道建設的關鍵一環，區間斷面小、距離長、埋深大，水平、垂直運輸效率顯著降低，如何實現盾構施工中物料的高速運輸是工程重、難點之一。本文重點從始發豎井設計優化、豎井布置、洞內布置等3個方面介紹本工程所采取的高效物料運輸措施，為類似的深埋小直徑盾構施工物料長距離的運輸提供參考。

1 工程概況

武漢市大東湖核心區污水傳輸系統工程主隧道全長17.5 km，包含9個豎井和9個盾構區間。9個豎井中3個為49 m×11 m的矩形雙向始發井，1個為φ20.4 m的圓形單向始發井，其余為過站井和接收井。9個區間涉及3種開挖直徑，分別為4.25、4.45、4.65 m，對應的管片內徑分別為3.4、3.6、3.8 m。區間埋深30～56 m，單個最長區間為3#～1#區間，該區間長3.6 km，整個工程超過2 km的區間達4個，共投入7臺土壓平衡盾構機進行施工。

2 豎井設計優化

受小直徑隧道凈空、運輸車輛尺寸、安全距離和人員通道等方面因素的限制，本工程洞內編組運輸只能采用傳統單線軌道方式[1]。若想實現單環只運輸1次，需采用整編組列車，即“20 t電瓶車機頭＋4節9 m3渣車＋1節4.5 m3砂漿車＋2節7.5 t管片車”的編組形式，列車全長43.8 m，寬1.2 m。工程原設計矩形豎井尺寸為20 m×11 m矩形，且既是始發井又是接收井，豎井尺寸不滿足電瓶車整編組掘進需求，需采用2列短編組列車才能實現單環掘進。當區間掘進距離較長時，物料運輸將嚴重制約盾構的掘進效率。為此，項目組織了工藝優化，采用集中始發的原則，將原設計部分豎井由20 m×11 m矩形單向始發井變更為49 m×11 m矩形雙向始發井，同步將純接收井減小至15 m×11 m，在原φ20.4 m的圓形豎井接收端增加長35 m的后導洞。設計優化后，各始發豎井均滿足雙列整編組列車掘進要求，盾構物料長距離運輸效率大大提升。以下分別就兩大設計優化措施進行分析。

2.1 矩形始發井加大

以本工程3#豎井為例，原設計為20 m×11 m矩形單向始發井。按原設計井下2列短編組電瓶車布置，如圖1所示，距洞口15 m處設置Y形道岔錯車，2個20 t機頭共帶3節9 m3渣車＋4.5 m3砂漿車＋2節7.5 t管片車。在此種編組形式下，盾構長距離掘進效率極低，單環掘進需2列短編組電瓶車各進洞1次才能完成，當地層水豐富，出渣含水較大時，甚至需電瓶車進洞3次才能掘進一環；且基坑左側大吊裝孔利用效率低，吊運渣土需利用右側吊裝孔，吊裝孔凈寬與渣斗寬相近，起吊時有碰撞風險。

圖1 3#豎井原設計電瓶車編組示意

鑒于此種編組形式下盾構物料運輸存在的問題，項目提出將豎井尺寸由20 m×11 m變更為49 m×11 m，并將豎井形式由一側始發一側接收改為雙向始發。井下雙向共可布置4列電瓶車整編組。編組列車與豎井縱向呈4°夾角，兩井口均設置Y形道岔供錯車。變更后，實現了單區間雙列整編組掘進，大幅提高了盾構掘進效率。同時，豎井變更設計時適當加大了1、4倉內的凈空，作為主吊裝孔，大幅提升了吊運效率，保障了吊運安全。

2.2 圓形始發井增加后導洞

工藝優化后，原設計φ20.4 m圓形接收井4#豎井變更為單向始發井，一側始發一側接收。該方案與原矩形井存在同樣的問題，井底供電瓶車編組布置的有效長度僅16.8 m，只能采用2列短編組實現單環掘進，如圖2所示。

圖2 4#豎井原設計電瓶車編組示意

因4#豎井運營期作為支隧匯流井，后期需施作工藝結構，選擇增大豎井尺寸帶來的造價提升較大。對此，項目提出在豎井接收端增加長35 m的礦山法后導洞。變更設計后，豎井同樣可實現區間雙列整編組掘進，在洞口設置Y形道岔錯車。

2.3 電瓶車滿編組與短編組工效對比

1）短編組單趟電瓶車行駛時間為10 min時，正常施工條件下單環施工時間為85 min，盾構機需待機10 min。

2）短編組單趟電瓶車行駛時間為15 min時，正常施工條件下單環施工時間為105 min，盾構機需待機30 min。

3）短編組單趟電瓶車行駛時間為20 min時，正常施工條件下單環施工時間為125 min，盾構機需待機50 min。

以此類推，當區間掘進距離增大至電瓶車在洞內單趟行駛時間大于10 min時，其行駛時間每增加5 min，盾構機待機時間就會增加20 min，單環施工時間也就增加20 min。

以3#～1#區間為例，隧道長度為3 600 m，電瓶車洞內平均速度為8 km/h（133 m/min），通過對比可知，滿編組比短編組每環掘進時間可以節省10～54 min，如表1所示。

表1 滿編組與短編組單環施工時間對比

3 豎井內布置

為提高小直徑盾構施工時物料長距離運輸的效率，豎井內應首先做好始發井底板上的電瓶車編組布置。始發井應優先保障單邊各2列整編組列車掘進。針對可能影響底板空間的電梯基礎、砂漿中轉站等，應通過布置優化，盡可能設置于豎井上部。如受空間尺寸限制，井口Y形道岔設置困難，可通過抬高洞口段軌面標高等方式解決。

同時，豎井作為垂直運輸的重要通道，應保障物料運輸垂直運輸的通暢。在豎井布置過程中，應保障吊裝通道不受電梯、樓梯、管線等布置影響，如圖3所示。針對深埋的盾構隧道，為提高垂直運輸效率，可考慮適當提高龍門吊的重載提升速度或設置備用門吊。本工程豎井深度為32.8～51.5 m，按照常規龍門吊提升速度，單環吊渣、下管片及材料耗時56 min，項目將門吊提升速度由常規的15 m/min提升至25 m/min，可節約吊裝時間11 min。

圖3 豎井布置立面示意

4 隧道內布置

為提高小直徑盾構施工時，物料長距離運輸的效率，隧道內布置主要應做好洞內布置及洞內道岔設置。

以斷面最小的3#～1#區間為例，區間管片內徑僅3.4 m。為滿足小直徑斷面盾構施工與人員通行需要，項目對洞內各支架、軌枕等構件尺寸進行定制，在隧道內布置φ100 mm的盾構施工進出水水管、排污管和φ600 mm的通風管，10 kV高壓電纜，燈帶和軌道運輸軌線及寬400 mm的人行道，與電瓶車安全距離為20 cm。此布置方式實現小直徑斷面下車行區、管線區與人行區的合理分區（圖4）。

圖4 洞內布置示意

隨著區間掘進距離的增大，單趟電瓶車行駛時間隨之增長，水平運輸仍制約著物料運輸效率。盾構單環施工完成后仍需停機等待一定時間，工效受到了制約[2]。具體分析如下（以3#～1#區間為例）。

1）在單趟電瓶車行駛時間為15 min以內時，正常施工條件下單環施工時間為75 min，盾構機無須待機。

2）在單趟電瓶車行駛時間為20 min時，正常施工條件下單環施工時間為85 min，盾構機需待機10 min。

3）在單趟電瓶車行駛時間為25 min時，正常施工條件下單環施工時間為95 min，盾構機需待機20 min。

以此類推，當區間掘進距離增大至電瓶車在洞內單趟行駛時間大于15 min時，其行駛時間每增加5 min，盾構機待機時間就會增加10 min，單環施工時間也就增加10 min。

鑒于此，項目提出在洞內合適位置設置道岔。因區間較長，斷面較小，道岔的設置需充分計算考慮。

4.1 道岔位置計算

根據以上對電瓶車運輸工效的分析，單列電瓶車在隧道內行駛時間不超過15 min時，盾構機無須停機等待。

根據已知的電瓶車行駛時間15 min，行駛速度平均8 km/h（133 m/min），計算電瓶車可行駛的距離S1＝15 min×133 m/min＝1 995 m。

由此可知，隧道里程在1 995 m以內，電瓶車均能滿足盾構機掘進的需求。

當隧道超過1 995 m時，盾構機需停機等待電瓶車。通過對以上分析可知，當電瓶車在井口下管片及輔材后有30 min的待機時間時，可利用此空暇時間縮短2列電瓶車的錯車距離。

若在隧道1 995 m處設置道岔，隧道長度為1 995～ 3 990 m（S2＝1 995 m＋15 min×133 m/min＝3 990 m）時，電瓶車均可滿足盾構施工掘進要求，盾構機無須停機等待。

對于3#～1#區間，隧道長度為3 600 m，道岔設置于1 995 m處，通過對比設置道岔與不設置道岔單環施工時間，每環掘進時間可以節省10～22 min，如表2所示。

表2 設置道岔與不設置道岔單環施工時間對比

4.2 道岔設置

為滿足電瓶車長度及錯車要求，道岔及雙軌段總長度約108 m，如圖5所示。隧道內鋪設單軌段軌面標高為260 mm，鋪設道岔及雙軌段軌面標高需抬升至723 mm，存在463 mm高差，根據電瓶車爬坡能力，設置18 m變坡段。受限于小直徑斷面，人行區、車行區只能合一，電瓶車在此段通行時嚴格限速，以保證人行安全。

圖5 洞內道岔平面布置

5 結語

深埋小直徑盾構施工時，物料的長距離垂直、水平運輸是保障施工順利進行的關鍵。

本工程通過始發井設計優化，單向始發井增設后導洞，做好豎井內布置、隧道內布置，隧道內合理位置增設道岔等措施，以及高效的物料垂直、水平運輸技術，保障了盾構施工的高效與順利，有效節約了工期，其相關思路和措施可供類似盾構施工參考。