長距離盾構隧道水平運輸系統技術研究及應用

王亞飛，劉亞輝，黃運生,王 磊,沙俊玲,劉 洋

(1.中鐵隧道局集團路橋工程有限公司，天津 300308；2.安徽建筑大學 安徽省城市建設和地下空間工程技術研究中心，安徽 合肥 230601)

1 概述

盾構法施工因高效、安全等優點,已逐步成為地鐵區間隧道的主要施工方法[1]，且盾構隧道工程中不可避免的會遇到長距離的工況[2]。在長距離盾構隧道施工時，隨著距離的增長，隧道內渣土和物料的運輸對隧道掘進速度的影響越來越明顯[3]，導致長距離盾構隧道的水平運輸成為工程施工的重點關注問題之一。

目前，已有學者對盾構隧道水平運輸進行研究，陳鵬等人以蘇通GIL綜合管廊工程為背景，通過對現場運輸參數的調查統計，建立了單車道段車輛調度模型,首次提出了長距離盾構隧道洞內無軌運輸優化理論模型[4]；謝波以南京地鐵10號線泥水盾構隧道施工總結并進行對比研究了四軌三線[5]以及復合式主運輸軌道和單軌道運輸等幾種水平運輸模式[6]。無軌運輸雖然運輸調度相對容易靈活，但由于錯車安全性較低，一般采用單列車運輸物料和渣土。隨著隧道距離的加長以及隧道洞徑的加大，單列車無軌運輸所花時間成本增加，甚至會出現盾構掘進機停滯的現象。四軌三線的軌道運輸，在盾構機后部設置雙開岔道，空載和滿載電瓶車可以互不干擾運行，但由于所需鋼軌和軌枕材料較多，成本大幅增加；同時，由于兩條線路是互不相通的，當某一側的電瓶車發生故障時，將會影響掘進速度。

以合肥軌道交通4號線天—翠區間為工程背景，對長距離盾構隧道的水平運輸進行研究，通過在風井位置增設軌道、進行水平運輸調度，使得架設錯車軌道更加方便，觀察和檢修電瓶車更加容易，并且電瓶車可以更加靈活的在隧道內進行調度，實現空載和滿載同時運行，從而保證盾構掘進速率。

2 工程背景

合肥軌道交通4號線天水路站—翠柏路站區間線路平面呈“S”形，區間線路出翠柏路站后以R=350平曲線從規劃銅陵北路與泗水路交口進入規劃銅陵北路，沿規劃銅陵北路自北向南前行一段距離后，進入合肥東編組站北側合肥熱電集團鐵路專用線項目用地向東敷設，下穿二十埠河后進入泗水路南側新站區空地，以R=350平曲線下穿合肥東編組站42股道群，繼續向南下穿部分鐵路用房，側穿合肥東編組站工務段在用水塔后，沿當涂北路向南敷設到達天水路站。

天水路站—翠柏路站區間共設置聯絡通道4座，其中區間風井兼聯絡通道1座。在施工過程中采用雙線同時施工，其右線2 841.926 m、左線2 953.689 m，左右線間距10 m～16.72 m，隧道覆土厚度8.06 m～20.86 m，其中區間穿越合肥東編組站處，覆土厚度(至道床頂)14.35 m～15.59 m，左右線線間距11.82 m～16.39 m。

3 長距離運輸的難點

1)盾構區間較長，施工單程距離遠，最大距離接近3 km，采用單軌道運輸單個電瓶車來回一次所需時間長，運輸效率低下，施工進度慢。

2)采用四軌三線法進行水平運輸，由于兩條軌道之間是單獨運行的，當某一輛電瓶車發生故障時將會極大的耽誤工程進度，并且所需花費較大。

3)長距離盾構區間采用多軌道方式，電瓶車在軌道上運行，難以檢測其實時位置，增加了電瓶車調度的難度。

4 應對措施

盾構法隧道施工需將管片從地面由垂直與水平運輸系統送到盾構掘進機的工作面,而廢棄土也必須經水平與垂直運輸系統由盾構掘進機的工作面運至地面[7]。因盾構施工作業環境的不同，選擇不同的編組方式以及不同電瓶車的施工調度方式運輸物料和渣土不僅會在很大程度上影響電瓶車的掘進速率，還會在一定程度上保障施工的安全性、快捷性。

4.1 電瓶車編組方式

目前國內在盾構掘進施工的運輸系統中，因開挖條件的限制以及有軌運輸設備構造簡單、占用空間小、容易維修等特點，大部分施工作業都是采用有軌運輸渣土和物料的方式，只有少部分在條件不允許的情況下，例如因其作業場地小、坡度大等區域，采用無軌運輸的方式要比采用有軌運輸的方式便捷很多。下面主要以某施工段為例，探討說明采用有軌運輸的兩種電瓶車的編組方式。

合肥軌道交通4號線天—翠區間盾構掘進中一環長度為1.5 m，一環出渣量為55 m3～60.3 m3，一個車裝渣量為18 m3，考慮到黏土特性翻渣時渣罐內部分渣土無法傾倒完全、渣土改良的狀態對出渣量的影響以及以往掘進經驗確定掘進一環出渣為3.5車。

當始發井空間大小能夠滿足要求時，為減少盾構掘進時的停機時間和電瓶車的往返次數，有效的利用電瓶車的額定功率，將電瓶車編組設置為1節電瓶車+4節出渣車+1節砂漿車+2節管片車，左右線各設兩組，一列編組完成一個循環掘進。采用這種長編組的方式不僅可加快施工速率、縮短施工工期，還節省大量的人力、材料、機器等資源，如圖1所示。

當在城市內施工，為盡量減小對周圍環境的影響，始發井空間不宜設計很大時，不能夠滿足電瓶車組滿編設置，可采用短編組運行。即盾構機臺車掘進一環的出渣量由兩輛短編的電瓶車組完成，現可將短編的電瓶車組設置為1節電瓶車+2節出渣車+1節砂漿車+2節管片車，兩輛電瓶車運行一趟即可完成一個循環掘進，如圖2所示。

4.2 施工調度原理

采用有軌運輸的方式進行盾構隧道的運輸時，影響盾構掘進速率的主要因素便是電瓶車進行渣土和物料的運輸。尤其對于長距離施工段來說，因其運輸距離長，電瓶車往返所需的時間就會大大加長，這樣就會在很大程度上耽誤盾構機的掘進，所以很多人員也開發出了一些方式可以讓電瓶車快速到達掌子面，進行快速運輸。例如采用四軌三線以及復合式的運輸方式，主要是增加電瓶車軌道和電瓶車的數量。但是在增加電瓶車軌道和電瓶車數量的同時，就會帶來一些問題。其中最主要的問題便是因電瓶車數量增多和運輸岔道的增加，電瓶車的施工調度問題而引發的一系列安全問題。因多輛電瓶車在有岔道的運輸軌道上運行，如果沒有很好的電瓶車的調度，在運輸過程就容易發生電瓶車相撞事故。

大直徑盾構長距離掘進施工調度的主要工作分為盾構施工水平運輸與垂直運輸的調度管理。長距離隧道掘進效率與水平運輸設備的關系尤為重要,水平運輸的能力在很大程度上制約了隧道的掘進速度[8]。

長大盾構隧道施工時，一般采用在隧道內間隔1 200 m左右增設1組道岔，實現隧道內錯車,增加電瓶車編組數量，提高隧道內運輸效率。在增加道岔與電瓶車編組數量后，必須加強洞內水平運輸專項管理，防止發生撞車事故[9]。

本文以某長距離區間為例，說明在長距離區間中進行多輛電瓶車在岔道內進行運輸調度。因其在長距離的盾構區間中為保障通風、照明以及安全等問題，在隧道中段設置了一處風井。為更加合理的利用區間內的風井以及節省資源和方便電瓶車的運輸、施工，便在風井內架設了供電瓶車運輸時進行錯車的軌道。

使用兩輛電瓶車進行循環往復的運載渣土和建筑材料，并且在運載箱兩側貼上反光條，在風井前后隧道內各安裝紅外線檢測裝置，便于檢測電瓶車位置。同時，在風井位置，鋪設錯車軌道，并進行實時監控。

運輸開始時，兩輛電瓶車A，B相繼從始發井出發，當紅外線檢測裝置1第一次接收到電瓶車的運載箱上的反光條所傳回的信息時，則可判定為空載電瓶車A，電瓶車A繼續運行通過風井。當紅外線檢測裝置2收到第一次反光條傳回的信息，可判定是空載電瓶車A通過風井，則電瓶車A運行至掌子面處進行承接渣土。當紅外線檢測裝置1第二次接收到信息時，判定為電瓶車B，則將空載電瓶車B運行至風井中的岔道中等待。當紅外線檢測裝置2收到第二次信息，判定為返程的滿載電瓶車A，電瓶車A繼續返回通過風井。當紅外線檢測裝置1收到第三次信息，判定滿載電瓶車A通過風井，則電瓶車A繼續返程至始發井，同時空載電瓶車B從風井的岔道中駛出。當紅外線檢測裝置2收到第三次信息，判定為空載電瓶車B通過風井，電瓶車B繼續前進至掌子面承接渣土，同時在始發井處傾倒完渣土的電瓶車A繼續出發。當紅外線檢測裝置1收到第四次信息，判定為空載電瓶車A，空載電瓶車A駛入風井岔道等候。當紅外線檢測裝置2收到第四次信息，判定為返程的滿載電瓶車B，電瓶車B繼續返回。當紅外線檢測裝置1收到第五次信息，判定為通過風井的滿載電瓶車B，滿載電瓶車B繼續返回至始發井，同時空載電瓶車A從風井岔道內駛出，前往掌子面處。電瓶車A，B繼續循環往復的運行見表1。

表1 電瓶車調度表

4.3 工程應用

天水路站—翠柏路站區間盾構隧道,因其盾構掘進區間接近3 000 m，根據有關安全及通風要求，需要在天水路站和翠柏路站的區間隧道中間設計建造風井，以便于通風、采光、逃生救援等。該項目便合理運用風井，利用風井內的空間建造供電瓶車錯車的岔道，從而使得多輛電瓶車可同時在盾構掘進隧道內往返承接渣土和運送管片等材料。采用了兩輛電瓶車在隧道內通過如表1所示相應的調度，結合紅外線檢測裝置以及接收信號等裝置反饋相關信息，從而使得總控制室知道電瓶車所在位置和A，B電瓶車是空載前往掌子面承接渣土，還是滿載返回始發井，進而總控制室可根據調度表知曉電瓶車是否駛往風井內的岔道。若需要將空載電瓶車駛入風井內岔道，則總控制室可下達讓電瓶車駛入岔道的命令給電瓶車駕駛員，從而在風井內完成與滿載電瓶車的錯車。在這樣的調度方式下可使得電瓶車滿載同時運行，進一步加快運送渣土和建筑材料的速率，減少盾構機在掘進過程中的停機時間，保證施工進度。

這樣的錯車調度方式可以編輯為程序，因調度表可一直延長到收到信號n次，所以可將電瓶車調度表做成數據庫，主腦接收到隧道內信號器反饋回來的信息，若根據數據庫判斷出是需要駛入風井岔道的，則亮紅燈，如果根據數據庫判斷出可以通過岔道，則綠燈亮起。當電瓶車駕駛員看到是紅燈時，便進入岔道內等候，當看到綠燈亮時，便從風井內主道通過。這樣可實現半自動化，在很大程度上減少因工作人員人為失誤導致的故障發生。再進一步還可實現渣土運輸的全自動化，讓AI智能代替電瓶車駕駛員的工作，全程通過調度表做成的數據庫，反饋給相關信息給AI智能，讓它判斷出電瓶車下一步的運行軌跡，總控制室只負責監督和查看是否正常運行。軌道設置如圖3所示。

5 結論

長距離盾構隧道掘進時，渣土量增多，提高水平運輸的效率，將會大大加快施工進度：

1)根據始發井內空間大小選擇合適的編組方式，空間大的始發井可盡量采用長編組，空間有限的始發井便可采用短編組。2)通過詳細的調度表，進行合理快速的電瓶車調度，使得多輛電瓶車在隧道內有條不紊的運行。3)對于長距離隧道水平，采用兩輛電瓶車進行有序的循環調度，可以達到快速運輸渣土的目的，減少盾構機臺車掘進停滯的時間，進而提高施工效率。4)通過設置錯車軌道，使空載和滿載電瓶車各行其道，降低了水平運輸中因電瓶車錯車而發生的事故，增加了安全保障。