地鐵盾構施工水平垂直運輸方案探討

摘要：以中鐵二十二局集團軌道工程有限公司成都地鐵6號線13標項目三中盾構區間為案例，闡述了地鐵盾構施工運輸系統構成和運作等內容，重點從水平運輸、垂直運輸、設備編組等方面進行詳細分析與計算，為盾構施工水平垂直運輸方案制定、設備編組以及整個盾構施工效率提升提供借鑒與參考。

關鍵詞：盾構施工；水平運輸；垂直運輸；設備編組；生產進度

0" "引言

盾構施工作為地鐵施工項目的重要組成部分，直接關系到地鐵項目的成功與否。其中制定盾構水平垂直運輸方案是開展地鐵盾構施工的技術準備和后勤保障，對保證盾構施工進度、施工安全、成本管控極具現實意義。

本文以成都地鐵6號線13標項目三中盾構區間為案例，闡述了地鐵盾構施工運輸系統構成和運作等內容，重點從水平運輸、垂直運輸、設備編組等方面進行詳細分析與計算，為盾構施工水平垂直運輸方案制定、設備編組以及整個盾構施工效率提升提供借鑒與參考。

1" "工程概況

1.1" "工程基本情況

成都地鐵6號線一、二期工程土建13標為兩站三區間，分別為三色路站、中和站以及金三區間、三中區間、龍燈山出入場線區間。其中，三中區間出三色路站后沿規劃三色路下方進行敷設，然后轉入繞城高速兩側防護綠地內并下穿繞城高速路基，最后轉入中柏大道進入中和站。區間起始站為地下三層站，終點站為地下兩層站。線路設計最大坡度26‰，最小坡度6‰。覆土10.5～17.5m。

線路以直線出三色路站后設置一段半徑為450m的平面曲線，后接直線，再分別接半徑為600m、500m、500m的曲線，最終以直線進入中和站。三中區間采用盾構法施工，盾構左線長為2589.9m、右線長為2593.6m，盾構穿越地層基本為泥巖地層，部分地段為上部砂卵石、下部泥巖的復合地層。

1.2" "施工過程

本區間投入2臺鐵建重工盾構機進行區間隧道施工作業。盾構從三色路站大里程端始發，通過區間風井后二次始發到達中和站小里程端接收吊出。區間詳細施工組織計劃如下：三中區間盾構始發井設置在三色路站大里程端，盾構始發出三色路站后向南掘進，通過中間風井，然后到達中和站小里程端。

2" "盾構施工運輸系統構成及原理

2.1" "系統構成

盾構掘進施工運輸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[1]。盾構施工運輸系統，包含垂直運輸和水平運輸兩大部分。垂直運輸主要由門式起重機在車站實現，水平運輸則通過編組的電瓶機車在盾構區間進行完成。

2.2" "系統運作

2.2.1" "水平運輸過程

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[2-3]。水平運輸的主要工作內容是使用電瓶機車編組，將管片、油脂等盾構生產所需物資運輸至隧道內的盾構機處，并將盾構機掘進產生的渣土運回至隧道洞口。

機車編組為盾構機始發及掘進過程提供源源不斷的設備物資供應和渣土清運。編組機車進入隧道時，管片運輸車、砂漿運輸車為重車，將管片和砂漿及其他材料運進，運渣車為空車。駛出隧道時，管片運輸車、砂漿運輸車為空車，運渣車為重車，將渣土運出。

2.2.2" "垂直運輸過程

列車到達洞口的出渣井后，門式起重機把渣車車箱吊離地面相應的高度后，車箱隨門式起重機小車橫移到渣坑縱方向位置，再隨門式起重機大車移動到渣坑橫向位置。最后，利用設置在門式起重機上的翻轉機構，隨著吊鉤的下落，車箱及渣土由于重心與轉軸的不平衡而翻轉卸渣，完成渣土的垂直運輸。

三中區間的渣土起吊、管片及施工材料的下井均在三色路站進行垂直運輸，后期不考慮在區間風井吊運任何材料，因此為滿足隧道內長距離水平運輸，在三色路站和區間風井處設置道岔，滿足列車錯車需要，以此加快施工進度。

3" "水平運輸方案

3.1" "水平運輸系統設計

盾構機始發階段運輸系統主要滿足出渣、供料等施工需要，在充分考慮始發階段第五段底板場地受限的情況下，作出以下安排[4]：一是盾構機始發階段，采用單線編組列車。列車編組情況為1節電瓶車+2節渣土車+1節砂漿車+2節管片車。二是盾構機進入正常掘進狀態后，站臺內設雙線會車道，隧道內設單線運輸軌道，列車編組再增加2節渣土車，2列整編組進行循環作業。

3.2" "渣土車容量選擇

本工程所采用的盾構機切削刀盤直徑為6.28m，支護管片寬為1.5m，根據工程經驗及成都地鐵6號線地質情況渣土松散系數取1.3。基于以上數據，計算每掘進一環的渣土體積。每環理論渣土體積計算公式如下：

V1=πR2L=46.44m3" " " " " " （1）

式中：V1為每環理論渣土體積，單位為m3；R為盾構機刀盤開挖半徑，單位為m；L為管片寬度，單位為m。

將數據代入式（1）計算可得每環理論渣土體積V1為46.44m3。

實際每環渣土體積V2計算公式如下：

V2=V1μ=60.37m3" " " " " " " （2）

式中：V2為實際每環渣土體積，單位為m3；μ為渣土松散系數1.3。

工程渣土隧道水平運輸為4節17m3的渣土斗，實際運輸過程中，每個渣土車斗裝按利用率90%計算，即每個渣土車斗運輸量為17m3×90%=15.3m3，每個編組列車能運輸量為4×15.3=61.2m3。其運輸量大于每環掘進渣土量60.37m3，因此渣土車容量滿足工程要求。

3.3" "砂漿車容量選擇

每環掘進所注砂漿為刀盤切削渣土體積減去管片的外徑所占體積，每環掘進所注砂漿量V3計算公式如下：

V3=π（R2-r2）Lμ=6.08m2" " " " " （3）

式中：R為盾構機刀盤開挖半徑，單位為m；L為管片寬度，單位為m；r為管片外徑，單位為m；μ為砂漿填充系數，取1.5。考慮到隧道坡度、砂漿泵送過程中泄漏等情況，選擇1節8m3砂漿車滿足使用要求。

3.4" "電瓶機車選擇

3.4.1" "基礎數據選擇

隧道左、右線各布置1列電瓶機車，用以牽引整個編組設備，完成整個隧洞內的水平運輸。實際所需的機車黏重根據上述渣土質量和最大坡度（三中區間線路最大坡度26‰）對機車進行下列計算。

根據本項目研究區資料，軌線坡度26‰。每循環渣質量為120.74t，4輛17m3渣車運輸車（駛出時為重車）質量為36t，1輛8m3砂漿車（駛出時為空車）質量為6t，2輛管片車（駛出時為空車）質量為4t。考慮用1列運輸編組完成一循環渣土及輔料運輸，因此編組為1節機車+4節渣土車+1節砂漿運輸車+2節管片車。

3.4.2" "機車技術參數選擇

由機車黏著牽引力≥坡道阻力+列車綜合運行阻力+加速慣性力，經推導得知：

式中：a為加速度，取值0.05m/s2；G2為重載列車牽引總重，取值166.74t；μ1為隧道坡度，取值26‰；μ2為隧道坡道綜合阻力系數，取值0.008；μ為機車粘著系數，取值0.26。

經計算得到，在26‰坡度下，至少需28.4t機車可牽引，考慮適量冗余，決定選用單臺45t機車（公稱黏重為45t）。

3.4.3" "車輛編組方案選擇

根據上述計算結果得出隧道列車編組為：三中區間左線、右線的洞內水平運輸，由一列45t電瓶機車牽引4節17m3渣土車、1節8m3砂漿運輸車、2節15t管片車組成，1列編組在隧道完成掘進，1列編組在車站出渣下料，2列編組循環運行。每列編組出一環渣。

3.5" "水平運輸功效分析

初步估算，盾構掘進每循環平均掘進時間約為40min。每環管片平均安裝時間為30min。為節約2列編組進出隧道的會車時間，在三中風井安裝換車道岔。金石站-三色站、三色路站-三中風井-中和站區間及車站總長為2870m，機車行車速度按照5km/h進行計算。

機車行車5km/h時1000m隧道運行功效如圖1所示。從圖1分析可知，水平運輸系統電瓶機車組的配置不僅能夠滿足材料及設備調運，還能夠保證施工工期的順利實現。

4" "垂直運輸方案

三中區間垂直運輸主要由布置在三色路站南部的2臺門式起重機完成，主要用于吊運井下電瓶機車水平運輸的渣土、管片及隧道內使用的軌道、走道板等材料。三中區間門式起重機配置表如表1所示。

4.1" "門式起重機配置

三中區間左、右線共用2臺門式起重機，主要進行渣土吊運、管片卸車、管片以及其他材料下井。2臺門式起重機的起重量分別為45t、50t，軌距為26m，均為單懸臂，懸臂長為7.9m，有效最遠吊裝距離為5m。

由于管片每環6塊，管片寬度為1.5m，總質量約22t，單塊管片最大質量為4.4t。考慮進場管片的配車方式，3塊最大質量的管片的質量約為13.2t，剩余3塊管片的質量約為8.8t。因此門式起重機16t副鉤能滿足管片卸車及下井垂直運輸能力需求。

每列計劃設置4個17m3渣斗，采用45t和50t門式起重機出渣，結合場地布置，2臺門式起重機可同時服務于2條線的渣車編組。渣土運輸計算如表2所示。

根據上述計算結果得出，1臺45t和1臺50t的門式起重機能滿足三中區間管片、渣土及其他材料吊運使用要求，主要負責現場的盾構始發設備下井、渣土吊運工作、管片吊裝及其他輔助材料、小型機具吊裝。

4.2" "垂直運輸功效分析

垂直運輸系統能力的所有因素中，唯一沒有選擇余地的是門式起重機的提升速度。重物在自由狀態下提升速度一般不超過15m/min。門式起重機大車、小車運行速度一般為0～25m升速度，根據其提升速度、大車與小車的運行速度計算，得到每臺門式起重機每天的極限提升循環車數約為45車。

渣車容量的大小是制約垂直運輸能力的主要因素，渣車容量越大則垂直運輸能力越大，故選用17m3渣斗。垂直運輸能力如表3所示。

經垂直運輸功效分析不難看出，門式起重機配置1臺45t/16t和1臺50t/16t不僅能夠滿足材料及設備調運，而且能夠保證施工工期的實現。

5" "結束語

盾構施工是一項綜合性施工技術，其水平垂直運輸是控制盾構施工生產進度的關鍵因素之一，高效可行的水平垂直運輸方案對保證盾構施工進度、施工安全、成本管控極具現實意義。

編制高效的盾構水平垂直運輸方案既要掌握工期安排、熟悉施工場地，也要對門式起重機、電瓶機車、渣土車、砂漿車、管片車等配套設備參數及性能有全面的市場調查及分析，這樣既能達到保證安全施工前提下滿足盾構施工水平垂直運輸需求，又要避免因設備運輸能力過剩導致成本增加。

參考文獻

[1]" 徐道亮.土壓平衡盾構高含水量出渣技術研究[D].武漢：中南大學，2014.

[2]" 曾雪松.淺談長距離隧道盾構掘進的排水、通風及水平運輸[J].四川建材，2006，31（6）：222.

[3]" 孫增田，于文龍.淺析地鐵施工臨時孔洞的運輸功能及封堵施工[J].工程建設與設計，2018（20）：132-133.

[4]""""" 董敏.淺談地鐵盾構施工中軌道運輸方案的選線[J].中國科技信息，2012（5）：50+53.