地鐵TBM施工出渣方式優(yōu)化探討

楊慶輝

(中鐵十八局集團隧道工程有限公司，重慶 400700)

?

地鐵TBM施工出渣方式優(yōu)化探討

楊慶輝

(中鐵十八局集團隧道工程有限公司，重慶 400700)

TBM近年來逐步在我國地鐵建設(shè)施工領(lǐng)域獲得成功應用，棄渣運輸均采用了傳統(tǒng)的有軌運輸+龍門吊提升方式，其施工能力和效率受到了一定的制約。隨著皮帶機垂直提升技術(shù)的不斷發(fā)展進步，設(shè)計能力、安裝尺寸、運輸能力均有了長足的進步，為采用TBM施工的地鐵隧道出渣提供了更加高效的方式。通過對青島地鐵2號線雙護盾TBM采用有軌運輸+龍門吊與其它棄渣運輸方式的分析和對比，認為采用連續(xù)皮帶機+垂直皮帶機出渣，掘進效率較龍門吊出渣可提高75%以上，為TBM在地鐵施工中充分發(fā)揮其快速施工的性能提供了一種途徑。

垂直皮帶機；TBM；地鐵；出渣方式；方案優(yōu)化

地鐵建設(shè)不斷升溫，除各省會城市在大規(guī)模建設(shè)外，已經(jīng)擴展到大量地級市，截止2015年底已經(jīng)有39座城市獲批建設(shè)地鐵。地鐵隧道區(qū)間采用盾構(gòu)機或者巖石掘進機(統(tǒng)稱為掘進機)開挖已經(jīng)得到了廣泛推廣應用。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國用于地鐵施工的盾構(gòu)機保有量已超過800臺[1]，用于地鐵施工的巖石掘進機數(shù)量較少。不同的地質(zhì)條件有其適用的掘進機機型，大部分城市的地質(zhì)條件適合采用盾構(gòu)機施工，而重慶、青島等多山城市修建地鐵，大多采用巖石掘進機(以下簡稱“TBM”)。

經(jīng)調(diào)查，地鐵隧道施工不論采用盾構(gòu)機還是TBM施工，棄渣全部采用有軌運輸方式運抵井口，再利用門式起重機垂直提升至地面。該運輸方式在盾構(gòu)機施工中是成熟的，也是匹配的，但在TBM施工中卻呈現(xiàn)明顯劣勢。本文結(jié)合工程實例，分析地鐵TBM施工中棄渣垂直運輸采用龍門吊所存在的弊端，認為其嚴重影響了TBM正常掘進效率的發(fā)揮，存在巨大的工期和成本浪費，因此有必要探索變革，以期為地鐵TBM施工提供一種更加高效、經(jīng)濟、合理的棄渣垂直運輸方式。

1 傳統(tǒng)棄渣提升方式在地鐵TBM施工中的弊端

青島地鐵二號線采用了4臺雙護盾TBM，棄渣垂直提升全部采用龍門吊，在施工過程中，發(fā)現(xiàn)該運輸方式效率低，嚴重制約了TBM正常掘進速度。

所有掘進機機型中，雙護盾TBM的綜合成洞速度是最快的，可以邊掘進邊拼裝管片，一次性完成隧道開挖和永久支護，TBM施工的最高日進尺和最高月進尺也全部是雙護盾TBM創(chuàng)造的。

青島地鐵雙護盾TBM是依據(jù)本工程的地質(zhì)條件設(shè)計制造的。截至目前， 1#TBM完成兩個區(qū)間的掘進任務(wù)，累計長度1 816 m，最高月進尺357 m，平均月進尺283 m，該進度指標相對于地鐵隧道盾構(gòu)法開挖而言是正常水平，但在雙護盾TBM施工中卻是非常低的。根據(jù)制造商提供的設(shè)計成果，本項目地質(zhì)條件下TBM具有600 m/月的掘進能力，實際施工中，由于受龍門吊出渣運輸方式的影響，TBM應有的施工效率受到了極大制約。

2 可供選用的棄渣垂直運輸方式

2.1 龍門吊

龍門吊是地鐵施工中最為常見且目前使用最為廣泛的出渣方式，技術(shù)成熟，龍門吊的生產(chǎn)系列化，制造和維護成本低。絕大部分采用盾構(gòu)機及TBM施工的地鐵隧道均通過龍門吊完成棄渣和材料垂直運輸。

2.2 罐籠

罐籠一般用作礦井人員、礦石、設(shè)備、材料等的提升，主要用于采煤和采礦領(lǐng)域。對于中、小型礦井，罐籠也可以作為主井提升設(shè)備，提升煤炭、矸石等礦料。礦斗通過罐籠直接提升，提升能力通常為1～3 t。

2.3 箕斗

箕斗主要應用于采礦、采煤領(lǐng)域，用來提升礦石、廢石或煤炭，分斜井用和立井用兩種。根據(jù)箕斗具體工作形式不同，容量一般為3～30 t，西德的大型箕斗在20世紀七八十年代已經(jīng)達到40 t以上[2]。隨著技術(shù)的不斷進步，其提升能力得到很大提高，并獲得進一步推廣應用[3]。當一個礦山須裝設(shè)兩套提升設(shè)備時，主井一般采用箕斗提升，副井則用罐籠提升。

2.4 吊桶提升

吊桶提升在豎井及平巷施工中也得到了一定的應用，但是其與罐籠提升相比，存在占用設(shè)備多、人員進出桶時間長、材料運輸不方便等缺點，多用于工程量小、時間短、日開鑿量不大的情況[4]。

2.5 大傾角皮帶機

大傾角帶式輸送機是一種連續(xù)輸送設(shè)備，它具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點，并具有大傾角輸送、結(jié)構(gòu)緊湊、占地少等特點。適用于輸送碎石、石灰石、煤炭、砂、粘土、燒結(jié)砂粉、木屑、糧食等塊度不大于550 mm的多種物料。

2.6 垂直皮帶機

垂直皮帶機屬于大傾角皮帶機的特殊情況，主要應用于豎井等垂直提升場合。有波狀擋邊帶式輸送機、口袋式帶式輸送機、壓帶式帶式輸送機、管狀帶式輸送機等多種形式。

擋邊帶式輸送機其結(jié)構(gòu)是在板式橡膠運輸帶兩側(cè)粘上可自由伸縮的橡膠波形立式"裙邊"，在裙邊之間又設(shè)有一定強度和彈性的橫隔板組成匣形斗，使物料在斗中進行連續(xù)輸送。該型皮帶機經(jīng)過多年不斷的發(fā)展，技術(shù)、工藝已經(jīng)非常成熟，并開發(fā)了多種系列，廣泛應用于煤炭、冶金、建材、化工、輕工、礦山、港口等領(lǐng)域[5]。

垂直皮帶機工作環(huán)境溫度為-19～40℃,適合輸送堆積比重為5～25 kN/m3的各種散狀物料。該皮帶機的工作傾角能在0～90°任意布置，具有廣泛的用途和出色的工作能力[6]。

通過以上分析可以看出，由于采用TBM的地鐵施工中，施工距離長、單位時間出渣量大、材料運輸量大且頻繁，罐籠、箕斗和吊桶提升均不適用。龍門吊出渣可以滿足施工要求，但是TBM施工效率受到了極大的制約。結(jié)合地鐵車站結(jié)構(gòu)及施工和TBM吊裝井的設(shè)置，作者認為垂直皮帶機的可行性較高，有必要進行進一步研究應用。

3 垂直皮帶機應用現(xiàn)狀

國外垂直皮帶機的研制和應用較早，在1960年代初，西德Scholtz公司即研制成功波狀擋邊帶式輸送機[5]。1990年代以來逐漸在地下采礦和地下建筑工程豎井施工中得到應用，并獲得非常好的效果。為了滿足市場對大型垂直皮帶機的需求，隨著技術(shù)的不斷進步，其提升能力也不斷增強，提升高度越來越高，其綜合成本低、效率高的優(yōu)點也越發(fā)凸顯，并獲得了越來越廣泛的應用。在美國、德國和日本等發(fā)達國家的市政工程建設(shè)中已大量采用了波紋擋邊帶式輸送機，如紐約的城市下水管道工程、芝加哥的TARP工程的豎井均采用了該輸送機運輸渣料，德國也有很多類似案例[6]。

我國在1990年代末從國外引進帶式輸送機并應用于采礦行業(yè)，其自主性研究起步較晚，綜合技術(shù)能力與國外差距較大。近年來隨著我國社會經(jīng)濟發(fā)展和科技進步，在市場需求的推動下，皮帶輸送機的技術(shù)水平也有了很大提高，但是在功能多元化、自動化控制與集成、長距離、大運量、可靠性等核心技術(shù)方面與國外先進水平仍有較大差距。

目前在采礦和一些難度較大的地下建筑工程施工領(lǐng)域或者采用傳統(tǒng)的斜井施工成本過于高昂的領(lǐng)域，采用豎井垂直皮帶機提升物料的方式正逐步得到應用。

4 垂直皮帶機用于地鐵TBM施工的可行性分析

垂直皮帶輸送機具有占地面積小、輸送能力強等特點，特別適用于施工現(xiàn)場受空間和環(huán)保等條件限制的場合。尤其對于目前地鐵建設(shè)工程領(lǐng)域征地難度大、環(huán)保要求高的情況下，明挖車站受到較大的局限性，越來越多采用暗挖車站，這就給區(qū)間施工帶來了很大的困難；通過機車進行長距離運輸，龍門吊垂直提升，TBM施工效率大大降低，且與車站施工存在相互干擾。

青島地鐵二號線在建設(shè)過程中，采用雙護盾TBM法、盾構(gòu)法和鉆爆法相結(jié)合的施工方法。由于青島具體地質(zhì)情況，盾構(gòu)法目前的施工并不是很順利。采用雙護盾TBM法施工的區(qū)間，開挖直徑6.3 m，采用四邊形管片襯砌結(jié)構(gòu)，管片寬度1.5 m，管片外徑6 m，內(nèi)徑5.4 m，出渣方式采用傳統(tǒng)的礦車+龍門吊的方案，目前最快的施工進度357 m/月；但是受到出渣效率的影響，隨著掘進長度的增加，施工進度進一步提升的空間非常有限。而采用皮帶機系統(tǒng)運輸?shù)姆绞?，將可以顯著提高施工效率。

4.1 渣料狀態(tài)

青島地鐵二號線采用TBM施工的區(qū)間，基本上處于全巖層段，根據(jù)出露情況，大部分為花崗巖，巖石抗壓強度高，完整性好。掘進產(chǎn)生的石渣均為碎屑、小塊狀，通常最大粒徑不超過15 cm。根據(jù)刀盤開口率設(shè)置，最大石渣粒徑不超過20 cm，而垂直皮帶機系統(tǒng)配置可以滿足粒徑30 cm左右的石塊運輸。因此，從渣料狀態(tài)來分析，垂直皮帶機可滿足施工要求。

4.2 安裝空間

根據(jù)目前青島地鐵區(qū)間施工的具體情況，每循環(huán)石渣46.73 m3×2.8 t/m3=130.8 t，考慮雙線同時掘進施工，每循環(huán)渣量261.6 t，每循環(huán)掘進時間40 min，則每小時的運輸能力需求為392.4 t，安全系數(shù)取1.5，則配置運輸能力588.6 t的垂直皮帶機可以滿足施工需求。

根據(jù)施工需求配置皮帶機的參數(shù)為：連續(xù)皮帶機寬度650 mm，垂直提升皮帶機寬度1 200 mm，隧道內(nèi)空間滿足連續(xù)皮帶機安裝需求。垂直皮帶機的安裝需求空間為4 m×6 m，根據(jù)目前車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)、豎井或者施工預留口尺寸，可以通過合理布置，滿足垂直皮帶機的井下布置而不會影響到施工材料的準備和運輸。

4.3 供電

垂直皮帶機提升能力585 t/h，提升高度40 m，配置200 kW的驅(qū)動電機可以滿足施工需求；連續(xù)皮帶機根據(jù)運輸距離長度不同，配置的功率也有所不同，按照運輸距離5 km來計算，總驅(qū)動功率不小于400 kW。通過市政供電，可滿足施工要求。

4.4 施工效率

青島地鐵TBM開挖直徑6.3 m，每循環(huán)掘進長度1.5 m，洞內(nèi)采用有軌方式運輸棄渣，每循環(huán)所開挖的石渣裝載于4臺渣斗中，再利用55 t龍門吊將渣斗垂直提升至地面卸入渣池，井底至地面的垂直高度為27 m。經(jīng)現(xiàn)場實測，每斗渣的垂直提升循環(huán)時間平均15 min，每掘進循環(huán)卸渣時間需要60 min；疊加吊運管片和裝卸豆礫石的時間，每列車備料需要20 min，故每掘進循環(huán)卸渣加備料共需要時間80 min。

采用皮帶機出渣運輸后，可以在掘進過程完成材料運輸工作，不用停機等待運輸時間，實現(xiàn)連續(xù)掘進，施工效率將大幅提高。具體工作參數(shù)對比見表1。

表1 地鐵隧道雙護盾TBM不同出渣方式掘進效率對比表

注:運輸距離按平均運距2 500 m計算，每月掘進25 d，每天掘進時間18 h。列車進洞速度6 km/h，出洞速度5 km/h。

從表1對比可見，與礦車出渣相比，采用皮帶機出渣時雙護盾TBM掘進效率可提高75%;并且隨著運距增加，皮帶機出渣效率的優(yōu)勢更加明顯。

4.5 成本

皮帶系統(tǒng)出渣的設(shè)備購置費用較高，但TBM施工速度大大提高，將節(jié)約大量的工期和運行成本。以掘進距離5 km投入的設(shè)備費用和工期成本為例進行對比分析，結(jié)果見表2。

通過表2分析可以看出，在掘進5 km的情況下，采用礦車出渣的直接成本略低于皮帶機出渣。表2是按照設(shè)備采購成本計算的，而實際上設(shè)備將重復周轉(zhuǎn)使用，按折舊計算的設(shè)備成本大大降低，節(jié)省工期等優(yōu)勢更加明顯。

表2 兩種出渣方式的成本對比表

5 結(jié)論與討論

綜上，傳統(tǒng)的龍門吊出渣方式，制約了雙護盾TBM的施工效率，未充分發(fā)揮其施工性能，造成了一定的資源浪費。垂直皮帶機系統(tǒng)應用于地鐵施工，技術(shù)上可行且日益成熟，但是由于其初期采購成本較高，在一定程度上限制了其大范圍的應用。

現(xiàn)階段，受到國內(nèi)技術(shù)條件和慣性思維制約和影響，城市地鐵TBM法施工的隧道，仍在以龍門吊出渣，經(jīng)濟效益和社會效益在一定程度上偏低，相信隨著認識水平的提高，技術(shù)的進步，垂直皮帶機等更為先進的設(shè)備和作業(yè)方法能夠得到合理應用，促進TBM在地鐵施工領(lǐng)域更快、更好的運行和發(fā)展。

同時，垂直皮帶機配合TBM施工，可以充分利用其快速施工的特點，優(yōu)化總體施工方案，實現(xiàn)長距離連續(xù)掘進施工，以正常掘進方式通過車站，即先隧后站。但是其同時也要求在設(shè)計階段要考慮相關(guān)問題，包括設(shè)置位置、總體掘進長度、總體工期、設(shè)備來源等，進而充分發(fā)揮TBM施工的優(yōu)勢。

當然，如配備破碎機將大塊棄渣分解到合適的粒徑，垂直皮帶機亦可用于車站暗挖施工，提升施工效率，減少車站施工對地面交通、構(gòu)筑物的影響。

[1]阮 霞.再制造是盾構(gòu)機下步發(fā)展的重點——訪北京設(shè)備管理協(xié)會盾構(gòu)機專委會秘書長阮霞[J]．隧道建設(shè)，2013(10)：814

[2]李業(yè)飛.赴德國考察大型箕斗的介紹[J].煤礦設(shè)計，1992，152(2)：46-47

[3]孫如海.大型箕斗卸載方式的探討[J].礦山機械，2010(5)：50-52

[4]程志彬，付萬貴.利用吊桶提升施工平巷工程[J].建井技術(shù)，2006，12(6)：34-36

[5]杜月波.垂直帶式提升機[J]．建筑機械化，2000(5)：56-58

[6]沈永才，蔣衛(wèi)良，董紅贊.垂直提升波紋擋邊帶式輸送機的研究及應用[J].煤礦機電，2003(5)：74-77

An Exploration into the Optimization of the Discharging-Transporting Mode of the TBM for Metro Construction

YANG Qinghui

(The 18th Bureau Group Co. Ltd. of China Railway ，Chongqing 400700,China)

TBM has been successfully applied to the construction of subways at home step by step in recent years.However,muck is still transported by the traditional rail transport + gantry crane lifting mode,in which case the construction capability and efficiency is often restricted to some extent.With the continuous development of the technique of the vertical conveyor,great progress is made in design capability,installation size and transport capacity,which provides a more efficient way of discharging and transporting muck in TBM subway construction.After comparing and analyzing the transporting mode of the rail transport + gantry crane lifting adopted by the dual protective shield for Line Two of the subway in Qingdao and other muck-transporting modes,it is found that the efficiency in using the TBM-continuous belt conveyor+vertical belt conveyor is more than 75% higher than that of discharging muck with the gantry crane lifting,which provides a new way of giving full play to the performance of TBM in its rapid construction in subway construction.

vertical belt conveyor;TBM；metro；muck-discharging and transporting mode;optimization of the scheme

2016-03-30

楊慶輝(1983—)，男，工程師，主要從事TBM施工與管理工作。kjyhy-yqh@163.com

10.13219/j.gjgyat.2016.05.008

U455.31

B

1672-3953(2016)05-0026-04