山西中部引黃工程長距離TBM運輸系統(tǒng)方案研究

王學(xué)強

（山西中部引黃水務(wù)開發(fā)有限公司 山西太原 030002）

隨著萬家寨引黃入晉、引大濟湟、引漢濟渭、大伙房調(diào)水工程等一大批引調(diào)水工程的順利實施，深埋長隧洞設(shè)計及施工在我國水工隧洞建設(shè)中取得了巨大的進展，尤其是采用全斷面巖石掘進機（TBM）可以實現(xiàn)20 km以上的隧洞單向掘進，并且具有掘進速度快、成洞質(zhì)量好、綜合造價低、安全環(huán)保等諸多優(yōu)點，在工程中取得了廣泛的應(yīng)用[1]，與此同時，長距離運輸系統(tǒng)也成為了制約TBM施工技術(shù)運用的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

本文通過對山西省中部引黃工程長距離TBM運輸系統(tǒng)進行優(yōu)化研究，從而解決了26 km獨頭掘進條件下的出渣及物料運輸問題，為國內(nèi)外類似工程積累了有效經(jīng)驗。

1 工程概況

中部引黃工程是山西大水網(wǎng)建設(shè)的重要骨干工程之一，位于黃河流域呂梁山境內(nèi)，自黃河取水，設(shè)計取水流量23.55 m3/s。工程隧洞總長385 km，其中總干3#隧洞在穿越黑茶山自然保護區(qū)，最大埋深610 m，采用兩臺雙護盾TBM進行對向掘進，總掘進主洞長度41.4 km，分別設(shè)置進洞支洞與通風(fēng)洞[2]，具體布置如圖1所示。

圖1 進洞支洞與通風(fēng)洞布置圖

2 出渣方案設(shè)計

施工前期施工組織設(shè)計擬采用全洞段連續(xù)皮帶機出渣方案，即在總掘進距離10 km處設(shè)置轉(zhuǎn)渣漏斗和皮帶清洗裝置，并增設(shè)400 kW接力驅(qū)動后繼續(xù)向前掘進，掘進至過通風(fēng)支洞1 km處停機，將進洞支洞洞外的皮帶機主機及小斷面儲帶倉搬遷至通風(fēng)支洞與主洞交叉擴挖洞內(nèi)，并在擴挖洞設(shè)置轉(zhuǎn)渣漏斗和清洗裝置，將渣料轉(zhuǎn)至通風(fēng)支洞新建的洞口至與主洞交叉擴挖洞的固定皮帶機上，從而利用通風(fēng)支洞出渣的方案。

但由于TBM1標通風(fēng)支洞地處黑茶山保護區(qū)內(nèi)，水資源豐富，通風(fēng)支洞開挖過程中地質(zhì)條件復(fù)雜多變，隧洞涌水量大，施工進度緩慢，且與主洞TBM掘進進度不能匹配，因此須對TBM出渣方案進行優(yōu)化，從而滿足工程實際需要。

2.1 皮帶機助力驅(qū)動方式選擇

隨著TBM出渣運輸距離的增長，膠帶承受的張力不斷增加，所要求的膠帶強度也越來越高。為了克服這一困難，國內(nèi)目前普遍采用的方法是在連續(xù)皮帶機中部設(shè)置助力驅(qū)動，如線摩擦式驅(qū)動或轉(zhuǎn)載式多點驅(qū)動，從而顯著降低膠帶的最大工作張力。[3]

由于TBM是一種非連續(xù)性出渣過程，可能出現(xiàn)渣量時多時少甚至于空轉(zhuǎn)的情況，因此在采用線摩擦式驅(qū)動時需考慮最不利工況，從而使得助力驅(qū)動皮帶機長度較長，不利于隧洞設(shè)備布置；而在采用轉(zhuǎn)載式多點驅(qū)動時，由于石渣須經(jīng)過助力驅(qū)動由高向低下落，將對膠帶產(chǎn)生二次沖擊荷載，對皮帶機的連續(xù)高效運行帶來隱患，此外還需不斷加強助力驅(qū)動處的調(diào)試與維護工作，否則可能導(dǎo)致膠帶跑偏乃至損傷。鑒于以上情況，中部引黃工程TBM1標在施工過程中創(chuàng)新性的研制開發(fā)了磁力摩擦式中間加力驅(qū)動系統(tǒng)，利用鐵磁性物質(zhì)在磁場中受力的性質(zhì)，在線摩擦式驅(qū)動的基礎(chǔ)上，在輔助驅(qū)動膠帶下方設(shè)置磁鋼，磁力穿透輔助驅(qū)動膠帶作用于連續(xù)皮帶機承載膠帶的鋼絲繩，從而使連續(xù)皮帶機承載膠帶與輔助驅(qū)動膠帶之間保持相對恒定的壓力，確保驅(qū)動力始終保持在合理范圍內(nèi)。

2.2 出渣方案優(yōu)化設(shè)計

磁力摩擦式中間加力站的成功運用，對長距離皮帶機中間加力站給出了更成功的方法，其主要優(yōu)點是:減小中間轉(zhuǎn)渣時上層皮帶托輥垂直位移，即皮帶改向托輥架的工作量；免除轉(zhuǎn)渣和皮帶清洗對皮帶的損傷使延長皮帶壽命；減小中間驅(qū)動的功率、縮短加力站施工工期，減少設(shè)備投資和運行費用；達到了既延長了連續(xù)皮帶機運行的長度，又不需轉(zhuǎn)渣和擴挖隧洞的目的。在此基礎(chǔ)上，特對原方案連續(xù)皮帶機出渣方案進行了優(yōu)化。

原已建設(shè)的1#磁力摩擦式皮帶機加力站（距主機10 km，樁號總81+758），設(shè)計可延伸輸送距離8.5 km，達到掘進進尺18.5 km，因此當隧洞掘進至總90+258時，需在距離1#磁力摩擦式皮帶機加力站8 km（總89+758）處，安裝2#繞車平臺和2#磁力摩擦式連續(xù)皮帶機加力站，2#磁力摩擦式加力站的磁加力和摩擦段長度，由原1#加力站時的62.41 m，增加到2#加力站的130 m（安裝起、止樁號總89+758～總89+888）。

二次加力后，可在設(shè)計出渣強度內(nèi)延伸連續(xù)皮帶機輸送長度8 500 m，到達樁號總98+388，總輸送距離達26.63km。當輸送距離超過8500m時，可采用降低掘進貫入度，使出渣強度減?。ㄓ?00 t/h降到120 t/h）的施工方法，從而具備延伸掘進2～3 km的能力。

在選擇磁力摩擦式皮帶機加力站的設(shè)置區(qū)間時，為進一步加快隧洞內(nèi)的運輸效率，考慮將其與錯車平臺進行有效結(jié)合，經(jīng)綜合比選，將2#磁力摩擦式加力站向大里程方向挪動1 000 m左右，至總90+660～總90+790，從而與原施工組織設(shè)計中的4#錯車平臺合并設(shè)置，從而達到了減少工程量，降低機車減速、加速次數(shù)，有效延長機車運行時間的目的。

3 物料運輸方案設(shè)計

本工程隧洞坡度大（進洞支洞3.857%，長5.199 km）、獨頭掘進距離長（整個26.250 km），洞內(nèi)最長運輸距離達26.311 km（包括滑行段61.6 m），而TBM施工后成洞段隧洞內(nèi)凈空僅4.3 m，因此軌道運輸系統(tǒng)的機車編組設(shè)計、運行調(diào)度，主洞與支洞運輸銜接等問題合理與否直接制約工程的進度。掘進所需管片、物資、材料和人員等運輸全部采用軌道車輛運輸，軌道為單車道，軌距900 mm。一組運輸列車由內(nèi)燃機牽引機車、管片車、豆礫石罐車、軌道運輸車、載人車和水泥車組成。有軌運輸任務(wù)非常大，特別是對于軌道鋪設(shè)質(zhì)量、道岔布置等方面，提出了更高的要求。

在皮帶機出渣工況下，根據(jù)軌道和編組列車的運輸能力、TBM掘進臺車上的物資調(diào)配條件，擬采用雙護盾掘進模式情況下一次運送3環(huán)管片的物資材料供應(yīng)方式進行物料運輸方案設(shè)計，從而達到既滿足TBM連續(xù)掘進的要求，又最大程度的減少運輸次數(shù)。

3.1 列車編組確定

1）管片車數(shù)量的確定

采用每循環(huán)安裝3環(huán)管片后，每節(jié)管片車拉運半環(huán)管片（2片），因此一次管片運輸需12片管片用6節(jié)管片車。管片車的幾何參數(shù):長3.87 m×寬1.4 m×高0.536 m，自重 2.33 t，每環(huán)管片為 5.109 m3，重量=5.109×2.5=12.77 t。

2）豆礫石車的確定

管片運輸是一次3環(huán)管片，豆礫石回填也要滿足一次回填3環(huán)的要求，每環(huán)回填豆礫石2.793 m3，3環(huán)用豆礫石=2.793×3=8.38 m3，每節(jié)豆礫石罐可裝豆礫石為6.5 m3，根據(jù)三列車（9環(huán)）需豆礫石為8.38×3=25.2 m3，需四罐豆礫石 6.5×4=26 m3＞25.2 m3才能滿足供應(yīng)，因此采用每三列車組拉四罐豆礫石的運輸方式。一個6.5 m3的豆礫石罐，自重2 444 kg，豆礫石罐板車的幾何參數(shù):長6.5 m×寬1.4 m×高1.8 m，車自重 4 901 kg，與罐空載合重7 345 kg，豆礫石重=6.5×1.6=10.4 t。

3）載人車的確定

載人車主要是運輸進出洞的施工人員，上下班期間人員多時用兩個載人車，平時用一個載人車。載人車的幾何參數(shù):長6.85 m×寬1.4 m×高1.8 m，自重3 504.4 kg，每節(jié)載人車坐25人，每人平均重70 kg，滿載時人重量=70×25=1 750 kg。

4）平板車及水泥運輸車

平板車幾何參數(shù):長6.5 m×寬1.4 m×高0.6 m，自重6 438 kg，平板車在TBM檢修時，主要負責(zé)軌道供應(yīng)、風(fēng)筒供應(yīng)、電纜供應(yīng)、工業(yè)水管等物料供應(yīng)。在檢修時利用豆礫車平板與列車編組的平板將當天所需的材料一次運輸?shù)轿?，編組時一般不再考慮，可以有效提高運行效率，縮短調(diào)車時間。

水泥車運輸灌漿用水泥，采用水泥罐車運輸（袋裝水泥用20 t平板車運輸）罐自重2 t，裝水泥4 m3即5.6 t（散裝水泥1.4 t/m3），進洞時應(yīng)該掛在車組最后邊，以便在TBM后配套上甩到回填灌漿攪拌站。水泥車自重 8.438 t，總重=5.6+8.438=14.038 t。

5）牽引車參數(shù)選擇

按照列車編組中管片車、豆礫石車、載人車、平板車等的配置及物料運輸情況，結(jié)合隧道斷面情況，特選擇了德國生產(chǎn)的SCHOMA 180-181-30型鋼輪牽引機車和湖北晨風(fēng)生產(chǎn)的CF-25型鋼輪牽引機車，均能滿足工程需要，具體設(shè)備參數(shù)如下:

SCHOMA 180-181-30型鋼輪牽引機車

重量:30 t

軌距:90 mm

速度:最大上坡速度達18～20 km/h，最大下坡速度 25～30 km/h

功率:181 kW

牽引力:81.5 kN

外形最大尺寸:8.995 m×1.4 m×1.8 m

CF-25型鋼輪牽引機車

重量:25 t

軌距:90 mm

速度:最大重載速度12～20 km/h

功率:173 kW

牽引力:54 kN

外形最大尺寸:8.995 m×1.4 m×1.8 m

3.2 運行車速確定

本工程洞內(nèi)運行車速按照《水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范》（SL378-2007），列車在洞內(nèi)車速不宜大于10 km/h=167 m/min，調(diào)車段應(yīng)小于3 km/h=50 m/min，彎道和道岔段小于5 km/h=83.3 m/min，在支洞段因坡度較陡，上下坡車速定為8 km/h=133 m/min。

考慮本隧洞出渣為全洞段皮帶機出渣，機車牽引列車編組較短，重量較小，總結(jié)前8 km掘進的運行速度，對運行車速做適當上調(diào)，即主洞較長直線段行車速度為重車10 km/h，空車12 km/h；彎道段行車速度為5 km/h；較短直線段行車速度為5 km/h；錯車臺和繞車臺上行車速度為3 km/h；進洞支洞出洞速度為8 km/h，進洞速度為6 km/h，可滿足規(guī)范要求。

3.3 調(diào)度制度確定

1）主洞掘進時TBM后配套運輸調(diào)度

為滿足TBM物料運送需要，在后配套末端設(shè)移動錯車平臺，當TBM掘進三環(huán)，物料使用完后，空載機車組由后配套右側(cè)車道駛出，同時停置在后配套左側(cè)車道的滿載物料的車組向前進入TBM需要物料位置為掘進提供物料供應(yīng)，以此循環(huán)運行，形成TBM工作面始終有一列進洞的管片車、豆礫石車，灌漿工作面始終有一節(jié)水泥車就位，從而提供TBM工序物料供應(yīng)，形成流水作業(yè)條件。經(jīng)計算，只要保證每隔80 min內(nèi)有一列車組到達TBM后配套移運錯車平臺左側(cè)車道，即可滿足TBM連續(xù)作業(yè)要求。

2）牽引機車在2#錯車臺的轉(zhuǎn)換

因主支洞坡度差異大，支洞運行時采用30 t機車，主洞運行時采用25 t機車，可以提高支洞上下坡時的安全性并節(jié)省成本，因此需在2#錯車平臺上進行車組機車更換。根據(jù)停車區(qū)（列車車組長度加余量）長度、道岔區(qū)長度、以及上下坡道段等因素，并考慮施工進度，2#錯車臺起始樁號為總78+970，終止樁號為總79+116。

由洞外進入的30 t機車牽引管片車、豆礫石車等進洞車組應(yīng)進入2#錯車臺的右側(cè)車道，摘開牽引的進洞車組后待車。由TBM方向駛來的25 t機車牽引的已使用完物料的空車車組在3#單軌區(qū)將進入2#錯車臺之前摘開牽引的空車車組，向前行駛通過2#錯車臺左側(cè)車道，經(jīng)道岔轉(zhuǎn)換進入2#錯車臺右側(cè)車道，并推掛好30 t機車牽引來的重車車組待令。與此同時，30 t機車向前行駛進入3#單軌區(qū)，牽掛好25 t機車牽引來的空車車組，進入2#錯車臺左側(cè)車道待令，接到啟動指令的車組立即按指令駛出（入）洞外（內(nèi)）。

3）3#、4#錯車平臺安裝后的機車投入數(shù)量和調(diào)度

隨著TBM掘進段的延長，進度7.211km～13.741km（2#錯車臺～3#錯車臺）需3臺30 t機車，2臺25 t機車，5組進洞車組:進度13.741 km～19.064 km（3#錯車臺～4#錯車臺）需3臺30 t機車，3臺25 t機車，6組進洞車組:進度19.064 km～26.296 km（4#錯車臺～拆機洞室）需3臺30t機車，4臺25t機車，7組進洞車組。

4 結(jié)語

1）隨著連續(xù)皮帶機出渣距離的增長，膠帶所承受的張力明顯變大，被拉斷的風(fēng)險也不斷增加。實踐證明，采用磁力摩擦式中間加力驅(qū)動系統(tǒng)可以很好地適應(yīng)TBM施工中不連續(xù)出渣及石渣對皮帶損傷等問題，確保驅(qū)動力始終在合理范圍內(nèi)，保證出渣系統(tǒng)的順利運行。

2）按照施工進度計劃及物料運輸需求對運輸量進行計算，并選擇合適的牽引車組成運輸列車編組，在實際施工時還需要考慮運行速度、調(diào)度制度等因素，以保證運輸系統(tǒng)安全、高效運行。

3）從實際運行效果來看，中部引黃工程TBM長距離運輸系統(tǒng)很好地滿足了工程建設(shè)需要，為長距離獨頭掘進提供了有效保障。