開敞式TBM施工軌枕設(shè)計與工序優(yōu)化研究

劉宏，簡曉輝，張愛武

（1.中國水利水電第八工程局有限公司，湖南長沙410004；2.吉林省盾構(gòu)與掘進刀具技術(shù)重點實驗室，吉林 吉林市132011）

1 概述

隨著我國TBM 設(shè)備制造水平的日漸成熟，TBM 設(shè)備施工已經(jīng)成為地下隧道施工的首選工程機械。在圍巖狀態(tài)較好的地質(zhì)條件下，開敞式TBM 設(shè)備由于不用預(yù)制和安裝混凝土管片，掘進速度更快而備受青睞。為追求TBM 設(shè)備后配套拖車的空間最大化和穩(wěn)定性，TBM 后配套拖車行走輪組都會高于開挖隧道地平面一定距離，從而導(dǎo)致后配套拖車運行軌道下方必須設(shè)計軌枕支撐軌道，承載TBM 后配套設(shè)備所有重量和機車運行。

TBM 設(shè)備一般都是根據(jù)隧洞尺寸和地質(zhì)勘探結(jié)果量身打造，外形尺寸上差異較大，軌枕的設(shè)計方面沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，依靠施工單位根據(jù)現(xiàn)場情況和施工經(jīng)驗設(shè)計加工。新疆XE-VI項目部TBM 設(shè)備開挖直徑φ7.83 m，設(shè)備全長298 m，自重1500 t，后配套拖車行走軌道面距開挖最低點730 mm，后配套拖車為框架結(jié)構(gòu)，尾部拖拽加利福利亞道岔和爬坡漸變段。設(shè)備廠家設(shè)計軌枕為單層整體式軌枕結(jié)構(gòu)，見圖1，采用I16 工字型鋼材料加工制作，單組重量約100 kg。該工程隧洞單段距離13000 m, 軌枕設(shè)計鋪設(shè)間距1 m,共需軌枕13 000 套，總重約1 300 t。

TBM 施工軌枕是輔助施工材料，由于隧洞直徑和設(shè)備的非標(biāo)準(zhǔn)化，軌枕材料都是一次性投入，后續(xù)工程由于隧道直徑或設(shè)備的變化不能繼續(xù)使用。對施工企業(yè)來說，軌枕資金投入后沒有保值空間，工程完成后只能作為廢舊鋼材處理，其資金投入量越大越不經(jīng)濟。

圖1 TBM 施工單層軌枕示意圖

2 機車運行安全性能分析

機車在運行過程中，對軌枕穩(wěn)定性要求極高的工況是機車的制動過程。機車的制動過程,大體上可分為三個階段,第一階段是制動系統(tǒng)的反應(yīng)和動作, 制動器在這一階段沒有真正起作用,車輛仍按原來的速度行駛。第二階段是從制動器起作用到車輪抱死拖滑, 這一階段制動力不斷增加,車輪邊滾邊滑直至抱死。第三階段是從車輪抱死拖滑直至車輛停止,這一階段制動力基本不變,制動距離主要由軌道與車輪的附著系數(shù)確定。制動過程的這三個階段,從動力學(xué)的觀點來看,第一階段屬于穩(wěn)態(tài)過程,此時車速不變;第三階段雖然車輪不再轉(zhuǎn)動，但是在慣性作用下機車向前滑動，屬于動態(tài)過程, 制動減速度在此階段基本保持不變或變化不大，直至機車慣性勢能被完全消耗。

從制動過程的分析可以看出，在制動第三階段，機車車輪已經(jīng)不再轉(zhuǎn)動，但是機車在慣性作用下仍然會向前滑動，滑動距離與機車重量和行駛速度相關(guān)，隨著車輪與軌道之間的摩擦，機車慣性勢能逐漸衰減直到完全停止，在這一過程中，機車的慣性能量通過車輪、軌道直接作用于軌枕上，機車軌道和軌枕具有向前移動的趨勢。軌枕距離地面越高，軌枕產(chǎn)生的傾翻轉(zhuǎn)矩越大，軌枕容易發(fā)生傾覆或變形，甚至導(dǎo)致機車脫軌和傾翻事故。

由于機車運行軌面較高，機車一旦發(fā)生傾翻事故，對機車和人員的傷害程度會更加嚴(yán)重，同時給故障搶險工作帶來更大的難度。要保證機車運行安全可靠，盡量減輕意外事故對設(shè)備和人員的傷害，降低機車運行軌面高度是唯一可行的措施。同時，從項目經(jīng)營的角度出發(fā)，在保證軌枕強度要求的情況下盡量減少軌枕材料，可減少施工資金投入，實現(xiàn)合理利潤。因此，軌枕的合理設(shè)計就顯得尤為必要。

3 雙層軌枕設(shè)計方案

雙層軌枕的設(shè)計思路，就是在TBM 設(shè)備前方軌道延伸區(qū)域一次性布置兩層軌道，上層軌道和軌枕在TBM 設(shè)備完全通過后拆除，軌道和軌枕再轉(zhuǎn)運到前方軌道延伸區(qū)域循環(huán)利用。

上層軌枕設(shè)計是為了保證原TBM 設(shè)備設(shè)計的后配套拖車行走輪組和平板小車行走輪組高程不變，滿足原TBM 設(shè)備的設(shè)計性能要求。下層軌枕是為了將機車運行軌道面高程降低，提高機車運行安全性，上下層軌枕高差通過設(shè)坡道漸變段進行補償，保證機車能順利從下層軌道進入TBM 后配套拖車內(nèi)部。在設(shè)備橋下鋪設(shè)TBM 后配套拖車軌枕軌道和機車運行軌枕軌道，上下兩層，同步延伸，見圖2。TBM 后配套拖車軌枕軌道在TBM 設(shè)備完全通過后拆除。為減輕生產(chǎn)人員的勞動強度，上部TBM 后配套拖車運行軌道使用單根長度6 米的P43 型標(biāo)準(zhǔn)軌道，便于拆除和周轉(zhuǎn)過程中搬運。

圖2 雙層軌枕軌道延伸安裝示意圖

上部軌枕見圖3，設(shè)計成整體式結(jié)構(gòu)，通過中間支撐和兩端，分別有6 個受力點支撐TBM后配套拖車和機車編組重量，強度上比單層軌枕設(shè)計要高，上層軌枕兩端直接擺放在隧洞開挖巖石上，可以避免軌枕前后移動，穩(wěn)定性較好。

圖3 TBM 后配套拖車周轉(zhuǎn)軌枕示意圖

為保證機車可以順利到達(dá)TBM 后配套拖車上方，在兩層軌道之間設(shè)置機車爬坡段，爬坡段長度12.5 m，爬升高度375 mm，坡度為3%，見圖4。每天上午TBM 設(shè)備完全通過后，上層軌道和軌枕拆除，爬坡段向TBM 方向拖動。

圖4 尾部機車爬坡漸變段軌道示意圖

4 軌枕優(yōu)化后經(jīng)濟效益分析

按隧道單段掘進長度13 000 m，軌枕布置間距1 m 計算，軌枕優(yōu)化設(shè)計后，機車軌枕見圖5，單組重量約為26.75 kg，總重347.75 t；設(shè)置上層周轉(zhuǎn)軌枕500 組，總重約50 t，相對于原軌枕設(shè)計，可節(jié)省16#工字鋼材料約900 t。

圖5 機車運行軌枕示意圖

機車運行軌枕降低后，原用于軌枕間相互連接，增加軌枕穩(wěn)定性的角鐵材料 （∠60×60×5 mm）取消，可節(jié)省角鐵材料（∠60×60×5 mm）約148.75 t。

上層軌枕增加縱向受力點后，原用于兩立柱之間的加強支撐無縫鋼管（φ102×5 mm）材料取消，可節(jié)省無縫鋼管材料約165 t。

軌枕設(shè)計優(yōu)化后，用量最大的機車運行軌枕只需要切割和鉆孔加工工藝，制作成本明顯下降。上層軌枕加工較為復(fù)雜，但可周轉(zhuǎn)利用，總加工量僅500 套，一次加工完成后即可滿足生產(chǎn)需求。

在軌枕軌道延伸過程中，由于取消了軌枕間的角鐵連接設(shè)計，安裝過程中不再需要電焊作業(yè)，上下兩層軌枕之間無鋼性連接，后期拆除上層軌道和軌枕的操作更加便利。

5 軌枕延伸準(zhǔn)備和安裝工藝

5.1 編組裝車

為保證TBM 設(shè)備的最大掘進效益，施工單位一般都把施工材料準(zhǔn)備工序安排在上午TBM設(shè)備強制保養(yǎng)時間段進行。敞開式TBM 施工需要的材料主要有以下幾大類：①軌道延伸材料，包括軌道、軌枕及固定軌道的壓塊螺栓等；②維保材料，包括TBM 的潤滑油料、刀具及刀具緊固部件、刀盤鏟齒、錨桿鉆機、鉆桿、鉆頭及其他TBM 維修保養(yǎng)所需配件；③初次支護材料，包括隧洞掘進開挖后，在護盾后方根據(jù)圍巖情況，對圍巖進行加固施工的錨桿、鋼筋網(wǎng)片、鋼拱架等施工材料；④連續(xù)皮帶機延伸材料，包括連續(xù)皮帶機延伸所需的支撐支架、縱向桁架、皮帶托輥支架、托輥等施工材料；⑤水電延伸材料，包括供（排）水管、水管固定支架、洞內(nèi)照明電纜支架、照明電纜及燈具等；⑥二次支護材料，包括根據(jù)不同圍巖情況所需的噴射混凝土、速凝劑等施工材料。以上施工材料，根據(jù)TBM 設(shè)備后配套拖車設(shè)計需要利用機車材料車運送到不同的位置卸車。一般情況下，軌道延伸材料、維保材料都需要運送到TBM 設(shè)備的最前端 （軌道延伸安裝工作區(qū)），水電延伸材料（供排水軟管、卷盤附件）處于TBM 設(shè)備的最后端。

材料裝備前，首先在洞外對機車編組，列車編組主要有三種組合模式。上午TBM 強制維保及材料補充編組模式，如圖6中編組模式1；上下班人員運送模式，如圖6中編組模式2；施工中噴射混凝土運輸模式，如圖6中編組模式3。

5.2 洞內(nèi)備料

圖6 施工材料準(zhǔn)備和人員進出機車編組示意圖

列車編組到達(dá)TBM 尾部錯車平臺——靠右側(cè)?？俊苎由觳牧稀⒅Ъ艿炔牧闲盾囃戤叀?0# 拖車位置卸下連續(xù)皮帶機延伸材料——到設(shè)備橋下方卸下軌道軌枕延伸材料和刀具、油料——返回尾部錯車平臺——待水管延伸工序結(jié)束——配合TBM 后配套軌枕和軌道組件回收——將空載材料平板、周轉(zhuǎn)材料和待維修刀具運出洞外——施工材料準(zhǔn)備完成，TBM 設(shè)備檢修完成后掘進施工。

5.3 雙層軌枕及軌道的延伸安裝

在TBM 設(shè)備橋下方預(yù)留有25 米長的軌道延伸作業(yè)空間，上部有2 臺3 t 的電動葫蘆吊機可以協(xié)助施工人員完成軌道和軌枕的吊運安裝。其施工順序如下：

第一步，軌道安裝區(qū)域清渣和抽排積水；

第二布，機車軌枕鋪設(shè)，布置間距1 米；

第三步，機車軌道鋪設(shè)，P43 型12.5 米標(biāo)準(zhǔn)軌道2 條；

第四步，下層壓板及壓板螺栓安裝，利用氣動扳手緊固；

第五步，上層軌枕鋪設(shè)，布置間距1 米；

第六步，上層軌道鋪設(shè)，P43 型6 米標(biāo)準(zhǔn)軌道4 條；

第七步，上層軌道壓板及壓板螺栓安裝，利用氣動扳手緊固；

第八步，重復(fù)延伸上層6 米軌道。

5.4 上層軌枕軌道拆除

隨著TBM 逐漸向前推進，上層軌道在TBM尾端逐漸外露，在每天上午強制維保時間段，要將前一天外露的部分上層軌道及上層軌枕拆除。其施工順序如下：

（1）拆除上層軌枕的壓板和螺栓，注意緊固件回收；

（2）將上層6 米軌道裝到材料平板車上；（3）拆除上層軌枕并裝到材料平板車上；

（4）將6 米軌道和上層軌枕卸到TBM 后配套拖車的上層軌道和軌枕暫存處；

（5）重復(fù)以上工序，直到TBM 后邊外露上層軌道和軌枕全部拆除；

（6）清理變形的上層軌枕和緊固件，需要處理的部分運出洞外處理修復(fù)。

5.5 爬坡漸變段前移

TBM 后方外露的上層軌道和軌枕全部拆除后，需要將爬坡漸變段向TBM 方向移動，恢復(fù)機車運輸通道。利用TBM 后配套12 號拖車上布置的SANY SPS8000 型直臂吊機，在12 號后配套拖車的中間安裝一個定滑輪，通過直臂吊機的吊鉤上升來拖動爬坡漸變段，如圖7所示。

圖7 利用TBM 后配套拖車上布置的直臂吊機拖動爬坡漸變段

在TBM 后邊所有外露上層軌道及軌枕拆除完成后，清理下層機車軌道及底部的石渣，然后拖動爬坡漸變段整體向TBM 方向移動。由于爬坡漸變段與直臂吊機之間距離有150 米左右，所以在拖動過程中，吊車操作人員和拖車指揮人員要通過對講機進行聯(lián)系，并指派專人負(fù)責(zé)安全監(jiān)護。

5.6 爬坡漸變段定位

爬坡漸變段的布置和設(shè)計，是為了讓機車在上下兩層軌道之間順利切換。

爬坡漸變段與下層機車軌道接觸部位在內(nèi)側(cè)設(shè)計有限位裝置，可防止爬坡漸變段在機車軌道上左右移動，或爬坡漸變段軌道與上（下）機車軌道出現(xiàn)錯位現(xiàn)象。機車在上坡時（進入TBM），機車驅(qū)動輪使爬坡漸變段有后退移動的趨勢；機車在下坡時（向出洞方向行駛），制動情況下，機車的慣性會通過驅(qū)動輪傳遞到爬坡漸變段，使其有后退移動的趨勢。因此，在爬坡漸變段拖拉到位后，必須對其固定，防止機車運行中，爬坡漸變段后退導(dǎo)致機車出現(xiàn)脫軌傾覆事故。

列車編組在三種編組模式中，第三種編組模式（噴射混凝土運輸模式）自重最大可達(dá)到66.5 t，因列車編組行走輪與鋼軌之間屬于滾動摩擦，查滾動摩擦系數(shù)表可知鋼質(zhì)車輪與鋼軌的滾動摩擦系數(shù)為0.05，所以求得該模式下水平道路上所需牽引力F＝33 kN。根據(jù)列車牽引計算《牽規(guī)》(TB/T1407-1998)可知，列車坡道阻力在數(shù)字上等于坡道坡度的千分?jǐn)?shù)，所以列車編組在爬坡漸變段運行時需要克服隧道坡度和爬坡漸變段自身坡度的坡度阻力，總坡度阻力Fi約為10 kN,即機車通過爬坡漸變段時所需最大牽引力Ft約為43 kN。項目現(xiàn)場機車為寶雞恒通隧道設(shè)備有限公司生產(chǎn)的NRQ25F 型內(nèi)燃機車，整備重量25 t，起動牽引力為65 kN，完全滿足該模式下列車編組爬坡能力需求。

因坡道漸變段放置在下層機車軌道上，為便于拖動，兩者之間無剛性連接，而列車編組通過爬坡漸變段時所需最大牽引力為43 kN，即爬坡漸變段需要克服43 kN 的縱向推力才能保證在機車運行過程中不會出現(xiàn)縱向移動。爬坡漸變段總重約5 t，與鋼軌之間相互摩擦所產(chǎn)生的最大靜摩擦力f 為6～7.5 kN，顯然不能滿足列車編組的安全運行，因此，需要用手拉葫蘆給予坡道漸變段一個拉力，以克服機車運行過程中給予爬坡漸變段帶來的縱向移動趨勢。為滿足最重列車編組安全運行，該拉力最小為（43-6）＝37 kN，所以，利用一個5 t 手拉葫蘆可滿足需求。

爬坡漸變段拖拉到位后，必須用手拉葫蘆進行縱向定位，使其在機車運輸過程中不能前后移動，確保機車安全運行。

6 結(jié)語

在實際應(yīng)用過程中，軌枕延伸和軌枕拆除施工時，對其工效影響最大的是其中的石渣清理工序，而石渣的堆積情況與隧洞圍巖地質(zhì)情況有關(guān)。即隨著圍巖自穩(wěn)性變差，洞內(nèi)的石渣會越來越多，增加軌道延伸和拆除過程中的清渣工作量。但是隨著圍巖自穩(wěn)性能下降，TBM 施工過程中施工重點會逐漸從掘進施工轉(zhuǎn)變?yōu)橹ёo施工，TBM 掘進速度會減慢，軌枕延伸和拆除工作不影響TBM 的掘進速度。

通過雙層軌枕的設(shè)計和應(yīng)用，水電八局新疆XE-VI 項目部TBM 施工軌枕材料投入資金得到合理控制，機車運行安全性得到保障，掘進過程中實現(xiàn)了日進尺50 米的掘進記錄，TBM 設(shè)備橋下方軌道延伸工作量和每天上午的上層周轉(zhuǎn)軌枕和軌道拆除工作量與單層軌枕設(shè)計施工工作量有所增加，但對TBM 掘進施工效率無明顯影響。