深埋小直徑盾構(gòu)物料長距離運(yùn)輸技術(shù)

劉開揚(yáng) 許劍波 彭文韜 陳 偉

中建三局基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司 湖北 武漢 430073

武漢大東湖核心區(qū)污水傳輸系統(tǒng)工程為國內(nèi)首次對深層污水傳輸隧道建設(shè)的大膽嘗試，面臨諸多技術(shù)難點(diǎn)。盾構(gòu)施工作為深埋隧道建設(shè)的關(guān)鍵一環(huán)，區(qū)間斷面小、距離長、埋深大，水平、垂直運(yùn)輸效率顯著降低，如何實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)施工中物料的高速運(yùn)輸是工程重、難點(diǎn)之一。本文重點(diǎn)從始發(fā)豎井設(shè)計優(yōu)化、豎井布置、洞內(nèi)布置等3個方面介紹本工程所采取的高效物料運(yùn)輸措施，為類似的深埋小直徑盾構(gòu)施工物料長距離的運(yùn)輸提供參考。

1 工程概況

武漢市大東湖核心區(qū)污水傳輸系統(tǒng)工程主隧道全長17.5 km，包含9個豎井和9個盾構(gòu)區(qū)間。9個豎井中3個為49 m×11 m的矩形雙向始發(fā)井，1個為φ20.4 m的圓形單向始發(fā)井，其余為過站井和接收井。9個區(qū)間涉及3種開挖直徑，分別為4.25、4.45、4.65 m，對應(yīng)的管片內(nèi)徑分別為3.4、3.6、3.8 m。區(qū)間埋深30～56 m，單個最長區(qū)間為3#～1#區(qū)間，該區(qū)間長3.6 km，整個工程超過2 km的區(qū)間達(dá)4個，共投入7臺土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工。

2 豎井設(shè)計優(yōu)化

受小直徑隧道凈空、運(yùn)輸車輛尺寸、安全距離和人員通道等方面因素的限制，本工程洞內(nèi)編組運(yùn)輸只能采用傳統(tǒng)單線軌道方式[1]。若想實(shí)現(xiàn)單環(huán)只運(yùn)輸1次，需采用整編組列車，即“20 t電瓶車機(jī)頭＋4節(jié)9 m3渣車＋1節(jié)4.5 m3砂漿車＋2節(jié)7.5 t管片車”的編組形式，列車全長43.8 m，寬1.2 m。工程原設(shè)計矩形豎井尺寸為20 m×11 m矩形，且既是始發(fā)井又是接收井，豎井尺寸不滿足電瓶車整編組掘進(jìn)需求，需采用2列短編組列車才能實(shí)現(xiàn)單環(huán)掘進(jìn)。當(dāng)區(qū)間掘進(jìn)距離較長時，物料運(yùn)輸將嚴(yán)重制約盾構(gòu)的掘進(jìn)效率。為此，項(xiàng)目組織了工藝優(yōu)化，采用集中始發(fā)的原則，將原設(shè)計部分豎井由20 m×11 m矩形單向始發(fā)井變更為49 m×11 m矩形雙向始發(fā)井，同步將純接收井減小至15 m×11 m，在原φ20.4 m的圓形豎井接收端增加長35 m的后導(dǎo)洞。設(shè)計優(yōu)化后，各始發(fā)豎井均滿足雙列整編組列車掘進(jìn)要求，盾構(gòu)物料長距離運(yùn)輸效率大大提升。以下分別就兩大設(shè)計優(yōu)化措施進(jìn)行分析。

2.1 矩形始發(fā)井加大

以本工程3#豎井為例，原設(shè)計為20 m×11 m矩形單向始發(fā)井。按原設(shè)計井下2列短編組電瓶車布置，如圖1所示，距洞口15 m處設(shè)置Y形道岔錯車，2個20 t機(jī)頭共帶3節(jié)9 m3渣車＋4.5 m3砂漿車＋2節(jié)7.5 t管片車。在此種編組形式下，盾構(gòu)長距離掘進(jìn)效率極低，單環(huán)掘進(jìn)需2列短編組電瓶車各進(jìn)洞1次才能完成，當(dāng)?shù)貙铀S富，出渣含水較大時，甚至需電瓶車進(jìn)洞3次才能掘進(jìn)一環(huán)；且基坑左側(cè)大吊裝孔利用效率低，吊運(yùn)渣土需利用右側(cè)吊裝孔，吊裝孔凈寬與渣斗寬相近，起吊時有碰撞風(fēng)險。

圖1 3#豎井原設(shè)計電瓶車編組示意

鑒于此種編組形式下盾構(gòu)物料運(yùn)輸存在的問題，項(xiàng)目提出將豎井尺寸由20 m×11 m變更為49 m×11 m，并將豎井形式由一側(cè)始發(fā)一側(cè)接收改為雙向始發(fā)。井下雙向共可布置4列電瓶車整編組。編組列車與豎井縱向呈4°夾角，兩井口均設(shè)置Y形道岔供錯車。變更后，實(shí)現(xiàn)了單區(qū)間雙列整編組掘進(jìn)，大幅提高了盾構(gòu)掘進(jìn)效率。同時，豎井變更設(shè)計時適當(dāng)加大了1、4倉內(nèi)的凈空，作為主吊裝孔，大幅提升了吊運(yùn)效率，保障了吊運(yùn)安全。

2.2 圓形始發(fā)井增加后導(dǎo)洞

工藝優(yōu)化后，原設(shè)計φ20.4 m圓形接收井4#豎井變更為單向始發(fā)井，一側(cè)始發(fā)一側(cè)接收。該方案與原矩形井存在同樣的問題，井底供電瓶車編組布置的有效長度僅16.8 m，只能采用2列短編組實(shí)現(xiàn)單環(huán)掘進(jìn)，如圖2所示。

圖2 4#豎井原設(shè)計電瓶車編組示意

因4#豎井運(yùn)營期作為支隧匯流井，后期需施作工藝結(jié)構(gòu)，選擇增大豎井尺寸帶來的造價提升較大。對此，項(xiàng)目提出在豎井接收端增加長35 m的礦山法后導(dǎo)洞。變更設(shè)計后，豎井同樣可實(shí)現(xiàn)區(qū)間雙列整編組掘進(jìn)，在洞口設(shè)置Y形道岔錯車。

2.3 電瓶車滿編組與短編組工效對比

1）短編組單趟電瓶車行駛時間為10 min時，正常施工條件下單環(huán)施工時間為85 min，盾構(gòu)機(jī)需待機(jī)10 min。

2）短編組單趟電瓶車行駛時間為15 min時，正常施工條件下單環(huán)施工時間為105 min，盾構(gòu)機(jī)需待機(jī)30 min。

3）短編組單趟電瓶車行駛時間為20 min時，正常施工條件下單環(huán)施工時間為125 min，盾構(gòu)機(jī)需待機(jī)50 min。

以此類推，當(dāng)區(qū)間掘進(jìn)距離增大至電瓶車在洞內(nèi)單趟行駛時間大于10 min時，其行駛時間每增加5 min，盾構(gòu)機(jī)待機(jī)時間就會增加20 min，單環(huán)施工時間也就增加20 min。

以3#～1#區(qū)間為例，隧道長度為3 600 m，電瓶車洞內(nèi)平均速度為8 km/h（133 m/min），通過對比可知，滿編組比短編組每環(huán)掘進(jìn)時間可以節(jié)省10～54 min，如表1所示。

表1 滿編組與短編組單環(huán)施工時間對比

3 豎井內(nèi)布置

為提高小直徑盾構(gòu)施工時物料長距離運(yùn)輸?shù)男?，豎井內(nèi)應(yīng)首先做好始發(fā)井底板上的電瓶車編組布置。始發(fā)井應(yīng)優(yōu)先保障單邊各2列整編組列車掘進(jìn)。針對可能影響底板空間的電梯基礎(chǔ)、砂漿中轉(zhuǎn)站等，應(yīng)通過布置優(yōu)化，盡可能設(shè)置于豎井上部。如受空間尺寸限制，井口Y形道岔設(shè)置困難，可通過抬高洞口段軌面標(biāo)高等方式解決。

同時，豎井作為垂直運(yùn)輸?shù)闹匾ǖ溃瑧?yīng)保障物料運(yùn)輸垂直運(yùn)輸?shù)耐〞?。在豎井布置過程中，應(yīng)保障吊裝通道不受電梯、樓梯、管線等布置影響，如圖3所示。針對深埋的盾構(gòu)隧道，為提高垂直運(yùn)輸效率，可考慮適當(dāng)提高龍門吊的重載提升速度或設(shè)置備用門吊。本工程豎井深度為32.8～51.5 m，按照常規(guī)龍門吊提升速度，單環(huán)吊渣、下管片及材料耗時56 min，項(xiàng)目將門吊提升速度由常規(guī)的15 m/min提升至25 m/min，可節(jié)約吊裝時間11 min。

圖3 豎井布置立面示意

4 隧道內(nèi)布置

為提高小直徑盾構(gòu)施工時，物料長距離運(yùn)輸?shù)男剩淼纼?nèi)布置主要應(yīng)做好洞內(nèi)布置及洞內(nèi)道岔設(shè)置。

以斷面最小的3#～1#區(qū)間為例，區(qū)間管片內(nèi)徑僅3.4 m。為滿足小直徑斷面盾構(gòu)施工與人員通行需要，項(xiàng)目對洞內(nèi)各支架、軌枕等構(gòu)件尺寸進(jìn)行定制，在隧道內(nèi)布置φ100 mm的盾構(gòu)施工進(jìn)出水水管、排污管和φ600 mm的通風(fēng)管，10 kV高壓電纜，燈帶和軌道運(yùn)輸軌線及寬400 mm的人行道，與電瓶車安全距離為20 cm。此布置方式實(shí)現(xiàn)小直徑斷面下車行區(qū)、管線區(qū)與人行區(qū)的合理分區(qū)（圖4）。

圖4 洞內(nèi)布置示意

隨著區(qū)間掘進(jìn)距離的增大，單趟電瓶車行駛時間隨之增長，水平運(yùn)輸仍制約著物料運(yùn)輸效率。盾構(gòu)單環(huán)施工完成后仍需停機(jī)等待一定時間，工效受到了制約[2]。具體分析如下（以3#～1#區(qū)間為例）。

1）在單趟電瓶車行駛時間為15 min以內(nèi)時，正常施工條件下單環(huán)施工時間為75 min，盾構(gòu)機(jī)無須待機(jī)。

2）在單趟電瓶車行駛時間為20 min時，正常施工條件下單環(huán)施工時間為85 min，盾構(gòu)機(jī)需待機(jī)10 min。

3）在單趟電瓶車行駛時間為25 min時，正常施工條件下單環(huán)施工時間為95 min，盾構(gòu)機(jī)需待機(jī)20 min。

以此類推，當(dāng)區(qū)間掘進(jìn)距離增大至電瓶車在洞內(nèi)單趟行駛時間大于15 min時，其行駛時間每增加5 min，盾構(gòu)機(jī)待機(jī)時間就會增加10 min，單環(huán)施工時間也就增加10 min。

鑒于此，項(xiàng)目提出在洞內(nèi)合適位置設(shè)置道岔。因區(qū)間較長，斷面較小，道岔的設(shè)置需充分計算考慮。

4.1 道岔位置計算

根據(jù)以上對電瓶車運(yùn)輸工效的分析，單列電瓶車在隧道內(nèi)行駛時間不超過15 min時，盾構(gòu)機(jī)無須停機(jī)等待。

根據(jù)已知的電瓶車行駛時間15 min，行駛速度平均8 km/h（133 m/min），計算電瓶車可行駛的距離S1＝15 min×133 m/min＝1 995 m。

由此可知，隧道里程在1 995 m以內(nèi)，電瓶車均能滿足盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的需求。

當(dāng)隧道超過1 995 m時，盾構(gòu)機(jī)需停機(jī)等待電瓶車。通過對以上分析可知，當(dāng)電瓶車在井口下管片及輔材后有30 min的待機(jī)時間時，可利用此空暇時間縮短2列電瓶車的錯車距離。

若在隧道1 995 m處設(shè)置道岔，隧道長度為1 995～ 3 990 m（S2＝1 995 m＋15 min×133 m/min＝3 990 m）時，電瓶車均可滿足盾構(gòu)施工掘進(jìn)要求，盾構(gòu)機(jī)無須停機(jī)等待。

對于3#～1#區(qū)間，隧道長度為3 600 m，道岔設(shè)置于1 995 m處，通過對比設(shè)置道岔與不設(shè)置道岔單環(huán)施工時間，每環(huán)掘進(jìn)時間可以節(jié)省10～22 min，如表2所示。

表2 設(shè)置道岔與不設(shè)置道岔單環(huán)施工時間對比

4.2 道岔設(shè)置

為滿足電瓶車長度及錯車要求，道岔及雙軌段總長度約108 m，如圖5所示。隧道內(nèi)鋪設(shè)單軌段軌面標(biāo)高為260 mm，鋪設(shè)道岔及雙軌段軌面標(biāo)高需抬升至723 mm，存在463 mm高差，根據(jù)電瓶車爬坡能力，設(shè)置18 m變坡段。受限于小直徑斷面，人行區(qū)、車行區(qū)只能合一，電瓶車在此段通行時嚴(yán)格限速，以保證人行安全。

圖5 洞內(nèi)道岔平面布置

5 結(jié)語

深埋小直徑盾構(gòu)施工時，物料的長距離垂直、水平運(yùn)輸是保障施工順利進(jìn)行的關(guān)鍵。

本工程通過始發(fā)井設(shè)計優(yōu)化，單向始發(fā)井增設(shè)后導(dǎo)洞，做好豎井內(nèi)布置、隧道內(nèi)布置，隧道內(nèi)合理位置增設(shè)道岔等措施，以及高效的物料垂直、水平運(yùn)輸技術(shù)，保障了盾構(gòu)施工的高效與順利，有效節(jié)約了工期，其相關(guān)思路和措施可供類似盾構(gòu)施工參考。