淺析隧道TBM 法施工長距離物料運(yùn)輸

廖有林，胡洪菊

（1.四川二灘國際工程咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 611130；2.四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 遂寧 629000）

1 工程概況

新疆某工程某施工標(biāo)段隧道開挖工程，斜井支洞長約6.3km 鉆爆法施工已經(jīng)完成；主洞上下游采用國內(nèi)鐵建重工集團(tuán)制造的2臺TBM 同時(shí)施工，洞徑7.0m，坡率1/2583，上游掘進(jìn)長度20.64km，下游掘進(jìn)長度19.63km，支洞與主洞交叉口有730m 的TBM組裝洞室，主洞總長度41km。

地勘資料顯示：Ⅱ類圍巖占50.55%；Ⅲ類圍巖占38.21%；Ⅳ類圍巖占10.82%；Ⅴ類圍巖占0.42%。

2 支洞無軌運(yùn)輸

支洞至主洞段運(yùn)輸采用無軌運(yùn)輸，支洞運(yùn)輸物料：軌道、膠帶、皮帶、支架、托輥、風(fēng)筒、油料油脂、刀具、水管、電纜、軌枕、鋼拱架、網(wǎng)片、錨桿、固定支架及掛鉤等。利用TBM組裝洞室空間提前規(guī)劃各材料存放區(qū)域，根據(jù)施工進(jìn)度及時(shí)補(bǔ)充，確保材料存儲量可滿足TBM 最高峰掘進(jìn)的施工需求。

支洞與主洞交叉處延伸段布置有洞內(nèi)拌合站、砂石骨料存儲倉、外加劑堆放區(qū)、膠凝材料存儲罐。拌合站所需材料根據(jù)施工進(jìn)度及時(shí)補(bǔ)充，確保材料存儲量可滿足TBM 最高峰掘進(jìn)的施工需求，上述材料與TBM 施工所用物料運(yùn)輸時(shí)間盡量錯開，在TBM 設(shè)備保養(yǎng)期間運(yùn)抵洞內(nèi)存放。

3 主洞有軌運(yùn)輸

3.1 運(yùn)力需求計(jì)算

除TBM 掘進(jìn)渣料采用皮帶機(jī)出渣外，其他材料及人員上下班采用有軌運(yùn)輸，根據(jù)地勘條件并結(jié)合國內(nèi)TBM 掘進(jìn)進(jìn)尺分析，按月最大掘進(jìn)1km 考慮計(jì)算運(yùn)力需求。

除去設(shè)備強(qiáng)制保養(yǎng)和檢修時(shí)間，每月按25d 計(jì)算施工生產(chǎn)進(jìn)度，則每天進(jìn)尺為40m/d，（考慮TBM 更換刀具、水管延伸、軌道延伸、風(fēng)筒延伸、皮帶機(jī)支架延伸等耽誤時(shí)間）每天TBM 純掘進(jìn)時(shí)間按50%考慮，則有效掘進(jìn)時(shí)間為24×0.5=12h，每小時(shí)掘進(jìn)速度為 40÷12 ≈ 3.33m/h；TBM 掘進(jìn)一個(gè)循環(huán)為1.8m，則一個(gè)循環(huán)所需時(shí)間為1.8÷3.33 ≈0.54h，換步時(shí)間5min，考慮其他因素增加1min，TBM 掘進(jìn)三個(gè)循環(huán)時(shí)間為0.54×3+（5+1）×3÷60 ≈ 1.92h。

列車編組運(yùn)行速度按15km/h 計(jì)算，運(yùn)距21km，考慮到有軌機(jī)車等待時(shí)間：混凝土罐（2 臺）調(diào)換約30min，中心軌排、皮帶支架、水管支架、電纜掛鉤及油脂油料裝卸車需要時(shí)間約30min，則編組列車循環(huán)一個(gè)來回需要21×2÷15+(30+30)÷60=3.8h。

當(dāng)TBM 掘進(jìn)時(shí)，需要列車編組數(shù)量為3.8÷1.92 ≈2 列，考慮備用1 列，則上、下游各需2+1=3 列。

3.2 列車編組

每列車編組配置按三個(gè)循環(huán)配置，按由前到后的布置順序?yàn)椋翰牧掀桨遘?、噴射混凝土罐車、牽引機(jī)車、載人車。

3.2.1 材料平板車

主要存放軌排、皮帶支架、水管支架、電纜掛鉤、錨桿、鋼筋網(wǎng)片、鋼拱架、鋼拱連接筋、刀具、托輥等施工材料，單節(jié)有效使用長度為6m，選用2 輛。TBM 掘進(jìn)三個(gè)循環(huán)為5.4m，故每列車進(jìn)出必須配置物料為中心軌排一組、皮帶機(jī)支架兩組、水管支架和電纜掛鉤若干、鋼筋錨桿網(wǎng)片若干，TBM 施工其他輔助材料根據(jù)施工情況及時(shí)通知洞外聯(lián)絡(luò)人員進(jìn)行配置。

3.2.2 噴射混凝土罐車

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?jiān)俳Y(jié)合CAD 建?？傻贸鯰BM 每一循環(huán)噴射混凝土工程量，詳見表1。

表1 每循環(huán)噴射混凝土工程量（270°范圍）

根據(jù)地勘資料顯示Ⅱ類和Ⅲ類圍巖占比88.76%，總體施工噴混按快速掘進(jìn)的Ⅱ類、Ⅲ類圍巖考慮（Ⅳ、Ⅴ類圍巖較破碎，支護(hù)工程量較大，施工進(jìn)度緩慢，噴射混凝土運(yùn)輸時(shí)間滿足施工要求，且含量占比少，暫時(shí)不做分析）。

Ⅱ類圍巖三個(gè)循環(huán)供需3×2.35=7.05m3，回彈量按20%考慮，則每列車運(yùn)轉(zhuǎn)噴射混凝土量為7.05×（1+20%）=8.46m3。選配混凝土罐設(shè)計(jì)容量為6m3，實(shí)際運(yùn)輸按5m3考慮，一列機(jī)車配置2 臺混凝土罐可以滿足TBM 掘進(jìn)三個(gè)掘進(jìn)循環(huán)的快速施工。

Ⅲb 類噴射混凝土量大于Ⅲa 類,對Ⅲb類進(jìn)行分析，噴射混凝土量為每個(gè)循環(huán)平均3.51m3，三個(gè)循環(huán)供需3×3.51m3=10.53m3，回彈量按20%考慮，則每列車運(yùn)轉(zhuǎn)噴射混凝土量為10.53×（1+20%）=12.64m3，一列車2 臺混凝土罐10m3不能滿足需要。若每4km設(shè)置一個(gè)會車平臺（具體布置詳見文中第3.3項(xiàng)），兩列車分別先后單項(xiàng)通行對作業(yè)面進(jìn)行物料運(yùn)輸時(shí)，運(yùn)輸量為4 臺混凝土罐20m3可以滿足要求，但運(yùn)輸時(shí)間需要分析。

當(dāng)掘進(jìn)進(jìn)尺在4km 時(shí)，通過組裝洞到達(dá)4km 最長施工作業(yè)面單邊需要時(shí)間為4÷15 ≈0.27h（第二列車物料裝車時(shí)間可以和第一列車運(yùn)輸時(shí)間重疊），第二列車只需吊裝1 臺混凝土罐5m3即可滿足，物料卸載時(shí)間5min,即5÷60 ≈0.08h，那么兩列車所用時(shí) 間 為 4×2÷15+(30+30)÷60+0.27+0.08=1.8 8h ＜1.92h（三個(gè)循環(huán)最快掘進(jìn)時(shí)間），物料運(yùn)輸時(shí)間滿足施工需求。

當(dāng)掘進(jìn)進(jìn)尺在8km 時(shí)，在距離組裝洞4km處設(shè)置一處會車平臺，在第一列車運(yùn)輸作業(yè)班組進(jìn)入TBM 設(shè)備時(shí)，第二列車開始裝料運(yùn)輸至?xí)嚻脚_等待，當(dāng)?shù)谝涣熊囆遁d作業(yè)人員返回通過會車平臺后，第二列車開始駛?cè)隩BM作業(yè)區(qū)，同時(shí)第一列車返回至組裝洞開始裝料運(yùn)輸至?xí)嚻脚_，具體所用時(shí)間基本和掘進(jìn)進(jìn)尺為4km 時(shí)的運(yùn)輸時(shí)間一致，滿足施工需要。

以此類推，當(dāng)達(dá)到12km、16km 及20km 時(shí)，均可以按此方式運(yùn)輸，雖然每兩列車運(yùn)輸混凝土多出20-12.62=7.38m3，但隨著距離增長，運(yùn)輸車輛也因適當(dāng)增加1 列車，不然當(dāng)?shù)? 個(gè)會車平臺使用時(shí)，中間列車循環(huán)中斷時(shí)間長會導(dǎo)致混凝土供應(yīng)不足。

3.2.3 牽引機(jī)車及載人車

牽引機(jī)車選用內(nèi)燃機(jī)車。載人車用于施工作業(yè)人員運(yùn)輸需要，每列機(jī)車配置2 臺。

3.3 線路布置

3.3.1 會車平臺及道岔布置

掘進(jìn)距離增加，列車途中運(yùn)輸時(shí)間增長，使用一組列車可以保證TBM 最快掘進(jìn)速度3.33m/h 時(shí)，運(yùn)輸距離為[1.92-(30+30)÷60]×15÷2=6.9km，隨后物料運(yùn)輸無法滿足施工需要。這時(shí)需要在洞內(nèi)鋪設(shè)約100m 的雙線軌道，作為會車平臺，在會車平臺處設(shè)信號員一名，進(jìn)行信息傳遞，保證隧道內(nèi)會車安全。

主洞段隧道上游長度20.64km，下游長度19.63km ，TBM 掘進(jìn)段軌道為單線運(yùn)輸，考慮其他影響因素，平均4km 設(shè)置一處會車平臺，上、下游分別設(shè)置4 處會車平臺。根據(jù)運(yùn)輸車寬度和整車長度，確定會車平臺高度575mm，由于會車平臺與機(jī)車行走主軌道存在一定高差，為了列車的安全運(yùn)行，采取2°緩坡過渡，緩沖坡度設(shè)置為會車平臺前后10m 左右。在隧道400mm 位置鋪設(shè)175mm的H 型鋼，在H 型鋼中心底部采用底面為300mm×300mm、高度為400mm 的混凝土立柱來支撐H型鋼受力，保證會車平臺整體平穩(wěn)。

3.3.2 會車平臺鋪設(shè)前運(yùn)輸情況

在主洞內(nèi)鋪設(shè)會車平臺前，機(jī)車從組裝洞室出發(fā)抵達(dá)TBM 區(qū)域后，調(diào)度員負(fù)責(zé)指揮機(jī)車司機(jī)和各工作面負(fù)責(zé)人完成施工材料的卸載，施工材料卸完后，調(diào)度員通知機(jī)車司機(jī)發(fā)車駛向組裝洞室，按調(diào)度員指令經(jīng)單開道岔進(jìn)入空閑線路，待重載列車全部通過單開道岔后，空載列車駛?cè)氪b區(qū)。

3.3.3 會車平臺鋪設(shè)后運(yùn)輸情況

會車平臺及道岔鋪設(shè)后的調(diào)車流程為：第一列運(yùn)輸車從組裝洞口出發(fā)，通過雙線軌道抵達(dá)TBM 區(qū)域，開始進(jìn)行卸載材料。在第一列車通過洞內(nèi)會車平臺后，主洞內(nèi)信號員通知組裝洞調(diào)度員，將第二列車向主洞內(nèi)發(fā)出，到達(dá)主洞內(nèi)會車平臺道岔后，進(jìn)入雙線軌道的左線等待。第一列機(jī)車卸完材料后往回行駛，通過主洞內(nèi)雙線軌道的右線駛向組裝洞，這時(shí)停在會車平臺左線的第二列車駛向TBM 區(qū)域。第一列運(yùn)輸車到達(dá)組裝洞進(jìn)入空閑線路，組裝洞裝滿材料的第三列運(yùn)輸車駛?cè)耄诌_(dá)洞內(nèi)雙線軌道的左線等待第二列車出洞。如第三列車未抵達(dá)雙線軌道區(qū)域時(shí)，第二列車已經(jīng)卸載完成，且抵達(dá)洞內(nèi)雙線軌道區(qū)域，則進(jìn)入右線軌道等待第三列車通過左線軌道駛?cè)隩BM 區(qū)域后，第二列車才向組裝洞駛出，三組列車如此循環(huán)，完成TBM 物料運(yùn)送工作。

4 結(jié)語

本文主要通過物料長距離運(yùn)輸，已保證TBM 法施工的快速掘進(jìn)及相關(guān)支護(hù)工作，確保TBM 法施工安全。通過隧道長距離運(yùn)輸布設(shè)及科學(xué)合理的運(yùn)輸管理，豐富了國內(nèi)隧道長距離物料運(yùn)輸?shù)慕?jīng)驗(yàn)管理能力，為以后的類似工程提供幫助。