新型膠輪機(jī)車運(yùn)行方式在大坡度盾構(gòu)隧道施工中的應(yīng)用

劉堂

（中鐵十六局集團(tuán)北京軌道交通工程建設(shè)有限公司，北京 101100）

0 引言

有軌運(yùn)輸和無軌運(yùn)輸技術(shù)相對(duì)成熟，不同的運(yùn)輸方式有其對(duì)應(yīng)的適應(yīng)環(huán)境，不同運(yùn)輸設(shè)備的工程適應(yīng)性存在差異。文獻(xiàn)[1]對(duì)比介紹了無軌膠輪機(jī)車與有軌機(jī)車材料運(yùn)輸方案的優(yōu)缺點(diǎn)；文獻(xiàn)[2]重點(diǎn)從工程應(yīng)用和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性方面研究膠輪機(jī)車在施工運(yùn)輸中的工程適用性，介紹了在緩坡隧道中運(yùn)距為11km左右時(shí)有軌運(yùn)輸和膠輪機(jī)車運(yùn)送施工材料的綜合成本基本相當(dāng)，運(yùn)距較小時(shí)膠輪機(jī)車具有較大優(yōu)勢(shì)，運(yùn)距較大時(shí)有軌運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢(shì)顯著；文獻(xiàn)[3]對(duì)軌道導(dǎo)引式膠輪機(jī)車的選型要素進(jìn)行了研究，重點(diǎn)介紹了牽引力計(jì)算、制動(dòng)特性及配置要求。

膠輪機(jī)車抓地能力強(qiáng)，可提供較大的牽引力和制動(dòng)力，適用于大坡度洞內(nèi)運(yùn)輸。過往膠輪機(jī)車運(yùn)用案例中，大多是在隧道內(nèi)修筑好的平面上運(yùn)行，存在油耗高、故障率高、散熱差、動(dòng)力不足、運(yùn)行速度低、輪胎磨損嚴(yán)重等問題，有的雖然也可以在弧面上行車，但方向控制要求較高。

本文就莫斯科地鐵第三換乘環(huán)線東段大直徑盾構(gòu)項(xiàng)目隧道施工中采用膠輪機(jī)車運(yùn)輸施工材料進(jìn)行探討，分析其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、使用優(yōu)勢(shì)，并創(chuàng)造性地提出在隧道管片弧面運(yùn)行時(shí)的輪胎保護(hù)措施，使用了新的運(yùn)行方式。

1 工程概況

莫斯科地鐵第三換乘環(huán)線東段大直徑盾構(gòu)項(xiàng)目位于莫斯科東南部地區(qū)，緊鄰莫斯科河。該工程共兩個(gè)區(qū)間，總長(zhǎng)2.947km，分別為1453m、1494m。區(qū)間隧道覆土深度11.9～23.4m，主要穿越地層為黏土層、砂質(zhì)黏土層、砂層、富水細(xì)砂層。區(qū)間最小轉(zhuǎn)彎半徑400m，最大縱坡40‰。

隧道開挖采用鐵建重工生產(chǎn)的DZ777土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，由于盾構(gòu)隧道埋深大、坡度陡、隧道與車站結(jié)構(gòu)同步施工、井口空間狹小，出土采用塔吊+雙頭膠輪機(jī)車+連續(xù)皮帶機(jī)方式。盾構(gòu)開挖直徑10.88m，單洞雙線區(qū)間，管片外徑10.5m，管片內(nèi)徑9.6m，厚0.45m，寬1.8m。

圖1 莫斯科第三換乘環(huán)線東段大直徑盾構(gòu)項(xiàng)目區(qū)間平面示意圖

2 膠輪機(jī)車基本結(jié)構(gòu)

該膠輪機(jī)車額定載重為70噸，主要結(jié)構(gòu)由車架、懸掛、驅(qū)動(dòng)橋、從動(dòng)橋、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、駕駛室、動(dòng)力系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等組成，總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙頭膠輪機(jī)車結(jié)構(gòu)組成

其結(jié)構(gòu)組成特點(diǎn)如下：

1）以低污染柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，尾氣為國(guó)V標(biāo)準(zhǔn)，采用液壓驅(qū)動(dòng)。

2）中間車架用于裝載預(yù)制管片、砂漿罐、渣土箱等物料，高度可隨懸掛油缸的伸縮進(jìn)行變動(dòng)（100-350mm）；輪胎也跟隨懸掛油缸的伸縮變換角度（如圖3），從而實(shí)現(xiàn)在管片弧面與洞外平地不同行駛工況間的自如切換。

圖3 輪胎與懸掛油缸

3）前后分別設(shè)置1個(gè)駕駛室，隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)無需調(diào)頭即可實(shí)現(xiàn)前后運(yùn)行。

4）配備3種轉(zhuǎn)向模式，分別是直行、八字轉(zhuǎn)彎、20°角斜行，最小轉(zhuǎn)彎半徑為50m，隧道內(nèi)運(yùn)行機(jī)動(dòng)靈活。

5）配備2套制動(dòng)系統(tǒng)，分別是作用于每個(gè)車輪的液壓盤式制動(dòng)器和用于緊急情況及駐車制動(dòng)的彈簧空氣制動(dòng)器，制動(dòng)性能可靠，重載最大行駛坡度為50‰。

6）配置完善的監(jiān)控系統(tǒng)，通過駕駛室內(nèi)的多功能顯示器（如圖4）時(shí)刻監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)與參數(shù)，防止物料偏載、運(yùn)行跑偏，確保行車安全。

圖4 駕駛室內(nèi)多功能顯示器

3 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

以該項(xiàng)目1.5公里隧道為例，因采用皮帶機(jī)出土，隧道內(nèi)只需運(yùn)輸管片、砂漿和零散材料。膠輪機(jī)車與傳統(tǒng)有軌內(nèi)燃機(jī)車的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比見表1。

表1 膠輪機(jī)車與傳統(tǒng)有軌內(nèi)燃機(jī)車的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

可見，膠輪機(jī)車運(yùn)輸方式較傳統(tǒng)的有軌機(jī)車運(yùn)輸方式節(jié)約大量成本。

4 輪胎保護(hù)措施

在以往運(yùn)用膠輪機(jī)車的項(xiàng)目中，輪胎損壞嚴(yán)重是最常見且最不好解決的問題（如圖5），為確保膠輪機(jī)車性能在該項(xiàng)目的良好發(fā)揮，針對(duì)在隧道管片弧面運(yùn)行提出了新型解決方案。

圖5 某項(xiàng)目輪胎損壞照片

輪胎磨損主要原因在于輪胎受力不均、超載偏載、急剎車等。為使膠輪機(jī)車輪胎在管片弧面上均勻受力，減少輪胎損耗，經(jīng)過驗(yàn)證，可通過將輪胎懸掛油缸設(shè)計(jì)成可伸縮、可調(diào)整角度形式，即在洞外平面上運(yùn)行時(shí)，輪胎使用垂直模式，在隧道內(nèi)管片弧面上運(yùn)行時(shí)，輪胎使用“八”字模式（最佳角度為8°，如圖6），達(dá)到輪胎正垂直管片接觸面的效果。

圖6 管片弧面上“八”字運(yùn)行示意圖

膠輪機(jī)車在進(jìn)出隧道時(shí)，空載與重載工作時(shí)間各占50%?？蛰d最大車速15km/h；重載最大車速10km/h。

前軸車輪載荷：空載：4000kg@0-15km/h；滿載：10650kg@0-10km/h。

后軸車輪載荷：空載：5750kg@0-15km/h；滿載：11225kg@0-10km/h。

圖7為膠輪機(jī)車輪胎垂直于平面時(shí)的示意圖，圖8、圖9為在隧道內(nèi)不同輪胎角度受力分析圖。

圖7 平地

圖8 弧面（一）

圖9 弧面（二）

通過對(duì)比可知，膠輪機(jī)車在隧道內(nèi)弧面運(yùn)行時(shí)，根據(jù)管片內(nèi)徑將輪胎擺成8°角、正垂直于接觸面時(shí)，輪胎胎面均勻受力，且受力較小，可以減少輪胎單邊受力過大造成的不均勻磨損，起到輪胎保護(hù)效果。

另外，針對(duì)膠輪機(jī)車車體較長(zhǎng)，在隧道內(nèi)容易跑偏、不易操控，在各個(gè)驅(qū)動(dòng)輪胎安裝了角度編碼器，在車架中心安裝了平衡儀與測(cè)重儀，通過駕駛室內(nèi)的多功能顯示屏及時(shí)提示駕駛員車輛的運(yùn)行狀態(tài)，防止運(yùn)行跑遍，可減少輪胎不均勻受力。

5 結(jié)語(yǔ)

該項(xiàng)目是國(guó)產(chǎn)膠輪機(jī)車在地鐵大直徑大坡度盾構(gòu)隧道施工中的首次運(yùn)用。通過對(duì)過往膠輪機(jī)車運(yùn)用案例的分析，在本項(xiàng)目中創(chuàng)造性地提出隧道弧面運(yùn)行時(shí)采用“八”字輪行駛的新型方式，同時(shí)增加防跑偏措施，優(yōu)化了整車功能設(shè)計(jì)。經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)，該項(xiàng)目膠輪機(jī)車性能表現(xiàn)優(yōu)異，出色完成了既定作業(yè)任務(wù)，為項(xiàng)目節(jié)約了大量施工成本，也為膠輪機(jī)車在后續(xù)相似盾構(gòu)隧道項(xiàng)目施工中的應(yīng)用與推廣提供了有利佐證。