新疆某引水工程盾構(gòu)施工物料運(yùn)輸車(chē)選型分析

袁濤

（中鐵十四局集團(tuán)隧道工程有限公司,濟(jì)南 250000）

1 引言

隨著我國(guó)城市化建設(shè)的不斷深入，人們對(duì)地下空間的利用需求不斷增加，盾構(gòu)法施工以其安全、環(huán)保、高效等優(yōu)勢(shì)，在地鐵、鐵路、引水隧道等工程中得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。在盾構(gòu)法施工中，盾構(gòu)機(jī)因?yàn)閮r(jià)值大、技術(shù)復(fù)雜等特點(diǎn)在選型時(shí)往往受到高度重視，而后配套的盾構(gòu)施工牽引車(chē)由于成本相對(duì)較低、機(jī)型雜、數(shù)量多，往往得不到應(yīng)有的重視[4]。但是在盾構(gòu)施工中，牽引車(chē)的運(yùn)輸與盾構(gòu)掘進(jìn)是相互配合的，牽引車(chē)選擇不合理往往會(huì)制約施工效率，增加施工風(fēng)險(xiǎn)。

國(guó)內(nèi)外在盾構(gòu)和TBM 施工中，應(yīng)用的洞內(nèi)運(yùn)輸車(chē)輛主要為無(wú)軌膠輪車(chē)、軌道膠輪車(chē)以及普通的軌道運(yùn)輸車(chē)。國(guó)內(nèi)外已有一些學(xué)者對(duì)盾構(gòu)隧道洞內(nèi)無(wú)軌運(yùn)輸開(kāi)展了相關(guān)研究。陳鵬等[5]針對(duì)蘇通GIL 綜合管廊工程大直徑、大坡度的特點(diǎn)，從運(yùn)輸效率、安全性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性4 個(gè)方面綜合考量，選擇無(wú)軌膠輪車(chē)作為盾構(gòu)牽引車(chē)。張濤[6]從安全、效率、質(zhì)量等方面對(duì)天枰隧道內(nèi)運(yùn)輸方案進(jìn)行了比選，提出了無(wú)軌膠輪車(chē)運(yùn)輸方案，保證了施工質(zhì)量、加快了施工進(jìn)度。也有一些學(xué)者對(duì)盾構(gòu)隧道洞內(nèi)軌道運(yùn)輸進(jìn)行了研究。韓明建[7]以山西省中部引黃工程TBM2 標(biāo)段施工為背景，從牽引能力、制動(dòng)能力等方面進(jìn)行合理配置，為軌道膠輪車(chē)的使用提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。汪思海[8]結(jié)合西（安）南（京）線(xiàn)桃花鋪2 號(hào)隧道的有軌運(yùn)輸施工，從掘進(jìn)、支護(hù)、襯砌3 條作業(yè)線(xiàn)闡述單線(xiàn)長(zhǎng)大隧道有軌運(yùn)輸設(shè)備選型及配套，并驗(yàn)證了其合理性。劉日[9]以太古高速周家山隧道工程為依托，對(duì)該工程大坡度斜井運(yùn)輸方式進(jìn)行了深入研究，最終選擇了有軌運(yùn)輸與無(wú)軌運(yùn)輸相結(jié)合的方案。還有學(xué)者對(duì)牽引車(chē)進(jìn)行計(jì)算選型。曹文祥[10]以廈門(mén)市軌道交通4 號(hào)線(xiàn)4 標(biāo)三工區(qū)以典型施工為例，闡述了盾構(gòu)施工水平運(yùn)輸車(chē)輛編組及電機(jī)車(chē)選型方法。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究成果調(diào)查發(fā)現(xiàn)，牽引車(chē)的選型方法大多停留在類(lèi)比相似工程、憑借工程經(jīng)驗(yàn)，很少通過(guò)計(jì)算進(jìn)行選型。目前，還沒(méi)有針對(duì)小直徑、大坡度隧道施工盾構(gòu)牽引車(chē)的選型案例。本文以新疆某引水工程為背景，通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算，提出了適用于小直徑、大坡度隧道盾構(gòu)牽引車(chē)的選型方法。選型結(jié)果安全、可靠，可為新疆引水工程及類(lèi)似隧道工程施工中物料運(yùn)輸提供指導(dǎo)與借鑒。

2 工程案例

2.1 工程概況

本項(xiàng)目盾構(gòu)段全長(zhǎng)20.585 km，盾構(gòu)區(qū)間采用3 臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，采用連續(xù)皮帶機(jī)出渣。盾構(gòu)區(qū)間開(kāi)挖直徑5.5 m，管片外徑5.2 m，管片內(nèi)徑4.5 m，管片環(huán)寬為1.2 m。計(jì)劃每天掘進(jìn)10 環(huán)，月進(jìn)尺360 m。

盾構(gòu)機(jī)1 施工段洞內(nèi)水平運(yùn)輸包含1 423 m 支洞和主洞段5 830 m（坡度1/5 000），其中支洞和主洞重載下坡，空載上坡，支洞最大坡度5%；盾構(gòu)機(jī)2 施工段洞內(nèi)水平運(yùn)輸包含1 376 m 支洞和主洞段6 100 m（坡度1/5 000），其中支洞和主洞重載下坡，空載上坡。支洞最大坡度5%；盾構(gòu)機(jī)3-1 施工段洞內(nèi)水平運(yùn)輸主洞段2 480（坡度1/5 000），其中主洞重載上坡，空載下坡；盾構(gòu)機(jī)3-2 施工段洞內(nèi)水平運(yùn)輸包含690 m 支洞和主洞段5 800 m（坡度1/5 000），其中支洞重載下坡，空載上坡，主洞重載上坡，空載下坡。

2.2 物料運(yùn)輸情況

1）本工程中土壓盾構(gòu)施工過(guò)程中，除渣土運(yùn)輸由連續(xù)皮帶機(jī)承擔(dān)外，其他施工材料如管片、砂漿、長(zhǎng)度6 m 水管、軌道、軌枕、盾尾油脂、潤(rùn)滑油脂、泡沫劑、連續(xù)皮帶機(jī)架、風(fēng)筒、膨潤(rùn)土等均由輔助運(yùn)輸車(chē)承擔(dān)。

2）盾構(gòu)施工過(guò)程中，除正常掘進(jìn)物資運(yùn)輸外，還需運(yùn)送連續(xù)皮帶機(jī)運(yùn)行過(guò)程中掉落的渣土；掘進(jìn)過(guò)程螺旋機(jī)噴涌出來(lái)的泥渣；發(fā)生刀盤(pán)卡死、盾體卡死時(shí)，加固土體的改性注漿材料（如衡盾泥、惰性砂漿等）；進(jìn)行壓氣換刀作業(yè)時(shí)，運(yùn)輸?shù)毒吆蛻?yīng)急發(fā)電機(jī)以及柴油和進(jìn)倉(cāng)所需的氧氣等物資。

3 物料運(yùn)輸方案分析

選擇機(jī)車(chē)類(lèi)型要遵循保證施工安全、保證施工質(zhì)量、加快施工進(jìn)度的原則。無(wú)軌膠輪車(chē)方案會(huì)車(chē)風(fēng)險(xiǎn)大；有軌膠輪車(chē)方案運(yùn)輸效率低，支洞作業(yè)時(shí)易發(fā)生溜車(chē)；普通軌道車(chē)方案施工效率較高，且安全風(fēng)險(xiǎn)低。因此，本項(xiàng)目盾構(gòu)牽引車(chē)選用普通軌道運(yùn)輸車(chē)。表1 為內(nèi)燃機(jī)車(chē)技術(shù)參數(shù)。

表1 內(nèi)燃機(jī)車(chē)技術(shù)參數(shù)

如表1 所示，T1=T2=20 min=0.33 h，單環(huán)掘進(jìn)時(shí)間T=40 min≈0.667 h。運(yùn)輸車(chē)輛單趟運(yùn)輸單環(huán)掘進(jìn)物資。主洞掘進(jìn)距離不斷增長(zhǎng)，運(yùn)輸車(chē)輛數(shù)量應(yīng)與掘進(jìn)距離以及掘進(jìn)物資需求相匹配。

采用3 輛普通軌道運(yùn)輸車(chē)，對(duì)水平運(yùn)輸速度進(jìn)行分析：

主洞段重載下坡速度V2：

式中，L1為支洞運(yùn)輸距離，運(yùn)行速度7 km/h，n為普通軌道運(yùn)輸車(chē)數(shù)量，T為掘進(jìn)一環(huán)所用時(shí)間，T1為裝車(chē)耗時(shí)，T2為卸車(chē)耗時(shí)，V1為支洞重載下坡速度；X為掘進(jìn)距離。

計(jì)算得到不同掘進(jìn)距離處所需的車(chē)速見(jiàn)表2。

表2 不同掘進(jìn)距離所需車(chē)速

由表2 所得運(yùn)輸車(chē)輛所需行駛速度可知：當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至主洞段6 km（即盾構(gòu)段施工任務(wù)即將完成）時(shí)，車(chē)輛重載下坡運(yùn)行速度V2=9.65 km/h，空載出洞時(shí)運(yùn)行速度V3=14.47 km/h，運(yùn)行速度未達(dá)到額定運(yùn)行速度。

按照表2 內(nèi)燃機(jī)車(chē)運(yùn)輸時(shí)間，采用3 列內(nèi)燃機(jī)車(chē)編組完全滿(mǎn)足盾構(gòu)每環(huán)40 min 掘進(jìn)施工物資需求，不影響盾構(gòu)施工的連續(xù)性，在設(shè)備故障可控的情況下，盾構(gòu)掘進(jìn)月進(jìn)尺可達(dá)到300～400 m。

4 盾構(gòu)施工水平運(yùn)輸方案分析及機(jī)車(chē)選型計(jì)算

4.1 水平運(yùn)輸方案分析

通常情況下，機(jī)車(chē)后配車(chē)輛根據(jù)用途需要渣土車(chē)、管片車(chē)和砂漿車(chē)。如考慮運(yùn)輸效率和時(shí)間利用率，編組方案宜采用整列1 次出渣及運(yùn)送管片和砂漿。但在本項(xiàng)目中，因盾構(gòu)區(qū)間坡度較大，采用渣土車(chē)運(yùn)輸效率較低，所以采用了連續(xù)皮帶機(jī)出渣，不再需要渣土車(chē)出渣。

機(jī)車(chē)進(jìn)入隧道時(shí)將1 節(jié)重載砂漿車(chē)、4 節(jié)重載管片車(chē)1 次運(yùn)輸至工作面。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，連續(xù)皮帶機(jī)出渣、砂漿車(chē)轉(zhuǎn)運(yùn)砂漿、管片車(chē)運(yùn)輸管片可同時(shí)進(jìn)行，有利于提高時(shí)間利用率，一環(huán)掘進(jìn)完成后，機(jī)車(chē)牽引空載的砂漿車(chē)、管片車(chē)出洞。

4.2 列車(chē)編組

1 輛內(nèi)燃機(jī)車(chē)+1 節(jié)砂漿車(chē)+4 節(jié)管片車(chē)

4.3 機(jī)車(chē)選型計(jì)算

4.3.1 工況分析

1）4 節(jié)管片車(chē)（自重2.5 t/節(jié)）重約10 t。

2）一環(huán)管片自重：

式中，φ1為管片內(nèi)徑，4.5 m；φ2為管片外徑，5.2 m；L為管片寬度，1.2 m；ρ1為鋼筋混凝土管片密度，2.4 t/m3。

3）1 節(jié)砂漿車(chē)質(zhì)量G3約為5 t。

4）單節(jié)車(chē)砂漿容量為6.05 m3/節(jié)，砂漿密度取2.2 t/m3，滿(mǎn)車(chē)砂漿質(zhì)量G4為13.31 t。

5）機(jī)車(chē)牽引進(jìn)入隧道時(shí)，運(yùn)送管片和砂漿至工作面，此時(shí)牽引負(fù)荷（質(zhì)量）為：

6）機(jī)車(chē)牽引退出隧道時(shí)，管片車(chē)、砂漿車(chē)空載，此時(shí)牽引負(fù)荷（質(zhì)量）為：

故機(jī)車(chē)最大牽引噸位出現(xiàn)在管片、砂漿的運(yùn)輸過(guò)程中為43.66 t。

在盾構(gòu)施工中要求內(nèi)燃機(jī)車(chē)編組在坡道線(xiàn)路停車(chē)、啟動(dòng)，牽引噸位主要按啟動(dòng)地段坡度計(jì)算。在幾個(gè)盾構(gòu)區(qū)間中，最大坡度為5%，機(jī)車(chē)所需要牽引的最大質(zhì)量為43.66 t，機(jī)車(chē)的平均牽引速度為5 km/h。

4.3.2 機(jī)車(chē)系列選擇

NRO 系列內(nèi)燃機(jī)車(chē)作為普通機(jī)車(chē)的一種，以其低排放、低污染、結(jié)構(gòu)緊促、操作方便、綜合成本低的優(yōu)勢(shì)在軌道運(yùn)輸中得到廣泛應(yīng)用。因此，本項(xiàng)目盾構(gòu)牽引車(chē)選用NRQ 系列內(nèi)燃機(jī)車(chē)。

結(jié)合本項(xiàng)目運(yùn)輸工況、內(nèi)燃機(jī)車(chē)性能、盾構(gòu)掘進(jìn)實(shí)際運(yùn)輸需求以及洞內(nèi)水平運(yùn)輸安全性要求，對(duì)內(nèi)燃機(jī)車(chē)洞內(nèi)水平運(yùn)輸速度進(jìn)行如下規(guī)定：

1）支洞段（坡度為5%）運(yùn)輸速度不超過(guò)7 km/h；

2）主洞段（坡度為1/5 000），重載下坡速度不超過(guò)10 km/h；

3）物資卸載完畢空載返回運(yùn)輸速度不超過(guò)15 km/h。

NRQ 系列內(nèi)燃機(jī)車(chē)技術(shù)參數(shù)表如表3 所示。

表3 NRQ 系列機(jī)車(chē)參數(shù)

4.3.3 機(jī)車(chē)型號(hào)確定

1）內(nèi)燃機(jī)車(chē)的啟動(dòng)單位基本阻力計(jì)算

根據(jù)TB/T 1407.1—2018《列車(chē)牽引計(jì)算 第1 部分：機(jī)車(chē)牽引式列車(chē)》中3.4.1 可得：內(nèi)燃機(jī)車(chē)的單位啟動(dòng)基本阻力為5 N/kN。

2）滾動(dòng)軸承貨車(chē)的單位啟動(dòng)基本阻力計(jì)算

根據(jù)TB/T 1407.1—2018《列車(chē)牽引計(jì)算 第1 部分：機(jī)車(chē)牽引式列車(chē)》中3.4.1 可得：滾動(dòng)軸承貨車(chē)單位啟動(dòng)基本阻力為3.5 N/kN。

3）黏著系數(shù)計(jì)算

根據(jù)TB/T 1407.1—2018《列車(chē)牽引計(jì)算 第1 部分：機(jī)車(chē)牽引式列車(chē)》中公式（60），國(guó)產(chǎn)各型電力傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)的計(jì)算黏著系數(shù)μj為：

式中，v為機(jī)車(chē)平均牽引速度，5 km/h。

4）黏著牽引力計(jì)算

根據(jù)TB/T 1407.1—2018《列車(chē)牽引計(jì)算 第1 部分：機(jī)車(chē)牽引式列車(chē)》中公式（59），黏著牽引力Fμ按式（6）計(jì)算：

式中，Pμ為機(jī)車(chē)黏重質(zhì)量；g為重力加速度。

根據(jù)公式（6）可計(jì)算得常用內(nèi)燃機(jī)車(chē)黏著牽引力，見(jiàn)表4。

表4 內(nèi)燃機(jī)車(chē)黏著牽引力

本項(xiàng)目行駛的坡度為50‰，根據(jù)TB/T 1407.1—2018《列車(chē)牽引計(jì)算 第1 部分：機(jī)車(chē)牽引式列車(chē)》中公式（64）可得：列車(chē)在限制坡道上以機(jī)車(chē)計(jì)算速度等速運(yùn)行時(shí)按式（7）計(jì)算：

式中，F(xiàn)j為計(jì)算牽引力；λy為機(jī)車(chē)牽引力使用系數(shù)；ix為限制坡度。

其中，F(xiàn)j=Fμ，λy取0.9，ix=50，將上述數(shù)值代入公式中得：

1）25 t 機(jī)車(chē)在5%的坡道啟動(dòng)牽引噸位為92.1 t；

2）30 t 機(jī)車(chē)在5%的坡道啟動(dòng)牽引噸位為112.18 t；

3）35 t 機(jī)車(chē)在5%的坡道啟動(dòng)牽引噸位為128.87 t。

通過(guò)上述計(jì)算可知，黏重質(zhì)量25 t 內(nèi)燃機(jī)車(chē)在5%坡道上的啟動(dòng)牽引噸位已經(jīng)大于本項(xiàng)目盾構(gòu)施工所需的最大牽引噸位，可以滿(mǎn)足運(yùn)用要求。為了進(jìn)一步保證物料運(yùn)輸?shù)陌踩?，本?xiàng)目選擇黏重質(zhì)量30 t 的內(nèi)燃機(jī)車(chē)。圖1 為NRQ30型內(nèi)燃機(jī)車(chē)。

圖1 NRQ30 型內(nèi)燃機(jī)車(chē)

5 結(jié)語(yǔ)

內(nèi)燃機(jī)車(chē)提供運(yùn)輸列車(chē)編組的牽引動(dòng)力，選用是否得當(dāng)直接關(guān)系到隧道內(nèi)運(yùn)輸能否正常運(yùn)行。在盾構(gòu)施工內(nèi)燃機(jī)車(chē)選型時(shí)，根據(jù)線(xiàn)路條件、掘進(jìn)參數(shù)，既要滿(mǎn)足運(yùn)輸載荷要求又要兼顧作業(yè)效率，選擇合理的編組和機(jī)車(chē)。

在本項(xiàng)目中，采用了連續(xù)皮帶機(jī)出渣的方式進(jìn)行出渣，出渣方便，效率高，不再需要使用渣土車(chē)出渣，在很大程度上減少了內(nèi)燃機(jī)車(chē)在盾構(gòu)施工中所需牽引的噸位。機(jī)車(chē)編組為1輛內(nèi)燃機(jī)車(chē)+1 節(jié)砂漿車(chē)+4 節(jié)管片車(chē)，在不需要運(yùn)輸渣土的情況下，選用了黏重質(zhì)量為30 t 的內(nèi)燃機(jī)車(chē)，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算可得，其在5%坡道上的啟動(dòng)牽引噸位完全可以滿(mǎn)足運(yùn)用要求，并且具有很高的安全性。