地鐵TBM出渣系統(tǒng)研究及應(yīng)用

王文勝

(中鐵十一局集團(tuán)漢江重工有限公司 湖北襄陽(yáng) 441006)

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展、城市化進(jìn)程越來(lái)越快、規(guī)模越來(lái)越大，地鐵軌道交通在各大城市得到了飛速發(fā)展。由于城市施工場(chǎng)地空間有限，特別是在老城區(qū)、繁華街區(qū)等，不適合大型機(jī)械施工，且對(duì)施工噪聲等要求嚴(yán)格。對(duì)于掘進(jìn)區(qū)間長(zhǎng)、埋深較大的隧道，出渣效率已成為影響施工進(jìn)度的重要因素。在工程施工中，出渣速度快慢，將直接影響著掘進(jìn)施工效率，可見，隧道出渣方案及設(shè)備選型是否合理，對(duì)于提高設(shè)備利用率、施工效率、經(jīng)濟(jì)效益具有十分重要的意義。

在地鐵隧道施工中，合理配置機(jī)械設(shè)備，發(fā)揮單體設(shè)備技術(shù)性能，并使隧道施工機(jī)械設(shè)備之間的參數(shù)匹配，降低能耗，減少重復(fù)投資，是施工單位研究的重要內(nèi)容。目前，龍門吊技術(shù)成熟、生產(chǎn)系列化、制造和維護(hù)成本低，在地鐵隧道施工工程中，絕大部分使用龍門吊完成棄渣和材料垂直運(yùn)輸。隨著皮帶輸送機(jī)出渣技術(shù)及施工技術(shù)[1－4]的不斷進(jìn)步和完善，在地鐵單護(hù)盾和雙護(hù)盾等巖石掘進(jìn)機(jī)施工中也逐步得到推廣應(yīng)用。許多學(xué)者和專家將研究科研成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用，如楊慶輝[5]分析了地鐵TBM(隧道掘進(jìn)機(jī))施工出渣方式及優(yōu)缺點(diǎn)；王華、齊夢(mèng)學(xué)、王逢松、張萬(wàn)照等人[6－9]分別研究了帶式輸送機(jī)出渣技術(shù)等。

本文結(jié)合青島地鐵1號(hào)線雙護(hù)盾TBM施工，分析了現(xiàn)有出渣方式對(duì)TBM施工進(jìn)度制約，并從空間要求、經(jīng)濟(jì)效益、應(yīng)用實(shí)例等方面綜合考慮，提出了全新的TBM渣土處理解決方案。通過施工工藝研究及渣土運(yùn)輸車、翻車機(jī)、皮帶輸送機(jī)3種設(shè)備的成功研制，為TBM在地鐵施工領(lǐng)域更快、更好的運(yùn)行和發(fā)展提供了參考借鑒方案。

2 工程概況及施工方案

青島地鐵1號(hào)線起于東郭莊站，途經(jīng)城陽(yáng)區(qū)、李滄區(qū)、市北區(qū)、市南區(qū)、黃島區(qū)，止于王家港站，總體呈南北走向，全長(zhǎng)21.9 km。團(tuán)島－西青軌排井區(qū)間包含3站3區(qū)間，區(qū)間選用雙護(hù)盾TBM，采用先站后隧法施工，區(qū)段由并行的上行、下行線2條隧道組成。由于始發(fā)井位于團(tuán)島軍營(yíng)內(nèi)，位置特殊，豎井不在隧道正上面，無(wú)法通過地鐵門吊出渣，需研究皮帶輸送等其他出渣技術(shù)方案。

本文針對(duì)青島地鐵隧道特殊環(huán)境和TBM施工特點(diǎn)，提出了全新出渣施工方案，如圖1所示。該方案是由渣土運(yùn)輸車負(fù)責(zé)將TBM掘進(jìn)產(chǎn)生的渣土從隧道前方運(yùn)輸?shù)椒嚈C(jī)內(nèi)，再由翻車機(jī)固定渣土車并翻轉(zhuǎn)卸渣至下方皮帶上，通過皮帶輸送機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)到運(yùn)渣卡車車廂內(nèi)，然后將渣土運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢谩?/p>

圖1 施工方案

3 設(shè)備研究

本工程出渣系統(tǒng)主要由渣土運(yùn)輸車、翻車機(jī)、皮帶輸送機(jī)組成。根據(jù)TBM施工出渣量，提出三種設(shè)備基本技術(shù)指標(biāo)，并進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。

3.1 TBM施工出渣量

掘進(jìn)每環(huán)產(chǎn)生渣土量:

3.14×6.22/4×1.5×1.5≈68 m3/環(huán)

掘進(jìn)速度按8環(huán)/d計(jì)算，2臺(tái)TBM施工產(chǎn)生最大渣土量:

68×2×8＝1 088 m3/d

3.2 技術(shù)研究

3.2.1 渣土運(yùn)輸車研究

根據(jù)TBM施工運(yùn)渣需求及隧道斷面，掘進(jìn)每環(huán)渣土選擇配備4臺(tái)渣土車進(jìn)行運(yùn)輸，則渣土車容量至少需要68÷4＝17 m3/臺(tái)，考慮裕度，需設(shè)計(jì)渣土車容量為18 m3/車，且外形尺寸需要控制為7.4 m×1.6 m×2.4 m(長(zhǎng)×寬×高)。

渣土運(yùn)輸車包含電機(jī)車、渣土車。電機(jī)車是根據(jù)地鐵工程機(jī)械化施工要求而開發(fā)研制的，由車架、走行系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、牽引傳動(dòng)系統(tǒng)、超級(jí)電容器模塊、操縱控制系統(tǒng)等部分組成，用于TBM渣土運(yùn)輸?shù)膶Ｓ脿恳龣C(jī)車，具有電制動(dòng)、氣制動(dòng)系統(tǒng)以及防滑鉤，避免出現(xiàn)溜車危險(xiǎn)。渣土車由走行機(jī)構(gòu)、車體、渣土斗和制動(dòng)裝置組成，采用前后分離式走行機(jī)構(gòu)，與車體之間采用芯盤連接，實(shí)現(xiàn)承重和轉(zhuǎn)向功能，再將輪組的制動(dòng)汽缸設(shè)置為常閉機(jī)構(gòu)，前后采用快速插頭，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能全面，如圖2所示。

圖2 渣土車三維圖

3.2.2 卸渣翻車機(jī)研究

分析單車翻車機(jī)[10]、雙車翻車機(jī)[11]、四車翻車機(jī)[12]等優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了三種型式初步方案，對(duì)比分析見表1。綜合考慮施工效率、自動(dòng)化程度、設(shè)備成本、維護(hù)成本等因素，本工程項(xiàng)目選擇雙車翻車機(jī)結(jié)構(gòu)型式較為理想。

節(jié)水“三同時(shí)”制度在國(guó)內(nèi)很多城市已經(jīng)實(shí)施，但調(diào)研發(fā)現(xiàn)落實(shí)效果不好。究其原因，與沒有完善的管理辦法及配套的實(shí)施細(xì)則等有關(guān)。

表1 翻車機(jī)分析對(duì)比

雙車翻車機(jī)主要由主體結(jié)構(gòu)、壓車機(jī)構(gòu)、靠車機(jī)構(gòu)、托輥機(jī)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)以及附屬結(jié)構(gòu)組成，如圖3所示。雙車翻車機(jī)設(shè)置有控制臺(tái)，通過電液系統(tǒng)控制壓車、靠車行動(dòng)，動(dòng)力系統(tǒng)通過齒輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)翻車機(jī)翻轉(zhuǎn)。在翻車機(jī)初始位置、最終位置均設(shè)置有傳感器，限制翻車機(jī)的翻轉(zhuǎn)角度。

圖3 翻車機(jī)三維圖

3.2.3 皮帶輸送機(jī)研究

采用雙車翻車機(jī)翻卸渣土車，TBM每環(huán)掘進(jìn)渣土需2次翻卸，按照12～16 min/次計(jì)算，皮帶輸送機(jī)所需輸送量最大為68×60÷12＝340 m3/h，同樣考慮裕度，選擇額定輸送量為400 m3/h、輸送帶寬度為1 m、輸送速度為1 m/min的輸送機(jī)。

皮帶輸送機(jī)為皮帶輸送結(jié)構(gòu)，分三段，額定輸送量為1 020 t/h，如圖4所示。選用橡膠皮帶，硫化無(wú)縫對(duì)接、表面包膠處理，具有摩擦力大、強(qiáng)度高的特點(diǎn)。

圖4 皮帶輸送機(jī)三維圖

3.3 技術(shù)創(chuàng)新

TBM施工渣土皮帶輸送系統(tǒng)技術(shù)方案主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn):

(1)TBM施工出渣系統(tǒng)創(chuàng)新方案。依據(jù)地鐵TBM施工運(yùn)輸環(huán)境復(fù)雜、設(shè)備安裝空間小、轉(zhuǎn)運(yùn)難度大等不利因素，提出了TBM渣土皮帶輸送技術(shù)方案，為地鐵TBM施工渣土運(yùn)輸提供了全新的解決方案。

(2)翻車機(jī)壓靠機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。研發(fā)制造了新型靠車機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由傳統(tǒng)的雙油缸定向伸縮模式優(yōu)化為單油缸自適應(yīng)伸縮模式。新型靠車機(jī)構(gòu)重量更輕，油缸數(shù)量更少，同時(shí)徹底消除了傳統(tǒng)靠車機(jī)構(gòu)油缸存在的徑向力，油缸使用壽命大大增強(qiáng)。

(3)信息化控制系統(tǒng)創(chuàng)新應(yīng)用。創(chuàng)新性地將CAN總線分布式IO網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到翻車機(jī)的控制系統(tǒng)，布線更加簡(jiǎn)單、控制延時(shí)少、控制安全可靠；應(yīng)用了安全監(jiān)控系統(tǒng)，為操作人員及時(shí)掌握TBM出渣設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)提供了便利，減少安全事故發(fā)生；信息化平臺(tái)實(shí)時(shí)顯示配套設(shè)備運(yùn)行中的各項(xiàng)參數(shù)，為故障處理提供參考，同時(shí)，還可通過電腦或手機(jī)登錄指定網(wǎng)上平臺(tái)，在線查看設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，便于項(xiàng)目智能化施工管理。

(4)電機(jī)車防溜車技術(shù)。電瓶車采用電制動(dòng)方式，機(jī)車下坡道或減速運(yùn)行，交流異步牽引電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，將機(jī)車動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能通過變流器向超級(jí)電容器充電，當(dāng)超級(jí)電容充滿電的情況下可自動(dòng)轉(zhuǎn)換成電阻制動(dòng)將能量消耗掉。當(dāng)交流異步牽引電動(dòng)機(jī)處于牽引狀態(tài)時(shí)，超級(jí)電容器放電，為交流異步牽引電動(dòng)機(jī)提供電能，實(shí)現(xiàn)了“節(jié)能降耗”、“綠色環(huán)保”效應(yīng)。

4 工程應(yīng)用

研制的出渣系統(tǒng)在青島地鐵1號(hào)線二標(biāo)區(qū)間投入使用以來(lái)，運(yùn)行狀態(tài)良好，滿足TBM隧道施工出渣要求，贏得相關(guān)建設(shè)單位好評(píng)，出渣系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)施工如圖5所示。該套設(shè)備主要優(yōu)點(diǎn):

圖5 現(xiàn)場(chǎng)施工

(1)出渣效率高。翻卸渣土效率1.5 min/車，相比地鐵出渣門吊提高4倍。

(2)操作簡(jiǎn)單便捷。1～2人即可完成全流程操作。

(3)安全性高。配置有防溜車裝置、安全監(jiān)控系統(tǒng)、信息化平臺(tái)等。

(4)節(jié)能環(huán)保。采用超級(jí)電容，響應(yīng)節(jié)能降耗、綠色環(huán)保等國(guó)家號(hào)召。

(5)噪聲污染小，降低噪聲擾民問題的發(fā)生。

5 結(jié)論

針對(duì)青島地鐵TBM施工地理位置、運(yùn)輸環(huán)境、設(shè)備安裝空間、轉(zhuǎn)運(yùn)難度等特殊因素，研制了一套適用于地鐵TBM施工的出渣系統(tǒng)，為地鐵TBM施工渣土處理提供了全新的技術(shù)方案。該套設(shè)備成功應(yīng)用，進(jìn)一步促進(jìn)TBM施工優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮，不僅保證了總體掘進(jìn)速度及總體工期，還降低了施工安全風(fēng)險(xiǎn)。該出渣系統(tǒng)具有操作便捷、自動(dòng)化程度高、出渣效率高、環(huán)保無(wú)污染等特點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景與推廣價(jià)值。