淺談盾構(gòu)施工區(qū)間大縱坡電瓶機(jī)車防溜車技術(shù)

李 強(qiáng)

(中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司城鐵機(jī)械裝備分公司 河北 邯鄲 056003)

軌道交通建設(shè)中盾構(gòu)隧道施工渣土外運(yùn)通常采用有軌電瓶機(jī)車運(yùn)輸，與一般盾構(gòu)施工相比，在大縱坡度施工條件下，電瓶機(jī)車容易發(fā)生制動(dòng)失靈、溜車、脫軌等現(xiàn)象，存在較大的機(jī)械傷害安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，安全、穩(wěn)定、高效地完成水平運(yùn)輸是工程施工的難點(diǎn)及重點(diǎn)，給施工帶來了巨大壓力。為提高運(yùn)輸效率，做好盾構(gòu)施工區(qū)間大縱坡電瓶機(jī)車防溜車技術(shù)是安全風(fēng)險(xiǎn)關(guān)鍵控制的必備條件。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

深圳市某管廊采用盾構(gòu)法施工，長度約26 km。其中25#～27#綜合井區(qū)間配備1臺(tái)?6 980 mm復(fù)合盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)從27#綜合井始發(fā)，空推過站26#綜合井，最后到達(dá)25#綜合井，隧道總長為1 733 m(見圖1)。盾構(gòu)區(qū)間存在大縱坡施工，K24+049.992～K23+450.006段坡度為45‰(下坡)，K23+128.975～ K22+970.008段坡度為50‰(上坡)。

圖1 工程平面布置圖

1.2 電瓶機(jī)車系統(tǒng)配置

在25#～27#區(qū)間定制滿足盾構(gòu)要求的電瓶機(jī)車，編組方式如表1所示。

表1 編組方式 /輛

根據(jù)50‰的最大坡度計(jì)算，組列按照最大牽引重量為1輛70 t電瓶機(jī)車牽引2輛20 m3渣土車、1臺(tái)8 m3砂漿車和2輛管片車的編組進(jìn)行施工，最大重載牽引重量為161.9 t(電瓶機(jī)車自重70 t,40 m3的土重量為60 t，8 m3的砂漿重量為14.4 t，渣土車自重6 t，砂漿車自重5.5 t，管片車自重6 t，共計(jì)161.9 t。

2 溜車原因分析

電瓶機(jī)車運(yùn)輸過程中，由于長大坡道、軌道基礎(chǔ)未能按標(biāo)準(zhǔn)鋪設(shè)、軌道有雜物、制動(dòng)系統(tǒng)故障、電氣控制故障、電瓶機(jī)車安全裝置缺失及人員操作失誤，易造成溜車事故，溜車事故危害性較大，對(duì)隧道內(nèi)作業(yè)人員、設(shè)備及電瓶機(jī)車本身的破壞危害極大。

2.1 牽引力或者制動(dòng)力不足

電瓶機(jī)車牽引力不足或列車編組制動(dòng)力不足。由于存在40‰以上重載長大坡道，使用過程中如果出現(xiàn)牽引力不足或制動(dòng)力不足均可能發(fā)生溜車[1]。

2.2 制動(dòng)系統(tǒng)失靈

設(shè)備維修保養(yǎng)不到位，閘瓦磨損制動(dòng)力降低，設(shè)備故障未及時(shí)排除都將引發(fā)制動(dòng)系統(tǒng)失靈，直接導(dǎo)致溜車。

2.3 大坡度段軌道鋪設(shè)質(zhì)量控制不當(dāng)

大坡度段軌枕間距過遠(yuǎn)，鋼軌在管片不固定，鋼軌長期使用疲勞損傷嚴(yán)重[2]。

2.4 輪軌黏著系數(shù)不足

軌道濕滑或有油脂附著于表面，輪軌黏著系數(shù)降低極易發(fā)生溜車。

2.5 電瓶機(jī)車電氣故障

電瓶機(jī)車電氣控制部分出現(xiàn)突發(fā)性故障，導(dǎo)致設(shè)備控制失靈易引發(fā)溜車[2]。

2.6 司機(jī)素質(zhì)或能力不足

電瓶機(jī)車司機(jī)安全意識(shí)不高，操作設(shè)備不熟練，作業(yè)流程不標(biāo)準(zhǔn)，人為誤操作等因素均可發(fā)生溜車。

3 編組方案及防溜設(shè)計(jì)

3.1 施工電瓶機(jī)車編組管理

針對(duì)本項(xiàng)目，配置70 t電機(jī)車編組，該工程最大坡度為50‰，且為重載上坡；最大重載下坡坡度為45‰。

根據(jù)線路實(shí)際工況選用兩列出渣方案，最大牽引重量為1輛70 t電瓶機(jī)車牽引2輛20 m3渣土車、1臺(tái)8 m3砂漿車和2輛管片車的編組，最大重載牽引重量為161.9 t。

3.1.1起動(dòng)工況

Fμ=Mμ·μj·g=168 kN

(1)

則最大起動(dòng)牽引重量：

=1 913 kN≈191.3 t>161.9 t

(2)

其中，由于最大重載坡度為45‰，曲線附加阻力系數(shù)取2，因此iq取47。

被牽引車輛阻力系數(shù)為3+0.4×47=21.8。

3.1.2運(yùn)行工況

(3)

則最大運(yùn)行牽引重量

=2 198.1 kN≈219.8 t>161.9 t

(4)

因此，兩種工況下，70 t機(jī)車配重都能滿足使用要求。

3.2 完善電瓶機(jī)車組的制動(dòng)系統(tǒng)

改造電瓶機(jī)車的制動(dòng)系統(tǒng)，完善電瓶機(jī)車、渣土運(yùn)輸車輛、砂漿運(yùn)輸車輛的制動(dòng)系統(tǒng)，多方面提升電瓶機(jī)車組的制動(dòng)能力。

電瓶機(jī)車在制動(dòng)系統(tǒng)正常、閘瓦沒有過度磨損的情況下，僅靠機(jī)頭和后配套的空氣制動(dòng)裝置，即可將車輪制動(dòng)，防止車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。此外，電瓶機(jī)車配置了防溜制動(dòng)裝置，在空氣制動(dòng)起效后2～3 s內(nèi)進(jìn)行防溜制動(dòng)，或空氣制動(dòng)系統(tǒng)部分故障，僅靠防溜制動(dòng)亦可將電機(jī)輸出軸抱死，防止車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。制動(dòng)系統(tǒng)性能完善應(yīng)在以下兩方面進(jìn)行：

(1)基礎(chǔ)制動(dòng)采用單缸制動(dòng)

電瓶機(jī)車基礎(chǔ)制動(dòng)采用單氣缸獨(dú)立制動(dòng)，能夠有效防止閘瓦磨損，如圖2所示。

圖2 單氣缸獨(dú)立制動(dòng)圖

常用電瓶機(jī)車多采用車輪兩側(cè)閘瓦共用一個(gè)氣缸，雖然這種方式與單氣缸制動(dòng)相比，制動(dòng)力理論相同，且成本更低，但實(shí)際使用過程中，雙側(cè)閘瓦共用1個(gè)氣缸制動(dòng)波速降低、制動(dòng)距離延長、容易造成閘瓦偏磨，增加閘瓦損耗。

(2)配置防溜制動(dòng)裝置

防溜制動(dòng)裝置加在電機(jī)輸出軸和減速機(jī)輸入軸之間的制動(dòng)輪上，相當(dāng)于一個(gè)高速級(jí)制動(dòng)，它的作用是將制動(dòng)氣缸的作用力經(jīng)過杠桿增大后傳遞給閘瓦。制動(dòng)氣缸內(nèi)作用于活塞的彈簧推力和空氣推力，兩者疊加經(jīng)過杠桿增大后傳遞給各個(gè)閘瓦，使閘瓦壓緊制動(dòng)輪，產(chǎn)生抱緊電機(jī)軸的制動(dòng)力，如圖3所示。防溜車制動(dòng)裝置跳過了諸多軌道介質(zhì)因素的影響，切實(shí)起到了為機(jī)車車輛配備了一套有效緊急制動(dòng)系統(tǒng)的作用，大幅提高了機(jī)車車輛施工的安全性能指標(biāo)。

圖3 防溜制動(dòng)裝置圖

3.3 大坡度段軌道鋪設(shè)質(zhì)量控制

電瓶機(jī)車的安全行駛離不開符合運(yùn)行條件的軌道，大坡度區(qū)段軌道鋪設(shè)時(shí)質(zhì)量控制應(yīng)達(dá)到以下標(biāo)準(zhǔn)：電瓶機(jī)車軌道的軌枕采用定型軌枕，螺栓壓板緊固，軌道采用43軌雙軌鋪設(shè)，軌距按照電瓶機(jī)車要求(900 mm)確定，允許偏差-10 mm～+20 mm，雙軌軌面高低差不大于10 mm，按要求每6 m設(shè)置一道軌距拉桿；鋼軌接頭采用夾板連接，軌縫間隙不大于10 mm，接頭處錯(cuò)臺(tái)、錯(cuò)牙不大于5 mm。大坡度段軌枕鋪設(shè)加密，普通段軌枕鋪設(shè)間距可設(shè)置在700 mm～800 mm，大坡度段軌枕鋪設(shè)間距不大于500 mm。由于機(jī)車運(yùn)行隧道坡度較大，軌道鋪設(shè)間距應(yīng)保證其軌道下?lián)喜荒茉斐蓹C(jī)車坡度增加值超過1‰，根據(jù)計(jì)算選取軌枕鋪設(shè)間距宜為500 mm。校核如下：

單輪承載考慮不均衡性，單輪最大支撐力

F=70/3=23.3 t

(1)強(qiáng)度校核

最大應(yīng)力

(5)

鑄鋼車輪的最小許用接觸應(yīng)力

[σHlim]=269 MPa

故σmax<[σHlim]

結(jié)論：強(qiáng)度滿足使用要求。

(2)剛度校核

中部剛度

(6)

0.198 1/250=0.8‰<1‰

結(jié)論：剛度滿足使用要求。

弧形軌枕中部設(shè)置槽鋼便于防溜鉤下落時(shí)鉤住軌枕。大坡度段軌枕與管片之間采用螺栓固定，或拉鋼筋固定。大坡度段軌枕間距每日檢查，保證軌枕間距符合要求。

3.4 設(shè)置防溜鉤和橫梁

配置機(jī)械式緊急防溜鉤，采用開關(guān)控制(手拉)并自動(dòng)下放，不受電或氣的影響，如圖4、圖5所示，配置的防溜鉤上設(shè)置了逆止機(jī)構(gòu)，防止防溜鉤回彈。

防溜鉤為緊急情況下使用，即在電制動(dòng)、空氣制動(dòng)均失效的情況下使用。由于線路鋪設(shè)為弧形軌枕，中部為扁鋼，如圖6所示，防溜鉤落下后鉤不住，因此需要在軌枕中部設(shè)置型鋼支撐，以保證防溜鉤下落后能鉤住軌枕，防止溜車。

在正常坡道下，每隔5 m設(shè)置一根連接梁(可用8號(hào)槽鋼)，在大坡度下應(yīng)進(jìn)行加密設(shè)置，將5m間隔改為1 m，并在間隔40 m處設(shè)置高度為100 mm的槽鋼，如圖7所示，使防溜鉤的橫梁間距越近，其防溜鉤起效時(shí)機(jī)車速度越慢，防溜鉤更容易實(shí)現(xiàn)機(jī)車安全停車。

圖4 防溜鉤側(cè)視圖

圖5 緊急防溜鉤圖

圖6 軌枕中部型鋼支撐圖

圖7 連接梁加密設(shè)置示意圖

3.5 提高輪軌黏著系數(shù)

及時(shí)檢查大坡度段軌道面是否有油污或其他降低黏著系數(shù)的因素，及時(shí)清理，保持軌道干燥。在大坡度下啟動(dòng)，容易由于黏著力不夠引起機(jī)車起動(dòng)時(shí)打滑，提升黏著力的方式除了增加黏重，還可增加黏著系數(shù)，撒砂裝置通過機(jī)車自帶氣動(dòng)系統(tǒng)將干砂撒在軌道上，可以有效增加車輪與軌道之間的摩擦因數(shù)，如圖8所示，從而提升黏著力。大坡度段軌道頂面磨毛處理，全路段鋼軌頂面作業(yè)時(shí)軌道車設(shè)置撒砂裝置增加啟動(dòng)穩(wěn)定性。

圖8 廠內(nèi)測(cè)試撒砂裝置圖

3.6 電瓶機(jī)車電氣故障排查

嚴(yán)格落實(shí)作業(yè)前整車電氣設(shè)備性能試驗(yàn)，確保操作面板、電機(jī)控制系統(tǒng)、司控器、電磁閥控制系統(tǒng)性能正常，設(shè)備運(yùn)行良好。

3.7 加強(qiáng)操作人員教育培訓(xùn)

嚴(yán)格落實(shí)電瓶機(jī)車司機(jī)選聘要求，選聘業(yè)務(wù)能力較強(qiáng)的人員，上崗前經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)，考核合格后持崗前培訓(xùn)合格證上崗；日常工作中加強(qiáng)設(shè)備檢查、故障排除、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)、事故案例分析等方面的教育培訓(xùn)，定期組織年度鑒定培訓(xùn)。

4 結(jié)束語

從盾構(gòu)施工電瓶機(jī)車操作人員風(fēng)險(xiǎn)卡控、安全質(zhì)量因素卡控、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素卡控、軌行設(shè)備管理因素卡控，都影響施工進(jìn)度和工作效率，因此各施工單位控制好盾構(gòu)施工區(qū)間大縱坡電瓶機(jī)車防溜車技術(shù)和安全風(fēng)險(xiǎn)關(guān)鍵點(diǎn)十分必要。本文可為盾構(gòu)區(qū)間大縱坡電瓶機(jī)車安全風(fēng)險(xiǎn)管控提供參考。