地鐵盾構(gòu)法施工編組列車(chē)配置與軌線布置分析

楊武林，陳 波

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰，611830)

盾構(gòu)法施工技術(shù)常應(yīng)用于城市道路建設(shè)中的隧道開(kāi)挖，因其施工安全、高效、節(jié)能且對(duì)周邊自然環(huán)境影響較小等特點(diǎn)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用與推廣。在實(shí)際施工過(guò)程中，具體的施工各環(huán)節(jié)均有比較完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，對(duì)遇見(jiàn)的不良條件與問(wèn)題的應(yīng)急預(yù)案也比較完善，如何提高盾構(gòu)施工效率是施工技術(shù)人員思考的重點(diǎn)，盾構(gòu)施工編組列車(chē)的配置和軌線布置形式成為盾構(gòu)施工有序且高效進(jìn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?，F(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)隧道線路實(shí)際條件、隧道參數(shù)、運(yùn)輸距離、盾構(gòu)機(jī)工作需求、相關(guān)原則等多方面進(jìn)行分析判斷，選擇地鐵盾構(gòu)施工編組列車(chē)的配置和軌線布置形式，保證盾構(gòu)施工順利進(jìn)行，避免因編組列車(chē)運(yùn)輸系統(tǒng)影響隧道掘進(jìn)施工。本文結(jié)合多年的盾構(gòu)施工技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，以及國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，對(duì)地鐵盾構(gòu)施工編組列車(chē)的配置和軌線布置形式進(jìn)行分析，選擇最為符合施工標(biāo)準(zhǔn)的方式，希望可以為相關(guān)工作者在施工過(guò)程中提供參考和幫助。

1 地鐵盾構(gòu)施工編組列車(chē)運(yùn)輸系統(tǒng)組成

目前，國(guó)內(nèi)地鐵盾構(gòu)法施工編組列車(chē)運(yùn)輸系統(tǒng)均采用有軌運(yùn)輸方式，該運(yùn)輸系統(tǒng)主要由牽引機(jī)車(chē)、渣土運(yùn)輸車(chē)、砂漿運(yùn)輸車(chē)、管片運(yùn)輸車(chē)組成運(yùn)輸系統(tǒng)的編組列車(chē)。編組列車(chē)的配置順序?yàn)楣芷\(yùn)輸車(chē)在最前方，其次是砂漿運(yùn)輸車(chē)，再次是渣土運(yùn)輸車(chē)，最后是牽引機(jī)車(chē)，列車(chē)進(jìn)入盾構(gòu)機(jī)后配套系統(tǒng)時(shí)，剛好使管片運(yùn)輸車(chē)位于管片吊機(jī)下方，砂漿運(yùn)輸車(chē)剛好位于盾構(gòu)機(jī)同步注漿罐附近。編組列車(chē)進(jìn)入隧道時(shí)牽引車(chē)推著列車(chē)前進(jìn)至盾構(gòu)機(jī)后配套，駛出時(shí)拉著列車(chē)至隧道外裝卸料區(qū)，牽引機(jī)車(chē)與材料車(chē)之間的連接方式為熱處理鋼銷(xiāo)和鋼板軟連接，保障了機(jī)車(chē)沿隧道軸線牢固靈活地完成運(yùn)輸工作[1]。

在地鐵隧道掘進(jìn)施工中，編組列車(chē)負(fù)責(zé)洞內(nèi)施工材料的運(yùn)進(jìn)以及開(kāi)挖渣土的運(yùn)出。編組列車(chē)進(jìn)入隧道時(shí)，管片運(yùn)輸車(chē)、砂漿運(yùn)輸車(chē)為重車(chē)，將管片、砂漿和其他材料運(yùn)進(jìn)，渣土車(chē)為輕車(chē)；駛出隧道時(shí)渣土車(chē)為重車(chē)，管片運(yùn)輸車(chē)、砂漿運(yùn)輸車(chē)為輕車(chē)，從而完成地鐵盾構(gòu)施工材料轉(zhuǎn)運(yùn)工作。

2 工況設(shè)定

某地鐵項(xiàng)目為兩站一區(qū)間，盾構(gòu)區(qū)間雙線隧道總長(zhǎng)4000m，左線長(zhǎng)2000m，右線長(zhǎng)2000m，最小縱坡坡度為12‰，最大縱坡坡度為27.636‰。盾構(gòu)機(jī)采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)開(kāi)挖直徑為8640mm。每環(huán)管片采用7塊(4+2+1)方案，由1塊封頂塊管片、4塊標(biāo)準(zhǔn)塊管片與2塊鄰接塊管片組成，鋼筋混凝土管片外徑8300mm，管片厚度400mm，管片幅寬1800mm。使用1.8m幅寬的管片，出土方量計(jì)算：π×R2×L=π×(8.64÷2)2×1.8=105.53m3/環(huán)，實(shí)際出渣量考慮1.63的松散系數(shù)(根據(jù)日常掘進(jìn)出渣情況擬定)，故出土量均為172m3/環(huán)以?xún)?nèi)。

3 地鐵盾構(gòu)施工編組列車(chē)的配置

3.1 牽引機(jī)車(chē)的選擇

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)水平運(yùn)輸設(shè)備采用電瓶機(jī)車(chē)作為牽引車(chē)，原則上配備材料渣土運(yùn)輸車(chē)為5節(jié)渣土車(chē)(22m3/節(jié))、1節(jié)漿液車(chē)(8m3/節(jié))以及2節(jié)管片車(chē)。根據(jù)工況設(shè)定條件計(jì)算盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)出土方量為172m3/環(huán)，5節(jié)渣土車(chē)(22m3/節(jié))無(wú)法完成掘進(jìn)一環(huán)渣土量的運(yùn)輸，因此，采用一環(huán)兩列編組配置，即掘進(jìn)約半環(huán)，換車(chē)一次，以下為機(jī)車(chē)編組荷載配置情況[2]。

(1)電瓶機(jī)車(chē)編組1進(jìn)洞需要牽引的最大重量為5節(jié)渣土車(chē)(空)、1節(jié)砂漿車(chē)(滿(mǎn)載)以及2節(jié)管片車(chē)(滿(mǎn)載)。

(2)電瓶機(jī)車(chē)編組2進(jìn)洞需要牽引的最大重量為5節(jié)渣土車(chē)(空)、1節(jié)砂漿車(chē)(滿(mǎn)載)以及2節(jié)管片車(chē)(滿(mǎn)載)。

(3)電瓶機(jī)車(chē)出洞需要牽引的最大重量為5節(jié)渣土車(chē)(滿(mǎn)載)、1節(jié)漿液車(chē)(空)以及2節(jié)管片車(chē)(空)。

現(xiàn)計(jì)算電瓶機(jī)車(chē)需要牽引重量：

G進(jìn)1=5×G渣車(chē)+G漿車(chē)+G漿+2×G管車(chē)+4×G管標(biāo)

G進(jìn)2=5×G渣車(chē)+G漿車(chē)+G漿+2×G管車(chē)+2×G管標(biāo)+G管K

G出=5×G渣車(chē)+5×G渣+G漿車(chē)+2×G管車(chē)

式中：G渣車(chē)為渣車(chē)和渣斗總重，為10.6t；G漿車(chē)為砂漿車(chē)重量，為7.2t；G漿為砂漿車(chē)最大裝砂漿重量，為8m3×2t/m3=16t；G管車(chē)為管片車(chē)自重，為3t；G管標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)塊或臨近塊管片的重量，為7.5t；G管k為封頂塊管片的重量，為2.5t；G渣為每斗渣土重量，為22m3×2t/m3=44t。

經(jīng)計(jì)算：G進(jìn)1=112.2t；G進(jìn)2=99.7t；G出=286.2t。

故機(jī)車(chē)最大牽引力需滿(mǎn)足牽引重量286.2t運(yùn)輸。由于同一臺(tái)電瓶機(jī)車(chē)的起動(dòng)粘著牽引重量都要小于運(yùn)行牽引重量，因此，只計(jì)算重載上坡條件下電瓶機(jī)車(chē)的起動(dòng)粘著牽引重量。

電瓶機(jī)車(chē)起動(dòng)粘著牽引重量：機(jī)車(chē)粘著牽引力≥坡道阻力+列車(chē)綜合運(yùn)行阻力+加速慣性力。即：G機(jī)×μ粘≥(G機(jī)+G編)×(μ軌+μ坡+a/g)

故G機(jī)≥G編×(μ軌+μ坡+a/g)/[μ粘-(μ軌+μ坡+a/g)]

式中：G機(jī)為機(jī)車(chē)重量；G編為機(jī)車(chē)最大牽引重量，為286.2t；μ軌為軌線坡度，此區(qū)間最大為27.636‰；μ坡為隧道坡道綜合阻力系數(shù)，為0.008；μ粘為機(jī)車(chē)粘著系數(shù)，為0.26；a為編組加速度，取0.05m/s2；g為重力加速度，9.8m/s2。

經(jīng)計(jì)算G機(jī)≥53.17t。因此，在27.636‰坡度下，所有渣斗全部裝滿(mǎn)渣土后，至少需要53.17t機(jī)車(chē)滿(mǎn)足牽引，考慮適當(dāng)冗余，選單臺(tái)55t電瓶機(jī)車(chē)合理，滿(mǎn)足要求[3]。

3.2 編組列車(chē)的配置

牽引車(chē)是盾構(gòu)施工運(yùn)輸列車(chē)編組的牽引動(dòng)力，牽引車(chē)的選擇直接關(guān)系到隧道內(nèi)運(yùn)輸是否滿(mǎn)足施工的順利進(jìn)行，根據(jù)上述計(jì)算結(jié)論選擇55t電瓶機(jī)車(chē)，滿(mǎn)足要求。單列編組列車(chē)配置為：1節(jié)電瓶機(jī)車(chē)(55t)、5節(jié)渣土車(chē)(22m3/節(jié))、1節(jié)漿液車(chē)(8m3/節(jié))以及2節(jié)管片車(chē)。

4 軌線布置結(jié)構(gòu)形式分析

4.1 掘進(jìn)工序分析

本區(qū)間根據(jù)實(shí)際施工統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)間每循環(huán)平均掘進(jìn)時(shí)間約為60min；管片安裝每環(huán)管片平均安裝時(shí)間為50min(熟練時(shí))；卸砂漿、下管片及材料時(shí)間為8min。

一個(gè)循環(huán)時(shí)間為：掘進(jìn)半環(huán)(min)+車(chē)出(min)+車(chē)進(jìn)(min)+掘進(jìn)剩下半環(huán)(min)+管片拼裝(min)，該時(shí)間為盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)完成1環(huán)的所有工序總用時(shí)時(shí)間，其中掘進(jìn)完下半環(huán)編組出洞和下一環(huán)上半環(huán)編組進(jìn)洞的時(shí)間與管片拼裝時(shí)間重合。列車(chē)按照平均行車(chē)速度5km/h、隧道最長(zhǎng)2km，計(jì)算列車(chē)進(jìn)出分別為24min。

綜上所述，掘進(jìn)完成一環(huán)的時(shí)間為158min。其中，掘進(jìn)完上半環(huán)編組出洞和下半環(huán)編組列車(chē)進(jìn)洞這段時(shí)間為停機(jī)等待時(shí)間，在該工序過(guò)程中盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)一個(gè)循環(huán)停機(jī)等待時(shí)間為：出洞(min)+進(jìn)洞(min)，在盾構(gòu)區(qū)間最長(zhǎng)距離2km時(shí)，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)一個(gè)循環(huán)停機(jī)等待時(shí)間為48min。為了提高隧道施工效率，避免盾構(gòu)機(jī)停機(jī)等待，需加強(qiáng)施工過(guò)程控制，對(duì)施工工藝和施工方法做修改調(diào)整，合理增加相應(yīng)技術(shù)措施，提高施工生產(chǎn)效率和實(shí)現(xiàn)成本控制。

4.2 道岔結(jié)構(gòu)形式

道岔具有數(shù)量多、構(gòu)造復(fù)雜、使用壽命短、限制列車(chē)速度、行車(chē)安全性低、養(yǎng)護(hù)維修投入大等特點(diǎn)，與曲線、接頭并稱(chēng)為軌道的三大薄弱環(huán)節(jié)。它的基本形式有三種：線路的連接、交叉、連接與交叉的組合。而在地鐵隧道施工中道岔使用形式相對(duì)單一，主要道岔形式為單式對(duì)稱(chēng)道岔(雙開(kāi)道岔)、左開(kāi)道岔和右開(kāi)道岔，道岔又分為普通道岔和浮放道岔。根據(jù)施工工藝要求與實(shí)際施工需要選擇適合的道岔形式[4]。

4.3 軌線布置結(jié)構(gòu)形式分析

軌線布置形式有單線制軌線布置、四軌三線制軌線布置和復(fù)合式軌線布置。

4.3.1 單線制軌線布置

由一條主軌道延伸至盾構(gòu)機(jī)后配套，隧道區(qū)間內(nèi)沒(méi)有會(huì)車(chē)區(qū)，而在隧道口布置一副雙開(kāi)道岔供洞外調(diào)車(chē)使用，編組列車(chē)運(yùn)輸時(shí)只能一列編組完成一個(gè)工序循環(huán)后，另一列編組才能進(jìn)洞進(jìn)行下一個(gè)工序循環(huán)，兩列編組不能同時(shí)駛?cè)攵磧?nèi)，這樣的軌線形式為單線制軌線布置。單線制軌線布置優(yōu)缺點(diǎn)如下：

(1)優(yōu)點(diǎn)：軌道需要量少，施工投入成本低，編組列車(chē)運(yùn)行管理較簡(jiǎn)單。

(2)缺點(diǎn)：只適用于短區(qū)間隧道施工，否則編組列車(chē)運(yùn)輸脫節(jié)會(huì)使盾構(gòu)機(jī)停機(jī)等待；不利于應(yīng)付突發(fā)故障和事件；工序的適應(yīng)性差，當(dāng)工序脫節(jié)時(shí)難以臨時(shí)調(diào)車(chē)彌補(bǔ)。

4.3.2 四軌三線制軌線布置

由兩條軌道延伸至盾構(gòu)機(jī)后配套，在盾構(gòu)機(jī)后配套后設(shè)一副浮放道岔，可以由盾構(gòu)機(jī)或電機(jī)車(chē)拖移。通過(guò)浮放道岔編組列車(chē)可以由側(cè)面兩根軌道進(jìn)入盾構(gòu)機(jī)后配套內(nèi)。一列編組列車(chē)裝渣時(shí)，第二列編組列車(chē)在輕車(chē)道上等待；一列編組列車(chē)裝渣完成后行駛至重車(chē)車(chē)道上，第二列編組列車(chē)可以及時(shí)駛?cè)牒笈涮變?nèi)完成下一個(gè)循環(huán)的裝渣。四軌三線制軌線布置優(yōu)缺點(diǎn)如下：

(1)優(yōu)點(diǎn)：左右兩線的運(yùn)輸互不干涉，運(yùn)輸可以連續(xù)進(jìn)行，區(qū)間長(zhǎng)短都適用；對(duì)編組配置的靈活性較大；編組列車(chē)的運(yùn)渣量與編組列車(chē)數(shù)量受運(yùn)行因素的影響較?。痪幗M列車(chē)的調(diào)度較靈活，有利于應(yīng)付突發(fā)故障和事件；工序適應(yīng)性較強(qiáng)，當(dāng)工序變動(dòng)或脫節(jié)時(shí)便于及時(shí)調(diào)車(chē)。

(2)缺點(diǎn)：軌道需求量增大將近一倍，施工投入成本高。

4.3.3 復(fù)合式軌線布置

由一條主運(yùn)輸軌線延伸至盾構(gòu)機(jī)后配套，仍為單線制軌線的形式，在盾構(gòu)機(jī)后配套后設(shè)兩副浮放道岔組成會(huì)車(chē)區(qū)。當(dāng)隧道特長(zhǎng)時(shí)在隧道中部可增設(shè)雙線會(huì)車(chē)區(qū)，可以是固定的，也可以是移動(dòng)式的，運(yùn)輸系統(tǒng)參數(shù)根據(jù)會(huì)車(chē)區(qū)間隔距離計(jì)算而確定，既節(jié)省軌道又滿(mǎn)足特長(zhǎng)盾構(gòu)區(qū)間施工運(yùn)輸?shù)男枰?。?dāng)隧道區(qū)間短時(shí)，復(fù)合式軌線相當(dāng)于四軌三線制軌線，利用盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)間，另一列空的編組列車(chē)可駛?cè)朐诤笈涮缀蟛繒?huì)車(chē)區(qū)等待。

復(fù)合式軌線制兼有單線制軌線和四軌三線制軌線的優(yōu)點(diǎn)。

4.4 運(yùn)輸軌線布置分析

根據(jù)上述盾構(gòu)掘進(jìn)工序與軌線布置結(jié)構(gòu)形式分析，隧道施工洞內(nèi)采用單線制軌線布置掘進(jìn)停機(jī)等待時(shí)間比較長(zhǎng)，不利于項(xiàng)目進(jìn)度控制和成本控制。為了彌補(bǔ)盾構(gòu)掘進(jìn)停機(jī)等待時(shí)間，項(xiàng)目增加相應(yīng)的技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)更優(yōu)異的成本控制和進(jìn)度控制，在軌線布置結(jié)構(gòu)形式分析中，了解了各形式軌線布置的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，從進(jìn)度控制最優(yōu)化和成本控制最低化來(lái)進(jìn)行選擇軌線布置結(jié)構(gòu)形式。若選擇四軌三線制軌線布置形式，左右兩線軌道的運(yùn)輸互不干涉，運(yùn)輸可以連續(xù)進(jìn)行，區(qū)間長(zhǎng)短都適用，但是軌道需求量增大將近一倍，不利于項(xiàng)目的成本控制；選擇復(fù)合式軌線布置兼有單線制軌線和四軌三線制軌線的優(yōu)點(diǎn)，其主運(yùn)輸軌線仍為單線制軌線。

根據(jù)上述分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和工藝要求，本盾構(gòu)區(qū)間隧道采用一環(huán)兩列編組配置，選擇復(fù)合式軌線布置。首先在洞口位置布設(shè)一副普通雙開(kāi)道岔，根據(jù)施工工序要求，在洞口安裝道岔需拆除負(fù)環(huán)管片后重新布設(shè)，原有軌線需要拆除再重新布設(shè)道岔，選擇普通雙開(kāi)道岔可以提前將道岔組裝完成，安裝道岔時(shí)可以直接整體吊裝下井，固定道岔后進(jìn)行后續(xù)軌道的延伸，比現(xiàn)場(chǎng)組織道岔節(jié)省時(shí)間，從而保證隧道施工進(jìn)度。在施工過(guò)程中方便一列電瓶編組列車(chē)進(jìn)行水平運(yùn)輸時(shí)，另一列車(chē)可以進(jìn)行裝卸車(chē)等垂直運(yùn)輸，滿(mǎn)足洞外調(diào)車(chē)要求。在隧道掘進(jìn)較長(zhǎng)距離時(shí)，再增加一列編組列車(chē)，在掘進(jìn)后期投入隧道掘進(jìn)施工，實(shí)現(xiàn)三列編組列車(chē)互調(diào)，減少后期盾構(gòu)機(jī)停機(jī)等待時(shí)間。區(qū)間隧道單線長(zhǎng)為2km，在掘進(jìn)后期時(shí)，根據(jù)隧道施工實(shí)際情況，計(jì)算隧道內(nèi)最佳安裝錯(cuò)車(chē)平臺(tái)組成會(huì)車(chē)區(qū)的位置，提高隧道施工效率，從而最大限度保證隧道施工進(jìn)度和成本控制。在選擇軌線布置形式和道岔時(shí)，必須保證調(diào)車(chē)靈活、快速、安全，有序、銜接緊密，便于應(yīng)對(duì)突發(fā)故障和事件，保證施工安全[5]。

根據(jù)盾構(gòu)機(jī)和牽引機(jī)車(chē)尺寸要求，以及運(yùn)輸限制條件，隧道施工水平運(yùn)輸軌道選用43kg/m軌道，其盾構(gòu)機(jī)后配套軌道軌距為2910mm，編組列車(chē)軌道軌距為970mm，編組列車(chē)軌道位于盾構(gòu)機(jī)后配套軌道中間。軌線布置時(shí)保證兩列電瓶機(jī)車(chē)運(yùn)行安全、出土口與渣斗的安全距離，雙軌行區(qū)兩車(chē)道中心距至少為2140mm。為滿(mǎn)足盾構(gòu)施工高效順利地進(jìn)行，綜合考慮材料節(jié)省，牽引機(jī)車(chē)運(yùn)輸軌枕布置分為洞外平坡段、爬坡段、道岔段、降坡段、正常段，分別用10#槽鋼、20#工字鋼、20#工字鋼、20#槽鋼、20#槽鋼作為軌枕基材。

5 結(jié)論

地鐵盾構(gòu)法施工中合理地選擇編組列車(chē)的配置和軌線布置形式是保證整體隧道施工順利有序進(jìn)行的重點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)施工管理人員應(yīng)結(jié)合施工工序流程與生產(chǎn)調(diào)度的具體情況，遵循隧道施工運(yùn)輸系統(tǒng)安全、合理、經(jīng)濟(jì)的原則，重點(diǎn)安排好各工序的銜接與調(diào)度工作，提高隧道施工生產(chǎn)效率，嚴(yán)格按照施工規(guī)范進(jìn)行，最大限度地保證隧道施工安全、有序地開(kāi)展。