新型胶轮机车运行方式在大坡度盾构隧道施工中的应用

刘堂

（中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司，北京 101100）

0 引言

有轨运输和无轨运输技术相对成熟，不同的运输方式有其对应的适应环境，不同运输设备的工程适应性存在差异。文献[1]对比介绍了无轨胶轮机车与有轨机车材料运输方案的优缺点；文献[2]重点从工程应用和技术经济性方面研究胶轮机车在施工运输中的工程适用性，介绍了在缓坡隧道中运距为11km左右时有轨运输和胶轮机车运送施工材料的综合成本基本相当，运距较小时胶轮机车具有较大优势，运距较大时有轨运输的优势显著；文献[3]对轨道导引式胶轮机车的选型要素进行了研究，重点介绍了牵引力计算、制动特性及配置要求。

胶轮机车抓地能力强，可提供较大的牵引力和制动力，适用于大坡度洞内运输。过往胶轮机车运用案例中，大多是在隧道内修筑好的平面上运行，存在油耗高、故障率高、散热差、动力不足、运行速度低、轮胎磨损严重等问题，有的虽然也可以在弧面上行车，但方向控制要求较高。

本文就莫斯科地铁第三换乘环线东段大直径盾构项目隧道施工中采用胶轮机车运输施工材料进行探讨，分析其结构特点、使用优势，并创造性地提出在隧道管片弧面运行时的轮胎保护措施，使用了新的运行方式。

1 工程概况

莫斯科地铁第三换乘环线东段大直径盾构项目位于莫斯科东南部地区，紧邻莫斯科河。该工程共两个区间，总长2.947km，分别为1453m、1494m。区间隧道覆土深度11.9～23.4m，主要穿越地层为黏土层、砂质黏土层、砂层、富水细砂层。区间最小转弯半径400m，最大纵坡40‰。

隧道开挖采用铁建重工生产的DZ777土压平衡盾构机施工，由于盾构隧道埋深大、坡度陡、隧道与车站结构同步施工、井口空间狭小，出土采用塔吊+双头胶轮机车+连续皮带机方式。盾构开挖直径10.88m，单洞双线区间，管片外径10.5m，管片内径9.6m，厚0.45m，宽1.8m。

图1 莫斯科第三换乘环线东段大直径盾构项目区间平面示意图

2 胶轮机车基本结构

该胶轮机车额定载重为70吨，主要结构由车架、悬挂、驱动桥、从动桥、转向机构、驾驶室、动力系统、制动系统、液压系统、控制系统、电气系统等组成，总体结构如图2所示。

图2 双头胶轮机车结构组成

其结构组成特点如下：

1）以低污染柴油发动机作为动力源，尾气为国V标准，采用液压驱动。

2）中间车架用于装载预制管片、砂浆罐、渣土箱等物料，高度可随悬挂油缸的伸缩进行变动（100-350mm）；轮胎也跟随悬挂油缸的伸缩变换角度（如图3），从而实现在管片弧面与洞外平地不同行驶工况间的自如切换。

图3 轮胎与悬挂油缸

3）前后分别设置1个驾驶室，隧道内运行时无需调头即可实现前后运行。

4）配备3种转向模式，分别是直行、八字转弯、20°角斜行，最小转弯半径为50m，隧道内运行机动灵活。

5）配备2套制动系统，分别是作用于每个车轮的液压盘式制动器和用于紧急情况及驻车制动的弹簧空气制动器，制动性能可靠，重载最大行驶坡度为50‰。

6）配置完善的监控系统，通过驾驶室内的多功能显示器（如图4）时刻监测设备运行状态与参数，防止物料偏载、运行跑偏，确保行车安全。

图4 驾驶室内多功能显示器

3 经济性对比

以该项目1.5公里隧道为例，因采用皮带机出土，隧道内只需运输管片、砂浆和零散材料。胶轮机车与传统有轨内燃机车的经济性对比见表1。

表1 胶轮机车与传统有轨内燃机车的经济性对比

可见，胶轮机车运输方式较传统的有轨机车运输方式节约大量成本。

4 轮胎保护措施

在以往运用胶轮机车的项目中，轮胎损坏严重是最常见且最不好解决的问题（如图5），为确保胶轮机车性能在该项目的良好发挥，针对在隧道管片弧面运行提出了新型解决方案。

图5 某项目轮胎损坏照片

轮胎磨损主要原因在于轮胎受力不均、超载偏载、急刹车等。为使胶轮机车轮胎在管片弧面上均匀受力，减少轮胎损耗，经过验证，可通过将轮胎悬挂油缸设计成可伸缩、可调整角度形式，即在洞外平面上运行时，轮胎使用垂直模式，在隧道内管片弧面上运行时，轮胎使用“八”字模式（最佳角度为8°，如图6），达到轮胎正垂直管片接触面的效果。

图6 管片弧面上“八”字运行示意图

胶轮机车在进出隧道时，空载与重载工作时间各占50%。空载最大车速15km/h；重载最大车速10km/h。

前轴车轮载荷：空载：4000kg@0-15km/h；满载：10650kg@0-10km/h。

后轴车轮载荷：空载：5750kg@0-15km/h；满载：11225kg@0-10km/h。

图7为胶轮机车轮胎垂直于平面时的示意图，图8、图9为在隧道内不同轮胎角度受力分析图。

图7 平地

图8 弧面（一）

图9 弧面（二）

通过对比可知，胶轮机车在隧道内弧面运行时，根据管片内径将轮胎摆成8°角、正垂直于接触面时，轮胎胎面均匀受力，且受力较小，可以减少轮胎单边受力过大造成的不均匀磨损，起到轮胎保护效果。

另外，针对胶轮机车车体较长，在隧道内容易跑偏、不易操控，在各个驱动轮胎安装了角度编码器，在车架中心安装了平衡仪与测重仪，通过驾驶室内的多功能显示屏及时提示驾驶员车辆的运行状态，防止运行跑遍，可减少轮胎不均匀受力。

5 结语

该项目是国产胶轮机车在地铁大直径大坡度盾构隧道施工中的首次运用。通过对过往胶轮机车运用案例的分析，在本项目中创造性地提出隧道弧面运行时采用“八”字轮行驶的新型方式，同时增加防跑偏措施，优化了整车功能设计。经过实践检验，该项目胶轮机车性能表现优异，出色完成了既定作业任务，为项目节约了大量施工成本，也为胶轮机车在后续相似盾构隧道项目施工中的应用与推广提供了有利佐证。