地铁TBM出渣系统研究及应用

王文胜

(中铁十一局集团汉江重工有限公司 湖北襄阳 441006)

1 引言

随着我国经济持续发展、城市化进程越来越快、规模越来越大，地铁轨道交通在各大城市得到了飞速发展。由于城市施工场地空间有限，特别是在老城区、繁华街区等，不适合大型机械施工，且对施工噪声等要求严格。对于掘进区间长、埋深较大的隧道，出渣效率已成为影响施工进度的重要因素。在工程施工中，出渣速度快慢，将直接影响着掘进施工效率，可见，隧道出渣方案及设备选型是否合理，对于提高设备利用率、施工效率、经济效益具有十分重要的意义。

在地铁隧道施工中，合理配置机械设备，发挥单体设备技术性能，并使隧道施工机械设备之间的参数匹配，降低能耗，减少重复投资，是施工单位研究的重要内容。目前，龙门吊技术成熟、生产系列化、制造和维护成本低，在地铁隧道施工工程中，绝大部分使用龙门吊完成弃渣和材料垂直运输。随着皮带输送机出渣技术及施工技术[1－4]的不断进步和完善，在地铁单护盾和双护盾等岩石掘进机施工中也逐步得到推广应用。许多学者和专家将研究科研成果转化应用，如杨庆辉[5]分析了地铁TBM(隧道掘进机)施工出渣方式及优缺点；王华、齐梦学、王逢松、张万照等人[6－9]分别研究了带式输送机出渣技术等。

本文结合青岛地铁1号线双护盾TBM施工，分析了现有出渣方式对TBM施工进度制约，并从空间要求、经济效益、应用实例等方面综合考虑，提出了全新的TBM渣土处理解决方案。通过施工工艺研究及渣土运输车、翻车机、皮带输送机3种设备的成功研制，为TBM在地铁施工领域更快、更好的运行和发展提供了参考借鉴方案。

2 工程概况及施工方案

青岛地铁1号线起于东郭庄站，途经城阳区、李沧区、市北区、市南区、黄岛区，止于王家港站，总体呈南北走向，全长21.9 km。团岛－西青轨排井区间包含3站3区间，区间选用双护盾TBM，采用先站后隧法施工，区段由并行的上行、下行线2条隧道组成。由于始发井位于团岛军营内，位置特殊，竖井不在隧道正上面，无法通过地铁门吊出渣，需研究皮带输送等其他出渣技术方案。

本文针对青岛地铁隧道特殊环境和TBM施工特点，提出了全新出渣施工方案，如图1所示。该方案是由渣土运输车负责将TBM掘进产生的渣土从隧道前方运输到翻车机内，再由翻车机固定渣土车并翻转卸渣至下方皮带上，通过皮带输送机转运到运渣卡车车厢内，然后将渣土运输到指定位置。

图1 施工方案

3 设备研究

本工程出渣系统主要由渣土运输车、翻车机、皮带输送机组成。根据TBM施工出渣量，提出三种设备基本技术指标，并进行了设计研究。

3.1 TBM施工出渣量

掘进每环产生渣土量:

3.14×6.22/4×1.5×1.5≈68 m3/环

掘进速度按8环/d计算，2台TBM施工产生最大渣土量:

68×2×8＝1 088 m3/d

3.2 技术研究

3.2.1 渣土运输车研究

根据TBM施工运渣需求及隧道断面，掘进每环渣土选择配备4台渣土车进行运输，则渣土车容量至少需要68÷4＝17 m3/台，考虑裕度，需设计渣土车容量为18 m3/车，且外形尺寸需要控制为7.4 m×1.6 m×2.4 m(长×宽×高)。

渣土运输车包含电机车、渣土车。电机车是根据地铁工程机械化施工要求而开发研制的，由车架、走行系统、制动系统、牵引传动系统、超级电容器模块、操纵控制系统等部分组成，用于TBM渣土运输的专用牵引机车，具有电制动、气制动系统以及防滑钩，避免出现溜车危险。渣土车由走行机构、车体、渣土斗和制动装置组成，采用前后分离式走行机构，与车体之间采用芯盘连接，实现承重和转向功能，再将轮组的制动汽缸设置为常闭机构，前后采用快速插头，整体结构简单，功能全面，如图2所示。

图2 渣土车三维图

3.2.2 卸渣翻车机研究

分析单车翻车机[10]、双车翻车机[11]、四车翻车机[12]等优缺点，针对本项目设计了三种型式初步方案，对比分析见表1。综合考虑施工效率、自动化程度、设备成本、维护成本等因素，本工程项目选择双车翻车机结构型式较为理想。

节水“三同时”制度在国内很多城市已经实施，但调研发现落实效果不好。究其原因，与没有完善的管理办法及配套的实施细则等有关。

表1 翻车机分析对比

双车翻车机主要由主体结构、压车机构、靠车机构、托辊机构、动力系统、液压系统、电气控制系统以及附属结构组成，如图3所示。双车翻车机设置有控制台，通过电液系统控制压车、靠车行动，动力系统通过齿轮机构驱动翻车机翻转。在翻车机初始位置、最终位置均设置有传感器，限制翻车机的翻转角度。

图3 翻车机三维图

3.2.3 皮带输送机研究

采用双车翻车机翻卸渣土车，TBM每环掘进渣土需2次翻卸，按照12～16 min/次计算，皮带输送机所需输送量最大为68×60÷12＝340 m3/h，同样考虑裕度，选择额定输送量为400 m3/h、输送带宽度为1 m、输送速度为1 m/min的输送机。

皮带输送机为皮带输送结构，分三段，额定输送量为1 020 t/h，如图4所示。选用橡胶皮带，硫化无缝对接、表面包胶处理，具有摩擦力大、强度高的特点。

图4 皮带输送机三维图

3.3 技术创新

TBM施工渣土皮带输送系统技术方案主要创新点:

(1)TBM施工出渣系统创新方案。依据地铁TBM施工运输环境复杂、设备安装空间小、转运难度大等不利因素，提出了TBM渣土皮带输送技术方案，为地铁TBM施工渣土运输提供了全新的解决方案。

(2)翻车机压靠机构创新设计。研发制造了新型靠车机构，该机构由传统的双油缸定向伸缩模式优化为单油缸自适应伸缩模式。新型靠车机构重量更轻，油缸数量更少，同时彻底消除了传统靠车机构油缸存在的径向力，油缸使用寿命大大增强。

(3)信息化控制系统创新应用。创新性地将CAN总线分布式IO网络设计方法应用到翻车机的控制系统，布线更加简单、控制延时少、控制安全可靠；应用了安全监控系统，为操作人员及时掌握TBM出渣设备实时运行状态提供了便利，减少安全事故发生；信息化平台实时显示配套设备运行中的各项参数，为故障处理提供参考，同时，还可通过电脑或手机登录指定网上平台，在线查看设备的运行状态和参数，便于项目智能化施工管理。

(4)电机车防溜车技术。电瓶车采用电制动方式，机车下坡道或减速运行，交流异步牵引电动机处于发电状态，将机车动能转化为电能通过变流器向超级电容器充电，当超级电容充满电的情况下可自动转换成电阻制动将能量消耗掉。当交流异步牵引电动机处于牵引状态时，超级电容器放电，为交流异步牵引电动机提供电能，实现了“节能降耗”、“绿色环保”效应。

4 工程应用

研制的出渣系统在青岛地铁1号线二标区间投入使用以来，运行状态良好，满足TBM隧道施工出渣要求，赢得相关建设单位好评，出渣系统现场施工如图5所示。该套设备主要优点:

图5 现场施工

(1)出渣效率高。翻卸渣土效率1.5 min/车，相比地铁出渣门吊提高4倍。

(2)操作简单便捷。1～2人即可完成全流程操作。

(3)安全性高。配置有防溜车装置、安全监控系统、信息化平台等。

(4)节能环保。采用超级电容，响应节能降耗、绿色环保等国家号召。

(5)噪声污染小，降低噪声扰民问题的发生。

5 结论

针对青岛地铁TBM施工地理位置、运输环境、设备安装空间、转运难度等特殊因素，研制了一套适用于地铁TBM施工的出渣系统，为地铁TBM施工渣土处理提供了全新的技术方案。该套设备成功应用，进一步促进TBM施工优势的发挥，不仅保证了总体掘进速度及总体工期，还降低了施工安全风险。该出渣系统具有操作便捷、自动化程度高、出渣效率高、环保无污染等特点，具有很好的应用前景与推广价值。