小直径土压平衡盾构大坡度防溜车技术

谢晓辉

(广州珞珈环境技术有限公司，广东 广州 510030)

1 研究背景

随着我国城际轨道交通、地铁、水利等非开挖隧道工程的增多，在越来越有限的地下空间中纵横交错，甚至是采用小直径转弯达到规划要求，对地下盾构施工及大坡度水平运输提出了更高的要求。

为解决上述施工难题，通过调整合适的盾构机掘进参数，采用黏土输送泵从盾体径向孔向下泵送合适黏度的黏土，对壳体周边不断加压填充，局部增强土体承载力，同时为壳体提供反作用力，达到辅助调整盾构机姿态的目的，在电机车上增设双向应急防溜装置，降低水平运输溜车、出轨概率，减小溜车带来的危害。通过试验和改进研制出“双向应急防溜制动装置”[1]，分别在220 kV石井～环西(西湾路～石沙路段)土建工程(施工2标)及长沙市万家丽路快速化改造北延线电力隧道工程项目中成功应用，其核心技术“电机车双向应急防溜制动装置”已获得国家专利，关键技术“小直径土压平衡盾构大坡度防溜车技术”于2021年9月4日经由广东省建筑业协会组织鉴定，其技术水平已达到国内领先水平。

2 工法特点及适用范围

1)构造简单、灵活、占用空间小、成本低、操作简单方便。

2)冲击载荷小、安全性较高、可循环使用。

3)使用环保无污染，对周边环境无影响。

4)本工法适用于地铁、电力管廊、供水管道等采用电机车水平运输的隧道施工。

3 工艺原理

选用球形主动铰接系统盾构机，满足小半径盾构机在大坡度条件下的爬坡要求，解决了盾构机在大坡度软弱地层中掘进问题；在电机车上增设双向应急防溜制动装置，降低了大坡度水平运输溜车风险，降低对轨道的破坏，节约轨道维修时间，节省电机车出轨造成的轨道、轨枕、走道板等维修费用，保障了盾构水平运输及地表建筑物安全。

4 施工工艺流程及操作要点

4.1 施工工艺流程

1)装置组装安装流程。双向应急防溜制动装置的主要分5个部分：制动托架、制动器、前进限位墩、气动系统。具体组装流程见图1。

图1 制动装置组装流程图

2)制动装置工艺流程。制动装置施工工艺流程见图2。

图2 制动装置工艺流程图

4.2 操作要点

根据隧道58‰大坡度及电机车载重重量，首先确定符合大坡度水平运输的电机车，盾构始发井长度23 m，水平运输采用电机车两列编组：a列电机车牵引1节8 m3渣车、1节4 m3砂浆车和2节管片车，长度21.2 m；b列电机车牵引2节8 m3渣车及1节管片车，长度19.8 m。

工程使用的管片外径4.1 m，内径3.6 m，宽度1 m，一环管片共6块，总重量约8.07 t，两列编组总重量分别为Qa=20+7+11.2+3.5+6+(2.5+8.07)×2=68.84 t；Qb=20+(7+11.2)×2+2.5+8.07=66.97 t。

以最大载重的a列编组作为计算对象。

1)下坡制动距离计算[2]。根据电机车的技术参数，取运行阻力系数u为0.006；取最大下坡度im为54‰；假定P为电机车质量，Q为后续车组质量，重力加速度g取9.8 m/s2。

则列车的制动距离Lz为：

=11.86 m<40 m，满足制动要求。

式中，vch为一个参数，表示持续速度；α为制动状态的粘着系数。

2)上坡牵引力的计算。考虑最不利情况计算，即在隧道最大坡度58‰进行a列编组水平运输，取最大上坡坡度im为58‰，根据下式计算电机车的阻力：

W=(P+Q)(u+i)g=68.84×(0.006+0.058)×9.8=43 kN

电瓶车牵引力44.5 kN>43 kN，满足牵引要求。

故隧道水平运输采用2台XBQ20型电瓶牵引机车满足牵引要求。机车整备重量20 t，启动牵引力44.5 kN，持续牵引力60 kN，持续速度8.8 km/h，最高速度20 km/h，空气制动装置采用双侧闸瓦制动，空气压缩机额定风量0.5 m3/min。

在58‰大坡度隧道中运输存在打滑、溜车等情况。电机车驻车或者行进过程中，如刹车系统出现故障发生溜车紧急情况，制造一种为机车提供足够的制动装置并固定在机车与运输车之间的间隙，在机车运行或者溜车等紧急情况下，通过气动装置解除制动装置与机车的约束，使制动装置自由落体并吸附于机车行走轨道上，当机车轮子转至制动装置上，轮子与轨道之间的滚动摩擦改变为制动装置与轨道的滑动摩擦，机车自身重力作用于制动装置增大摩擦力达到机车制动效果。双向应急防溜制动装置的主要分5个部分：制动托架、制动器、前进限位墩、气动系统，如图3所示。

图3 双向应急防溜装置照片

制动托架：根据电机车车头与连接板的实际空间大小制定适用的托架尺寸，石环项目采用钢结构形式，由1根长度为1.2 m和2根0.3 m两节槽钢组成，主要承受制动器的重力及确保制动器在非工作状态与轨道保持5 cm距离。1.2 m槽钢焊接固定在牵引机车尾部，2根0.3 m槽钢分别水平焊接固定在1.2 m槽钢的0.52 m中心两端位置，并在末端增设卡孔垫片，在拖架上设置2个气动阀，气动阀的伸缩杆穿过制动器的挂耳，满足制动器悬挂、平衡固定的要求。

制动器：采用2 cm厚钢板制成长×宽×高尺寸为46 cm×17 cm×23 cm的2个“铁靴”，中间通过1根长722 mm横杆将铁靴两端悬挑，在横杆对称位置设置挂耳，确保制动器平稳固定在机车上，并在自由落体过程中平稳落在轨道上；在制动器底部增设2块强离磁铁，防止制动器降至轨道面后反弹；与轨道接触面固定聚氨酯板，增加制动器与轨道面的摩擦力。

前进限位墩：长×宽×高为20 cm×17 cm×22 cm，将1 cm厚钢板焊接制成的限位墩根据轨道距离设置固定在牵引车与运输车的连接端，高度、斜角与牵引车尾部一致，为机车制动传递足够的摩擦力，防止机车向前溜车。

气动系统：在驾驶室设置1个气动阀供气的电磁阀控制装置，为制动托架上的气动阀提供足够的气压，一旦出现开启驾驶室的电磁阀，控制电机车自身的气动系统向气动阀输送足够压力的空气，使气动阀的伸缩杆收缩，当收缩量小于制动器的悬挂临界值时，制动器自由落体下降至轨道面，一旦电机车车轮或限位墩与制动器接触，可实现电机车车轮与轨道的点摩擦转变为制动器与轨道的线摩擦，摩擦面积增大，摩擦力相应增大，提高电机车的制动效果。为机车出现故障或者紧急溜车情况增加一道“安全锁”。

5 材料与设备

本工法所需主要材料有1环管片、24 m3渣土、12 m轨道、6条轨枕，均用于载重。

本工法所需主要设备和机具有1台5 m黏土输送泵，用于填充土体/调整掘进机姿态；1台25 t龙门吊和2台25 t电瓶车，分别用于材料、设备垂直和水平运输；1台全站仪，用于盾构机姿态测量。

6 效益分析

6.1 经济效益

经济效益以220 kV石井～环西电力隧道(西湾路～石沙路段)土建工程(施工2标)为例进行分析，经济效益为34.2万元。

常规直径盾构法施工，在轨道转弯处容易出现出轨情况，每次出轨抢修至少1个台班，除破损轨道、轨枕、走道板等修复或更换，间接增加当班作业人员14人，管理人员2人，综合费用=材料费+间接人工费=20万元+14人×0.8万元/人+2人×1.5万元/人=34.2万元。项目部采用小直径土压平衡盾构大坡度防溜车技术，并采取一系列技术措施，经过施工成本核算，在大坡度剩余800 m大坡度及小直径半径隧道施工中，考虑只出现一次出轨情况，合计减少成本34.2万元。

6.2 社会效益

小直径土压平衡盾构大坡度防溜车技术通过实践成功应用，通过选用球形主动铰接盾构机和电机车上增设双向应急防溜制动装置，满足小半径盾构机在大坡度条件下的爬坡要求[3]，保障了电机车大坡度运输安全，降低对轨道的破坏，节约轨道维修时间，节省电机车出轨造成的轨道、轨枕、走道板等维修费用，保障了盾构水平运输及地表建筑物安全，各项创造性和先进性技术得到了验证，具有施工安全、可靠、环保等特点，赢得了各参建单位及业主单位的好评，获得了良好的社会效益。随着城市轨道交通建设规模的扩大，盾构在大坡度段软土地层中掘进的项目越来越多，本项目的技术研究将对以后类似工程提供重要的参考。

7 应用实例

220 kV石井～环西(西湾路～石沙路段)土建工程(施工2标)位于广东省广州市白云区，主要工程量包括4、5、6号工作井及区间隧道，其中，隧道直径4.1 m，采用4360土压平衡盾构机施工，里程DK4+184.99～DK4+384.99范围200 m坡度58‰，里程K4+384.99～DK4+534.99范围150 m坡度54‰。项目开工日期为2016年2月22日(可为分项分部工程的开工-验收时间)。

广州220 kV石井～环西电力隧道(西湾路～石沙路段)土建工程(施工2标)主要工程量为4、5、6号工作井及4～6号工作井区间隧道，位于广州市白云区，隧道采用盾构法施工，从4号工作井始发，沿西槎路、石槎路地下南北敷设，途经5号工作井，最终由6号工作井吊出，隧道水平运输采用2台XBQ20型电瓶牵引机车，机车整备重量20 t，启动牵引力44.5 kN，持续牵引力60 kN，持续速度8.8 km/h，最高速度20 km/h，空气制动装置采用双侧闸瓦制动，空气压缩机额定风量0.5 m3/min。

隧道最大坡度58‰，为防止电机车在驻车、行进过程中刹车失灵或失效等造成溜车情况发生，在牵引机车与运输车之间增设双向防溜装置，通过在驾驶室设置电磁阀控制机车自身气动系统，向气动阀输送足够气压的空气使其收缩，联动卡栓收缩时制动器下降至轨道，机车与制动器发生接触实现机车制动效果，在大坡度隧道水平运输过程中，存在短距溜车情况，但未发生一起出轨事故，在20‰坡度试验段进行试验，电机车以5 km/h的速度空车运行，通过双向应急防溜装置制动，制动距离约2.8 m。

8 结束语

随着我国经济社会的发展，城市及城际轨道交通建设规模的扩大，盾构隧道的埋深越来越大，地质情况越来越复杂，存在淤泥质土、液化砂层甚至溶土洞等不良地质的情况，增加了施工安全风险。该技术成果较好解决了这些难题，有效控制隧道掘进机姿态，保证了施工安全和工程质量；同时大大节约人力、物力的投入，其综合效益非常显著，能为同类地质条件背景下非开挖施工提供新的技术措施，推广应用前景广阔。

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