地铁盾构施工水平垂直运输方案探讨

摘要：以中铁二十二局集团轨道工程有限公司成都地铁6号线13标项目三中盾构区间为案例，阐述了地铁盾构施工运输系统构成和运作等内容，重点从水平运输、垂直运输、设备编组等方面进行详细分析与计算，为盾构施工水平垂直运输方案制定、设备编组以及整个盾构施工效率提升提供借鉴与参考。

关键词：盾构施工；水平运输；垂直运输；设备编组；生产进度

0" "引言

盾构施工作为地铁施工项目的重要组成部分，直接关系到地铁项目的成功与否。其中制定盾构水平垂直运输方案是开展地铁盾构施工的技术准备和后勤保障，对保证盾构施工进度、施工安全、成本管控极具现实意义。

本文以成都地铁6号线13标项目三中盾构区间为案例，阐述了地铁盾构施工运输系统构成和运作等内容，重点从水平运输、垂直运输、设备编组等方面进行详细分析与计算，为盾构施工水平垂直运输方案制定、设备编组以及整个盾构施工效率提升提供借鉴与参考。

1" "工程概况

1.1" "工程基本情况

成都地铁6号线一、二期工程土建13标为两站三区间，分别为三色路站、中和站以及金三区间、三中区间、龙灯山出入场线区间。其中，三中区间出三色路站后沿规划三色路下方进行敷设，然后转入绕城高速两侧防护绿地内并下穿绕城高速路基，最后转入中柏大道进入中和站。区间起始站为地下三层站，终点站为地下两层站。线路设计最大坡度26‰，最小坡度6‰。覆土10.5～17.5m。

线路以直线出三色路站后设置一段半径为450m的平面曲线，后接直线，再分别接半径为600m、500m、500m的曲线，最终以直线进入中和站。三中区间采用盾构法施工，盾构左线长为2589.9m、右线长为2593.6m，盾构穿越地层基本为泥岩地层，部分地段为上部砂卵石、下部泥岩的复合地层。

1.2" "施工过程

本区间投入2台铁建重工盾构机进行区间隧道施工作业。盾构从三色路站大里程端始发，通过区间风井后二次始发到达中和站小里程端接收吊出。区间详细施工组织计划如下：三中区间盾构始发井设置在三色路站大里程端，盾构始发出三色路站后向南掘进，通过中间风井，然后到达中和站小里程端。

2" "盾构施工运输系统构成及原理

2.1" "系统构成

盾构掘进施工运输调度的主要工作分为盾构施工水平运输与垂直运输的调度管理[1]。盾构施工运输系统，包含垂直运输和水平运输两大部分。垂直运输主要由门式起重机在车站实现，水平运输则通过编组的电瓶机车在盾构区间进行完成。

2.2" "系统运作

2.2.1" "水平运输过程

长距离隧道掘进效率与水平运输设备的关系尤为重要，水平运输的能力在很大程度上制约了隧道的掘进速度[2-3]。水平运输的主要工作内容是使用电瓶机车编组，将管片、油脂等盾构生产所需物资运输至隧道内的盾构机处，并将盾构机掘进产生的渣土运回至隧道洞口。

机车编组为盾构机始发及掘进过程提供源源不断的设备物资供应和渣土清运。编组机车进入隧道时，管片运输车、砂浆运输车为重车，将管片和砂浆及其他材料运进，运渣车为空车。驶出隧道时，管片运输车、砂浆运输车为空车，运渣车为重车，将渣土运出。

2.2.2" "垂直运输过程

列车到达洞口的出渣井后，门式起重机把渣车车箱吊离地面相应的高度后，车箱随门式起重机小车横移到渣坑纵方向位置，再随门式起重机大车移动到渣坑横向位置。最后，利用设置在门式起重机上的翻转机构，随着吊钩的下落，车箱及渣土由于重心与转轴的不平衡而翻转卸渣，完成渣土的垂直运输。

三中区间的渣土起吊、管片及施工材料的下井均在三色路站进行垂直运输，后期不考虑在区间风井吊运任何材料，因此为满足隧道内长距离水平运输，在三色路站和区间风井处设置道岔，满足列车错车需要，以此加快施工进度。

3" "水平运输方案

3.1" "水平运输系统设计

盾构机始发阶段运输系统主要满足出渣、供料等施工需要，在充分考虑始发阶段第五段底板场地受限的情况下，作出以下安排[4]：一是盾构机始发阶段，采用单线编组列车。列车编组情况为1节电瓶车+2节渣土车+1节砂浆车+2节管片车。二是盾构机进入正常掘进状态后，站台内设双线会车道，隧道内设单线运输轨道，列车编组再增加2节渣土车，2列整编组进行循环作业。

3.2" "渣土车容量选择

本工程所采用的盾构机切削刀盘直径为6.28m，支护管片宽为1.5m，根据工程经验及成都地铁6号线地质情况渣土松散系数取1.3。基于以上数据，计算每掘进一环的渣土体积。每环理论渣土体积计算公式如下：

V1=πR2L=46.44m3" " " " " " （1）

式中：V1为每环理论渣土体积，单位为m3；R为盾构机刀盘开挖半径，单位为m；L为管片宽度，单位为m。

将数据代入式（1）计算可得每环理论渣土体积V1为46.44m3。

实际每环渣土体积V2计算公式如下：

V2=V1μ=60.37m3" " " " " " " （2）

式中：V2为实际每环渣土体积，单位为m3；μ为渣土松散系数1.3。

工程渣土隧道水平运输为4节17m3的渣土斗，实际运输过程中，每个渣土车斗装按利用率90%计算，即每个渣土车斗运输量为17m3×90%=15.3m3，每个编组列车能运输量为4×15.3=61.2m3。其运输量大于每环掘进渣土量60.37m3，因此渣土车容量满足工程要求。

3.3" "砂浆车容量选择

每环掘进所注砂浆为刀盘切削渣土体积减去管片的外径所占体积，每环掘进所注砂浆量V3计算公式如下：

V3=π（R2-r2）Lμ=6.08m2" " " " " （3）

式中：R为盾构机刀盘开挖半径，单位为m；L为管片宽度，单位为m；r为管片外径，单位为m；μ为砂浆填充系数，取1.5。考虑到隧道坡度、砂浆泵送过程中泄漏等情况，选择1节8m3砂浆车满足使用要求。

3.4" "电瓶机车选择

3.4.1" "基础数据选择

隧道左、右线各布置1列电瓶机车，用以牵引整个编组设备，完成整个隧洞内的水平运输。实际所需的机车黏重根据上述渣土质量和最大坡度（三中区间线路最大坡度26‰）对机车进行下列计算。

根据本项目研究区资料，轨线坡度26‰。每循环渣质量为120.74t，4辆17m3渣车运输车（驶出时为重车）质量为36t，1辆8m3砂浆车（驶出时为空车）质量为6t，2辆管片车（驶出时为空车）质量为4t。考虑用1列运输编组完成一循环渣土及辅料运输，因此编组为1节机车+4节渣土车+1节砂浆运输车+2节管片车。

3.4.2" "机车技术参数选择

由机车黏着牵引力≥坡道阻力+列车综合运行阻力+加速惯性力，经推导得知：

式中：a为加速度，取值0.05m/s2；G2为重载列车牵引总重，取值166.74t；μ1为隧道坡度，取值26‰；μ2为隧道坡道综合阻力系数，取值0.008；μ为机车粘着系数，取值0.26。

经计算得到，在26‰坡度下，至少需28.4t机车可牵引，考虑适量冗余，决定选用单台45t机车（公称黏重为45t）。

3.4.3" "车辆编组方案选择

根据上述计算结果得出隧道列车编组为：三中区间左线、右线的洞内水平运输，由一列45t电瓶机车牵引4节17m3渣土车、1节8m3砂浆运输车、2节15t管片车组成，1列编组在隧道完成掘进，1列编组在车站出渣下料，2列编组循环运行。每列编组出一环渣。

3.5" "水平运输功效分析

初步估算，盾构掘进每循环平均掘进时间约为40min。每环管片平均安装时间为30min。为节约2列编组进出隧道的会车时间，在三中风井安装换车道岔。金石站-三色站、三色路站-三中风井-中和站区间及车站总长为2870m，机车行车速度按照5km/h进行计算。

机车行车5km/h时1000m隧道运行功效如图1所示。从图1分析可知，水平运输系统电瓶机车组的配置不仅能够满足材料及设备调运，还能够保证施工工期的顺利实现。

4" "垂直运输方案

三中区间垂直运输主要由布置在三色路站南部的2台门式起重机完成，主要用于吊运井下电瓶机车水平运输的渣土、管片及隧道内使用的轨道、走道板等材料。三中区间门式起重机配置表如表1所示。

4.1" "门式起重机配置

三中区间左、右线共用2台门式起重机，主要进行渣土吊运、管片卸车、管片以及其他材料下井。2台门式起重机的起重量分别为45t、50t，轨距为26m，均为单悬臂，悬臂长为7.9m，有效最远吊装距离为5m。

由于管片每环6块，管片宽度为1.5m，总质量约22t，单块管片最大质量为4.4t。考虑进场管片的配车方式，3块最大质量的管片的质量约为13.2t，剩余3块管片的质量约为8.8t。因此门式起重机16t副钩能满足管片卸车及下井垂直运输能力需求。

每列计划设置4个17m3渣斗，采用45t和50t门式起重机出渣，结合场地布置，2台门式起重机可同时服务于2条线的渣车编组。渣土运输计算如表2所示。

根据上述计算结果得出，1台45t和1台50t的门式起重机能满足三中区间管片、渣土及其他材料吊运使用要求，主要负责现场的盾构始发设备下井、渣土吊运工作、管片吊装及其他辅助材料、小型机具吊装。

4.2" "垂直运输功效分析

垂直运输系统能力的所有因素中，唯一没有选择余地的是门式起重机的提升速度。重物在自由状态下提升速度一般不超过15m/min。门式起重机大车、小车运行速度一般为0～25m升速度，根据其提升速度、大车与小车的运行速度计算，得到每台门式起重机每天的极限提升循环车数约为45车。

渣车容量的大小是制约垂直运输能力的主要因素，渣车容量越大则垂直运输能力越大，故选用17m3渣斗。垂直运输能力如表3所示。

经垂直运输功效分析不难看出，门式起重机配置1台45t/16t和1台50t/16t不仅能够满足材料及设备调运，而且能够保证施工工期的实现。

5" "结束语

盾构施工是一项综合性施工技术，其水平垂直运输是控制盾构施工生产进度的关键因素之一，高效可行的水平垂直运输方案对保证盾构施工进度、施工安全、成本管控极具现实意义。

编制高效的盾构水平垂直运输方案既要掌握工期安排、熟悉施工场地，也要对门式起重机、电瓶机车、渣土车、砂浆车、管片车等配套设备参数及性能有全面的市场调查及分析，这样既能达到保证安全施工前提下满足盾构施工水平垂直运输需求，又要避免因设备运输能力过剩导致成本增加。

参考文献

[1]" 徐道亮.土压平衡盾构高含水量出渣技术研究[D].武汉：中南大学，2014.

[2]" 曾雪松.浅谈长距离隧道盾构掘进的排水、通风及水平运输[J].四川建材，2006，31（6）：222.

[3]" 孙增田，于文龙.浅析地铁施工临时孔洞的运输功能及封堵施工[J].工程建设与设计，2018（20）：132-133.

[4]""""" 董敏.浅谈地铁盾构施工中轨道运输方案的选线[J].中国科技信息，2012（5）：50+53.