成都地铁人天盾构区间施工运输组织设计.docx
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成都地铁人天盾构区间施工运输组织设计
成都地铁人天盾构区间施工运输组织设计
【内容提要】：
根据以往的盾构施工经验可知，影响盾构施工效率的三大因素为：
掘进因素、运输因素、渣土外运因素。
本文结合成都地铁1号线一期工程盾构2标工程实例，针对本标段单井相背始发的特殊施工工序及工序变化频繁的特点，通过综合考虑工程运输要求、设备性能、安全限界、运输车辆编组、掘进循环时间等因素进行盾构施工运输组织设计。
【关键词】：
盾构运输组织设计
1.工程概况
1.1工程简介
成都地铁1号线一期工程盾构2标区间线路处于人民北路和人民中路上由北向南，沿人民北路南部和人民中路敷设，其间在人民北路站～文武路站区间穿过万福桥，在文武路站～骡马市站区间从中银大厦、轻工大厦房屋侧穿过，在骡马市站～天府广场站区间穿过西御沿街人防通道、天府下穿隧道。
共三个区间，即人民北路站～文武路站区间、文武路站～骡马市站区间、骡马市站～天府广场站区间。
图1-1成都地铁1号线规划图
图1-2线路平面示意图
盾构区间隧道全长4799.09单线延米，为双孔圆形隧道。
隧道区间间距为11m～15m，拱顶埋深15～20m。
左线长2390.316m，右线长2407.774m。
其中人民北路站～文武路站，区间里程范围为Y（Z）CK5+664.400～Y（Z）CK6+796.600，左线长约1137m，右线长约1132m；文武路站～骡马市站区间里程范围为Y（Z）CK7+254.900～Y（Z）CK7+704.640，左线长约442m，右线长约450m；骡马市站～天府广场站区间里程范围为Y（Z）CK7+887.390～Y（Z）CK8+696.224，左线约长811m，右线长约826m。
左右线区间隧道各设平面曲线4个。
其中最小平面曲线半径400m，最大平面曲线半径3000m，最大坡度为27‰。
1.2工程重难点
1.2.1工程主要特点
本标段施工工法多，工序转换频繁。
工程施工范围包括盾构始发井；主体工程区间隧道；附属工程施工，包括14个洞门，3个联络通道（含2个泵房）；单井相背始发，盾构机一次调头，两次过站，两次转场，相关接口多，涉及到和车站施工平行作业的协调、交通疏解以及大量的地下管线的排查等问题。
1.2.2工程主要难点
⑴单井相背始发，盾构机需换装始发。
⑵砂卵石地层的渣土改良。
⑶含量较多的大粒径漂石处理。
⑷曲线始发及小半径曲线段施工。
⑸高富水、高水压、渗透性极强砂卵石地层的涌水、涌砂处理。
⑹过站调头、有高台、转场等受空间场地限制，操作困难大。
⑺换刀位置的选择以及带压换刀作业的可实施性。
⑻众多接口协调问题。
1.2.3工程主要重点
⑴进度控制重点：
盾构在砂卵石地层中的掘进施工。
⑵质量控制重点：
盾构管片的拼装质量。
⑶安全控制重点：
洞内水平运输、垂直运输。
⑷环保控制重点：
地表变形控制、周边环境保护。
2.工程运输要求
2.1水平运输
⑴管片类型
本标段所采用的管片分块为5+1模式，即3个标准块、2个邻接块、1个K块。
管环标准尺寸为外径6000mm，内径5400m，厚度300mm，宽度1500mm。
拼装方式为错缝拼装。
⑵出渣量计算
盾构机刀盘开挖直径为6280mm，每一循环的掘进长度为1500mm。
通过计算可以得出每一环的开挖土方为46.4m³。
考虑地层的变化以及渣土改良添加剂的注入，实际出渣量按1.5的系数计算，每一环的出渣量为69.6m³。
根据以往的施工经验，渣斗在使用的过程中不可避免的在底部粘着一部分渣土倒不出去，每个渣斗考虑1m³，渣斗容量的选择要留有一定的富余量（渣斗容积按15m³制造）。
⑶材料的运输
每环衬砌管片（6片）的运输采用2辆管片车装运。
每环同步注浆浆液注入量约6m³，采用一个7m³的砂浆车运入洞内。
渣土改良用的膨润土浆液每环约4m³，采用一个7m³的砂浆车运入洞内。
施工中其它材料的运输（如水管、走道板、油脂、泡沫、刀具、钢轨、钢枕和扣件等），使用一节渣车底盘进行运输。
2.2垂直运输
根据水平运输需求的统计，每掘进一环的垂直运输次数平均8~12次，其中16t龙门吊运行2次吊运6片管片下井，运行2~4次吊运小型材料下井。
40t龙门吊承担6~7次渣土车的垂直提升任务。
根据成都特殊的地质情况，每条线的最高班进度按7环（共计14环）计算，则每班16t吊机需运行28次为井下吊运管片，运行42次为井下吊装小型材料。
同时，还要进行各种进场材料的装卸工作。
2台40t吊机需要运行84次起吊渣土车。
3.垂直运输设计
3.1龙门吊轨道布置
⑴龙门吊布置
盾构始发井位于3000米的平面曲线上，龙门吊轨道布置成曲线的难度较大，且存在一定的运行安全隐患，故采用截弯取直的做法，取曲线的一段割线作为龙门吊轨道中心线，40龙门吊轨距11.4米，南北出土口处各设置一台。
16龙门吊轨距24米，在始发井中心预留井口位置设置。
大小龙门吊不共线。
经过计算，龙门吊轨道中心线和线路中心线最大夹角为4度，不影响渣斗吊装的正常使用。
⑵渣土卸运
根据施工场地的实际情况，渣坑设置于始发井中部轨排井顶板上，每个渣坑长15m，宽6.0m，深4.0m，容积为720m³，总存渣能力为1440m³。
渣土坑底板及侧墙厚30cm，采用C20砼浇注。
每个渣土场四周设置挡渣板，防止过稀渣土溢出。
40t龙门吊采用挂钩侧翻卸渣方式，渣土外运采用勾机装车，汽车运输的方式。
由于场地狭窄的原因，渣土外运的出口门只能选择在东侧，因此渣土外运会和龙门吊的工作产生一定的干涉，对16t龙门吊的使用效率有较大的影响。
⑶管片堆放场
根据16t龙门吊布置情况，管片堆放场设置在始发井西侧地面上。
临时管片堆放场地面积120m²，管片存放能力为60块（10环）。
正式管片堆放场占地面积为594m²，管片存放能力为210块（30环）。
满足1.5天的平均使用量。
⑷洗车槽
在施工场地出渣东大门位置设洗车槽，出渣车辆必须经过清洗后，方可驶出施工场地。
洗车槽采用下沉式，宽4000mm，长8000mm，深400mm。
洗车槽旁设置沉淀池，洗车所排水经沉淀池三级沉淀后排入市政污水管线。
3.2垂直运输设备选型
根据工程对垂直运输能力的要求、施工场地布置、出渣口位置、渣土卸载方式及渣坑位置，选用的三台龙门吊机的主要技术性能及工作参数如下：
3.2.140t龙门吊机的技术性能及工作参数
表3-140t龙门吊技术参数表
项目
起升机构
项目
小车
大车
起重量t
40
轨距mm
4600
11200
起升速度m/min
12.03
运行速度m/min
31.78
38.5
最大起生高度m
40
轮距mm
2500
8500
电源
三相交流380V
卷筒直径mm
800
最大轮压KN
158.6
285
限位开关
QGX-B
限位开关
LY10-11S
滑轮直径mm
710
缓冲行程mm
100
150
结构
6*19W+FC-24-1700
钢轨型号kg/m
43
QU70
支数
2*4
车轮直径mm
500
800
最大工作拉力KN
52.08
车轮轴承内径
120
180
型号
YZR355L-1
型号
YZR160L-6
YZR160L-6
功率KW
90
功率KW
13
13
转速r/min
585
转速r/min
945
945
传动比
31.5
传动比
46.7
54.75
型号
YWZ-500/125
型号
YWZ-200/25
YWZ-200/25
制动力矩N.M
2*2650
制动力矩N.M
200
200
推动器型号
YT1-125Z/10
推动器型号
YT1-125Z/4
YT1-125Z/4
3.2.216t龙门吊机的技术性能及工作参数
表3-216t龙门吊机技术参数表
项目
起升机构
项目
小车
大车
轨距m
24
起重量t
16
基距mm
4000
7500
起升速度m/min
13.9
运行速度m/min
30.42
31.26
最大起生高度m
40
缓冲行程mm
60
100
工作级别
M7
总功率kw
S=24
最大轮压KN
229.6
346
67.3
钢轨型号kg/m
38kg/m
QU80
3.3垂直运输
⑴垂直运输采用2台40t龙门吊机分别承担左右线渣土吊运任务。
每环掘进循环时间平均按120min计算，根据龙门吊的提升速度及井的深度，完成一斗渣土吊运的时间平均为10min，一个循环需吊出6车渣土，共计60min，占一环掘进总耗时的50%。
根据单线日掘进最高进度14环的计划，单台龙门吊每天平均需要进行84次起吊渣土工作，共计耗时约840min，仅占24h中的58%，因此，单台40t吊机能满足单线日掘进14环的垂直运输要求。
⑵16t龙门吊机，承担左右线管片、材料吊装任务和管片进场卸车以及日常地面材料倒运工作。
根据进度计划双线日最高进度为28环，完成一环管片的吊装平均用时15min，每天共需运行56次吊装管片，总耗时840min，占24h中的58%，因此，采用单台16t龙门吊机能满足双线日最高产量24环的垂直运输要求。
4.水平运输设计
4.1水平运输设备选型
4.1.1选型依据
4.1.1.1列车轴重选择
盾构法施工衬砌管片背后同步注浆浆液的初凝时间约为10h，浆液凝固时间较长，起不到稳固管片的作用。
重型车辆在管片上行走时，势必造成未稳定管片的位移、错台，对隧道管片的成型质量产生较大的影响。
参考我国准轨铁路机车和车辆的轴重限制，制定该标段列车轴重配置如下：
电瓶机车25t轴重12.5t；其它车辆轴重限制在10t以下，如渣土车设两副转向架，共4轴，每轴轴重8t，砂浆罐车2轴，单轴重8t；管片平车2轴，单轴重10t。
4.1.1.2牵引力选择
考虑到成都该标盾构始发全长75m，两台盾构共用一井背向始发和掘进，出渣选择两列车运出一环渣土的方式。
根据本标段的线路走向特点，重载上坡最大坡度2.7%，重载下坡最大坡度2.2%，整环渣土重量约为260t（包括车辆自重），为确保运输安全，也应采用两列车的运输方式。
a.计算机车的粘着重量
机车粘着牵引力＞坡道阻力+列车综合运行阻力+加速惯性力
即：
G1ц＞（G1+G2）（ц1+ц2+α/g）
式中G1—机车粘着重量
G2—机车牵引重量
ц—粘着系数，取0.26
ц1—坡道阻力系数2.7%，
ц2—列车阻力综合系数，取0.008
α—列车平均加速度，取0.05m/s²
g—重力加速度，取9.8m/s²
坡度为2.7%时，需要机车的粘着重量21.81t。
b.机车起动牵引重量计算
Gg=（Fg-P（Wg，+ig））/（Wg，+ig）
式中：
Gg—机车起动牵引重量kN
Fg—粘着牵引力Fg=μxP=0.26x250=65000Nμ取0.26
P—机车粘着重量250kN
Wg，—在坡道上机车单位阻力5N/kN（按机车《牵规》取值）
ig—坡道阻力系数上坡为+，下坡为-取27
Wg，，—在坡道上车辆单位阻力N/kNWg，，=3+0.4ig=3+0.4x27=13.8N/kN。
计算在2.7%坡道重载上坡时的牵引重量Gg=（65000-250（5+27））/（13.8+27）=140t。
c.机车运行牵引重量按下式计算
G=（Fk一P（WO，+ix））/（WO，+ix）
G一机车运行牵引重量kN
V一平均速度9kN/h
η一传动效率0.95
NK一标称总动率130kN
Fk—轮周牵引力，Fk=3.6ηNK/v=3.6x0.95x130/9=49.4kN
WO—机车单位阻力=1.64+0.014V+0.0026V=1.98N/kN
ix—坡道阻力系数上坡为+下坡为-
WO，，—坡道上车辆单位阻力N/kN
计算机车在2.7%上坡的运行牵引重量：
G=（49400-250（1.98+27））/（1.1+27）=150t
d.机车在2.2%坡度重载下坡且满足制动距离40m的条件下，经过计算，机车的制动装置可以牵引105.3t。
为完全满足在2.2%坡道重载下坡制动，需将渣车设计成与机车制动联动的气动制动装置。
4.1.1.3结构尺寸的选择
运输车辆尺寸既要满足施工组织要求，又要符合盾构机结构净空要求的工作界限尺寸，以下为盾构机拖车长度、净空对运输车辆要求尺寸参数：
宽度≤1500mm保证拖车与运输车辆的两侧安全间隙为150mm
高度＜2400mm拖车范围内净空高度要求
挂车总长≤40000mm保证最前一节渣车能到达出渣位置
最长列车尺寸：
L列=电瓶车+3辆渣车+1辆同步浆液浆车+1辆膨润土浆车+2辆管片车=8+3×7+6+5≤40米。
根据盾构机拖车的结构及出土口尺寸，电瓶车的宽度控制在1450mm，渣土车的宽度控制在1500mm以内，高度小于2400mm，渣土车的长度需控制在5400mm以内，其结构与龙门吊的挂钩侧翻卸土方式相匹配。
砂浆、膨润土车的容积应达到7m³，宽度控制在1450mm内，并须设置搅拌机械装置，以防止砂浆沉积和离析。
管片车的宽度控制在1500mm。
4.1.2设备技术参数
⑴电瓶车技术参数表
表4-1电瓶车技术参数表
规格型号
JXKB25—7/508
外形尺寸：
长*宽*高（mm）
6600*1450*2400
轴距（mm）
2400
轨距（mm）
762
轮径（mm）
760
通过最小曲线半径（m）
20
持续速度（km/h）
8.1
最高时速（km/h）
16.2
持续牵引力（KN）
66.7
启动牵引力（KN）
84.5
制动力
满足本工程最大坡度制动需要
蓄电池容量
450Ah/只，252*2V，504V
充电行驶里程（km）
30
最大牵引重量（35‰上坡）
机车启动粘着牵引重量：
145吨
机车运行牵引重量:
162吨
功率（kw）
75kw*2
主控变频器
247KVA，输入电压504±15%，
制动方式
气制动、电制动、脚制动
牵引水平中心距轨面高度
430±10mm
牵引电机技术参数
990r/min，380V，142A，IP55
⑵LJK8T-15M³渣车主要技术参数
表4-2渣车技术参数表
外形尺寸（长*宽*高mm）
6000*1500*2550
渣斗箱外形尺寸（长*宽*高mm）
5300*1500*2384
总容重
15m³
轨距（mm）
762mm
轮径（mm）
400mm
轮重
5.5t
轴距
1150mm
重量
10800kg
最高时速（km/h）
25km/h
通过最小曲线半径（m）
15m
牵引销中心线距轨面高度
430mm
⑶LJK8S-7.5M³砂浆车主要技术参数
表4-3砂浆车技术参数表
外形尺寸（长*宽*高mm）
4900*1400*2500mm
总容重
7.5m³
轨距（mm）
762mm
轮径（mm）
400mm
重量
6000kg
最高时速（km/h）
25km/h
通过最小曲线半径（m）
15m
牵引销中心线距轨面高度
430mm
搅拌砂浆泵电机功率
11kw
砂浆泵电机功率
11kw
减速器型号、速比
KA107、i=121.46
搅拌轴转速
12r/min电源AC380V
⑷LJK8G管片车主要技术参数
表4-4管片车技术参数表
外形尺寸（长*宽*高mm）
3600*1500*540
轨距（mm）
762mm
轮径（mm）
400mm
轴距
2750mm
重量
2570kg
最高时速（km/h）
25km/h
通过最小曲线半径（m）
15m
牵引销中心线距轨面高度
430mm
⑸LJK8C-7.5M³储浆罐主要技术参数
表4-5储浆罐技术参数表
外形尺寸（长*宽*高mm）
4900*1400*2500mm
总容重
7.5M³
重量
5000kg
搅拌砂浆泵电机功率
11kw
砂浆泵电机功率
11kw
搅拌电机型号
DV132M4
砂浆泵电机型号
DV132M4
减速器型号、速比
KA107、i=121.46
搅拌轴转速
12r/min电源AC380V
4.2运输轨道、道岔设计
4.2.1运输轨道设计
在盾构始发井底板上铺设4轨3线轨道，钢轨采用43kg/m，轨距均为762mm，直接铺设在井内底板上，用膨胀螺栓固定，组成左线和右线始发井内运输线路。
洞内运输轨道采用762mm轨距铺设单线，采用20号工字钢（长3m）按标准轨距钻扣件孔做成轨枕，钢轨用扣件固定在钢枕上。
盾构机施工范围内轨道也采用43kg/m4轨3线布置，轨距均为762mm。
盾构机拖车在两外侧3125mm轨上行走，中间两625mm轨是运输车辆的走行轨道。
随着盾构机的不断向前推进，中间625mm轨道不停的向前延伸，拖车走行的3125mm轨道不断拆卸向前倒用延伸。
4.2.2道岔的设计
4.2.2.1道岔的选择
由于运输轨道间距选用762mm，根据窄轨道铁路道岔图册的相关设计标准，选用ZDC743/5/30型号对称道岔。
电瓶车由单线进入道岔时，因变道的缘故，电瓶车前端裙边的伸出距离需要进行安全限界计算，以防止电瓶车前端伸出部位碰撞管片。
隧道衬砌管片内径5400mm，钢枕的顶面标高为455mm，轨高134mm，车轮踏面到裙边底端的距离取100mm，。
电瓶车长6400mm，宽1450mm，轴距为2400mm，前悬臂取2000mm计算。
安全限界计算图示如下：
图4-1安全限界计算断面图
图4-2安全限界计算平面图
经过计算，在电瓶车通过道岔进行变道时，前悬臂裙边距离管片安全限界分别为112.9mm、112.8mm，满足行车安全的需要。
4.2.2.2道岔的布置
根据本标段单井相背始发的特点，右线可以直接向人民北路的方向掘进，左线正常开始掘进则需要右线区间始发井~天府广场站先施工，到达天府广场站后，调头后开始施工左线，向人民北路方向掘进。
区间经过天府广场站、骡马市站、文武路站三个车站。
随着掘进距离的增加，运输车辆运行的时间也在增加，运输时间的增加很大程度上影响了掘进循环的时间，在这种情况下，可以在洞内或者车站位置设置道岔，同时增加一列运输车辆，用于提高掘进效率。
本标段水平运输的特点在于左线的运输调头换向。
单井相背始发导致左线运输每次都要多运行一个始发井~天府广场站区间的距离。
而且运输车辆的顺序也要做相应的调整。
正常情况下，重载列车需要电瓶车拉出，因左线车辆到达天府广场站后要调头，为保证管片车、浆液车的正常编组顺序，重载列车只能被电瓶车推出。
重载列车在运出的过程中，重量较轻的空管片车运行在前面，很容易发生列车运行过程中掉道的安全问题。
区间运输线路的走向如下：
图4-3运输线路走向图
综合考虑本标段的运输特点，道岔的布置如下所述：
a先行始发右线始发井~天府广场站区间段。
距离洞口200m位置处设置一道岔。
用于始发井内4轨3线向洞内单线的转换，同时可以提供两列车的会让站，以便最大限度的减少2列车运输的列车等待时间。
b在天府广场站站内设置一道岔，用于左线运输车辆的调头换向。
左线在达到第二个车站骡马市站前，只能采用两列车出渣运输方式，而且每次运输都要多运行一个右线始发井~天府广场站区间的距离，这是制约左线进度的关键因素。
c左线在骡马市站、文武站设置一道岔，实施3列车运输的方案，用于提高左线掘进效率。
d右线在文武站设置一道岔，实施3列车运输的方案，用于提高掘进效率。
4.3水平运输组织
本标段的水平运输根据线路区间的长度可以分为2列车和3列车编组运输方式，其编组如下：
⑴2列车编组
列车1：
1辆电瓶车+3辆渣土车+1辆浆液车+1辆膨润土浆液车+2辆管片车
列车2：
1辆电瓶车+3辆渣土车+1辆渣车底盘
列车运行步骤：
列车1运输管片、浆液进入盾构机内。
解编列车，作业人员卸管片，倒运浆液。
开始掘进0~750mm，三个渣斗装满后，挂车成列出洞，到达始发井进行出渣下材料作业。
列车2进空渣车及所需材料，先卸下所运输材料，然后开始掘进750~1500mm，渣斗装满后出洞，到达始发井进行出渣作业。
洞内开始拼装管片。
列车1再次进洞（空渣车，浆液，管片）。
以上三个步骤完成一个掘进循环。
⑵随着掘进距离的不断增加，可以增加1列车用于提高掘进效率，3列车编组
列车1：
1辆电瓶车+3辆渣土车+1辆浆液车+1辆膨润土浆液车+2辆管片车
列车2：
1辆电瓶车+3辆渣土车+1辆渣车底盘
列车3：
1辆电瓶车+3辆渣土车+1辆渣车底盘
列车运行步骤（前提条件是列车运行前盾构机浆液罐内存3m³浆液）：
列车2进入盾构机内。
开始掘进0~750mm，三个渣斗装满后，出洞，在道岔处和列车1会合，到达始发井进行出渣下材料作业。
列车1在列车2到达盾构机内掘进两斗后，开始进入隧道内，并停在道岔处，等列车2过道岔后立即驶入洞内。
解编列车，作业人员卸管片，倒运浆液。
开始掘进0~750mm，3个渣斗装满后，挂车成列出洞，在道岔处与列车3会合，到达始发井进行出渣下材料作业。
同时洞内开始拼装管片。
列车3在列车1到达盾构机内掘进两斗后，开始进入隧道内，并停在道岔处，等列车1过道岔后立即驶入洞内。
开始掘进出渣作业。
以上三个步骤完成一个掘进循环。
5.运输循环时间
根据既有的盾构隧道施工经验，结合本工程的地质特点以及盾构机性能，制定出以下不同地层掘进进度指标表。
表5-1不同地层盾构掘进进度指标表
地层分类
最高日掘进循环数
平均日掘进循环数
平均月掘进循环数
始发、到达掘进
3~5环/d
4环/d
<2-8>掘进
8环/d
5~7环/d
180环/月
<3-7>掘进
6环/d
4~6环/d
150环/月
5.1垂直运输循环时间设计
重载列车到达始发井，定位：
0.2分钟，解编：
0.2分钟，开始下管片。
列车继续向前行驶准备出渣位置：
0.4分钟
①出渣每钩所用时间
定位:
0.2分钟挂钩:
0.2分钟
提升:
25/12=2.08小车行驶:
5/31=0.16分钟
大车行驶:
8/38=0.21分钟倒渣及回位:
1分钟
大车行驶:
8/38=0.21分钟小车回程:
5/31=0.16分钟
下降:
25/12=2.08分钟脱钩:
0.2分钟
每钩所用时间:
0.2+0.2+2.08+0.16+0.21+1+0.21+0.16+2.08+0.2=6.5分钟取9分钟
3钩需要27分钟
②装管片每钩所用时间
小车行程：
12/30=0.4分钟
下降：
25/13.9=1.79分钟
对位并上升：
1.5分钟
上升：
25/13.9=1.79分钟
小车回位：
12/30=0.4分钟
每钩所用时间：
0.4+1.79+1.5+0.4+1.79=5.88分钟
取8分钟
2钩所用时间16分钟
③下材料的时间
下材料的时间可以占用1~2钩的运行时间，既保证在8~16分钟完成。
④下浆液的时间
在下管片的同时可以下浆液和膨润土浆液，6m³的浆液8分钟内可以放完。
⑤电瓶车换电瓶时间
在熟练的情况下，电瓶车更换电瓶可以在30分钟以内完成
综合以上时间的计算分配，在不吊装材料的
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