4盾构配套运输设备选型及洞内布置工艺工法.docx
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4盾构配套运输设备选型及洞内布置工艺工法
盾构配套运输设备选型及洞内布置工艺工法
QB/ZTYJGYGF-DT-0404-2011
城市轨道交通工程有限公司乔治
1.前言
为满足盾构工程施工的需要,除盾构机整机需要选型外,还需对盾构机及整个后配套设备进行选型计算。
在选型过程中，盾构机因为价值大、技术复杂等特点往往受到高度重视，而后配套设备由于金额相对较低、机型复杂、数量多等特点往往不被人重视。
盾构法施工的连续性非常强，任何一个环节上的设备出现问题，都会直接影响生产效率。
在具体的施工中，因为后配套设备的故障或不匹配影响施工的事例并不少见。
选型的后配套设备包括电瓶车、渣土车、管片车、砂浆车、龙门吊等。
2.适用条件
本工法适用于城市地铁施工用土压平衡盾构机后配套的选型，通过选型计算进行后配套运输列车的编组及洞内布置。
3.选型的原则及依据
根据以往隧道施工经验，结合5大原则，即尺寸包容（尺寸链）原则、满足安全施工进度要求原则、设备能力等级弃小取大及保证施工安全原则、考虑实际施工环境影响、尽量采用现有厂家生产通用标准件原则，可确定盾构施工后配套设备的主要技术参数及完成选型工作。
盾构机配套运输设备的选型主要依据以下文件资料：
设备采购合同、工程岩土勘察报告、投标文件、工程施工承包合同、工程设计图纸、工程施工组织设计等。
4.选型工艺流程及要点
根据隧道开挖直径及设备参数（按1.5米宽管片，盾构机开挖直径6250mm计算）,洞内盾构每环出渣用一列运输列车运出,每次由一台电瓶车牵引,配备两节管片车、一节砂浆车和五节渣土车。
设备选型依据如下：
4.1渣土车选型及计算
渣土车是运输渣土的直接载体，在设计时务必要遵循以下几点：
4.1.1渣土车必须具有一定的刚度和强度，保证在龙门吊吊运时不发生变形或断裂，同时也不能设计过重，否则，将造成龙门吊超过45吨的设计。
4.1.2渣土车的宽度不得超过盾构机内部的最大限宽，高度不得超过双轨梁电机及葫芦，渣车的尺寸在选型时要留有一定的富余量，如图1。
图1后配台车内部尺寸图2龙门吊翻转倒土
4.1.3渣土车的渣斗和底盘必须是相对独立的两部分，以使龙门吊在吊运时只吊起渣斗，而底盘不同时吊起。
4.1.4转弯半径不得大于25m。
4.1.5渣土车的长度和浆车及管片车需同时考虑，整节列车的长度不能超过盾构机内水平皮带输送机的限定长度，否则，最后端的一节渣车将无法装运渣土。
4.1.6考虑到渣土车在龙门吊吊出时需顺利倒渣，因此在渣土车两侧分别设计了起吊轴和偏心翻转轴，如图2。
计算每环出渣方量：
V=πd2/4×L×n
=π×6.252/4×1.5×1.4=64.4m3
式中，V—————每环计算出渣方量
L————每环管片宽度
n————渣土松散系数
根据出土的方量，同时考虑到有一定的富余量，将每节渣车设计为17m3，采用5节渣车编组，即每列列车可以运输17×5=75m3
图3运渣车图图4渣车底盘图
表1运碴车主要参数表
序号
项目名称
参数
备注
1
车体总长
6.3m
2
车体宽度
1.5m
3
车体高度
2.35m
4
容积
17m3
5
重量
13吨
底盘5.25吨
6
挂购销孔中心与轨面距离
430mm
7
轨距
900mm
8
车轮直径
410mm
9
制动方式
排气制动
10
每台制动缸缸数
4
11
制动气压压力
0.8MPa
12
最小转弯半径
25m
4.2浆车选型及计算
浆车主要是将浆液从洞外运到盾构机后方台车上的储浆池内，满足每环同步注浆的最大注浆量，故做如下考虑：
4.2.1满足台车内限界尺寸限制。
4.2.2转弯半径不得大于25m。
4.2.3浆液需从浆车中顺利抽出，设置防止沉淀的专用搅拌机构，且搅拌驱动机构噪音要低，搅拌功率为18.5KW。
4.2.4设置适合于对含有固体颗粒的砂浆流体的密封结构，砂浆输送泵质量可靠，使用耐久，砂浆出口压力1.2Mpa,功率11KW。
计算每环注浆量：
V浆=（πd2/4-πd，2/4）×L
=π/4（6.252-62）×1.5=3.61m3
V浆—————每环砂浆容量
d—————盾构机开挖直径
d，—————每环管片外径
考虑到地层的渗透系数及其它因素的影响，将浆车的容量设计为7.5m3。
图5运浆车
表2运浆车主要参数表
序号
项目名称
参数
备注
1
型号
SJC8-1
2
车体总高
2.3m
3
车体宽度
1.4m
4
车体总长
5.2m
5
轨距
900mm
6
容积
7.5m3
7
自重
6.6吨
8
挂购销孔中心与轨面距离
430mm
9
最小转弯半径
25m
10
车轮直径
410mm
11
制动型式
手动
12
搅拌电机型号
Y-18.5-B3
13
搅拌电机功率
18.5kw
14
搅拌电机转速
960r/min
15
搅拌轴转速
960r/min
16
砂浆输送泵型号
2PN
（叶片材料Gr26）
17
输浆量
47.1m3/h
18
砂浆输出管闸阀形式
手动蝶阀
19
砂浆输出管口径
φ80mm
4.3管片车选型及计算
管片车是将管片从洞外运到盾构机管片拼装机前的唯一载体，每列车两节，每节装三片管片，设计时应注意如下：
4.3.1国内地铁施工用管片设计有两种，即1200mm和1500mm，考虑到台车内宽度，管片车设计时宽度不应超过此两种规格。
4.3.2管片叠放在管片车上时，必须和管片车是软性接触，即设置专门的橡胶垫，橡胶垫位置应适应于管片受力，防止运输过程中管片的损坏。
4.3.3按照管片的弧型应将管片车设计成凹型结构，以保证最底层管片和管片车的充分接触。
4.3.4三片管片叠放在管片车上，单轨梁起吊最上一片管片时，必须保证从第二片最上部顺利通过。
4.3.5转弯半径不得大于25m。
4.3.6行走系统应设置缓冲装置，制动可靠。
图6管片车图
表3管片车主要参数表
序号
项目名称
参数
备注
1
车体总长
3.6m
2
车体总宽
1.32m
3
车体总高
0.54m
4
重量
3.2吨
5
制动形式
手动
6
车轮直径
410mm
7
最小转弯半径
25m
8
挂钩销孔中心与轨面距离
430mm
4.4电瓶车选型及计算
根据施工组织安排，运输方式定为两列编组列车交叉作业：
一列车在隧道内作业，另一列车在井口卸渣、装管片及装砂浆，提高效率。
电瓶车是将渣土从出土口运输至吊出井的动力工具，选用是否得当直接关系到洞内运输能否正常进行，故主要考虑如下：
4.4.1每辆电瓶车必须具备牵引一节浆车、两节管片车和五节渣车并满足全负荷的能力。
4.4.2能保证在35‰的坡道上安全启动并牵引整列车正常行驶。
4.4.3具备变频装置，以适应不同的工况。
4.4.4配备的蓄电池单次充电需保证10KM的运输。
4.4.5根据相关安全规范，地铁隧道施工电瓶车允许的行驶速度在15～20km/h以下，根据这一速度计算列车的容量等级和列车数。
4.4.6因电瓶车和渣土车、浆车、管片车为一个统一的运输整体，因此，对整体的刹车、轨距、连接方式等有整体的部署。
电瓶车选型计算：
电瓶车的选型主要考虑起牵引能力，电瓶车主要有两种工况，一种工况为满载渣土驶出，另一种工况为装载一环管片及满载浆液驶进。
G1=G渣+2G管片车自+G砂浆车自=205.3t
G2=5G渣自+G砂浆车自+G浆液+G管片+2G管片车自=116t
Gmax=G1=205.3t
按照盾构隧道常见最大坡度30‰来计算，电瓶车所需要的最小牵引力：
Pmin=GQ（Wq+iq）/（µ-Wq，-iq）
其中：
µ为机车粘着系数，取0.26
Wq，为机车单位启动阻力5‰，根据机车牵引取值
iq为坡道阻力系数30‰。
Wq=3‰+0.4iq=15‰
Pmin=205.3（15‰+30‰）/（0.26-5‰-30‰）=41.4t
依据上述计算公司，同时考虑留有余量，选用电瓶车牵引力45t.
图7电瓶车图
表4电瓶车主要参数表
序号
项目名称
参数
备注
1
车体总长
7800mm
2
车体总宽
1550mm
3
车体总高
2450mm
4
牵引力
45吨
5
轨距
900mm
6
传动比
12.99
7
启动牵引力
126kN
8
持续牵引力
96kN
9
最高速度
25km/h
10
最小曲线半径
25m
11
重载爬坡度
35‰
12
制动型式
闸瓦制动
4.5编组列车布置
编组列车如下图所示，即保证了一列编组列车完成掘进、运浆及管片拼装任务，又满足编组列车总长度不大于皮带输送机的总长度，最后一节渣车正常出土。
图8盾构机主机及台车图
图9盾构机列车编组图
4.6龙门吊选型及计算
龙门吊是将渣土垂直运输到地面渣土坑的起升设备，主要考虑如下：
4.6.1首先满足满载吊运时的总重量，即吊运满载渣土重量不得大于龙门吊起升重量。
4.6.2根据施工场地的条件限制，自行设计跨距，并确定是否采用悬臂结构。
净高设计为8m以上，以保证翻渣机构必须的正常高度，即3m。
4.6.3根据施工场地条件限制，龙门吊布置一般有两种方式，即平行于盾构机掘进方向和垂直于盾构机掘进方向，因此翻渣机构也分为两种，即龙门吊正面倒土和侧面倒土两种形式，选型时可根据场地的实际情况进行具体设计。
4.6.4为保证大车行走平稳，大车行走机构采用变频设计。
4.6.5为节省垂直运输的时间和吊运时的稳定性，主起升机构采用变频设计，双制动。
4.6.6龙门吊设计时还需考虑声光报警、防雷、防潮、起升高度限位装置、大小车行走限位装置、起升高度显示器、重量显示仪、避雷针、风速仪、蜂鸣器等。
起吊单件最大重量比较：
渣土及渣车重量：
ρ渣V斗+M渣车=1.4×17+13=36.8吨
电瓶车重量为：
M粘-M瓶=45-3×5=30吨
从上式可以得出,龙门吊吨位应大于36.8吨，考虑龙门吊安装误差及特殊工况，为提高稳定性，取安全系数n=1.2,龙门吊最大起吊重量为：
M吊=36.8×1.2=44.2吨
结合对龙门吊型号的比选，取起升重量为45吨的龙门吊，完全能满足施工需求。
5.盾构配套运输设备选型及洞内布置应用实例
5.1工程简介
西安市城市快速轨道交通二号线试验段工程【张家堡站-尤家庄站盾构区间】为两条单线地下区间隧道，采用盾构法施工，在张家堡站南端头先右线始发，掘进至尤家庄站北端头后，解体运回到张家堡站，再从张家堡站南端左线二次始发掘进至尤家庄北端头后解体吊出。
区间单线总长1050米，该区间位于北郊渭河二级阶地，沿未央路前行。
隧道结构底最小埋深13.6m，最大21.6m，最大坡度23‰。
5.2运输能力计算和设备配置
盾构机切削直径：
Φ6140mm盾构区间长度：
1050M
施工平均进度指标：
300米/月管片宽度：
1.5M
出渣井提升高度：
20M最大坡度：
23‰
5.2.1渣车选型
V=πd2/4×L×n
=π×6.142/4×1.5×1.4=62.1m3
式中，V—————每环计算出渣方量
L————每环管片宽度
n————土体松散系数
考虑到盾构机皮带输送机的长度，要保证最后一节渣土车在皮带输送机下顺利出土，且渣车体积应考虑留有一定的余量，故选择4台渣车，每台渣车容积17m3。
5.2.2浆车选型
V浆=（πd2/4-πd，2/4）×L
=π/4（6.142-62）×1.5=2.1m3
V浆—————每环注浆量
d—————盾构机开挖直径
d，—————管片外径
因盾构机掘进的过程中，根据地层及渗透系数的不同，漏浆及二次补浆有可能发生，盾构机后配套台车上浆箱的容量为6m3，为满足注浆的需要，浆车的容量可设计为7.5m3。
5.3龙门吊选型
渣土及渣车重量：
ρ渣V斗+M渣车=1.4×17+13=36.8吨
电瓶车重量为：
M粘-M瓶=45-3×5=30吨
为保证龙门吊的起重重量大于渣车及电瓶车重量，选择龙门吊起重重量为40吨。
盾构始发场地吊装井长11.5m，宽7.5m，盾构掘进为单线掘进，龙门吊轨道梁在设计时跨度选择为12m，主钩起升高度轨面以上8米，轨面以下18米。
倒土方向与龙门吊运行方向垂直，龙门吊选用单悬臂型式。
图10施工用龙门吊
5.4轨道铺设及列车编组方案概述
张家堡车站相关尺寸见下图：
图11张家堡车站平面图
5.4.1盾构机及后配套尺寸计算
小松盾构机全长67.88米；
电瓶车长7.8米，渣土车长6.3米，砂浆车长6.0米，管片车长3.6米，车之间接头部分长按0.6米计；编组列车全长约49米。
图12后配套尺寸图
临时出土口中心到盾构洞门为74.3米。
道岔长18米。
5.4.2运输及轨道布置
根据张家堡车站的设计及实际施工进度，轨道只能铺设至换乘节点处。
始发阶段轨道布置及运输方式可考虑设置道岔和不设置道岔两种方式。
但经过对两种形式的比较分析，在始发阶段拟采取不设置道岔，编组列车在临时出土口吊装材料及出渣。
5.4.3盾构组装时轨道布置形式
盾构下井组装时盾构主机及后配套台车均从始发井处下井组装。
在始发井处安装始发托架，上铺管片、钢轨枕、钢轨；
站内标准段底板用10#槽钢做轨枕，间距1.1m，上铺43kg/m钢轨，轨道从车站端墙起铺设至第4段换乘节点处长104.9米，见图13。
图13盾构组装轨道布置图
后配套台车下井；见图14.
拆除始发托架上的轨道、轨枕、管片；
盾构主机下井组装。
见图15。
图14后配套台车下井时轨道布置示意图
图15盾构主机下井时轨道布置示意图
5.4.4电瓶车编组形式
前9环（包括负环）不使用砂浆车编组，考虑到始发临时出土口到换乘节点处长度只有33.2米，无法满足整列编组，固编组时采取两节碴土车+电瓶车+两节管片车，长29.3米，29.2＜33.2米，可满足实际施工的需要。
如下图：
图16无砂浆车电瓶车编组形式图
9环（包括6环负环拼装）后需加挂砂浆车编组，采取两节碴土车+电瓶车+一节砂浆车+一节管片车，长31.7米。
考虑始发阶段运输距离较短管片运输采取跑两趟的形式。
图17有砂浆车电瓶车编组形式图
5.4.5正常掘进阶段轨道布置及运输
待盾构掘进100环后，进行拆负环和反力架的工作。
这时将设置道岔满足两列车正常编组的需要，提高施工速度，在车站地板上铺设道岔，同时满足两列车编组。
图18正常掘进阶段轨道布置及运输图
5.5施工效果
西安地铁二号线试验段所选用的龙门吊及后配套运输列车的尺寸及参数，能够完全满足盾构机掘进速度的需要，在盾构机掘进100米后，采用两列列车编组出渣，一组列车配置一台电瓶车、四台渣车、一台浆车、两台管片车。
两组列车交叉运行，提高了掘进速度，最快每班掘进14环，经施工现场论证，设备选型成功。
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