長距離盾構(gòu)隧道水平運(yùn)輸系統(tǒng)技術(shù)研究及應(yīng)用

王亞飛，劉亞輝，黃運(yùn)生,王 磊,沙俊玲,劉 洋

(1.中鐵隧道局集團(tuán)路橋工程有限公司，天津 300308；2.安徽建筑大學(xué) 安徽省城市建設(shè)和地下空間工程技術(shù)研究中心，安徽 合肥 230601)

1 概述

盾構(gòu)法施工因高效、安全等優(yōu)點,已逐步成為地鐵區(qū)間隧道的主要施工方法[1]，且盾構(gòu)隧道工程中不可避免的會遇到長距離的工況[2]。在長距離盾構(gòu)隧道施工時，隨著距離的增長，隧道內(nèi)渣土和物料的運(yùn)輸對隧道掘進(jìn)速度的影響越來越明顯[3]，導(dǎo)致長距離盾構(gòu)隧道的水平運(yùn)輸成為工程施工的重點關(guān)注問題之一。

目前，已有學(xué)者對盾構(gòu)隧道水平運(yùn)輸進(jìn)行研究，陳鵬等人以蘇通GIL綜合管廊工程為背景，通過對現(xiàn)場運(yùn)輸參數(shù)的調(diào)查統(tǒng)計，建立了單車道段車輛調(diào)度模型,首次提出了長距離盾構(gòu)隧道洞內(nèi)無軌運(yùn)輸優(yōu)化理論模型[4]；謝波以南京地鐵10號線泥水盾構(gòu)隧道施工總結(jié)并進(jìn)行對比研究了四軌三線[5]以及復(fù)合式主運(yùn)輸軌道和單軌道運(yùn)輸?shù)葞追N水平運(yùn)輸模式[6]。無軌運(yùn)輸雖然運(yùn)輸調(diào)度相對容易靈活，但由于錯車安全性較低，一般采用單列車運(yùn)輸物料和渣土。隨著隧道距離的加長以及隧道洞徑的加大，單列車無軌運(yùn)輸所花時間成本增加，甚至?xí)霈F(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)停滯的現(xiàn)象。四軌三線的軌道運(yùn)輸，在盾構(gòu)機(jī)后部設(shè)置雙開岔道，空載和滿載電瓶車可以互不干擾運(yùn)行，但由于所需鋼軌和軌枕材料較多，成本大幅增加；同時，由于兩條線路是互不相通的，當(dāng)某一側(cè)的電瓶車發(fā)生故障時，將會影響掘進(jìn)速度。

以合肥軌道交通4號線天—翠區(qū)間為工程背景，對長距離盾構(gòu)隧道的水平運(yùn)輸進(jìn)行研究，通過在風(fēng)井位置增設(shè)軌道、進(jìn)行水平運(yùn)輸調(diào)度，使得架設(shè)錯車軌道更加方便，觀察和檢修電瓶車更加容易，并且電瓶車可以更加靈活的在隧道內(nèi)進(jìn)行調(diào)度，實現(xiàn)空載和滿載同時運(yùn)行，從而保證盾構(gòu)掘進(jìn)速率。

2 工程背景

合肥軌道交通4號線天水路站—翠柏路站區(qū)間線路平面呈“S”形，區(qū)間線路出翠柏路站后以R=350平曲線從規(guī)劃銅陵北路與泗水路交口進(jìn)入規(guī)劃銅陵北路，沿規(guī)劃銅陵北路自北向南前行一段距離后，進(jìn)入合肥東編組站北側(cè)合肥熱電集團(tuán)鐵路專用線項目用地向東敷設(shè)，下穿二十埠河后進(jìn)入泗水路南側(cè)新站區(qū)空地，以R=350平曲線下穿合肥東編組站42股道群，繼續(xù)向南下穿部分鐵路用房，側(cè)穿合肥東編組站工務(wù)段在用水塔后，沿當(dāng)涂北路向南敷設(shè)到達(dá)天水路站。

天水路站—翠柏路站區(qū)間共設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道4座，其中區(qū)間風(fēng)井兼聯(lián)絡(luò)通道1座。在施工過程中采用雙線同時施工，其右線2 841.926 m、左線2 953.689 m，左右線間距10 m～16.72 m，隧道覆土厚度8.06 m～20.86 m，其中區(qū)間穿越合肥東編組站處，覆土厚度(至道床頂)14.35 m～15.59 m，左右線線間距11.82 m～16.39 m。

3 長距離運(yùn)輸?shù)碾y點

1)盾構(gòu)區(qū)間較長，施工單程距離遠(yuǎn)，最大距離接近3 km，采用單軌道運(yùn)輸單個電瓶車來回一次所需時間長，運(yùn)輸效率低下，施工進(jìn)度慢。

2)采用四軌三線法進(jìn)行水平運(yùn)輸，由于兩條軌道之間是單獨(dú)運(yùn)行的，當(dāng)某一輛電瓶車發(fā)生故障時將會極大的耽誤工程進(jìn)度，并且所需花費(fèi)較大。

3)長距離盾構(gòu)區(qū)間采用多軌道方式，電瓶車在軌道上運(yùn)行，難以檢測其實時位置，增加了電瓶車調(diào)度的難度。

4 應(yīng)對措施

盾構(gòu)法隧道施工需將管片從地面由垂直與水平運(yùn)輸系統(tǒng)送到盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的工作面,而廢棄土也必須經(jīng)水平與垂直運(yùn)輸系統(tǒng)由盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的工作面運(yùn)至地面[7]。因盾構(gòu)施工作業(yè)環(huán)境的不同，選擇不同的編組方式以及不同電瓶車的施工調(diào)度方式運(yùn)輸物料和渣土不僅會在很大程度上影響電瓶車的掘進(jìn)速率，還會在一定程度上保障施工的安全性、快捷性。

4.1 電瓶車編組方式

目前國內(nèi)在盾構(gòu)掘進(jìn)施工的運(yùn)輸系統(tǒng)中，因開挖條件的限制以及有軌運(yùn)輸設(shè)備構(gòu)造簡單、占用空間小、容易維修等特點，大部分施工作業(yè)都是采用有軌運(yùn)輸渣土和物料的方式，只有少部分在條件不允許的情況下，例如因其作業(yè)場地小、坡度大等區(qū)域，采用無軌運(yùn)輸?shù)姆绞揭炔捎糜熊夁\(yùn)輸?shù)姆绞奖憬莺芏?。下面主要以某施工段為例，探討說明采用有軌運(yùn)輸?shù)膬煞N電瓶車的編組方式。

合肥軌道交通4號線天—翠區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)中一環(huán)長度為1.5 m，一環(huán)出渣量為55 m3～60.3 m3，一個車裝渣量為18 m3，考慮到黏土特性翻渣時渣罐內(nèi)部分渣土無法傾倒完全、渣土改良的狀態(tài)對出渣量的影響以及以往掘進(jìn)經(jīng)驗確定掘進(jìn)一環(huán)出渣為3.5車。

當(dāng)始發(fā)井空間大小能夠滿足要求時，為減少盾構(gòu)掘進(jìn)時的停機(jī)時間和電瓶車的往返次數(shù)，有效的利用電瓶車的額定功率，將電瓶車編組設(shè)置為1節(jié)電瓶車+4節(jié)出渣車+1節(jié)砂漿車+2節(jié)管片車，左右線各設(shè)兩組，一列編組完成一個循環(huán)掘進(jìn)。采用這種長編組的方式不僅可加快施工速率、縮短施工工期，還節(jié)省大量的人力、材料、機(jī)器等資源，如圖1所示。

當(dāng)在城市內(nèi)施工，為盡量減小對周圍環(huán)境的影響，始發(fā)井空間不宜設(shè)計很大時，不能夠滿足電瓶車組滿編設(shè)置，可采用短編組運(yùn)行。即盾構(gòu)機(jī)臺車掘進(jìn)一環(huán)的出渣量由兩輛短編的電瓶車組完成，現(xiàn)可將短編的電瓶車組設(shè)置為1節(jié)電瓶車+2節(jié)出渣車+1節(jié)砂漿車+2節(jié)管片車，兩輛電瓶車運(yùn)行一趟即可完成一個循環(huán)掘進(jìn)，如圖2所示。

4.2 施工調(diào)度原理

采用有軌運(yùn)輸?shù)姆绞竭M(jìn)行盾構(gòu)隧道的運(yùn)輸時，影響盾構(gòu)掘進(jìn)速率的主要因素便是電瓶車進(jìn)行渣土和物料的運(yùn)輸。尤其對于長距離施工段來說，因其運(yùn)輸距離長，電瓶車往返所需的時間就會大大加長，這樣就會在很大程度上耽誤盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)，所以很多人員也開發(fā)出了一些方式可以讓電瓶車快速到達(dá)掌子面，進(jìn)行快速運(yùn)輸。例如采用四軌三線以及復(fù)合式的運(yùn)輸方式，主要是增加電瓶車軌道和電瓶車的數(shù)量。但是在增加電瓶車軌道和電瓶車數(shù)量的同時，就會帶來一些問題。其中最主要的問題便是因電瓶車數(shù)量增多和運(yùn)輸岔道的增加，電瓶車的施工調(diào)度問題而引發(fā)的一系列安全問題。因多輛電瓶車在有岔道的運(yùn)輸軌道上運(yùn)行，如果沒有很好的電瓶車的調(diào)度，在運(yùn)輸過程就容易發(fā)生電瓶車相撞事故。

大直徑盾構(gòu)長距離掘進(jìn)施工調(diào)度的主要工作分為盾構(gòu)施工水平運(yùn)輸與垂直運(yùn)輸?shù)恼{(diào)度管理。長距離隧道掘進(jìn)效率與水平運(yùn)輸設(shè)備的關(guān)系尤為重要,水平運(yùn)輸?shù)哪芰υ诤艽蟪潭壬现萍s了隧道的掘進(jìn)速度[8]。

長大盾構(gòu)隧道施工時，一般采用在隧道內(nèi)間隔1 200 m左右增設(shè)1組道岔，實現(xiàn)隧道內(nèi)錯車,增加電瓶車編組數(shù)量，提高隧道內(nèi)運(yùn)輸效率。在增加道岔與電瓶車編組數(shù)量后，必須加強(qiáng)洞內(nèi)水平運(yùn)輸專項管理，防止發(fā)生撞車事故[9]。

本文以某長距離區(qū)間為例，說明在長距離區(qū)間中進(jìn)行多輛電瓶車在岔道內(nèi)進(jìn)行運(yùn)輸調(diào)度。因其在長距離的盾構(gòu)區(qū)間中為保障通風(fēng)、照明以及安全等問題，在隧道中段設(shè)置了一處風(fēng)井。為更加合理的利用區(qū)間內(nèi)的風(fēng)井以及節(jié)省資源和方便電瓶車的運(yùn)輸、施工，便在風(fēng)井內(nèi)架設(shè)了供電瓶車運(yùn)輸時進(jìn)行錯車的軌道。

使用兩輛電瓶車進(jìn)行循環(huán)往復(fù)的運(yùn)載渣土和建筑材料，并且在運(yùn)載箱兩側(cè)貼上反光條，在風(fēng)井前后隧道內(nèi)各安裝紅外線檢測裝置，便于檢測電瓶車位置。同時，在風(fēng)井位置，鋪設(shè)錯車軌道，并進(jìn)行實時監(jiān)控。

運(yùn)輸開始時，兩輛電瓶車A，B相繼從始發(fā)井出發(fā)，當(dāng)紅外線檢測裝置1第一次接收到電瓶車的運(yùn)載箱上的反光條所傳回的信息時，則可判定為空載電瓶車A，電瓶車A繼續(xù)運(yùn)行通過風(fēng)井。當(dāng)紅外線檢測裝置2收到第一次反光條傳回的信息，可判定是空載電瓶車A通過風(fēng)井，則電瓶車A運(yùn)行至掌子面處進(jìn)行承接渣土。當(dāng)紅外線檢測裝置1第二次接收到信息時，判定為電瓶車B，則將空載電瓶車B運(yùn)行至風(fēng)井中的岔道中等待。當(dāng)紅外線檢測裝置2收到第二次信息，判定為返程的滿載電瓶車A，電瓶車A繼續(xù)返回通過風(fēng)井。當(dāng)紅外線檢測裝置1收到第三次信息，判定滿載電瓶車A通過風(fēng)井，則電瓶車A繼續(xù)返程至始發(fā)井，同時空載電瓶車B從風(fēng)井的岔道中駛出。當(dāng)紅外線檢測裝置2收到第三次信息，判定為空載電瓶車B通過風(fēng)井，電瓶車B繼續(xù)前進(jìn)至掌子面承接渣土，同時在始發(fā)井處傾倒完渣土的電瓶車A繼續(xù)出發(fā)。當(dāng)紅外線檢測裝置1收到第四次信息，判定為空載電瓶車A，空載電瓶車A駛?cè)腼L(fēng)井岔道等候。當(dāng)紅外線檢測裝置2收到第四次信息，判定為返程的滿載電瓶車B，電瓶車B繼續(xù)返回。當(dāng)紅外線檢測裝置1收到第五次信息，判定為通過風(fēng)井的滿載電瓶車B，滿載電瓶車B繼續(xù)返回至始發(fā)井，同時空載電瓶車A從風(fēng)井岔道內(nèi)駛出，前往掌子面處。電瓶車A，B繼續(xù)循環(huán)往復(fù)的運(yùn)行見表1。

表1 電瓶車調(diào)度表

4.3 工程應(yīng)用

天水路站—翠柏路站區(qū)間盾構(gòu)隧道,因其盾構(gòu)掘進(jìn)區(qū)間接近3 000 m，根據(jù)有關(guān)安全及通風(fēng)要求，需要在天水路站和翠柏路站的區(qū)間隧道中間設(shè)計建造風(fēng)井，以便于通風(fēng)、采光、逃生救援等。該項目便合理運(yùn)用風(fēng)井，利用風(fēng)井內(nèi)的空間建造供電瓶車錯車的岔道，從而使得多輛電瓶車可同時在盾構(gòu)掘進(jìn)隧道內(nèi)往返承接渣土和運(yùn)送管片等材料。采用了兩輛電瓶車在隧道內(nèi)通過如表1所示相應(yīng)的調(diào)度，結(jié)合紅外線檢測裝置以及接收信號等裝置反饋相關(guān)信息，從而使得總控制室知道電瓶車所在位置和A，B電瓶車是空載前往掌子面承接渣土，還是滿載返回始發(fā)井，進(jìn)而總控制室可根據(jù)調(diào)度表知曉電瓶車是否駛往風(fēng)井內(nèi)的岔道。若需要將空載電瓶車駛?cè)腼L(fēng)井內(nèi)岔道，則總控制室可下達(dá)讓電瓶車駛?cè)氩淼赖拿罱o電瓶車駕駛員，從而在風(fēng)井內(nèi)完成與滿載電瓶車的錯車。在這樣的調(diào)度方式下可使得電瓶車滿載同時運(yùn)行，進(jìn)一步加快運(yùn)送渣土和建筑材料的速率，減少盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中的停機(jī)時間，保證施工進(jìn)度。

這樣的錯車調(diào)度方式可以編輯為程序，因調(diào)度表可一直延長到收到信號n次，所以可將電瓶車調(diào)度表做成數(shù)據(jù)庫，主腦接收到隧道內(nèi)信號器反饋回來的信息，若根據(jù)數(shù)據(jù)庫判斷出是需要駛?cè)腼L(fēng)井岔道的，則亮紅燈，如果根據(jù)數(shù)據(jù)庫判斷出可以通過岔道，則綠燈亮起。當(dāng)電瓶車駕駛員看到是紅燈時，便進(jìn)入岔道內(nèi)等候，當(dāng)看到綠燈亮?xí)r，便從風(fēng)井內(nèi)主道通過。這樣可實現(xiàn)半自動化，在很大程度上減少因工作人員人為失誤導(dǎo)致的故障發(fā)生。再進(jìn)一步還可實現(xiàn)渣土運(yùn)輸?shù)娜詣踊?，讓AI智能代替電瓶車駕駛員的工作，全程通過調(diào)度表做成的數(shù)據(jù)庫，反饋給相關(guān)信息給AI智能，讓它判斷出電瓶車下一步的運(yùn)行軌跡，總控制室只負(fù)責(zé)監(jiān)督和查看是否正常運(yùn)行。軌道設(shè)置如圖3所示。

5 結(jié)論

長距離盾構(gòu)隧道掘進(jìn)時，渣土量增多，提高水平運(yùn)輸?shù)男?，將會大大加快施工進(jìn)度：

1)根據(jù)始發(fā)井內(nèi)空間大小選擇合適的編組方式，空間大的始發(fā)井可盡量采用長編組，空間有限的始發(fā)井便可采用短編組。2)通過詳細(xì)的調(diào)度表，進(jìn)行合理快速的電瓶車調(diào)度，使得多輛電瓶車在隧道內(nèi)有條不紊的運(yùn)行。3)對于長距離隧道水平，采用兩輛電瓶車進(jìn)行有序的循環(huán)調(diào)度，可以達(dá)到快速運(yùn)輸渣土的目的，減少盾構(gòu)機(jī)臺車掘進(jìn)停滯的時間，進(jìn)而提高施工效率。4)通過設(shè)置錯車軌道，使空載和滿載電瓶車各行其道，降低了水平運(yùn)輸中因電瓶車錯車而發(fā)生的事故，增加了安全保障。