盾構(gòu)法管廊特殊地段水平運輸設(shè)備的選用

高海剛

（中冶城市投資控股有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

隨著我國城市的快速發(fā)展，以往在盾構(gòu)法管廊隧道施工中，小曲線大坡度段掘進施工時，地表容易發(fā)生沉降，重載水平運輸極易發(fā)生溜車事故，導(dǎo)致嚴重的安全風(fēng)險隱患。經(jīng)過多年的發(fā)展和完善，趙翌川等[1]指出小半徑曲線盾構(gòu)隧道施工所引起的地表橫向沉降呈現(xiàn)不對稱特征，所穿越土層的參數(shù)空間變異性對計算結(jié)果的影響不大。劉博峰等[2]指出可根據(jù)地面變形的規(guī)律提出了盾構(gòu)穿越引起地面沉降的主要控制措施，有效保證了盾構(gòu)隧道的安全施工建設(shè)。為避免溜車事故發(fā)生，目前行業(yè)內(nèi)主要采取增加電瓶車車頭的方案，能有效提供動力及制動力，降低風(fēng)險，人員投入大、維護運行成本高，施工工序復(fù)雜，亦有采用連續(xù)洞內(nèi)皮帶機運輸方案解決重載水平運輸問題，工程設(shè)備投入及運行成本較高，更需要增加文明施工管理。任子林等[3]研究指出結(jié)合地下城市綜合管廊的特點及建設(shè)要求，明確各方面要點、參數(shù)，主要施工方法，提高城市地下綜合管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計有效性和科學(xué)性。本文通過對該現(xiàn)有盾構(gòu)管廊施工實例，針對小曲線大坡度段掘進施工時，從設(shè)備設(shè)計的選型、制造、運輸設(shè)備的配置功能、安全保障系統(tǒng)以及在工程施工中調(diào)整設(shè)備編組的角度入手，增加多種有效防溜措施、管理措施，以有效降低溜車風(fēng)險，保證施工作業(yè)人員安全及避免相關(guān)經(jīng)濟損失。

1 工程概況

16 號線共建管廊（綜合井10～綜合井17）工程位于龍崗區(qū)及坪山區(qū)，長度約6.61km。盾構(gòu)隧道襯砌為鋼筋混凝土管片，管片采用3+2+1 模式組合，錯縫拼裝。管片寬1 500mm，厚350mm，襯砌內(nèi)徑6 000mm，外徑6 700mm。鋼筋混凝土管片設(shè)計強度為C50，抗?jié)B等級為≥P10。

15 綜合井～17 綜合井區(qū)間隧道拱頂埋深10.41～27.28m，最大坡度46.3‰，最小平面曲線R300m，全長2051m。盾構(gòu)隧道主要穿越地層微風(fēng)化花崗巖，部分強風(fēng)化砂巖。其中，本區(qū)間微風(fēng)化花崗巖呈褐黃色、褐灰色，巖芯呈碎塊狀和短柱狀，柱長5～35cm，RQD=65～85，巖芯采取率為75%～80%；實測飽和單軸抗壓強度值29.9～51.5MPa，標準值34.34MPa，屬較硬巖，完整性指數(shù)0.64，為較完整巖，巖體基本質(zhì)量等級屬Ⅲ級[4]。

地下水主要為孔隙潛水、基巖裂隙水，水量豐富，孔隙潛水對混凝土結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有微腐蝕性；基巖裂隙水水量甚微，但不排除局部段有富水條件，泥巖含斑狀石膏，基巖裂隙水對混凝土結(jié)構(gòu)按弱腐蝕性考慮。

2 設(shè)備選型情況

針對本項目隧道的最大縱坡達到46.3‰，選用性能更加強大的65t 鋰電池牽引機車，并在機車編組方面做出針對性的改變；常規(guī)盾構(gòu)隧道掘進時，隧道內(nèi)物料水平運輸?shù)碾姍C車編組配置為1 臺機車+5 臺渣土車+1 臺砂漿車+兩臺管片車，本隧道內(nèi)水平運輸機車編組方式進行適當調(diào)整，采用1 臺機車+兩臺渣土車+兩臺管片車與1 臺機車+3 臺渣土車+1 臺砂漿車的方式，以減少每列編組的牽引重量，增強制動效果。

2.1 電機車結(jié)構(gòu)和功能

電機車結(jié)構(gòu)由機械、電氣組成。分為車架、司機室、走行部、牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等。

2.1.1 車架和司機室

車架是采用鋼結(jié)構(gòu)焊接而成的框架式布置，具有防塵、密封保溫和抗重物砸碰等功能，可確保操作人員安全，滿足施工現(xiàn)場氣候環(huán)境要求。司機室內(nèi)設(shè)有多種操縱按鈕（警示、照明、氣喇叭等）、儀表顯示（速度、電池電量顯示、輸入電流、輸入電壓等）裝置，為了便于瞭望司機室前后方和兩側(cè)均有視野寬闊的鋼化玻璃窗，后玻璃窗可以開啟，兩側(cè)玻璃窗為推拉式，司機室前后端均裝有照明大燈，為防止在頻繁吊裝鋰電池組時損壞后照明燈，后照明燈凹于駕駛室后端面，前端安裝有旋轉(zhuǎn)警示燈，車內(nèi)裝有電風(fēng)扇、司機室照明燈、可前后調(diào)整360°旋轉(zhuǎn)的升降司機座椅，駕乘工作環(huán)境安全舒適，駕駛室門采用縱向推拉方式，采用了橡膠減振方式安裝，保證運行過程中不會因振動產(chǎn)生聲音。

2.1.2 走行部

走行部采用二輪對、無轉(zhuǎn)向架設(shè)置，車體通過V 型橡膠彈簧與走行部的軸箱連接（一系懸掛系統(tǒng)），重量輕且免維護的V 型橡膠彈簧（壽命可達50 萬km 以上）承擔著垂向、橫向和縱向三個方向的作用力和減振作用，在有效減少輪軌磨損的同時提高了機車的駕乘舒適性。

2.1.3 機車制動裝置（電制動、氣制動、彈簧制動）

根據(jù)隧道盾構(gòu)掘進時編組載重大，線路超過常規(guī)坡度的特點，機車牽引就涉及重載上行、下行，對運輸電機車組的制動性能提出更高、更靈敏的要求。結(jié)合機車特點和環(huán)境要求設(shè)置了多種制動和防止溜車的安全措施。

電制動：電機車整機電氣通過PLC 處理各類控制及故障信號，如變頻器控制、外圍故障檢測等，PLC 可以依據(jù)不同級別故障自動進入相應(yīng)的控制狀態(tài)，如降低電機負荷，剎車制動等，特別是可以依據(jù)不同級別的故障采取不同等級的剎車制動措施，確保電機車任何時候均處于可控狀態(tài)，保證機車運行安全。

閉環(huán)矢量控制技術(shù)：電機車采用變頻器獨立控制電機，牽引電機特殊化定制，增加能實現(xiàn)閉環(huán)功能的旋轉(zhuǎn)變壓器，采用閉環(huán)矢量控制技術(shù)，機車在行駛過程中機車的輸出電流、電壓等各項數(shù)據(jù)通過變頻器和電機有適應(yīng)性反饋，通過大坡度時，電流輸出和電機扭矩輸出會增大，確保機車爬坡牽引能力滿足，下坡反之，輸出電壓電流降低，降低能耗，利用低速大扭矩，零速懸停，實現(xiàn)行車電制動，提升了整機制動性能，保障了機車的穩(wěn)定性和施工作業(yè)的安全性。

氣制動：氣剎車系統(tǒng)，制動和緩解過程沒有明顯延時，可以迅速控制整列機車的制動及緩解。雙管路空氣系統(tǒng)將電機車與后配套車輛的行車制動操作控制由兩個氣控開關(guān)分開獨立操作控制，實現(xiàn)電機車在大坡度上重載起步運行不留車，在大坡道剎車起動時防止出現(xiàn)溜車現(xiàn)象效果明顯。

彈簧制動：在停止供電、機車停用時，可使用彈簧制動，同時可以取代手剎。

防溜車制動裝置，該制動裝置為長期駐車采用的防溜車的制動措施，也可為當機車上述兩種制動失效提供備用制動。

2.1.4 其他裝置

鋰電池組：鋰電池（537V，338kWh）由1 個電池箱用插銷連接器連接組成，一次充電綜合工況可運行30km 以上。

交流異步牽引電動機：該車裝配的異步牽引電動機起動力矩大、恒功范圍寬、絕緣等級高（H 級）、維護費用低，是機車專用的牽引電機。

牽引逆變器：牽引逆變器是4 臺大功率工礦車專用逆變器，該逆變器采用進口機車變流器的功率元件和控制技術(shù)，具有自適應(yīng)特性好、抗振性能強、過載余量大、電制動性能操作方便等特點，通過長期裝車運行驗證，該牽引逆變器故障率極低，能適應(yīng)潮濕、灰塵、高溫等惡劣工作環(huán)境。

2.1.5 防瞌睡系統(tǒng)

瞌睡狀態(tài)識別、警示。施工為兩班倒，此系統(tǒng)為了防止司機疲勞駕駛，一般情況下設(shè)置若連續(xù)50s 對設(shè)備無任何操作，中冶城市投資控股有限公司設(shè)計的防瞌睡系統(tǒng)會發(fā)出警報聲音提示司機，若10s 后司機還是無應(yīng)答，機車會觸動防瞌睡制動功能，機車自行制動。各級報警中，若機車乘務(wù)員恢復(fù)清醒狀態(tài)后，報警自動取消。

報警視頻信息傳輸。發(fā)送盹睡警示過程（盹睡前10s——警示過程——警示后10s）的視頻信息將傳輸并存儲到中央處理器。

系統(tǒng)自檢：實時監(jiān)測攝像頭、編解碼模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸接口的運行狀態(tài)，并將狀態(tài)信息發(fā)送給中央處理平臺。

攝像監(jiān)視系統(tǒng)：機車裝備有攝像監(jiān)視系統(tǒng)，在司機室內(nèi)部裝有彩色監(jiān)視器，在機車后端板上安裝雙紅外攝像頭，監(jiān)控范圍包括機車牽引器和后配套車輛上方空間，連接電纜（機車、車輛）采用快插式航空接頭，具有防水功能。

2.2 使用和操作

司機在使用前要對交接班記錄、車況、車輪、閘瓦、制動的靈敏度等進行檢查和測試。

2.2.1 電氣系統(tǒng)操作

電機車操縱臺功能簡介：（1）司機控制器：司機控制器有0～15 共15 檔牽引位。從0 位開始，順時針轉(zhuǎn)動手輪，電機車速度逐級提高；逆時針轉(zhuǎn)動手輪，實施電制動。具有機械連鎖功能，速度手輪不在0 位時方向手柄鎖定；方向手柄在0 位時速度手輪鎖定。（2）扳鍵開關(guān)組；用于控制后照燈、前照燈、司機室燈、電風(fēng)扇、輔助電源的通斷；（3）指示燈顯示：欠壓指示燈、輔助電源指示燈。（4）復(fù)位開關(guān)：逆變器的復(fù)位開關(guān)。（5）點動開關(guān)：可控制機車低速運行，用于機車車輛編組或定點停車。（6）喇叭按鈕：鳴響喇叭以示注意。（7）空壓機手動開關(guān)：是自動開關(guān)故障時的備用開關(guān)，接通該開關(guān)空壓機工作，關(guān)閉此開關(guān)空壓機停止工作，還可用于測試空壓機是否正常工作。

2.2.2 運行操作

（1）駕乘人員進入司機室關(guān)閉車門，接通直流斷路器逆變器開始充電，3～5s 后牽引逆變器開始工作，當空氣制動系統(tǒng)的壓強達到0.5MPa（空氣制動工作的工作壓強），方可行車。（2）根據(jù)運行方向，將司機控制器撥至前進或后退位。（3）試鳴喇叭，預(yù)示將要行車。（4）轉(zhuǎn)動手動轉(zhuǎn)閥使空氣制動系統(tǒng)處于緩解位，機車機械制動緩解閘瓦與車輪分離；然后順時轉(zhuǎn)動司控器擋位手輪（逐級加減擋）機車起步，待到機車達到5km/h 時，檢測下電制動是否正常工作。（5）在彎道處，機車根據(jù)設(shè)定速度行駛。（6）運行時機車前方有障礙，迅速制動，并停車至無路障時方可通過。（7）光照強度不夠時，駕乘人員應(yīng)根據(jù)運行方向打開前后燈、司機室頂燈。

2.3 注意事項

2.3.1 制動時注意事項

提前減擋使機車減速直到終點處停止，如電制動達不到停車要求可配合使用空氣制動。機車停止后，司機離開機車前，應(yīng)將空氣制動閥手柄置于制動位，使機車機械制動裝置處于制動狀態(tài)。注意：在電機車速度降為零以前，不允許使用換向手柄實施逆操作。

2.3.2 行駛時注意事項

司機要注意周圍環(huán)境、路況和儀表儀器顯示，在通過彎道、道岔時減速并觀察路況，必要時要停車等待；導(dǎo)線的燒損和軸承過熱都可產(chǎn)生異味，故若發(fā)現(xiàn)異音、異味時應(yīng)制動停車；在正常行車中，機車控制系統(tǒng)有5 次自動復(fù)位能力（可根據(jù)用戶要求設(shè)定20次），超過5次需人工接通復(fù)位開關(guān)強制復(fù)位；注意：司機控制速度手輪在“0”位，復(fù)位開關(guān)、扳動開關(guān)才起作用。

2.3.3 離開機車時注意事項

司控器置零；切斷電源開關(guān)；若司機換班必須認真填好交接班記錄；關(guān)閉司機室門并上鎖，以防他人進入造成行車事故。

3 電機車防溜車措施

3.1 電機車編組配置方案

常規(guī)結(jié)構(gòu)隧道掘進時，隧道內(nèi)物料水平運輸?shù)碾姍C車編組配置為：1 臺機車+5 臺渣土車+1 臺砂漿車+兩臺管片車，針對本項目隧道的最大縱坡達到46.3‰，在電瓶機車的選用及編組方面做出針對性的改變：一是選用性能更加強大的牽引機車，選用65t 鋰電池牽引機車；二是機車編組方式進行適當調(diào)整，減少每列編組的牽引重量。

（1）1#編組：1 臺65t 牽引機車+3 臺20 方渣土車+1 臺10 方砂漿車，編組總長度約為37m。

（2）2#編組：1 臺65t 牽引機車+兩臺20 方渣土車+兩臺20t 管片車，編組總長度約為32.6m。

3.2 機車的相關(guān)計算

3.2.1 機車粘重選擇計算

從兩列編組配置方式及各運載重量可以看出，最大運載重量的編組配置為1#編組，其最大牽引重量為：3×渣土車自重+3×渣土車滿載方量+1×砂漿車自重=159t

式中：

G1—機車粘重（kg）；

G2—牽引重量（kg），此處按最大牽引重量計算；

μ0—許用粘著系數(shù)（交流機車：取0.2～ 0.4，綜合工況取0.24）；

μ1—坡道阻力系數(shù)（x‰=x/1 000）；

μ2—列車運行阻力綜合系數(shù)，包括滾動阻力系數(shù)、軸承摩擦阻力系數(shù)、曲線離心力引起的側(cè)滑阻力系數(shù)等（取0.008 或8N/kN）；

a—列車平均加速度（m/s2，取0.06）；

g—重力加速度（9.8 m/s2）；

根據(jù)兩列編組配置方案編組牽引重量，依照編組重載牽引159t，在46.3‰坡度工況進行機車粘重核算，可計算得G1≥53t，

根據(jù)現(xiàn)有機車規(guī)格及安全性考慮，選擇65t 機車完全滿足要求。

3.2.2 駐車制動計算（排氣制動）

最大載運量列車編組：65t 鋰電池電機車（1輛）＋20 立方土渣車（3輛）＋10 立方砂漿車（1輛）

載荷計算，列車出渣時，砂漿車和管片車均為空載，故列車載荷G出為：

因列車進入隧道時，渣土車空載，砂漿車和管片車滿載，故列車載荷G入為：

3.2.3 制動力計算

機車在46.3‰坡道上下滑力計算，根據(jù)《列車牽引計算》，在46.3‰坡道上坡道附加阻力（下滑力）為：101.6kN，計算公式為：

式中：機車、車輛的坡道附加阻力在數(shù)值上等于該坡道的坡道千分數(shù)i，單位為N/kN。

機車斷氣后制動缸彈簧制動力（閘瓦制動），電機車采用空氣制動和電制動同時制動，其中空氣制動使用氣缸拉動制動連桿制動。制動氣缸參數(shù)：缸徑：D=220mm，桿徑：d=50，行程L=160mm。彈簧初始力：7 328N，彈簧終壓縮力：14 391N，制動氣壓：p=0.38MPa，制動時空氣和彈簧力同時作用，制動時氣缸伸出40mm。制動時氣缸空氣拉力F1為 13 692 N，計算公式為：

式中：μ—中閘瓦與車輪摩擦系數(shù)，取0.3（綜合工況）

65t 機車頭為四軸轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，共有8 個制動輪，共計制動力N=29 427×8=235kN?？傊苿恿?35kN ＞在46.3‰坡道上滿載時的下滑力101.6kN，本駐車制動裝置安全、可靠。

3.3 重點區(qū)段防溜車措施

3.3.1 設(shè)備準入

（1）應(yīng)對電瓶車、渣土車的選型進行論證，結(jié)合所施工項目大坡度實際情況，確保設(shè)備能夠滿足水平運輸作業(yè)安全運行。

（2）電瓶車和渣土車進場前須提供質(zhì)量合格證明文件、使用說明書，電瓶車還需提供性能試驗報告。

（3）電瓶車應(yīng)配備基礎(chǔ)制動和緊急制動裝置，防止電瓶車在基礎(chǔ)制動失效的情況下溜坡。

（4）電瓶車應(yīng)配置噴砂輔助制動裝置。在無法有效制動情況下，通過行車輪前方的噴砂裝置噴射石英砂以提高輪軌粘著系數(shù)[5]。

（5）電瓶車在斷電情況下應(yīng)具備自動剎車功能，并應(yīng)設(shè)置具備自動升降功能的防溜車抓鉤，抓鉤應(yīng)為雙鉤頭。

3.3.2 輔助措施

（1）電瓶車應(yīng)安裝電子標簽限速系統(tǒng)，在大坡度段自 動檢測識別，即使手柄推至高速擋，也能自動低速運行，確保不因速度過快引發(fā)變頻器故障、電制動保護失效。直線段 限速 5km/h，曲線、大坡度段、井口、盾構(gòu)機臺車范圍內(nèi)限速3km/h。

（2）軌道端頭、道岔位置、盾構(gòu)機首尾臺車位置均應(yīng)設(shè)置防撞梁，軌道端頭還應(yīng)設(shè)置車擋和緩沖墊。

（3）應(yīng)采用槽鋼等型鋼或定型軌枕，間距不大于 1.2m，螺栓壓板緊固；采用 43kg/m 軌雙軌鋪設(shè)，道軌距拉 桿間距不超 6m；鋼軌接頭采用夾板連接，軌縫間隙不大于 10mm，接頭處錯臺、錯牙不大于5mm。

（4）電瓶車蓄電池應(yīng)提供采取有針對性的防火防爆措施，及蓄電池耐壓、沖擊、穿刺等試驗報告。

（5）電瓶車車輛編組之間除了銷軸連接外，還應(yīng)設(shè)置兩道鋼絲繩或短環(huán)鐵鏈等材料的軟連接，確保編組之間的連接，防止個別編組脫節(jié)造成溜車。

（6）機車設(shè)置司機防瞌睡功能，當司機瞌睡或疲勞時觸發(fā)該功能自動減速停車。

（7）配置倒車影像和聲光警報裝置。

（8）隧道內(nèi)每隔 50 環(huán)備存防溜車應(yīng)急沙袋。

3.4 安全保障措施

在爬坡位置設(shè)置限速標示牌，洞內(nèi)水平運輸分析可知，洞內(nèi)水平運輸電機車性能主要與坡度、速度、牽引重量等因素相關(guān)，經(jīng)過分析，在本標段大坡度前提下，電機車爬坡必須采取小速度大牽引力行駛，機車爬坡限速為3km/h。因此在隧道大坡度位置，設(shè)置限速標示牌，使電機車司機清楚機車已經(jīng)進入大坡度位置，必須按照規(guī)定速度要求運行電機車，采取小速度大牽引力行駛，從而預(yù)防溜車事故的發(fā)生。

機車車頭位置設(shè)置緊急制動錨鉤，緊急制動錨鉤由空氣制動系統(tǒng)控制，在正常制動不能滿足要求的情況下或溜車的情況下按下緊急按鈕啟動緊急制動錨鉤，使錨鉤放下鉤住軌枕，將列車強制停下。此裝置在機車剛開始溜車或有溜車苗頭而機車本身剎車系統(tǒng)不能較好控制機車下滑情況時使用，在以往使用時起到了比較好的效果，因此本區(qū)間繼續(xù)采用此裝置預(yù)防溜車事故的發(fā)生。

充分發(fā)揮機車本身制動性能，車制動分為電制動、空氣制動和機械彈簧制動。電制動為常用制動，機車下坡道或減速運行，交流異步牽引電動機處于發(fā)電狀態(tài)，將機車動能轉(zhuǎn)化為電能通過變流器向鋰電池充電，當鋰電池充滿電的情況下可自動轉(zhuǎn)換成電阻制動將能量消耗掉。壓縮空氣作為動力的閘瓦制動僅作為緊急制動使用。因此機車在運用過程中閘瓦消耗極少。機械彈簧制動為駐車時防止溜車使用。因此，在機車運行時，必須充分發(fā)揮機車本身制動性能，為預(yù)防溜車起到最基本的保障作用。要求在平時的運行過程中加強機車的日常維護保養(yǎng)，保障各項制動性能的完好性[6]。

設(shè)置輔助制動裝置，電機車上安裝沙箱，設(shè)置撒砂裝置，行駛中在軌面進行撒沙，以增加車輪與軌道間摩擦力，增強制動能力。在軌道上設(shè)置軌擋器（軌擋器隨車攜帶），當列車向前溜動時用以卡住車輪，阻止其溜車[7]。

隨車配備鐵靴，后配套運行停止時，必須同時啟用制動系統(tǒng)及鐵靴，防止溜車。

4 結(jié)論

本文通過工程實例敘述了盾構(gòu)工程在小曲線及大坡度工況下，針對水平運輸設(shè)備進行合理選型，并通過相關(guān)措施的合理應(yīng)用，施工期間未發(fā)生電瓶車溜車、滑移、脫軌等情況，安全有效完成了盾構(gòu)在小曲線及大坡度范圍的施工任務(wù)，有效降低溜車風(fēng)險，保證施工作業(yè)人員安全及避免相關(guān)經(jīng)濟損失。在其他類似工程時希望可以得到很好的借鑒意義。