劉宏，簡曉輝，張愛武

（1.中國水利水電第八工程局有限公司，湖南長沙410004；2.吉林省盾構(gòu)與掘進(jìn)刀具技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 吉林市132011）

1 概述

隨著我國TBM 設(shè)備制造水平的日漸成熟，TBM 設(shè)備施工已經(jīng)成為地下隧道施工的首選工程機(jī)械。在圍巖狀態(tài)較好的地質(zhì)條件下，開敞式TBM 設(shè)備由于不用預(yù)制和安裝混凝土管片，掘進(jìn)速度更快而備受青睞。為追求TBM 設(shè)備后配套拖車的空間最大化和穩(wěn)定性，TBM 后配套拖車行走輪組都會(huì)高于開挖隧道地平面一定距離，從而導(dǎo)致后配套拖車運(yùn)行軌道下方必須設(shè)計(jì)軌枕支撐軌道，承載TBM 后配套設(shè)備所有重量和機(jī)車運(yùn)行。

TBM 設(shè)備一般都是根據(jù)隧洞尺寸和地質(zhì)勘探結(jié)果量身打造，外形尺寸上差異較大，軌枕的設(shè)計(jì)方面沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，依靠施工單位根據(jù)現(xiàn)場情況和施工經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)加工。新疆XE-VI項(xiàng)目部TBM 設(shè)備開挖直徑φ7.83 m，設(shè)備全長298 m，自重1500 t，后配套拖車行走軌道面距開挖最低點(diǎn)730 mm，后配套拖車為框架結(jié)構(gòu)，尾部拖拽加利福利亞道岔和爬坡漸變段。設(shè)備廠家設(shè)計(jì)軌枕為單層整體式軌枕結(jié)構(gòu)，見圖1，采用I16 工字型鋼材料加工制作，單組重量約100 kg。該工程隧洞單段距離13000 m, 軌枕設(shè)計(jì)鋪設(shè)間距1 m,共需軌枕13 000 套，總重約1 300 t。

TBM 施工軌枕是輔助施工材料，由于隧洞直徑和設(shè)備的非標(biāo)準(zhǔn)化，軌枕材料都是一次性投入，后續(xù)工程由于隧道直徑或設(shè)備的變化不能繼續(xù)使用。對施工企業(yè)來說，軌枕資金投入后沒有保值空間，工程完成后只能作為廢舊鋼材處理，其資金投入量越大越不經(jīng)濟(jì)。

圖1 TBM 施工單層軌枕示意圖

2 機(jī)車運(yùn)行安全性能分析

機(jī)車在運(yùn)行過程中，對軌枕穩(wěn)定性要求極高的工況是機(jī)車的制動(dòng)過程。機(jī)車的制動(dòng)過程,大體上可分為三個(gè)階段,第一階段是制動(dòng)系統(tǒng)的反應(yīng)和動(dòng)作, 制動(dòng)器在這一階段沒有真正起作用,車輛仍按原來的速度行駛。第二階段是從制動(dòng)器起作用到車輪抱死拖滑, 這一階段制動(dòng)力不斷增加,車輪邊滾邊滑直至抱死。第三階段是從車輪抱死拖滑直至車輛停止,這一階段制動(dòng)力基本不變,制動(dòng)距離主要由軌道與車輪的附著系數(shù)確定。制動(dòng)過程的這三個(gè)階段,從動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)來看,第一階段屬于穩(wěn)態(tài)過程,此時(shí)車速不變;第三階段雖然車輪不再轉(zhuǎn)動(dòng)，但是在慣性作用下機(jī)車向前滑動(dòng)，屬于動(dòng)態(tài)過程, 制動(dòng)減速度在此階段基本保持不變或變化不大，直至機(jī)車慣性勢能被完全消耗。

從制動(dòng)過程的分析可以看出，在制動(dòng)第三階段，機(jī)車車輪已經(jīng)不再轉(zhuǎn)動(dòng)，但是機(jī)車在慣性作用下仍然會(huì)向前滑動(dòng)，滑動(dòng)距離與機(jī)車重量和行駛速度相關(guān)，隨著車輪與軌道之間的摩擦，機(jī)車慣性勢能逐漸衰減直到完全停止，在這一過程中，機(jī)車的慣性能量通過車輪、軌道直接作用于軌枕上，機(jī)車軌道和軌枕具有向前移動(dòng)的趨勢。軌枕距離地面越高，軌枕產(chǎn)生的傾翻轉(zhuǎn)矩越大，軌枕容易發(fā)生傾覆或變形，甚至導(dǎo)致機(jī)車脫軌和傾翻事故。

由于機(jī)車運(yùn)行軌面較高，機(jī)車一旦發(fā)生傾翻事故，對機(jī)車和人員的傷害程度會(huì)更加嚴(yán)重，同時(shí)給故障搶險(xiǎn)工作帶來更大的難度。要保證機(jī)車運(yùn)行安全可靠，盡量減輕意外事故對設(shè)備和人員的傷害，降低機(jī)車運(yùn)行軌面高度是唯一可行的措施。同時(shí)，從項(xiàng)目經(jīng)營的角度出發(fā)，在保證軌枕強(qiáng)度要求的情況下盡量減少軌枕材料，可減少施工資金投入，實(shí)現(xiàn)合理利潤。因此，軌枕的合理設(shè)計(jì)就顯得尤為必要。

3 雙層軌枕設(shè)計(jì)方案

雙層軌枕的設(shè)計(jì)思路，就是在TBM 設(shè)備前方軌道延伸區(qū)域一次性布置兩層軌道，上層軌道和軌枕在TBM 設(shè)備完全通過后拆除，軌道和軌枕再轉(zhuǎn)運(yùn)到前方軌道延伸區(qū)域循環(huán)利用。

上層軌枕設(shè)計(jì)是為了保證原TBM 設(shè)備設(shè)計(jì)的后配套拖車行走輪組和平板小車行走輪組高程不變，滿足原TBM 設(shè)備的設(shè)計(jì)性能要求。下層軌枕是為了將機(jī)車運(yùn)行軌道面高程降低，提高機(jī)車運(yùn)行安全性，上下層軌枕高差通過設(shè)坡道漸變段進(jìn)行補(bǔ)償，保證機(jī)車能順利從下層軌道進(jìn)入TBM 后配套拖車內(nèi)部。在設(shè)備橋下鋪設(shè)TBM 后配套拖車軌枕軌道和機(jī)車運(yùn)行軌枕軌道，上下兩層，同步延伸，見圖2。TBM 后配套拖車軌枕軌道在TBM 設(shè)備完全通過后拆除。為減輕生產(chǎn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，上部TBM 后配套拖車運(yùn)行軌道使用單根長度6 米的P43 型標(biāo)準(zhǔn)軌道，便于拆除和周轉(zhuǎn)過程中搬運(yùn)。

圖2 雙層軌枕軌道延伸安裝示意圖

上部軌枕見圖3，設(shè)計(jì)成整體式結(jié)構(gòu)，通過中間支撐和兩端，分別有6 個(gè)受力點(diǎn)支撐TBM后配套拖車和機(jī)車編組重量，強(qiáng)度上比單層軌枕設(shè)計(jì)要高，上層軌枕兩端直接擺放在隧洞開挖巖石上，可以避免軌枕前后移動(dòng)，穩(wěn)定性較好。

圖3 TBM 后配套拖車周轉(zhuǎn)軌枕示意圖

為保證機(jī)車可以順利到達(dá)TBM 后配套拖車上方，在兩層軌道之間設(shè)置機(jī)車爬坡段，爬坡段長度12.5 m，爬升高度375 mm，坡度為3%，見圖4。每天上午TBM 設(shè)備完全通過后，上層軌道和軌枕拆除，爬坡段向TBM 方向拖動(dòng)。

圖4 尾部機(jī)車爬坡漸變段軌道示意圖

4 軌枕優(yōu)化后經(jīng)濟(jì)效益分析

按隧道單段掘進(jìn)長度13 000 m，軌枕布置間距1 m 計(jì)算，軌枕優(yōu)化設(shè)計(jì)后，機(jī)車軌枕見圖5，單組重量約為26.75 kg，總重347.75 t；設(shè)置上層周轉(zhuǎn)軌枕500 組，總重約50 t，相對于原軌枕設(shè)計(jì)，可節(jié)省16#工字鋼材料約900 t。

圖5 機(jī)車運(yùn)行軌枕示意圖

機(jī)車運(yùn)行軌枕降低后，原用于軌枕間相互連接，增加軌枕穩(wěn)定性的角鐵材料 （∠60×60×5 mm）取消，可節(jié)省角鐵材料（∠60×60×5 mm）約148.75 t。

上層軌枕增加縱向受力點(diǎn)后，原用于兩立柱之間的加強(qiáng)支撐無縫鋼管（φ102×5 mm）材料取消，可節(jié)省無縫鋼管材料約165 t。

軌枕設(shè)計(jì)優(yōu)化后，用量最大的機(jī)車運(yùn)行軌枕只需要切割和鉆孔加工工藝，制作成本明顯下降。上層軌枕加工較為復(fù)雜，但可周轉(zhuǎn)利用，總加工量僅500 套，一次加工完成后即可滿足生產(chǎn)需求。

在軌枕軌道延伸過程中，由于取消了軌枕間的角鐵連接設(shè)計(jì)，安裝過程中不再需要電焊作業(yè)，上下兩層軌枕之間無鋼性連接，后期拆除上層軌道和軌枕的操作更加便利。

5 軌枕延伸準(zhǔn)備和安裝工藝

5.1 編組裝車

為保證TBM 設(shè)備的最大掘進(jìn)效益，施工單位一般都把施工材料準(zhǔn)備工序安排在上午TBM設(shè)備強(qiáng)制保養(yǎng)時(shí)間段進(jìn)行。敞開式TBM 施工需要的材料主要有以下幾大類：①軌道延伸材料，包括軌道、軌枕及固定軌道的壓塊螺栓等；②維保材料，包括TBM 的潤滑油料、刀具及刀具緊固部件、刀盤鏟齒、錨桿鉆機(jī)、鉆桿、鉆頭及其他TBM 維修保養(yǎng)所需配件；③初次支護(hù)材料，包括隧洞掘進(jìn)開挖后，在護(hù)盾后方根據(jù)圍巖情況，對圍巖進(jìn)行加固施工的錨桿、鋼筋網(wǎng)片、鋼拱架等施工材料；④連續(xù)皮帶機(jī)延伸材料，包括連續(xù)皮帶機(jī)延伸所需的支撐支架、縱向桁架、皮帶托輥支架、托輥等施工材料；⑤水電延伸材料，包括供（排）水管、水管固定支架、洞內(nèi)照明電纜支架、照明電纜及燈具等；⑥二次支護(hù)材料，包括根據(jù)不同圍巖情況所需的噴射混凝土、速凝劑等施工材料。以上施工材料，根據(jù)TBM 設(shè)備后配套拖車設(shè)計(jì)需要利用機(jī)車材料車運(yùn)送到不同的位置卸車。一般情況下，軌道延伸材料、維保材料都需要運(yùn)送到TBM 設(shè)備的最前端 （軌道延伸安裝工作區(qū)），水電延伸材料（供排水軟管、卷盤附件）處于TBM 設(shè)備的最后端。

材料裝備前，首先在洞外對機(jī)車編組，列車編組主要有三種組合模式。上午TBM 強(qiáng)制維保及材料補(bǔ)充編組模式，如圖6中編組模式1；上下班人員運(yùn)送模式，如圖6中編組模式2；施工中噴射混凝土運(yùn)輸模式，如圖6中編組模式3。

5.2 洞內(nèi)備料

圖6 施工材料準(zhǔn)備和人員進(jìn)出機(jī)車編組示意圖

列車編組到達(dá)TBM 尾部錯(cuò)車平臺(tái)——靠右側(cè)停靠——水管延伸材料、支架等材料卸車完畢——到10# 拖車位置卸下連續(xù)皮帶機(jī)延伸材料——到設(shè)備橋下方卸下軌道軌枕延伸材料和刀具、油料——返回尾部錯(cuò)車平臺(tái)——待水管延伸工序結(jié)束——配合TBM 后配套軌枕和軌道組件回收——將空載材料平板、周轉(zhuǎn)材料和待維修刀具運(yùn)出洞外——施工材料準(zhǔn)備完成，TBM 設(shè)備檢修完成后掘進(jìn)施工。

5.3 雙層軌枕及軌道的延伸安裝

在TBM 設(shè)備橋下方預(yù)留有25 米長的軌道延伸作業(yè)空間，上部有2 臺(tái)3 t 的電動(dòng)葫蘆吊機(jī)可以協(xié)助施工人員完成軌道和軌枕的吊運(yùn)安裝。其施工順序如下：

第一步，軌道安裝區(qū)域清渣和抽排積水；

第二布，機(jī)車軌枕鋪設(shè)，布置間距1 米；

第三步，機(jī)車軌道鋪設(shè)，P43 型12.5 米標(biāo)準(zhǔn)軌道2 條；

第四步，下層壓板及壓板螺栓安裝，利用氣動(dòng)扳手緊固；

第五步，上層軌枕鋪設(shè)，布置間距1 米；

第六步，上層軌道鋪設(shè)，P43 型6 米標(biāo)準(zhǔn)軌道4 條；

第七步，上層軌道壓板及壓板螺栓安裝，利用氣動(dòng)扳手緊固；

第八步，重復(fù)延伸上層6 米軌道。

5.4 上層軌枕軌道拆除

隨著TBM 逐漸向前推進(jìn)，上層軌道在TBM尾端逐漸外露，在每天上午強(qiáng)制維保時(shí)間段，要將前一天外露的部分上層軌道及上層軌枕拆除。其施工順序如下：

（1）拆除上層軌枕的壓板和螺栓，注意緊固件回收；

（2）將上層6 米軌道裝到材料平板車上；（3）拆除上層軌枕并裝到材料平板車上；

（4）將6 米軌道和上層軌枕卸到TBM 后配套拖車的上層軌道和軌枕暫存處；

（5）重復(fù)以上工序，直到TBM 后邊外露上層軌道和軌枕全部拆除；

（6）清理變形的上層軌枕和緊固件，需要處理的部分運(yùn)出洞外處理修復(fù)。

5.5 爬坡漸變段前移

TBM 后方外露的上層軌道和軌枕全部拆除后，需要將爬坡漸變段向TBM 方向移動(dòng)，恢復(fù)機(jī)車運(yùn)輸通道。利用TBM 后配套12 號(hào)拖車上布置的SANY SPS8000 型直臂吊機(jī)，在12 號(hào)后配套拖車的中間安裝一個(gè)定滑輪，通過直臂吊機(jī)的吊鉤上升來拖動(dòng)爬坡漸變段，如圖7所示。

圖7 利用TBM 后配套拖車上布置的直臂吊機(jī)拖動(dòng)爬坡漸變段

在TBM 后邊所有外露上層軌道及軌枕拆除完成后，清理下層機(jī)車軌道及底部的石渣，然后拖動(dòng)爬坡漸變段整體向TBM 方向移動(dòng)。由于爬坡漸變段與直臂吊機(jī)之間距離有150 米左右，所以在拖動(dòng)過程中，吊車操作人員和拖車指揮人員要通過對講機(jī)進(jìn)行聯(lián)系，并指派專人負(fù)責(zé)安全監(jiān)護(hù)。

5.6 爬坡漸變段定位

爬坡漸變段的布置和設(shè)計(jì)，是為了讓機(jī)車在上下兩層軌道之間順利切換。

爬坡漸變段與下層機(jī)車軌道接觸部位在內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)有限位裝置，可防止爬坡漸變段在機(jī)車軌道上左右移動(dòng)，或爬坡漸變段軌道與上（下）機(jī)車軌道出現(xiàn)錯(cuò)位現(xiàn)象。機(jī)車在上坡時(shí)（進(jìn)入TBM），機(jī)車驅(qū)動(dòng)輪使爬坡漸變段有后退移動(dòng)的趨勢；機(jī)車在下坡時(shí)（向出洞方向行駛），制動(dòng)情況下，機(jī)車的慣性會(huì)通過驅(qū)動(dòng)輪傳遞到爬坡漸變段，使其有后退移動(dòng)的趨勢。因此，在爬坡漸變段拖拉到位后，必須對其固定，防止機(jī)車運(yùn)行中，爬坡漸變段后退導(dǎo)致機(jī)車出現(xiàn)脫軌傾覆事故。

列車編組在三種編組模式中，第三種編組模式（噴射混凝土運(yùn)輸模式）自重最大可達(dá)到66.5 t，因列車編組行走輪與鋼軌之間屬于滾動(dòng)摩擦，查滾動(dòng)摩擦系數(shù)表可知鋼質(zhì)車輪與鋼軌的滾動(dòng)摩擦系數(shù)為0.05，所以求得該模式下水平道路上所需牽引力F＝33 kN。根據(jù)列車牽引計(jì)算《牽規(guī)》(TB/T1407-1998)可知，列車坡道阻力在數(shù)字上等于坡道坡度的千分?jǐn)?shù)，所以列車編組在爬坡漸變段運(yùn)行時(shí)需要克服隧道坡度和爬坡漸變段自身坡度的坡度阻力，總坡度阻力Fi約為10 kN,即機(jī)車通過爬坡漸變段時(shí)所需最大牽引力Ft約為43 kN。項(xiàng)目現(xiàn)場機(jī)車為寶雞恒通隧道設(shè)備有限公司生產(chǎn)的NRQ25F 型內(nèi)燃機(jī)車，整備重量25 t，起動(dòng)牽引力為65 kN，完全滿足該模式下列車編組爬坡能力需求。

因坡道漸變段放置在下層機(jī)車軌道上，為便于拖動(dòng)，兩者之間無剛性連接，而列車編組通過爬坡漸變段時(shí)所需最大牽引力為43 kN，即爬坡漸變段需要克服43 kN 的縱向推力才能保證在機(jī)車運(yùn)行過程中不會(huì)出現(xiàn)縱向移動(dòng)。爬坡漸變段總重約5 t，與鋼軌之間相互摩擦所產(chǎn)生的最大靜摩擦力f 為6～7.5 kN，顯然不能滿足列車編組的安全運(yùn)行，因此，需要用手拉葫蘆給予坡道漸變段一個(gè)拉力，以克服機(jī)車運(yùn)行過程中給予爬坡漸變段帶來的縱向移動(dòng)趨勢。為滿足最重列車編組安全運(yùn)行，該拉力最小為（43-6）＝37 kN，所以，利用一個(gè)5 t 手拉葫蘆可滿足需求。

爬坡漸變段拖拉到位后，必須用手拉葫蘆進(jìn)行縱向定位，使其在機(jī)車運(yùn)輸過程中不能前后移動(dòng)，確保機(jī)車安全運(yùn)行。

6 結(jié)語

在實(shí)際應(yīng)用過程中，軌枕延伸和軌枕拆除施工時(shí)，對其工效影響最大的是其中的石渣清理工序，而石渣的堆積情況與隧洞圍巖地質(zhì)情況有關(guān)。即隨著圍巖自穩(wěn)性變差，洞內(nèi)的石渣會(huì)越來越多，增加軌道延伸和拆除過程中的清渣工作量。但是隨著圍巖自穩(wěn)性能下降，TBM 施工過程中施工重點(diǎn)會(huì)逐漸從掘進(jìn)施工轉(zhuǎn)變?yōu)橹ёo(hù)施工，TBM 掘進(jìn)速度會(huì)減慢，軌枕延伸和拆除工作不影響TBM 的掘進(jìn)速度。

通過雙層軌枕的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，水電八局新疆XE-VI 項(xiàng)目部TBM 施工軌枕材料投入資金得到合理控制，機(jī)車運(yùn)行安全性得到保障，掘進(jìn)過程中實(shí)現(xiàn)了日進(jìn)尺50 米的掘進(jìn)記錄，TBM 設(shè)備橋下方軌道延伸工作量和每天上午的上層周轉(zhuǎn)軌枕和軌道拆除工作量與單層軌枕設(shè)計(jì)施工工作量有所增加，但對TBM 掘進(jìn)施工效率無明顯影響。