謝曉輝

(廣州珞珈環(huán)境技術(shù)有限公司，廣東 廣州 510030)

1 研究背景

隨著我國城際軌道交通、地鐵、水利等非開挖隧道工程的增多，在越來越有限的地下空間中縱橫交錯，甚至是采用小直徑轉(zhuǎn)彎達到規(guī)劃要求，對地下盾構(gòu)施工及大坡度水平運輸提出了更高的要求。

為解決上述施工難題，通過調(diào)整合適的盾構(gòu)機掘進參數(shù)，采用黏土輸送泵從盾體徑向孔向下泵送合適黏度的黏土，對殼體周邊不斷加壓填充，局部增強土體承載力，同時為殼體提供反作用力，達到輔助調(diào)整盾構(gòu)機姿態(tài)的目的，在電機車上增設(shè)雙向應急防溜裝置，降低水平運輸溜車、出軌概率，減小溜車帶來的危害。通過試驗和改進研制出“雙向應急防溜制動裝置”[1]，分別在220 kV石井～環(huán)西(西灣路～石沙路段)土建工程(施工2標)及長沙市萬家麗路快速化改造北延線電力隧道工程項目中成功應用，其核心技術(shù)“電機車雙向應急防溜制動裝置”已獲得國家專利，關(guān)鍵技術(shù)“小直徑土壓平衡盾構(gòu)大坡度防溜車技術(shù)”于2021年9月4日經(jīng)由廣東省建筑業(yè)協(xié)會組織鑒定，其技術(shù)水平已達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

2 工法特點及適用范圍

1)構(gòu)造簡單、靈活、占用空間小、成本低、操作簡單方便。

2)沖擊載荷小、安全性較高、可循環(huán)使用。

3)使用環(huán)保無污染，對周邊環(huán)境無影響。

4)本工法適用于地鐵、電力管廊、供水管道等采用電機車水平運輸?shù)乃淼朗┕ぁ?/p>

3 工藝原理

選用球形主動鉸接系統(tǒng)盾構(gòu)機，滿足小半徑盾構(gòu)機在大坡度條件下的爬坡要求，解決了盾構(gòu)機在大坡度軟弱地層中掘進問題；在電機車上增設(shè)雙向應急防溜制動裝置，降低了大坡度水平運輸溜車風險，降低對軌道的破壞，節(jié)約軌道維修時間，節(jié)省電機車出軌造成的軌道、軌枕、走道板等維修費用，保障了盾構(gòu)水平運輸及地表建筑物安全。

4 施工工藝流程及操作要點

4.1 施工工藝流程

1)裝置組裝安裝流程。雙向應急防溜制動裝置的主要分5個部分：制動托架、制動器、前進限位墩、氣動系統(tǒng)。具體組裝流程見圖1。

圖1 制動裝置組裝流程圖

2)制動裝置工藝流程。制動裝置施工工藝流程見圖2。

圖2 制動裝置工藝流程圖

4.2 操作要點

根據(jù)隧道58‰大坡度及電機車載重重量，首先確定符合大坡度水平運輸?shù)碾姍C車，盾構(gòu)始發(fā)井長度23 m，水平運輸采用電機車兩列編組：a列電機車牽引1節(jié)8 m3渣車、1節(jié)4 m3砂漿車和2節(jié)管片車，長度21.2 m；b列電機車牽引2節(jié)8 m3渣車及1節(jié)管片車，長度19.8 m。

工程使用的管片外徑4.1 m，內(nèi)徑3.6 m，寬度1 m，一環(huán)管片共6塊，總重量約8.07 t，兩列編組總重量分別為Qa=20+7+11.2+3.5+6+(2.5+8.07)×2=68.84 t；Qb=20+(7+11.2)×2+2.5+8.07=66.97 t。

以最大載重的a列編組作為計算對象。

1)下坡制動距離計算[2]。根據(jù)電機車的技術(shù)參數(shù)，取運行阻力系數(shù)u為0.006；取最大下坡度im為54‰；假定P為電機車質(zhì)量，Q為后續(xù)車組質(zhì)量，重力加速度g取9.8 m/s2。

則列車的制動距離Lz為：

=11.86 m<40 m，滿足制動要求。

式中，vch為一個參數(shù)，表示持續(xù)速度；α為制動狀態(tài)的粘著系數(shù)。

2)上坡牽引力的計算?？紤]最不利情況計算，即在隧道最大坡度58‰進行a列編組水平運輸，取最大上坡坡度im為58‰，根據(jù)下式計算電機車的阻力：

W=(P+Q)(u+i)g=68.84×(0.006+0.058)×9.8=43 kN

電瓶車牽引力44.5 kN>43 kN，滿足牽引要求。

故隧道水平運輸采用2臺XBQ20型電瓶牽引機車滿足牽引要求。機車整備重量20 t，啟動牽引力44.5 kN，持續(xù)牽引力60 kN，持續(xù)速度8.8 km/h，最高速度20 km/h，空氣制動裝置采用雙側(cè)閘瓦制動，空氣壓縮機額定風量0.5 m3/min。

在58‰大坡度隧道中運輸存在打滑、溜車等情況。電機車駐車或者行進過程中，如剎車系統(tǒng)出現(xiàn)故障發(fā)生溜車緊急情況，制造一種為機車提供足夠的制動裝置并固定在機車與運輸車之間的間隙，在機車運行或者溜車等緊急情況下，通過氣動裝置解除制動裝置與機車的約束，使制動裝置自由落體并吸附于機車行走軌道上，當機車輪子轉(zhuǎn)至制動裝置上，輪子與軌道之間的滾動摩擦改變?yōu)橹苿友b置與軌道的滑動摩擦，機車自身重力作用于制動裝置增大摩擦力達到機車制動效果。雙向應急防溜制動裝置的主要分5個部分：制動托架、制動器、前進限位墩、氣動系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 雙向應急防溜裝置照片

制動托架：根據(jù)電機車車頭與連接板的實際空間大小制定適用的托架尺寸，石環(huán)項目采用鋼結(jié)構(gòu)形式，由1根長度為1.2 m和2根0.3 m兩節(jié)槽鋼組成，主要承受制動器的重力及確保制動器在非工作狀態(tài)與軌道保持5 cm距離。1.2 m槽鋼焊接固定在牽引機車尾部，2根0.3 m槽鋼分別水平焊接固定在1.2 m槽鋼的0.52 m中心兩端位置，并在末端增設(shè)卡孔墊片，在拖架上設(shè)置2個氣動閥，氣動閥的伸縮桿穿過制動器的掛耳，滿足制動器懸掛、平衡固定的要求。

制動器：采用2 cm厚鋼板制成長×寬×高尺寸為46 cm×17 cm×23 cm的2個“鐵靴”，中間通過1根長722 mm橫桿將鐵靴兩端懸挑，在橫桿對稱位置設(shè)置掛耳，確保制動器平穩(wěn)固定在機車上，并在自由落體過程中平穩(wěn)落在軌道上；在制動器底部增設(shè)2塊強離磁鐵，防止制動器降至軌道面后反彈；與軌道接觸面固定聚氨酯板，增加制動器與軌道面的摩擦力。

前進限位墩：長×寬×高為20 cm×17 cm×22 cm，將1 cm厚鋼板焊接制成的限位墩根據(jù)軌道距離設(shè)置固定在牽引車與運輸車的連接端，高度、斜角與牽引車尾部一致，為機車制動傳遞足夠的摩擦力，防止機車向前溜車。

氣動系統(tǒng)：在駕駛室設(shè)置1個氣動閥供氣的電磁閥控制裝置，為制動托架上的氣動閥提供足夠的氣壓，一旦出現(xiàn)開啟駕駛室的電磁閥，控制電機車自身的氣動系統(tǒng)向氣動閥輸送足夠壓力的空氣，使氣動閥的伸縮桿收縮，當收縮量小于制動器的懸掛臨界值時，制動器自由落體下降至軌道面，一旦電機車車輪或限位墩與制動器接觸，可實現(xiàn)電機車車輪與軌道的點摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)橹苿悠髋c軌道的線摩擦，摩擦面積增大，摩擦力相應增大，提高電機車的制動效果。為機車出現(xiàn)故障或者緊急溜車情況增加一道“安全鎖”。

5 材料與設(shè)備

本工法所需主要材料有1環(huán)管片、24 m3渣土、12 m軌道、6條軌枕，均用于載重。

本工法所需主要設(shè)備和機具有1臺5 m黏土輸送泵，用于填充土體/調(diào)整掘進機姿態(tài)；1臺25 t龍門吊和2臺25 t電瓶車，分別用于材料、設(shè)備垂直和水平運輸；1臺全站儀，用于盾構(gòu)機姿態(tài)測量。

6 效益分析

6.1 經(jīng)濟效益

經(jīng)濟效益以220 kV石井～環(huán)西電力隧道(西灣路～石沙路段)土建工程(施工2標)為例進行分析，經(jīng)濟效益為34.2萬元。

常規(guī)直徑盾構(gòu)法施工，在軌道轉(zhuǎn)彎處容易出現(xiàn)出軌情況，每次出軌搶修至少1個臺班，除破損軌道、軌枕、走道板等修復或更換，間接增加當班作業(yè)人員14人，管理人員2人，綜合費用=材料費+間接人工費=20萬元+14人×0.8萬元/人+2人×1.5萬元/人=34.2萬元。項目部采用小直徑土壓平衡盾構(gòu)大坡度防溜車技術(shù)，并采取一系列技術(shù)措施，經(jīng)過施工成本核算，在大坡度剩余800 m大坡度及小直徑半徑隧道施工中，考慮只出現(xiàn)一次出軌情況，合計減少成本34.2萬元。

6.2 社會效益

小直徑土壓平衡盾構(gòu)大坡度防溜車技術(shù)通過實踐成功應用，通過選用球形主動鉸接盾構(gòu)機和電機車上增設(shè)雙向應急防溜制動裝置，滿足小半徑盾構(gòu)機在大坡度條件下的爬坡要求[3]，保障了電機車大坡度運輸安全，降低對軌道的破壞，節(jié)約軌道維修時間，節(jié)省電機車出軌造成的軌道、軌枕、走道板等維修費用，保障了盾構(gòu)水平運輸及地表建筑物安全，各項創(chuàng)造性和先進性技術(shù)得到了驗證，具有施工安全、可靠、環(huán)保等特點，贏得了各參建單位及業(yè)主單位的好評，獲得了良好的社會效益。隨著城市軌道交通建設(shè)規(guī)模的擴大，盾構(gòu)在大坡度段軟土地層中掘進的項目越來越多，本項目的技術(shù)研究將對以后類似工程提供重要的參考。

7 應用實例

220 kV石井～環(huán)西(西灣路～石沙路段)土建工程(施工2標)位于廣東省廣州市白云區(qū)，主要工程量包括4、5、6號工作井及區(qū)間隧道，其中，隧道直徑4.1 m，采用4360土壓平衡盾構(gòu)機施工，里程DK4+184.99～DK4+384.99范圍200 m坡度58‰，里程K4+384.99～DK4+534.99范圍150 m坡度54‰。項目開工日期為2016年2月22日(可為分項分部工程的開工-驗收時間)。

廣州220 kV石井～環(huán)西電力隧道(西灣路～石沙路段)土建工程(施工2標)主要工程量為4、5、6號工作井及4～6號工作井區(qū)間隧道，位于廣州市白云區(qū)，隧道采用盾構(gòu)法施工，從4號工作井始發(fā)，沿西槎路、石槎路地下南北敷設(shè)，途經(jīng)5號工作井，最終由6號工作井吊出，隧道水平運輸采用2臺XBQ20型電瓶牽引機車，機車整備重量20 t，啟動牽引力44.5 kN，持續(xù)牽引力60 kN，持續(xù)速度8.8 km/h，最高速度20 km/h，空氣制動裝置采用雙側(cè)閘瓦制動，空氣壓縮機額定風量0.5 m3/min。

隧道最大坡度58‰，為防止電機車在駐車、行進過程中剎車失靈或失效等造成溜車情況發(fā)生，在牽引機車與運輸車之間增設(shè)雙向防溜裝置，通過在駕駛室設(shè)置電磁閥控制機車自身氣動系統(tǒng)，向氣動閥輸送足夠氣壓的空氣使其收縮，聯(lián)動卡栓收縮時制動器下降至軌道，機車與制動器發(fā)生接觸實現(xiàn)機車制動效果，在大坡度隧道水平運輸過程中，存在短距溜車情況，但未發(fā)生一起出軌事故，在20‰坡度試驗段進行試驗，電機車以5 km/h的速度空車運行，通過雙向應急防溜裝置制動，制動距離約2.8 m。

8 結(jié)束語

隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展，城市及城際軌道交通建設(shè)規(guī)模的擴大，盾構(gòu)隧道的埋深越來越大，地質(zhì)情況越來越復雜，存在淤泥質(zhì)土、液化砂層甚至溶土洞等不良地質(zhì)的情況，增加了施工安全風險。該技術(shù)成果較好解決了這些難題，有效控制隧道掘進機姿態(tài)，保證了施工安全和工程質(zhì)量；同時大大節(jié)約人力、物力的投入，其綜合效益非常顯著，能為同類地質(zhì)條件背景下非開挖施工提供新的技術(shù)措施，推廣應用前景廣闊。

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