双护盾TBM施工在大坡度、小洞径工况下的物流运输

李志敏

（山西省水利建筑工程局 山西太原 030006）

1 工程概况

山西省中部引黄工程TBM2标工程主要工程项目：进洞支洞长3.64 km，坡度6.5%，其中采用双护盾掘进机施工3.033 km；隧洞开挖直径5.06 m，衬砌采用预制钢筋混凝土管片，管片外径4.8 m，管片内径4.3 m，管片外壁与洞壁之间采用豆砾石回填和灌注水泥浆。主洞长20.3 km，坡度1/2500，采用双护盾掘进机施工，隧洞开挖直径、衬砌方式和回填灌浆同进洞支洞TBM施工段相同。采用双护盾掘进机施工段总长达24 km。

山西省中部引黄工程TBM2标项目中针对大坡度、长距离、小洞径隧洞中使用的是DCY40轨道导引式胶轮牵引车（见图1），具体性能参数见表1；DCY40轨道导引式胶轮牵引车主要是牵引有轨列车编组安全、可靠地往洞内洞外来回运送管片、豆砾石、水泥、轨道、电缆等材料设备及人员。

图1 DCY40轨道导引式胶轮牵引车

表1 DCY40轨道导引式胶轮牵引车主要技术参数

2 施工运输主要问题、难点

2.1 隧洞空间小，对车辆及附属设施布置困难

采用双护盾掘进机施工管片衬砌后的洞径为4.3m，布置完连续皮带机、风筒、电缆、水管后，DCY40轨道导引式胶轮牵引车的外形尺寸最大只能为：宽1.4 m、高1.8 m；DCY40轨道导引式胶轮牵引车布置示意图见图2。

根据断面图，吊装于隧道顶部的风管，侧面的管线及走道，占用了较大的隧道断面空间。考虑到不低于200 mm的各向安全距离，决定了该车的宽度不能大于1.4 m，高度不能大于1.8 m。国内外现有车辆都无法满足需求，配套该项工程需要更加小型化车辆。现有机械驱动车辆由于车桥、变速箱等零部件的限制，车辆内部布局困难，高度与宽度尺寸无法满足要求。而液压驱动具有易布局、结构紧凑的特点，可以满足车辆外形要求，所以，采用与现有机械式牵引车完全不同技术构成的液压驱动式胶轮牵引车成为必然选择。

2.2 DCY40轨道导引式胶轮牵引车的编组

在小洞径、大坡度、长距离的隧洞工况下，DCY40轨道导引式胶轮牵引车编组情况为：

最大牵引列车编组，进洞负载：1人车（满载）+1豆砾石车（满载）+3平板车（满载）+4管片牵引车（满载），编组总重：105 t，编组长度 46.03 m；

最大牵引列车编组，出洞负载：1人车（满载）+1豆砾石车（空载）+3平板车（空载）+4管片牵引车（空载），编组总重：45 t，编组长度 46.03 m；DCY40 轨道导引式胶轮牵引车在牵引编组长度达46m、载重达105t，编组情况见图3。

2.3 技术难点

在这样的编组情况下需要解决以下几个技术难点：

图3 DCY40轨道导引式胶轮牵引车编组情况

1）长编组的导向问题

编组后，形成长度46 m，全列总重105 t的列车组，运行于全程6.5%的坡度上，列车的运行安全成为关键技术。为防止脱轨，采用洞外顶推进洞的列车运行方式，重载下坡过程中，由于重力作用，各节车实际不需外力即可自由滑行，此时该列车中的所有车钩都工作在拉伸状态，为保证安全，配置安全链作为辅助安全防脱钩措施。运行中，利用DCY40轨道导引式胶轮牵引车自身摩擦系数大、制动能力强的特点，使列车组始终处于可控的重力滑行状态，此时，整车运行稳定，不易脱轨。制动时，首先是DCY40轨道导引式胶轮牵引车制动有效，顺序延时至其后各车体，以保证不因制动（尤其是紧急制动）带来的车组纵向冲击造成列车脱轨。

2）重载编组在大坡度下的驻车问题

车组采用DCY40轨道导引式胶轮牵引车加普通车体的编组模式，重载下坡时，制动必须满足整车在坡道上的可靠停车。运行的车辆停车过程必然是由减速（行车制动）和完全停止（驻车制动）这二个阶段组成。本项目中，由于列车运行在6.5%的大坡道上，重力所带来的自然加速是制动系统要解决的首要问题，为此，DCY40轨道导引式胶轮牵引车设置了非摩擦的液压缓速系统，该系统为DCY40轨道导引式胶轮牵引车提供一个稳定的制动扭矩，这个制动扭矩是由行车电脑控制，其大小与列车由于重力作用所要产生的加速扭矩相当，保证列车坡道运行中不需频繁操纵制动系统即可以设定的稳定速度运行。利用调整缓速系统可调的设定值，即可实现车辆的减速。必要时，还可操纵行车制动系统使车辆减速，该行车制动系统由作用于DCY40轨道导引式胶轮牵引车的液压制动和作用于被牵引车钢轮的空气制动系统组成，通过驾驶员操作，由液压系统和气动系统作用于相应车轮上。因为钢轮摩擦系数小、制动效能低，所以，列车制动以胶轮牵引车为主，被牵引车空气制动为辅。为保证运行稳定，列车设定了从DCY40轨道导引式胶轮牵引车开始至最末端车体的顺序制动功能，该套制动系统满足了全列重载制动需要，达到制动距离要求。减速过程完成后，此时列车速度虽然为零，但由于尚在坡道上，一旦解除制动，必然在重力作用下滑行，此时，打开驻车开关，驻车系统将起到使列车可靠停止在坡道上的作用。列车的驻车制动功能与行车制动相同点是作用在相同的轮组上，不同点是驻车制动是弹簧作用，无需动力，所以，驻车制动系统也可用在车辆失去动力时的应急制动。

3）长编组、重载编组在上下坡的行驶速度问题

下坡时，列车重载存在极大的安全风险，除了考虑制动系统外，运行速度的控制也是必不可少的环节。制动系统可保证列车在一定的初速度下达到技术规范要求的制动距离，因为制动距离与初速度成平方关系，所以初速度提高，必将大大提高制动距离。另外，还需综合考虑驾驶员人为因素、制动系统、路面条件、环境条件等各方面因素，确定一个合理的运行速度是工程应用的一个关键技术环节。车速与安全即效率的关系存在显而易见的相对关系：速度低，安全性上升，但效率下降；速度高，安全性下降，效率提高。合适速度数据的确定，由于无可参照案例，仅能根据以往普通列车应用于其它工程的经验，结合本工程隧道断面直径仅4.3 m，全程大坡道，照明又不足，路面湿滑的客观条件，经分析，预计司机工作时的精神压力较大，存在较大的人为操作失误可能；避险空间小，隧道内工作人员和设备的安全必须得到保证；再结合制动系统制动扭矩参数，综合对比分析后，以安全第一为原则，选取重载下坡速度不大于7 km/h，空载上坡速度不大于15 km/h。经在山西中部引黄工程TBM2标应用检验，该速度即满足了安全要求，又充分保证了工程施工进度需要，为国内外同类型施工积累了关键技术参数。

3 DCY40轨道导引式胶轮牵引车在本项目解决的主要问题

1）停得住。在大坡度、长距离支洞运输行驶中，重载下坡车辆在一定行驶速度下，随时能够在安全距离内停得住，同时制动须有效、可靠。

2）驻得稳。在大坡度、长距离支洞运输停车时，能够驻车稳定、不溜车。

3）行得畅。运输车辆及编组在大坡度、长距离掘进运输时，须运输通畅，进入后配套台车便捷、畅通，在主洞掘进时，运输机车的转换应安全、方便、调度合理，长距离运输的运输错车安全。

4 结语

TBM每个循环1.4 m，每两个循环出一次渣,掘进机每个循环的时间为22 min；DCY40轨道导引式胶轮牵引车每次可以向洞内运输两个循环的材料，运输到洞内工业广场只需32 min，而且在TBM检修时间，洞内工业广场可以存放三个编组的材料，也就是TBM掘进6个循坏所需的材料，材料运输方面完全能够保证TBM施工掘进的需求；而且在中部引黄TBM2标项目上，单日最高掘进记录达到76 m。

在国内外采用双护盾TBM法对大坡度、长距离、小洞径的斜洞施工运输无经验可借鉴，渣土、材料物资和人员问题都存在安全隐患；目前国内这种大坡度、长距离、小洞径的斜洞采用双护盾掘进机施工的项目越来越多；类似大坡度、小洞径的隧洞施工也越来越多，施工中需要运送大量物资材料，这种安全、可靠的物流运输也越来越重要。