长株潭城际铁路大坡度盾构隧道电瓶车选型研究

摘要：长珠潭城际轨道交通工程采用目前国内最大的土压平衡盾构机施工，自进洞至树木岭站大坡度隧道区间（以下简称进-树区间）水平运输施工难度系数大。本文通过结合盾构施工过程中水平运输设备电瓶车后配套的选型编组选型来提高安全施工效率，并且在国内类似工程中首次采用双电瓶车串联的方式，从设备牵引力，机身尺寸等方面来进行论述，为日后类似工程有所借鉴。

关键词：水平运输设备，牵引力，机身尺寸，选型

中图分类号：U448文献标识码： A

1.工程概况

新建铁路长株潭城际铁路综合II标盾构段隧道双线全长13103.9m(含4座地下车站)，分为进～树、树～香和明～香三个区间，隧道最小覆土厚度5.95米，最大覆土厚度40.66米，穿越地层主要为泥质粉砂岩地层，分别采用三台Ф9.33m的土压平衡盾构机施工。本段工程由于盾构施工区间段均较长，特别是进～树盾构区间，单线全长达2561.6m，且最大纵坡为25‰，因此区间段物料运输的快慢直接决定了盾构掘进施工是否顺利、高效。电瓶车的选型编组是本工程的关键要素。

2.电瓶车选型

一套有效的施工流程，加快各个环节衔接的速度，缩短盾构施工物料运输的时间，是提高盾构施工效率的关键要素。长株潭城际铁路隧道进-树区间坡度达到25‰，这种大坡度在国内实为罕见，这就大大增加了水平运输施工难度，电瓶车的选型难度系数非常大。以下从牵引机车的尺寸和性能两部分进行分析电瓶车的选型研究。

假设电瓶车单线运输，初步估算每环渣土约150m3，按照1.3的系数计算，若用25方的渣土车，则需要9个，外加砂浆车，管片车等编组长度会远远超过盾构机皮带渣土运输长度，无法满足施工条件，此假设不成立；考虑到管片内径8.1米成型空间，电瓶车轨距0.9米，完全满足采用双线运输的条件，故初步定为双列电瓶车双线运输。

电瓶车选型编组的总体要求主要是：一、编组需满足两列车一次性出完一整环土，砂浆等物资；二、长度、宽度能满足台车要求。牵引车性能的选型要求主要是考虑启动牵引力。

2.1电瓶车后配套的选型编组

电瓶车在盾构法施工的作用主要是进行水平运输工作，以出渣，运输管片，砂浆及其他掘进物资为主。其编组主要由渣土车，管片车，砂浆车组成。本次编组的选择需满足一次性运输物资和渣土外运。轨道采用双线制，为达到设计要求需对渣土车，砂浆，管片车进行选型。

2.1.1渣土车选定

根据工程概况中数据可知盾构机开挖直径为9330mm，管片长度为1800mm。每环出土量理论方量为Q理=π*R开挖*L，

R----------开挖半径

L----------管片长度

即Q理=3.14x(9.33/2)2x1.8=123m2.

参照隧道施工手册松散系数取1.3较为合适即：

Q实=Q理*K=123X1.3=159.9 m2

考虑到最大坡度为25‰，为防止渣土运输及出土过程中外溅暂时定为由（4+5）个25方容量的渣土斗可完成两列车一次性出完一整环土。一个渣土斗长度为7.67m。考虑到各渣土车由连接板连接，总长度为L=7.67x5+5*0.6=41.35m

2.1.2砂浆车选定

每环注浆量计算

开挖半径为R1=4.665m,管片外半径R2=4.5m，每环长度为L=1.8m管片与开挖面之间的空隙为

S=ΠR12*L-ΠR22*L=8.55m3

每环理论注浆量为8.55 m3，考虑到地层注浆需要充盈方可达到设计要求，根据盾构施工手册充盈系数取1.5~1.8，所以每环的实际注浆量为12.8m3~15.38 m3.

暂定容量为10方的砂浆车两台，可满足两列车一次性运输一整环砂浆的需要，砂浆车长度为6.25m+0.6m=6.85m。

2.1.3管片车选定

进-树区间管片形式采用5+2+1的形式,单块最大投影长度为3859mm,单块最大重量为8.3t，故理论管片的的尺寸必须大于3.859米。普通管片车总长度为4.50m，选定由3+3+2块管片分两车进行运输。由于在掘进过程中所需要的物资均由管片车运输，故另加两辆加长管片车，单车长度为5.5m。其长度为4.50+5.50+2*0.6=11.2m。

2.1.4电瓶车后配套编组

电瓶车后配套编组,采用以下两种编组方式：

编组①：渣土车（5辆）+砂浆车（1辆）+普通管片车（1辆）+加长管片车（1辆）

编组②：渣土车（4辆）+砂浆车（1辆）+普通管片车（2辆）+加长管片车（1辆）

对比分析

考虑车头在编组中处于盾构机外侧，不列于后配套长度内，又因施工过程中按照运输负载最大、后配套最长计算，应选择编组①进行计算，总长度为L=渣土车长度+砂浆车长度+管片车长度=41.35

+6.85+11.2=59.40m。桥架到皮带机出土口的水平长度为76m。此编组总长小于皮带机出口，所以此编组的长度满足施工需求。

3.牵引机车的性能的选型

3.1牵引车组成

牵引机车由蓄电池箱供应直流电，每部牵引车采用一套电瓶，每套电瓶有3组，每一组容量为620Ah，最大输出电压为DC216v。直流电通过牵引变频器转换成电压与频率可调的三相交流电来供普通的三相异步牵引电机，是整个机车的动力单元。

3.2牵引车启动牵引力计算

牵引车的选定主要是根据隧道坡度及牵引力来进行受力计算，来确定其基本参数是否符合施工要求。

3.2.1编组重量计算

施工过程中按照运输负载最大计算，应选择编组①进行计算，

（1）当机车在牵引后配套车辆掘进上坡时，即渣土车满载、砂浆车管片车空载情况下的总重为：5台25立方渣土车（满载）+1台10立方砂浆车（空载）+2台25t管片车（空载）,渣土比重取2时重(5*12.5+5*25x2)+(1*8)+（2*3.5）=327.5t

机车编组在25‰的坡度上所受到的下滑力F=μFn+Mgsinα=μMgcosα+Mgsinα

根据轨道轮系的数据查表可知：机车轮与轨道的最大静摩擦力系数为0.08，因车轮是在轨道上转动，应按照车轮滚动摩擦系数0.01计算：

得：F=0.01*327.5t*10*cosα+327.5*10*sinα=32.75+81.875=114.625KN

（2）机车牵引后配套掘进下坡时，即渣土池空载载、砂浆车满载，管片车满载的情况下后配套的总重为：5台25立方的渣土车（空载）+1台10立方砂浆车（满载）+2台25t管片车（满载），此时电瓶车牵引力（在满足上述条件1时）完全可忽略，则只需电瓶车满足上坡出渣条件下即可。

3.2.2双电瓶车串联

从电瓶车铭牌上可以看出：电瓶车的持续牵引力为F牵=104KN。

对比分析：经上述计算，电瓶车编组（不含机车本身）在最大坡度为25‰的隧道内所受的下滑力为F下滑=114KN，F牵＜F下滑，即45t的电瓶车不能满足该编组施工要求。

采取措施：

考虑最大坡度为25‰的施工方案，单机车头牵引运输无法完成施工，因此采用双机串联。

电瓶车要想实现双机车头的联动，只需将控制电机运行的变频器相连。变频器的自测试功能可以同时完成对两台电机参数的检测，为最佳的控制方式提供了依据。主从变频器通过数据线与第二台车副变频器连接，司机只需在主机车头内进行操作，从机便可随动主机运行，从而实现双机串联的目的。

3.2.3双机串联编组后的整体分析

电瓶车在运输中，车头处于盾构机外侧，故增加的长度不会对出渣，物资运输造成影响，可忽略不考虑；受力分析，双机头串联后的持续牵引力F牵=104KN*2=208KN，编组在轨道上受到的下滑力F下滑=μMgcosα+Mgsinα 重量增加45t*2=90t

此时总重量Mg=327.5+90=417.5t

代入数据得：F下滑=146.125KN＜＜F牵 满足要求。

综上所述两台台45t的电瓶车串联在25‰的坡度上牵引后配套出渣其牵引力是满足施工条件的。

结束语：

通过本文的分析与计算最终得出长株潭城际轨道工程进-树区间水平运输由 2列45t双电瓶车串联，双线运行便可满足施工需要。国内首次双电瓶车串联牵引后配套设备选型编组，能够充分发挥盾构机快速高效的施工，提高安全生产效率，结合长株潭城际轨道工程进-树区间成功的实际案例，对盾构施工后配套该如何去选型编组进行了研究分析，为以后类似工程，对牵引设备的选型提供了重要依据。

参考文献：

[1]韦通康.关于电瓶车牵引重量的探讨.煤矿电机，2002（2）:874-1001。

[2]安保明.《机车单元制动器间隙调整机构及其应用》，机械制造出版社2007。

[3]中国北车兰州机车厂，45T工矿车说明书。