城市轨道交通工程盾构隧道辅助施工设备配置的初步筹划和计算

摘要：本文以广州地铁某标段工程为例，对于盾构隧道施工需采用的机械设备，根据区间隧道设计参数、断面尺寸、进度计划、工筹安排等各方面综合考虑，进行了初步简要的配置筹划和计算，以满足施工需要，也希望能给类似工程项目的施工组织、工程筹划提供一些计算依据和思路。

关键词：轨道交通盾构隧道辅助施工设备配置计算

中图分类号：U213文献标识码： A 文章编号：

一、工程简况

广州地铁某标段含一站一区间，车站为明挖法施工，区间采用盾构法施工。其中金隆站至广隆站盾构区间线路出金隆站后向南下穿虎门高速公路高架桥，然后左拐下穿农田、广隆村、广隆涌等建(构)筑物后进入环市大道，在广兴路附近接入广隆站。

本区间设计起点里程YCK56+561.900，设计终点里程YCK57+732.00m。区间累计右线全长1170. 100m，左线全长1157.36m，线路最小曲线半径为400m。出金隆站后以2‰、30‰、9‰下坡，然后以4‰、17.504‰,上坡，进入广隆站。盾构区间隧道覆土厚度为10. 4m-21.2m，线路设1处V形坡，最大坡度为30‰。盾构管片采用6块厚度300mm、环宽1.5m的环形预制钢筋混凝土管片，错缝拼装，组成外径6.0m，内径5.4m的圆形单洞隧道。

根据施工筹划安排，采用两台德国海瑞克产土压平衡式盾构机，加配注浆系统和土体改良系统。按照以上情况，对盾构所需采用的包括水平运输、垂直提升、制浆、通风等辅助设备， 进行了配置和计算。

二、水平运输

盾构推进时的运输主要是碴土、管片、砂浆料、轨线材料及其它辅助材料向盾构作业面的运输。每台盾构推进一个循环所需要的材料运输拟由1个编组列车完成，根据本标段施工进度要求，每台盾构配备一组编组列车即能满足施工要求；但考虑到盾构施工工期，为保证盾构施工的连续性，减少盾构停机时间，本标段每台盾构按两列编组列车配备。每编组由1节交流变频机车、1节砂浆车、2节管片车（兼材料车）、5节碴车组成。

1、碴车容量核算

管片环宽1.5m（B）；掘进直径Φ6280mm（D）；碴土松散系数 ：取1.6

每循环实碴：V实=πD2/4×B=46.4 m3

每循环的虚碴量：V虚= 46.4×1.6 =74.24m3

既有矿车容量为：16 m3。

盾构掘进每环出碴碴车数=74.24÷16=4.64节。采用5节矿车出碴。

2、砂浆车容量核算

每台盾构每掘进一个循环所需砂浆量：

Q=ηπ（R2-r2）L=（1.3～2.5）π×(3.142-32)×1.5 =（5.3～10.1）m3；

其中：R―开挖半径3.14m，

r-管片外半径3.0m，

L―每环掘进行程1.5m，

η―充填系数1.3～2.5。

选每节砂浆车容量为：V砂浆 = 7m3，一列编组列车配备1台7 m3的砂浆车通常情况下能够满足一台盾构机一个循环要求。

3、管片车参数选型

每台盾构掘进每环管片共有6块，采用2节管片车，每节车最大装三块运输。三块标准块重量约15t，管片运输车设计最大承载能力为20t，管片车自制，自重4t。

4、机车能力的计算及选用

列车最大载重为运输碴土时的载重，列车最大载重量计算：

G碴=V×P=74.24m3×2000Kg/m3≈149t

其中：V为每环碴土的体积：74.24m3，P为岩土平均碴土密度：2000Kg/m3

G车= 5×11+5+2×4=68t（4辆16方碴车11t/台，1辆砂浆车5t/台，2辆管片车4t/台）

列车最大载重：G2=G碴+G车=149+68=217t

由公式：机车粘着牵引力≥坡道阻力+列车综合运行阻力+加速惯性力

G1μ≥G1(μ1+μ2+a/g)+ G1(μ1+μ2+a/g)

其中：G1―机车粘重；

μ―许用粘着系数，取0.24；

μ1―坡道阻力系数20‰为0.02；

μ2―列车运行阻力综合系数。现取0.008

a―列车平均加速度。按从0～50HZ的加速时间45秒；50HZ时速8KM/H计算，

为：0.05m/S2

g―重力加速度。为：9.8m/S2

G2―矿车及渣土重量

得：

机车计算粘重36T。

分析：根据设备配备以及本标段内区间坡度特点，所选电机车大于36t就能满足本工程的需要，考虑到设备的通用性，故选用45t电机车。

列车制动距离已考虑机车和碴车都有制动机构，能够保证制动性能的可靠性。45t电瓶车主要技术参数见表1。

表145T交直流变频机车技术参数

三、垂直运输

盾构施工中使用的管片、水管及其他物品可以采用45T龙门吊吊装；施工中提升运输最大重量的材料为装满渣土的碴车，总重量约为38t，所以碴土的翻卸采用45T龙门吊进行，该门吊具有自动碴斗翻转功能。根据场地布置情况，45T门吊还负责牵引电瓶机车电瓶更换和轨排吊装等工作。

45T悬臂式龙门吊参数验算：

根据本工程施工进度要求，盾构循环掘进工作时间拟定为120min，每循环掘进需要使用1趟列车，共5节碴车，出碴5次。

垂直提升高度（最大）：H=48m

平均提升和下降速度：V提升=6.5m/min、V下降＝13m/min

提升时间：T1＝48m÷6.5m/min＝7.4min

下降时间：T2＝48m÷13m/min＝3.6min

门吊移动定位时间：T3＝0.5min×2＝1min

碴斗翻碴时间：T4＝0.5min

列车定位及挂钩时间：T5＝1.5min

合计提升循环工作时间：T总＝T1+T2+T3+T4+T5＝14min

每循环出碴共需要时间为:h＝14×5min＝70min

因此，拟选45T龙门吊的工作能力完全能够满足盾构机施工循环要求。

45T龙门吊的结构型式见图1门吊结构示意图，主要技术参数见表2所示。

图1门吊结构示意图

表245t门吊主要技术参数表

四、拌浆设备

本区间采用一套砂浆搅拌设备，由一台JW750搅拌机和一台PLD-800配料机构成。配料机有两个料斗能自动称量砂及粉煤灰，然后通过梭槽进入搅拌机搅拌仓内，控制方式为自动计量控制，袋装水泥和膨润土直接加进搅拌仓内，生产能力为25～30m3/h。区间两台盾构同时施工时，每循环最大需要砂浆量为20.2m3，则生产20.2m3砂浆所需时间为T=20.2m3÷30m3/h×60min＝40.4min，能保证盾构掘进一个循环所需的砂浆量。

五、通风设备

1、通风方式选择

施工通风主要考虑满足隧洞断面对风速的要求，通风方式采用压入式通风，风管采用φ1m的拉链式软风管。施工通风设备见图2。

图2隧道通风系统示意图

2、风量计算

对于盾构机、矿山法施工的隧道，洞内风量计算主要是考虑洞内施工作业人员对新鲜风量的要求、洞内降温的要求以及洞内工作面对风速的要求，取上述三种计算的最大者为该隧道的控制风量。

按最小断面隧道施工对风速的要求V≥0.25m/s，计算所得的风量为该隧道的控制风量。因此，该隧道的控制风量为： Q需≥Vmin×S＝0.25×23×60＝345m3/min。

其中：Vmin最小断面风速取0.25 m/s，S为隧道断面面积约23m2。

通风机风量考虑通风管的漏风，风机风量为：

Q机＝（Q需+Q漏）×η= Q需（1+ L100×L/100）×η=345（1+2.5%×1700m/100）×1.5＝737m3/min。

其中：L为掘进长度，本标段区间最长隧道约为1700m ，因此取L=1700；L100为百米漏风率为2.5%；η为风量储备系数1.5。

3）通风设备选择

选用SDF-N10轴流式两级通风机，其主要参数为：风量1100m3/min，风压3140Pa，功率37 kw×2。因此，拟选通风机风量满足施工通风要求。

参考文献：

[1]夏明耀、曾进伦地下工程设计施工手册[S]北京中国建筑工业出版社，1993。

[2]地下铁道工程施工及验收规范GB50299―1999。