浅谈盾构施工后配套设备选型

浅谈盾构施工后配套设备选型

汤新辉

长沙市建设工程质量安全监督站 湖南 长沙 410000）

摘 要：通过对盾构施工过程中水平运输和垂直运输设备进行分析，阐述了盾构施工水平运输车辆编组及门式起重机选型方法，指出在盾构施工配套选型时，既要满足运输载荷要求又要兼顾了作业效率，为后续盾构施工配套运输设备选型提供参考依据。
关键词：水平运输；垂直运输；盾构施工；选型

我国城市建设发展迅速，各大城市都在大力建设轨道交通网络。地铁作为轨道交通的主要形式，对提升城市交通能力，改善城市居民出行条件具有重要的作用，因此，为了保证地铁建设的顺利推进，必须不断提升地铁施工的效率和安全。目前我国地铁建设基本为盾构法施工，而盾构配套的水平和垂直运输系统制约着整个盾构生产的效率和安全，本文通过对盾构配套水平和垂直运输系统的分析，为后续盾构配套运输设备的管理和选型提供参考依据，这里主要考虑电机车和门式起重机的选型。

1 盾构施工垂直和水平运输设备的基本要求

盾构掘进施工是一个循环往复的流水线作业流程，盾构机每掘进一环需完成一个工序循环。一环掘进完成后需运输渣土，吊运至地面，地面管片、浆液需要吊至电机车上并运输进隧道。盾构后配套设备是保障盾构机顺利推进的重要组成部分，隧道掘进的效率很大程度上取决于后配套设备的运行情况。

1.1适应性原则

首先必须有较强的适应性，能与常用盾构（如φ6480）进行配套使用，且具有较长的使用寿命。在隧道掘进中水平运输能力在很大程度上制约了隧道的掘进速度。在后配套设备的选择上应考虑后续隧道修建的状况，目前大直径盾构越来越普及，后配套设备的选择应考虑在折旧年限内能够适应各类隧道。

1.2安全高效性原则

隧道施工中常因隧道潮湿、坡度大等不利因素对电瓶车的正常运行造成了很大困难，当电瓶车满载时（指正常掘进一环的出土量）在爬坡阶段相当吃力会出现机车打滑的现象。当电瓶车牵引力不足时电瓶车就无法爬上坡甚至会因负载过大造成电瓶车往下溜车。门式起重机在吊运渣斗的过程中，如常年高负载运行可能会导致主梁变形、螺栓松动，甚至出现溜钩。

在选择后配套设备时需考虑一定的安全系数，不能完全依靠设备的最大负载能力，盾构施工环境比较恶劣，设备很难达到最优机况。

2 盾构施工垂直和水平运输设备的选型

2.1 工况条件

以长沙市轨道交通 6 号线 2标省图书新馆站-第一师范站区间为例： 工程位于长沙市岳麓区，省第区间左线全长1184.378m，短链2.746m，隧道平面有两处圆曲线，半径均为450m，隧道竖曲线先以27.8‰ “下坡”，再以28.53‰“上坡”，最终到达第一师范学院站。隧道平面曲线半径分别为450m、500m，隧道竖曲线先以2‰“上坡”，再分别以25‰、13.004‰ “下坡”，然后以28.4‰“上坡”，最后以2‰“下坡”。隧道内径 5500mm，外径 6200mm，钢筋混凝土管片幅宽 1500mm，厚度 350mm，区间左线采用 1 台φ6480 型盾构施工。

2.2 电机车选型考虑

（1）每环开挖渣土实方数约为：V=πr2L=3.14×（6.48/2）²×1.5=49.44m3；

每环最大立方数约为（取松散系数 Ks=1.5）：V′=VKs=49.44×1.5=74.16m3；

每环渣土重量为（渣土比重 ρ=2t/m3）：G 渣土=V’ρ+20=74.16×2+20=168.32t

盾构机掘进完成后，机车牵满载的渣土车和空载的砂浆车、管片车出洞，掘进时还需考虑渣土改良等因素，在这里额外考虑一斗混合水的残渣。

（2）渣土车选择：每列渣土车的容积必须保证一次性装载完每环掘土量，且有一定的富余量，考虑后续工程持续使用，且对于多台盾构同时掘进的车站，由于车站长度受限，渣土车数量不能过多，否则影响对向电瓶车吊渣，在这里每节渣土车容量设计为 20m3。

（3）牵引负荷

考虑到掘进效率，每节机车编组为车头+5辆渣土车+2节管片车+1节浆车

5辆渣土车（自重 11t/辆）重量约：G 渣土车=11×5=55t，2辆管片车（自重 2.5t/辆）重量约：G 管片车=2.5×2=5t，1 辆砂浆车（自重 6.5t/辆）约：G 砂浆 车=6.5t。

电机车牵引退出隧道时，渣土车满载，管片车、砂浆车空载，牵引负荷为：

G出= G渣土+G渣土车+G管片车+G砂浆车=168.32+55+5+6.5=233.82t。

机车牵引进入隧道时，运送管片和砂浆至工作面，此时渣土车为空载，牵引负荷为小于机车出隧道时负载，故机车最大牵引重量出现在出渣运输过程中为：G 出=233.82t。

（4）电机车选型

在盾构施工中要求电机车可以在坡道线路停车、启动，牵引主要按区间线路最大坡度计算，考虑到安全性，一般设定能保证在 35‰坡道上安全起动并牵引整列车正常行驶。根据电机车的出厂参数计算可得出，在 35‰的坡道时，45t电机车牵引重量为251.6t，55t电机车牵引重量为307.5t。

通过计算可看出，对于本线路区间来说，25T和35T 电机车在35‰坡道上的启动牵引重量不能满足运行要求，45T已经非常接近满负荷，在考虑后续工地安全高效使用情形下，优先考虑55T 级电机车。

2.3门式起重机选型考虑

在盾构掘进时主要分大小门式起重机，其中一台主要负责吊运管片，另一台主要负责吊渣土，吊运管片的门式起重机多为16t门式起重机，这里主要分析吊运渣土所使用的门式起重机。

为保证最大效率的隧道掘进，吊渣土的速度应尽可能快才能保证水平运输的电机车能有更多的时间进到盾构机台车配合掘进。

这里考虑与55t电机车配合使用时，如使用20立方渣斗（自重约7t）每次吊运重量约：G=20*2+7=47t。

通过计算可看出，如采用20立方渣土，需考虑50T、55T门式起重机。在选择大型门式起重机时相比于以往的45t门式起重机，55吨门式起重机整机在设计生产制造中具有主梁截面大、电机功率高等优点，安全系数大。55吨大车的运行功率约7.5KW，45吨大车运行功率约5.5KW，相比之下运行速度快，效率高。55吨门式起重机在电器上多为整机变频控制、电器原件、电缆线更优化，检修、维修方便。55吨门吊吊具下可以选择更大土斗，减少电瓶车往返次数，提高工作效率。

3 结论与建议

目前盾构地铁隧道蓬勃发展，设备的更新换代速度相当快，企业在选择后配套设备时应多考虑设备在折旧年限内能否跟上时代发展的步伐。其次盾构施工设备的安全薄弱点多在水平运输和垂直运输方面，在选择后配套设备时应多考虑设备的安全系数。本文中所用55吨级设备在长沙地铁 6 号线得到了施工现场的验证，在整个区间的掘进过程中未发生设备安全事故且高效地完成了掘进任务，可为同类工程盾构后配套设备选型提供借鉴。

参考文献

[1]机械设计手册编委会.机械设计手册（第 1 卷）[M].机械工业出版社，2004.
[2]张中央.列车牵引计算[M].中国铁道出版社，2006.

［3］杜亚娥． 盾构后配套设备选用原则的考虑［J］． 建设机械技术与管 理， 2009 ( 2) : 106 －108． ( DU Ya’e． Consider of shield supporting equipment selecting principle ［J ］ ．Construction Machinery Technology ＆ Management， 2009( 2) : 106 － 108． ( in Chinese) )