雙護盾TBM施工在大坡度、小洞徑工況下的物流運輸

李志敏

（山西省水利建筑工程局 山西太原 030006）

1 工程概況

山西省中部引黃工程TBM2標工程主要工程項目：進洞支洞長3.64 km，坡度6.5%，其中采用雙護盾掘進機施工3.033 km；隧洞開挖直徑5.06 m，襯砌采用預制鋼筋混凝土管片，管片外徑4.8 m，管片內徑4.3 m，管片外壁與洞壁之間采用豆礫石回填和灌注水泥漿。主洞長20.3 km，坡度1/2500，采用雙護盾掘進機施工，隧洞開挖直徑、襯砌方式和回填灌漿同進洞支洞TBM施工段相同。采用雙護盾掘進機施工段總長達24 km。

山西省中部引黃工程TBM2標項目中針對大坡度、長距離、小洞徑隧洞中使用的是DCY40軌道導引式膠輪牽引車（見圖1），具體性能參數見表1；DCY40軌道導引式膠輪牽引車主要是牽引有軌列車編組安全、可靠地往洞內洞外來回運送管片、豆礫石、水泥、軌道、電纜等材料設備及人員。

圖1 DCY40軌道導引式膠輪牽引車

表1 DCY40軌道導引式膠輪牽引車主要技術參數

2 施工運輸主要問題、難點

2.1 隧洞空間小，對車輛及附屬設施布置困難

采用雙護盾掘進機施工管片襯砌后的洞徑為4.3m，布置完連續皮帶機、風筒、電纜、水管后，DCY40軌道導引式膠輪牽引車的外形尺寸最大只能為：寬1.4 m、高1.8 m；DCY40軌道導引式膠輪牽引車布置示意圖見圖2。

根據斷面圖，吊裝于隧道頂部的風管，側面的管線及走道，占用了較大的隧道斷面空間?？紤]到不低于200 mm的各向安全距離，決定了該車的寬度不能大于1.4 m，高度不能大于1.8 m。國內外現有車輛都無法滿足需求，配套該項工程需要更加小型化車輛?，F有機械驅動車輛由于車橋、變速箱等零部件的限制，車輛內部布局困難，高度與寬度尺寸無法滿足要求。而液壓驅動具有易布局、結構緊湊的特點，可以滿足車輛外形要求，所以，采用與現有機械式牽引車完全不同技術構成的液壓驅動式膠輪牽引車成為必然選擇。

2.2 DCY40軌道導引式膠輪牽引車的編組

在小洞徑、大坡度、長距離的隧洞工況下，DCY40軌道導引式膠輪牽引車編組情況為：

最大牽引列車編組，進洞負載：1人車（滿載）+1豆礫石車（滿載）+3平板車（滿載）+4管片牽引車（滿載），編組總重：105 t，編組長度 46.03 m；

最大牽引列車編組，出洞負載：1人車（滿載）+1豆礫石車（空載）+3平板車（空載）+4管片牽引車（空載），編組總重：45 t，編組長度 46.03 m；DCY40 軌道導引式膠輪牽引車在牽引編組長度達46m、載重達105t，編組情況見圖3。

2.3 技術難點

在這樣的編組情況下需要解決以下幾個技術難點：

圖3 DCY40軌道導引式膠輪牽引車編組情況

1）長編組的導向問題

編組后，形成長度46 m，全列總重105 t的列車組，運行于全程6.5%的坡度上，列車的運行安全成為關鍵技術。為防止脫軌，采用洞外頂推進洞的列車運行方式，重載下坡過程中，由于重力作用，各節車實際不需外力即可自由滑行，此時該列車中的所有車鉤都工作在拉伸狀態，為保證安全，配置安全鏈作為輔助安全防脫鉤措施。運行中，利用DCY40軌道導引式膠輪牽引車自身摩擦系數大、制動能力強的特點，使列車組始終處于可控的重力滑行狀態，此時，整車運行穩定，不易脫軌。制動時，首先是DCY40軌道導引式膠輪牽引車制動有效，順序延時至其后各車體，以保證不因制動（尤其是緊急制動）帶來的車組縱向沖擊造成列車脫軌。

2）重載編組在大坡度下的駐車問題

車組采用DCY40軌道導引式膠輪牽引車加普通車體的編組模式，重載下坡時，制動必須滿足整車在坡道上的可靠停車。運行的車輛停車過程必然是由減速（行車制動）和完全停止（駐車制動）這二個階段組成。本項目中，由于列車運行在6.5%的大坡道上，重力所帶來的自然加速是制動系統要解決的首要問題，為此，DCY40軌道導引式膠輪牽引車設置了非摩擦的液壓緩速系統，該系統為DCY40軌道導引式膠輪牽引車提供一個穩定的制動扭矩，這個制動扭矩是由行車電腦控制，其大小與列車由于重力作用所要產生的加速扭矩相當，保證列車坡道運行中不需頻繁操縱制動系統即可以設定的穩定速度運行。利用調整緩速系統可調的設定值，即可實現車輛的減速。必要時，還可操縱行車制動系統使車輛減速，該行車制動系統由作用于DCY40軌道導引式膠輪牽引車的液壓制動和作用于被牽引車鋼輪的空氣制動系統組成，通過駕駛員操作，由液壓系統和氣動系統作用于相應車輪上。因為鋼輪摩擦系數小、制動效能低，所以，列車制動以膠輪牽引車為主，被牽引車空氣制動為輔。為保證運行穩定，列車設定了從DCY40軌道導引式膠輪牽引車開始至最末端車體的順序制動功能，該套制動系統滿足了全列重載制動需要，達到制動距離要求。減速過程完成后，此時列車速度雖然為零，但由于尚在坡道上，一旦解除制動，必然在重力作用下滑行，此時，打開駐車開關，駐車系統將起到使列車可靠停止在坡道上的作用。列車的駐車制動功能與行車制動相同點是作用在相同的輪組上，不同點是駐車制動是彈簧作用，無需動力，所以，駐車制動系統也可用在車輛失去動力時的應急制動。

3）長編組、重載編組在上下坡的行駛速度問題

下坡時，列車重載存在極大的安全風險，除了考慮制動系統外，運行速度的控制也是必不可少的環節。制動系統可保證列車在一定的初速度下達到技術規范要求的制動距離，因為制動距離與初速度成平方關系，所以初速度提高，必將大大提高制動距離。另外，還需綜合考慮駕駛員人為因素、制動系統、路面條件、環境條件等各方面因素，確定一個合理的運行速度是工程應用的一個關鍵技術環節。車速與安全即效率的關系存在顯而易見的相對關系：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。合適速度數據的確定，由于無可參照案例，僅能根據以往普通列車應用于其它工程的經驗，結合本工程隧道斷面直徑僅4.3 m，全程大坡道，照明又不足，路面濕滑的客觀條件，經分析，預計司機工作時的精神壓力較大，存在較大的人為操作失誤可能；避險空間小，隧道內工作人員和設備的安全必須得到保證；再結合制動系統制動扭矩參數，綜合對比分析后，以安全第一為原則，選取重載下坡速度不大于7 km/h，空載上坡速度不大于15 km/h。經在山西中部引黃工程TBM2標應用檢驗，該速度即滿足了安全要求，又充分保證了工程施工進度需要，為國內外同類型施工積累了關鍵技術參數。

3 DCY40軌道導引式膠輪牽引車在本項目解決的主要問題

1）停得住。在大坡度、長距離支洞運輸行駛中，重載下坡車輛在一定行駛速度下，隨時能夠在安全距離內停得住，同時制動須有效、可靠。

2）駐得穩。在大坡度、長距離支洞運輸停車時，能夠駐車穩定、不溜車。

3）行得暢。運輸車輛及編組在大坡度、長距離掘進運輸時，須運輸通暢，進入后配套臺車便捷、暢通，在主洞掘進時，運輸機車的轉換應安全、方便、調度合理，長距離運輸的運輸錯車安全。

4 結語

TBM每個循環1.4 m，每兩個循環出一次渣,掘進機每個循環的時間為22 min；DCY40軌道導引式膠輪牽引車每次可以向洞內運輸兩個循環的材料，運輸到洞內工業廣場只需32 min，而且在TBM檢修時間，洞內工業廣場可以存放三個編組的材料，也就是TBM掘進6個循壞所需的材料，材料運輸方面完全能夠保證TBM施工掘進的需求；而且在中部引黃TBM2標項目上，單日最高掘進記錄達到76 m。

在國內外采用雙護盾TBM法對大坡度、長距離、小洞徑的斜洞施工運輸無經驗可借鑒，渣土、材料物資和人員問題都存在安全隱患；目前國內這種大坡度、長距離、小洞徑的斜洞采用雙護盾掘進機施工的項目越來越多；類似大坡度、小洞徑的隧洞施工也越來越多，施工中需要運送大量物資材料，這種安全、可靠的物流運輸也越來越重要。