大直径泥水盾构隧道复杂内部结构同步施工洞内快速运输方案研究

发表时间：2019-07-26T10:59:39.337Z 来源：《基层建设》2019年第14期 作者： 郝晶

[导读] 摘要：大直径泥水盾构施工产生的渣土全部经由泥浆管道输送至地面，盾构掘进、拼装及内部结构同步施工中，洞内运输的主要任务为施工所需物料转入和施工作业面废品废渣转出。

中铁十四局集团大盾构工程有限公司 江苏南京 211899

摘要：大直径泥水盾构施工产生的渣土全部经由泥浆管道输送至地面，盾构掘进、拼装及内部结构同步施工中，洞内运输的主要任务为施工所需物料转入和施工作业面废品废渣转出。运输方式的选择对洞内快速施工有着至关重要的影响。目前，世界上广泛采用的运输方式分为有轨运输和无轨运输两种，本文以武汉轨道交通8号线长江隧道建设经验为依据，对两种运输方式进行比选，并从安全、高效、灵活、经济、环保等方面进行分析研究，最终确定无轨运输方案更加适合本工程及类似工程洞内快速运输需求，满足快速施工条件，为首选方案。

关键词：大直径；泥水盾构；内部结构同步施工；洞内快速运输 1引言

盾构隧道技术的研究热点集中于“深”、“大”、“长”、“快”，其中“快”描述隧道施工速度，施工速度需要通过优化关键技术得以提高。快速施工不仅意味着工程费用的大幅下降，而且将减少隧道施工对周边环境的破坏和扰动。施工运输方式和效率是施工速度的关键因素之一。

目前，隧道施工过程中常用的水平运输方式分为有轨运输和无轨运输[1]。有轨运输是利用铺设临时钢轨+矿车装载，蓄电池电机车或内燃机车牵引的方式运输，广泛应用于大小断面、结构简单的各类隧道，尤其适用于较长的隧道运输（3km以上），是一种适应性强、较为经济的运输方式。无轨运输是用各种橡胶轮运输车进行物料装载运输，其特点是机动灵活，不需要铺设轨道，特别适用于内部结构复杂且需要同步施工的隧道运输；对于车辆可以直接驶出地面的隧道，橡胶轮运输车可直接驶入材料堆场进行装载，减少了二次倒运和二次装车。

张宁川[2]以隧道坡度、工程进度要求、盾构机型号及参数为前提，就施工运输系统的配置方案进行探讨。张路刚[3]就有轨运输和无轨运输2种方式在某隧道工程出碴成本的影响方面进行分析比较。谢波[4]从运输效率、灵活性和经济性等三个方面分析了有轨运输和无轨运输各自的优缺点。蔚艳庆[5]结合有轨运输和无轨运输两种方式，对隧道快速出碴运输的合理方式进行了探讨。陈鹏等[6]以某工程为例，对长距离泥水盾构隧道进行物料运输优化，并建立长距离隧道车辆无轨运输优化模型。周国龙[7]在某隧道平行导坑施工中，利用正洞和平行导坑之间的横通道实现洞内有轨运输转为无轨运输，从安全、施工速度、经济效益等几个方面进行了比较。综合以上研究现状，目前对大直径泥水盾构隧道的洞内快速运输方案研究还不够完善，有待进一步研究。因此，本文从多方面对两种洞内运输方案进行对比分析和验算，确定最佳运输方式。

图1 区间隧道内部结构详图

Figure 1 inner structure details of the tunnel 2工程背景

武汉轨道交通8号线长江隧道全长3186m，为国内目前直径最大的单洞双线地铁盾构隧道。隧道管片外径12.1m、内径11.1m，内部施做30cm厚钢筋混凝土复合二衬。隧道内部结构施工顺序依次为：盾构掘进→预制管片拼装→预制箱涵拼装→现浇箱涵两侧回填→现浇二衬底部拱墙→现浇上部拱墙及烟道板→现浇中隔墙底座→现浇中隔墙→现浇拱顶→现浇轨行区铺装→预制疏散平台层等共计13项工序、37个环节。隧道内部结构复杂，施工工序多、交叉影响大，且需要与盾构掘进同步施工，致使运输空间极为有限、运输频次高、体量大，如此内部结构复杂的长大隧道其洞内快速运输是整个施工系统高效运转的瓶颈，快速运输方案是本工程的重难点。 3运输方式比选 3.1有轨运输

洞内运输采用有轨运输时，自洞口至作业面需全程铺设专用轨道，并需要设置进料、卸载、调车、停车、维修等专用线路。有轨运输根据轨道铺设形式，可分为单轨制、四轨三线制和复合布置式三种[4]。

图2 单轨制布置图

Figure 2 monorail layout

图3 四轨三线制布置图

Figure 3 three line layout of four rail

图4 复合式布置图

Figure 4 composite layout 3.2无轨运输

在大直径泥水盾构施工中，车辆在隧道内为多个单体单元，可编队也可分散，可随时停车避让、调头等，灵活性高[8]。在单洞双线隧道施工中，由于复杂内部结构需要同步施工，无轨运输比有轨运输受到普遍欢迎。 3.3两种方案的比选

武汉地铁8号线长江隧道相较于一般盾构隧道，有以下特点：

（1）工程选用泥水平衡盾构机，渣土直接泵送出洞，进洞车辆全为重车，出洞车辆全为轻车。由于无需运送渣土，对运输能力的要求比土压平衡盾构小很多；

（2）运输空间“大”而不“特大”。运输空间“大”指的是该隧道内径达到了10.5m，断面尺寸大；运输空间不“特大”指的是管片拼装后，隧道内结构要同步浇筑；

（3）运输长度“长”而不“特长”。运输长度“长”指的是隧道总长达到了3200m，按隧道长度划分应属于特长隧道；运输长度不“特长”指的是该长度对于运输系统来说属于临界长度，隧道施工惯例一般大于3000m优先考虑有轨运输，本隧道长度3200m理论上使用有轨运输，但其优势并不明显；

（4）砂浆需求浮动较大。盾构的盾尾注浆量是根据周围土层条件、邻近结构物状态、推进情况等时刻浮动的数值。隧道直径越大，所需盾尾注浆量较大，可能产生的浮动也大，需要砂浆运输系统有一定的灵活性；

（5）复杂内部结构同步施工可化分为13项工序、37个环节，分布于隧道内不同地段、需要物料的时间、数量和停靠作业时长也不尽相同，需要物料运输车即停即走、机动灵活，不占用主运输路线，不影响盾构掘进和其它内部结构施工作业，确保整个工序顺序连贯和快速施工。本文立足工程需求，结合工程特点，从运输空间、运输效率、灵活性、经济性、污染排放和安全性等多个方面对无轨运输和有轨运输进行对比分析。 3.3.1运输空间

根据盾构掘进和内部结构同步施工要求，隧道内可划分出运输车辆要通过的4个典型断面，如图5所示：

图5 内部结构同步施工典型运输断面图

Figure 5 typical transport section diagram of synchronous construction of internal structure

随着内部结构同步施工的快速展开，图示（c）、（d）断面区间增多，（a）、（b）断面区间长度基本保持不变，车辆进洞时，依次通过（d）、（c）、（b）、（a）断面区间。 （1）无轨运输空间验算

对于无轨运输，用于隧道施工的特种车辆横断面尺寸最高可达2.5m×2.5m，根据图5（d）断面可以计算出中隔墙处疏散平台高度为1.46m<2.5m，故疏散平台下方车辆不满足车辆通行条件。（d）断面车辆通行空间最窄，其单边宽度为4.1m>2.5m，车辆通行空间充足，且满足《公路隧道设计规范》（JTGD70—2004）[9]中对于设计时速30km/h的公路（通常隧道内运输车辆限速30km/h以下）单车道宽度为3.25m的规定，因此无轨运输可以较好适应（d）断面运输。（b）、（c）断面运输空间均大于（d）断面，不再单独论证。（a）段箱涵宽度为3.9m，单车可以通行，两车通行时无法错车，长车难以转向，但由于施工中始终控制该断面使其保持较短，该段设置为单车通行，长车采用双头双向运输车，短车利用盾构机尾部的调车平台，后续车辆可以在（b）段等候。内部结构同步施工时，大量钢筋、混凝土运输、地泵固定、等待浇筑等施工时，运输车辆等可利用（d）断面中左线作为内部结构施工专用通道，右线作为盾构施工专用通道，每隔200m中隔墙预留错车空间，满足各工序、各时段快速运输任务。 （3）有轨运输空间验算

对于有轨运输，三种常用的铁轨布置方式均不适用于本工程。首先单轨制和复合式均需在全区间中部铺设铁轨，中隔墙将无法施工，故两种方式均不适用。四轨三线制虽然在两侧分别布置两条轨道，但到达盾尾后机车将通过浮放道岔转入两条轨道内轨形成的中间轨道，这就要求两条内轨间距为轨道间距，即762mm，而中隔墙宽度为1900mm，使得两侧两条轨道内轨间距无法小于1900mm，四轨三线制也不适用，因此只能考虑布置两组单轨。

确定轨道形式后，还需要确定轨道的铺设位置。如果轨道两侧钢轨全铺设于预制箱涵上，箱涵宽度为3.9m，中隔墙和疏散平台净宽为1.9m，预留其同步施工空间后箱涵两侧可用铺设宽度不足1m，而管片、箱涵等构件长宽高尺寸均远大于1m，故盾构施工物料无法正常运送入洞。因此至少两侧轨道的外轨要铺设于箱涵两侧现浇混凝土上，这将导致钢轨只能铺设至（b）断面区间，运输物料不能直接抵达（a）断面区间，需要其它解决方案。

一种解决方案为采用有轨运输至（a）断面区间时额外配置洞内专用吊具转运物料，转而采用无轨运输方式继续运输至盾构机处，极大的增加了工作量和狭窄空间内转运风险，而且两侧轨道完全分离，每条轨道既为进洞线，也是出洞线，先行进洞机车未出洞时后续机车无法进洞，极大地降低了运输效率，因此该方案不具有可行性。另一种解决方案为在（d）（c）断面区间仍采用有轨运输，额外在中部铺设临时短程轨道和浮放道岔连接两侧轨道。这样两侧轨道并未完全分离，可以分为出洞线和进洞线，理论上可行。但同一断面内钢轨数量最高达到了6条，且在中隔墙开始浇筑前，该处中部轨道需先行拆除，不仅投资巨大，而且工序繁杂。 综上所述，无轨运输可以很好适应洞内的运输空间，而有轨运输难以适应。 3.3.2运输效率

（1）无轨运输效率验算

无轨运输由于车辆配置均在2辆及以上，故基本无需考虑装车时间，因此其运输效率主要考虑是否满足盾构掘进和内部结构同步施工。

考虑为中隔墙左右两边分别用于运输盾构用物料和同步施工物料，每隔200m中隔墙预留错车段。盾构每环需要管片2车次、砂浆5车次，由于箱涵为每2环需要1车次暂不做考虑，经过统计管片运输车平均车速21km/h，砂浆车26km/h，管片卸车18min，砂浆卸车12min。 盾构用物料运输时间T=T1（行驶时间）+T2（卸车时间），按照最远距离3.2Km计算，管片车完成一环的完整循环时间为73min，砂浆车为75min，故完成一个完成循环物料运输耗时75min。 （2）有轨运输效率验算

有轨运输时既满足盾构掘进又满足同步施工则必须采用两组单轨分别布置不共轨的方式，即左右线分别用于盾构掘进和同步施工供给物料使用，则列车编组只能实现单轨进出，单方向第一列出洞后第二列才能进洞。

盾构每完成一个完整循环物料运输需要2车次列车编组，经统计每车次装车27min，卸车45min，车速10km/h。 盾构用物料运输时间按照最远距离3.2Km计算，列车完成一个完成循环物料运输耗时110min。 由于同步施工运输中两种运输方式均有专用车辆和通道，运输效率可控，不做单独计算。

盾构机正常掘进施工时一个完整循环（2m）平均耗时约90min，管片拼装平均耗时约45min，则完成一个完整循环耗时约为135min，则无轨运输和有轨运输方式均满足最长距离运输需求。

根据以上数据可知有轨运输耗时较长，不适用于24小时完成12环掘进拼装任务以上的快速施工，最不利运输条件下无轨运输效率约为有轨运输效率的1.61倍，按照隧道中点运距综合计算约无轨运输效率约为有轨运输效率的1.14倍。 3.3.3灵活性

无轨运输的灵活性明显高于有轨运输，主要表现如下：

（1）无轨运输中不同车辆运输不同物料，急需的可先装先到先卸，不同物料装卸车位置也不同，可多辆车同时装卸，对车辆进洞顺序和卸车顺序无特定要求。

（2）无轨运输中对于砂浆、混凝土等方量需求量频繁变化的情况灵活性尤为明显。无轨运输车辆运输时单车方量小，速度快，可根据需求量实时调节，量不足可使用单辆车临时补充运输，量过大车辆可在靠边等待，其它车辆正常通行。

（3）无轨运输中车辆发生故障时，可紧急靠边停靠于未施工中隔墙处或预留错车位置就地完成故障修复，对洞内其它运输体系无影响。

3.3.4经济性

两种运输方式需要的设备、材料、人员、机具和配套设施均不相同，工费，运输成本考虑如下： 表1 无轨运输与有轨运输对比表

经测算，由于四轨及轨枕的投入，有轨运输成本远大于无轨运输，但钢轨可周转使用，在本工程中钢轨取32%摊销（按其可使用10km摊销）则两种运输方式消耗费用较为接近，但有轨运输机车发生故障时导致运输系统瘫痪延误工期等所产生的间接费用未计入，且无轨运输相较于有轨运输节约1.9个月工期。

综上，无轨运输的经济性整体好于有轨运输。 3.3.5无轨运输的安全性验算

（1）经过对一般因素、人员因素、洞内环境、运输情况、安全管理等方面进行大量调查，得到运输系统的总安全性评价矩阵R和总安全性权重向量A。

运输系统的总安全性隶属向量B=A•R=[0.3680.4620.140.0.030]，根据最大隶属度原则，无轨运输系统的安全评价为Ⅱ级，满足安全要求。

（2）根据《铁路隧道施工规范》（TB10204-2002）[10]，隧道内稀释内燃设备废气所需总风量计算公式如下：

式中：Q——稀释内燃设备所需总风量（m³/min）；Ni——单个内燃设备功率（kW）；n——内燃设备数量；——所有内燃设备总功率（kW）。

隧道内主要内燃设备为无轨运输配备的16台施工车辆，理论计算需要的总风量为340m³/min，为确保施工安全，本项目配置两台供风风机，实现一供一备，单台供风量为480m³/min，因此风机数量和能力足够，能及时将隧道内废气含量稀释到正常水平并带出隧道外实现空气置换。

综上，无轨运输安全性满足要求。 4结论

本文以武汉轨道交通8号线长江隧道为实例，对无轨运输和有轨运输进行多方面对比验算，结合国内其它类似隧道经验，得出结论如下：

（1）有轨运输的致命缺陷在于直线型的轨道不能很好的适用于复杂内部结构同步施工等运输空间不断变化的隧道。无轨运输比有轨运输更加高效、灵活、经济，拥有更加广泛的适用性，且运输和尾气排放安全性满足要求；

（2）中长距离大直径泥水盾构隧道复杂内部结构同步施工中，有轨运输不适用于平均每小时1m及以上的盾构隧道快速施工，无轨运输更加适用于隧道快速施工；上述条件下无轨运输效率约为有轨运输效率的1.14~1.61倍；

（3）从安全、高效、灵活、经济、环保等方面进行对比分析研究发现，无轨运输更适用于本工程和类似大直径泥水盾构隧道复杂内部

结构同步施工情况下的洞内快速运输；

（4）无轨运输车辆继续研究创新，选择适用的电力牵引车或其它清洁能源车为最佳。 参考文献

[1]王祥琴,成育军.铁路特长单线隧道出碴运输方案研究[J].石家庄铁道大学学报(自然科学版),2003,16(2):43-46.

WANG Xiangqin, CHENG Yujun. The Research of Mucking Transport Method in Super-long Single Track Railway Tunnel[J].Journal ofShijiazhuang Tiedao University(Natural Science Edition), 2003, 16(2):43-46.

[2]张宁川.地铁盾构法施工轨道运输系统方案优化[J].隧道建设，2005，25(3)：27-29.

ZHANG Ningchuan. Optimum Scheme of Rail Transportation System for Shield Tunneling Construction of Metro[J].Tunnel Construction，2005，25(3)：27-29.

[3]张路刚.单线隧道施工运输方式经济比较[J].铁路工程造价与管理，2006，21(3)：7-9.

ZHANG Lugang. Economic comparison of single line tunnel haulage mode[J].Railway Engineering Cost Management，2006，21(3)：7-9. [4]谢波.大直径泥水盾构隧道施工洞内运输方式的研究[J].筑路机械与施工机械化，2014，31(9)：83-85.

XIE Bo. Research on Transfer of Large-diametered Slurry Shield in Tunnel[J].Road Machinery & Construction Mechanization，2014，31 (9) ：83-85.

[5]蔚艳庆.隧道快速出碴运输合理方式探讨[J].公路隧道，2008(4)：31-35.

WEI Yanqing. Discussion on the Reasonable Way of Rapid Ballast Transportation in Tunnel[J].Highway Tunnel，2008(4)：31-35.

[6]陈鹏,吴坚,张晓平,等.长距离大直径泥水盾构隧道洞内无轨运输优化模型研究——以苏通GIL综合管廊工程为例[J].隧道建设(中英文),2018,38(6):1022-1028.

CHEN Peng, WU Jian, ZHANG Xiaoping, et al. Research on Optimization Model of Trackless Transportation in Long-distance and Large-diameter Slurry Shield Tunnel:A Case Study of Sutong GIL Utility Tunnel[J]. Tunnel Construction, 2018, 38(6):1022-1028. [7]周国龙.长大隧道洞内有轨转无轨运输方式浅谈[J].隧道建设,2009(s2):133-136.

ZHOU Guolong. Discussion on Conversion of Track Transportation System into Trackless Transportation System in Long Tunnels[J]. Tunnelconstruction, 2009(s2):133-136.

[8]刘日.周家山隧道大坡度斜井运输方式的研究[J].知识经济，2013(10)：111-112.

LIU Ri. Study on Transportation Mode of Large Slope Inclined Shaft in Zhoujiashan Tunnel[J].Knowledge Economy，2013 (10)：111-112. [9] JTG D70—2004,公路隧道设计规范[S].

JTG D70—2004, Code for Design of Highway Tunnels[S].

[10]中铁二局集团有限公司.铁路隧道施工规范-3版[M].中国铁道出版社,2002.

China Railway Erju Group Corporation. Code for Construction of Railway Tunnels - 3 Edition[M]. China railway publishing house Co.,Ltd.,2002.

作者简介

郝晶，女，本科，工程师主要从事大直径盾构隧道及地下工程、施工技术管理与研究工作。