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浅谈大直径土压盾构水平运输系统的设计
作者：陈恤良
来源：《建筑与文化》2012年第10期
[摘要]：盾构水平运输系统运输担负着盾构机掘进时渣出的外运，应根据隧道作业条件进行设计。水平运输系统设计时应充分考虑，运输轨道的布置形式、道岔的选用、电瓶车的选用、运输系统轨枕的设计和固定形式等因素，在确保运输系统的可操作性和安全性的同时，提高运输系统的运输效率。
[主题词]：运输系统；轨道布置；道岔；电瓶车；运输效率。 1、引言
现今进行如地下轨道交通等大型隧道挖掘时，通常会应用盾构隧道施工技术。通过盾构机前端的刀盘不停旋转将隧道前方未开掘的土石切削挖掘成渣土，然后紧接着利用盾构机台机的传输机构将挖下来的渣土运至外设的电瓶车，电瓶车再连续不断地将承载着的渣土运至出土井，最后运至隧道外。随着地下轨道交通的发展，目前应用于城际轨道的盾构隧道截面面积都较大（直径达到8.8m），这样单位距离上的渣土方量大，需要电瓶车连续不断地来回作业才能完成单位距离上的隧道渣土外运，并且随着隧道挖掘的前进，长度不断延伸，电瓶车的运输距离也就不断增长，必将要花费更多时间在运输过程上，这就耽误了施工的时间，降低了整体效率。
如果要提高运输效率，则需要增加电瓶车容量或者增加电瓶车的数量。不过由于隧道空间、改造成本的，实际施工中一般是通过增加电瓶车的数量来解决渣土外运问题。不过电瓶车数量增加后，就带来了电瓶车调度困难的问题，一旦调度不当，延误施工进度，甚至发生电瓶车碰撞的事故。 2、运输系统设计要求
大直径土压盾构水平运输系统设计必须满足以下三点要求：
1）运输效率高：大直盾构水平运输系统必须满足土压盾构机掘进时渣土的外运工序，使盾构机每掘进一环（1.6m以上）的停机时间为零。
2）安全性高：水平运输系统动作时具有较高的安全系数，避免发生车辆碰撞等事故发生。
3）可实行性高：水平运输系统必须具有较高的可实行性，尽量利用现有条件，节约成本。
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3、运输系统设计要点
3.1、运输轨道布置形式和道岔的选用
大直径土压盾构水平运输系统轨道形式设计为循环式运输轨道，轨道大体结构为台车内及后面50m为两列轨道，中间四轨道的形式，随着隧道的延伸不断延伸。本隧道轨道间距970mm，采用43Kg轨道铺设，轨枕采用200X200H型钢加支撑铺设。
当隧道掘进200m后，在距离盾构井41m处安装一套渡线道岔，编号为1#渡线道岔，1#渡线道岔往暗挖扩大端方向铺设长140m的四列轨道。2#道岔安装于台车后50m的位置，1#道岔与2#道岔之间铺设四列轨道。1#道岔总长28m，分两部组成，总重量8t，道岔采用43Kg轨道钢固定于16mm钢板上，轨道间采用连接板固定连接。2#道岔总长15m，总重量7t，分三部分组成，方便于道岔的安装和运输。
当电瓶车在隧道中损坏且需要较长维修时间，为避免影响隧道中电瓶车循环运作，本隧道轨道特设置储车道，需要维修的电瓶车开入储车道进行维修。储车道总车140m，可满足2台电瓶车储放。
3.2、电瓶车的选用
为满足土压盾构出渣量要求，电瓶车的选用为运输系统的重要内容。以直径8.8m土压盾构为例，运输系统选用3列电瓶车，每列电瓶车配置5节土斗、1节砂浆车、1节管片小车，电瓶车以循环的形式进行运作。
设定进入隧道方向定为上行，出隧道方向定为下行，上行通道为A道，下行通道为B道。轨道运作过程为，电瓶从始发井口上行进入隧道，经过2#双开道岔后，进入台车内部执行装载渣土、吊管片、送浆等任务，完成任务后电瓶车下行，经过双开2#道岔时，搬动改道板，电瓶车下行到B道至到达1、2#出土井，在1、2#出土井执行卸渣土、装管片、装浆任务，完成任务后上行到1#渡线道岔，经过1#渡线道岔后，搬动改道板，电瓶车上行到A通道进入隧道，完成第一次循环，另外两台电瓶车以同样的方法循环执行任务。如遇到需要两台电瓶车同时出土时，先下行的电瓶车可前行到3、4#出口处进行吊土，后下行的电瓶车在1、2#出土口吊土。
运作过程中1、2#道岔安排专人负责电瓶车上下行的指挥，1#安排2名专职指挥工，2#道安排1名专职指挥工，负责电瓶的调配。道岔进出方向安装红绿警示灯，道岔指挥人员及时操作改道板，确保电瓶车顺利通过道岔处。电瓶车接近道岔时司机减速鸣笛，确认道岔正确后，方能匀速通过道岔。道岔首次安装为盾构机掘进200m后，以后将每延伸200m2#道岔向前移动一次。道岔移动时利用电瓶车拖动拆除道岔。由于台车轨道刚好为电瓶车轨道的的3倍距离，因此，拆除道岔后，只须将轨道连接即可完成四列轨道的延伸。 3.3、运输系统轨枕的设计
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1）轨枕结构 轨道采用43#轨道钢，轨枕采用200*200H钢，每隔800～1000mm横向安放于隧道，轨枕上方按970mm距离铺设4条轨道，电瓶车按需要，可在左、中、右位置行走，盾构机台车轮子（间距2910mm）在外侧轨道行走。为保证轨枕强度，在中间部位加撑200*200H钢，为防止轨枕因受力移动，在轨枕两端和中部分别有4颗υ18mm膨胀螺栓固定于管片上，同时，能用管片螺栓连接的尽量利用管片螺栓。见图4. 2）受力分析
在两台电瓶车同时压在同一根轨枕时受力最大，求出此时的最大弯矩。 200*200H钢的截面系数W＝10.52*105mm3=1.052*10-3m3 Mmax=250000*485*970/1455=80.8*106Nmm=80.8*103Nm σ=M/W=80.8*103/1.052*10-3=76.8*106Pa
H钢（σ）＝325MPa，考虑到安全系数，上述应力是在安全的范围。 2.2膨胀螺栓受力分析： 轨枕单边受力时分析图如图6：
在最极端的情况下，单边轨枕受到电瓶车一半的力，即 P3=P4=12.5t 由图1可知
P1＝480*P3+(9480+980)0*P4/480+980=14.948t=14.948*104N 根据图中几何关系，可知： P1x=567N,
整个轨枕分布12颗υ18mm螺栓，按有效受剪螺栓8颗计算，每颗螺栓受剪力 F＝567/8＝7098.7N，
υ18mm螺栓截面积A＝254mm2=254*10-6m2 剪切应力τ=F/A=7098/254*10-6=27.95MPa，
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可知，螺栓受此剪力，考虑上安全系数，强度没问题，足够安全。 4、结束语
