盾构施工配套介绍

1、中铁隧道集团二处有限公司中铁隧道集团二处有限公司二一二年五月二一二年五月 南昌南昌二、盾构施工配套设备简介二、盾构施工配套设备简介 四、其它配套设备四、其它配套设备 三、轨道运输系统三、轨道运输系统 一、引言一、引言五、结束语五、结束语 一、引言一、引言盾构法施工分为泥水加压平衡盾构和土压平衡盾构，这两种盾构对后配套设备的要求因出渣方式的不同而不同。盾构法施工的运输系统配置方案，涉及到与盾构机能力匹配及施工进度、一次配置成本或长期使用成本、对本标段或今后不同标段的适用性、以及施工管理的易操作性等问题。盾构机如要达到较高的施工进度需配置强大的施工运输系统，如要取得高的施工效益需配置最佳的施工运输

2、系统。运输方案应在两者之间试选择合适的平衡点。目前，国内盾构法施工的运输系统基本上均采用有轨运输方式（泥水机弃碴由泥浆输送系统运输，但管片、砂浆、钢轨及其他材料等仍需有轨运输系统）。运输系统的主要参数与隧道坡度、工程进度要求、盾构机型号及参数有关，也与施工单位的管理方式有关。前者是必须满足的必要条件，后者是可综合考虑的相关因素。 二、盾构施工配套设备简介二、盾构施工配套设备简介盾构施工配套设备主要包括：轨道运输设备、二次运输设备、垂直提升设备、砂浆搅拌设备、通风设备、供电系统、供水系统、排污系统、二次注浆设备等。轨道运输设备主要包括牵引设备（一般采用电瓶车）、出渣设备、砂浆运输设备、管片运输设

3、备、电瓶充电设备。垂直提升设备主要是龙门式起重机。砂浆搅拌设备主要包括强制式搅拌机和混凝土配料机。通风设备主要包括主通风设备（一般采用轴流通风机）和辅助通风设备（盾构上的二次风机和局部通风设备）。供电系统主要包括箱式变压器（带高、低压开关）、备用电源（发电机）、已成洞段的照明线路和灯具、应急照明设施等。供水系统主要包括盾构机冷却循环水箱、(冷却塔)、手动板阀等。排污系统主要包括管道、抽水设备、沉淀池等。二次注浆设备主要是单（双）液注浆机。三、轨道运输系统三、轨道运输系统1 1、地铁盾构法施工的场地特点、地铁盾构法施工的场地特点一般来说，地铁车站就是盾构机的始发点。地铁车站主框架施工完毕后，盾构

4、机开始在车站里面组装始发。盾构机施工期间，车站主框架要为盾构机设一安装井，同时也作为出渣井。有时除安装井外还专门另设出渣井。施工运输包含了水平运输和垂直运输两大部分。 2 2、轨道运输系统设备组成、轨道运输系统设备组成由提升门吊、门吊上的翻转倒碴装置（或固定在地面上的翻转倒碴装置）、门吊轨线、地面渣仓等组成垂直运输系统。包括渣土的垂直运输及管片、材料垂直下放运输。由牵引机车、碴土运输车、砂浆运输车、管片运输车及轨线组成水平运输系统。 编组列车如上图所示，管片运输车在前方，列车进入盾构机后配套系统时，刚好使管片运输车位于管片吊机下方。管片运输车前面不能有其他车辆，否则会防碍管片的吊卸。其次紧跟砂

5、浆运输车，进入时恰好位于盾构机注浆罐附近。再次为渣土车，机车在最后。由钢轨、轨枕、浮放轨组成隧道运输轨线，轨线根据需要可以设计是单线、四轨三线或复合式轨线。3 3、轨道运输系统循环过程、轨道运输系统循环过程如下图所示：编组列车进入隧道时，管片运输车、砂浆运输车为重车，将管片和砂浆和其他材料运进，运渣车为空车。驶出隧道时管片运输车、砂浆运输车为轻车，运渣车为重车，将渣土水平运出。列车到达洞口地出渣井后，提升门吊把渣车车箱吊离渣车底盘到达地面相应的高度后，车箱随门吊小车横移到渣仓纵方向位置，再随门吊大车移动到渣仓横向位置，利用设置在门吊上的翻转机构，随着吊钩地下落，车箱及渣土利用重心与转轴的不平衡

6、而翻转卸渣。但卸碴的总体布置与场地布置有很大的关系，根据出碴井与碴坑各自的位置，门吊的行走方向有的顺着出碴井，有的横着出碴井。有的翻碴装置在门吊上随门吊移动，有的固定在碴坑上。基本上取决于场地。所以在确定方案之前，首先要完成场地布置，才能确定门吊的主体结构和翻碴装置结构进行采购和制造。 4 4、有轨运输方式的特点、有轨运输方式的特点有轨运输方式的优点是适用性强，能把从泥浆（指的是含水较多的渣土）到砂砾和卵石等各种类型的盾构机切削出来的碴土运出。把管片、背衬浆料，各种材料运进。能适应各种区间隧道长度，系统本身采用的工业技术及产品也极为成熟可靠。目前，国内的土压平衡式盾构法施工的运输系统均采用轨道

7、方式。 5 5、运输方案的选择、设计、计算、运输方案的选择、设计、计算5.15.1运输方案选择需要考虑的因素运输方案选择需要考虑的因素5.1.15.1.1工程施工进度要求和配置成本工程施工进度要求和配置成本施工运输系统的能力首先要满足工程施工进度要求，在此前提下，配置成本有不同的考虑： A A、完全按本工程施工进度的要求来考虑。这时又有两种可能：一是运输系统的投资在本工程中完全摊销（例如：盾构机是租用的或其他原因），运输系统设备在满足可靠性和进度的前提下，技术等级和使用寿命仅考虑本工程需要以使成本最低。二是投资在本工程中不完全摊销，设备的技术等级和使用寿命须适当考虑后续工程的需要。B B、兼顾

8、以后的工程预计施工进度要求来考虑。由于施工运输系统往往随盾构机继续在后续的工程施工中使用，因此建议施工运输系统的能力要兼顾后续工程施工进度的需要。5.1.25.1.2系统技术等级和配置成本系统技术等级和配置成本施工运输系统设备的技术等级不同也影响配置成本。但技术等级低一般会导致系统的可靠性低。由此在施工中带来的损失往往比节省的配置成本大得多，因此建议适当考虑运输系统设备的技术等级。 5.1.35.1.3系统标准化、系列化要求系统标准化、系列化要求A A、如果本公司其他的盾构机已经进行了施工运输系统的配置，那么本工程的施工运输设备配置的型号规格最好与原有的设备相同。除非原有的设备不合理需要改换。

9、B B、如果本公司初始进入盾构法施工领域，则应综合考虑配置适当规格的设备，并作为本公司盾构法施工的通用或标准化设备，对公司长期的技术、管理、成本都有好处。5.25.2运输方案的设计、计算运输方案的设计、计算5.2.15.2.1运输系统的参数或特征确定运输系统的参数或特征确定5.2.1.15.2.1.1轨线制选择轨线制选择A.四轨三线制轨线布置采用四轨三线制时，由于隧道空间所限，一般采用762mm轨距，左右线分别为重车和轻车运输线。在盾构机后配套后部设一双开道岔浮放轨，可由盾构机或由机车拖移。通过浮放轨，列车可在由两根内轨组成的中线进入盾构机后配套内部。也可将双开浮放道岔放于洞口处。优点：1）由

10、于左右两线的运输互不干涉，运输是连续的，与区间隧道的长度无关。不管区间隧道长度是长是短都能适应。2）编组列车的容量和编组列数受运行因素的影响较小，配置的灵活性大。2）列车调度较为灵活，易于应付突发性故障和事件。3）工序适应性较强，当工序临时变动或脱节时，便于临时调度。缺点：轨道需要量增大一倍，轨枕要求的长度长，需要量大。 B.单线制轨线布置列车直接进入盾构机后配套。优点：1）钢轨需要量少。轨枕材料需要量少。2） 轨面标高低，有利于盾构机后配套设备布置。3）列车运行管理较为简单。缺点：1）只适用于短区间隧道施工。否则列车运行的脱节将会使盾构机掘进发生停机等待。因此，单线制轨线一般只用于区间长度为

11、2000米以下的隧道的出碴运输。2）不利于应付突发故障和事件。3）工序的适应性差，当工序脱节时，难以临时调度弥补。 C.复合式轨线布置主运输轨线仍为单线制轨线，在后配套后部设两副浮放双开道岔组成会车点。当隧道特长时在隧道中部可增设双线会车点，可以是固定的或可移动式的。会车点间隔距离根据运输系统诸参数计算确定。既节省钢轨和轨枕材料又满足特长盾构区间施工运输需要。当隧道区间长度短时，复合式轨线相当于四轨三线制轨线，利用盾构机掘进时间，另一组空的编组列车可驶入在后配套后部等待。复合式轨线制兼有单线制轨线和四轨三线制轨线的优点。 5.2.1.25.2.1.2渣土运输车容量选择渣土运输车容量选择在影响垂

12、直运输系统能力的所有因素中，唯一没有选择余地的是门吊的提升速度。重物在自由状态下提升的速度一般不超过30Mmin，大车小车运行速度一般为2030Mmin左右。根据门吊的提升速度、大车小车的运行速度的计算，每台门吊每天的极限提升循环车数约为120车。因此，渣车容量的大小成为制约垂直运输能力的因素，渣车容量越大则垂直运输能力越大。 5.2.1.35.2.1.3编组列车容量和编组列车数量选择编组列车容量和编组列车数量选择 A.采用四轨三线制轨线时，每列车编组的容量和编组列车数量受运行因素的影响较少，可以采用小容量多列编组列车方式，也可采用大容量少列编组列车方式。 B.采用单线制轨线时，每列车编组的容

13、量和编组列车数量受运行因素的影响很大，一列编组列车的容量最好满足一个掘进循环的渣量，单口至少配置两列编组列车。当编组列车的容量只能满足半个掘进循环的渣量时，盾构机的一个掘进循环中肯定会停机等待一次。 C.采用复合式轨线制时，列车容量与数量的考虑介于四轨三线制和单线制轨线之间。 5.2.1.4 5.2.1.4 列车运行持续速度选择列车运行持续速度选择 隧道坡度和机车持续速度对机车的粘重和功率即价格的影响很大。隧道坡度在工程参数确定后是无法改变的，但机车持续速度是可以选择的。从满足施工进度方面来说，机车持续速度越快越好。从降低机车价格方面来说，机车持续速度越低越好。根据经验，地铁隧道施工的机车持续

14、速度为8km/h、最高速度为15km/h时较为合适。5.2.1.5 5.2.1.5 运输系统的技术等级选择运输系统的技术等级选择 后配套运输系统的技术等级由系统诸多部分采用何种工业技术来评定。以机车为例：如选用蓄电池机车，则有直交变频机车和直流机车之分。建议采用具有较高技术等级的设备以提高运输系统的可靠性，并能降低系统的使用成本。5.2.1.65.2.1.6渣土的松方系数和容重的确定渣土的松方系数和容重的确定地质情况不同将导致松方系数差别较大，例如：中隧集团在广州越三区间隧道实测的松方系数达1.8，在南京地铁南北线一期工程玄武门南京站区间隧道实测的松方系数只有1.1弱，但后配套运输系统要适应多

15、个盾构区间掘进，故一般按照1.5松方系数计算，如与实际不符则靠增减渣车数量来解决。根据经验，不管松方系数如何，实际容重多为1.82.0吨/立方左右，这是因为当切削的岩土粒度较大时，往土仓加的泥水填满了岩土的空隙。当切削的岩土粒度较小时，松方比较密实，与实方的重量差不多。 5.2.2 5.2.2 运输能力计算和设备配置运输能力计算和设备配置设以某一盾构区间为例进行计算、配置。设其工程参数为：盾构机切削直径： 6300 mm ，盾构区间长度：2000m，施工平均进度指标：360m/月，管片宽度：1.2m，出渣井提升高度：20m，隧道坡度：30 。5.2.2.15.2.2.1每循环渣量估算每循环渣量

16、估算每循环松方渣量：G=R2B=3.143.1521.21.5=56立方米。 -松方系数，取1.5。5.2.2.25.2.2.2每循环渣重估算每循环渣重估算每循环渣重：562.0=112t 为了有足够的牵引力能力储备，容重系数按2.0计算。 5.2.2.35.2.2.3门吊每车次卸渣循环时间估算门吊每车次卸渣循环时间估算 设：小车平均行走行程10M，大车平均行走行程10M，提升及下降平均速度8Mmin，小车行走平均速度12Mmin，大车平均行走速度20Mmin。每循环工序时间：10.2分钟12分钟（实测值）。 5.2.2.45.2.2.4门吊每工作日理论、实际极限卸碴车次门吊每工作日理论、实际

17、极限卸碴车次每工作日理论极限循环车次为： 24小时60分钟12分钟120车次每工作日实际循环车次设为： 16小时60分钟12分钟80车次5.2.2.55.2.2.5按门吊能力计算，不同容量渣车每工作日理论、实际垂直运输能力按门吊能力计算，不同容量渣车每工作日理论、实际垂直运输能力（环数）（环数）：由：环数 = 提升车次数渣车容量（立方米）/每环松方渣量（立方米）；得： 渣车容量11.514.518.5备注理论环数23.53038.524小时作业实际环数15.72025.716小时作业5.2.2.6 5.2.2.6 水平运输能力计算和设备配置（单口区间隧道）水平运输能力计算和设备配置（单口区间隧

18、道）轨线制：设盾构区间平均运输长度：2000M。设采用单线制轨线。渣车容量：已知施工平均进度指标为360米/月（300环），设每月掘进工作日为25天，则每天应完成12环。故根据5.2.2.5的计算，选择11.5立方米容量的渣车。列车容量：采用每掘进循环渣量由一列车运出方案，每列车渣车数量为5辆。运输循环和列车数量：根据实测，每循环平均掘进时间约为30分钟。每环管片平均安装时间为30分钟（熟练时）。循环总时间为60分钟。设：列车平均行驶速度为8km/h、得： 掘进循环时间掘进30分钟管片安装30分钟掘进30分钟管片安装30分钟第一列车循环装渣30分钟驶出15卸渣60分钟（含管片、沙浆装车）驶入1

19、5第二列车循环卸渣60分钟（含：同上）驶入15装渣30分钟驶出15接左格因此，单口区间隧道列车数量应为两列，才能满足盾构掘进循环的连续和不间断。或者按照以下公式计算：已知区间平均运输长度为2000M，列车平均行驶速度为8km/h（其余见上表），由上表得出掘进循环时间为60分钟，设为T1，列车循环时间为120分钟（根据轨线制，如为单线制，当运距很长时，可能会有等车时间，应包含在内），设为T2，则满足主机掘进无待机时间时，列车的数量，设为N，应为NT2/ T1120/602列。有时候算出来不是一个整数，但有不可能是1.5或2.5列，说明总体方案不合理，需要调整轨线制或设中间浮放轨会车点。砂浆运输车

20、和管片运输车：每掘进循环渣量由一列车运出，因此每列车编组中包含一环管片背衬注浆量的6立方米的砂浆运输车1辆。一环管片运输的管片运输车2辆。 5.2.2.7 5.2.2.7 牵引机车的粘重、牵引力、功率计算牵引机车的粘重、牵引力、功率计算 说明：说明： 当列车的行驶速度低于10km/h时，空气阻力占总牵引阻力的1左右。因此风阻力在计算中往往忽略不计，不太会影响计算的准确性。当列车的行驶速度高于10km/h时，往往为轻载工况，机车牵引力大于轻载总牵引阻力，空气阻力的计算意义不大，因此在以下计算中忽略空气阻力。 对于全部采用滚动轴承的列车来说，起动阻力不大于运行阻力的120，但起动牵引力应大于持续牵

21、引力120。因此在以下的计算中不单独计算起动牵引总阻力。1 1、粘着系数、粘着系数如上所述，交流机车的设计粘着系数取值为0.26。粘着系数是机车轮箍滚动时与钢轨间的综合性运动摩擦系数。介于静止摩擦系数和滑动摩擦系数之间，其大小取决于滚动时由各种原因引起的微小滑动的多寡。由于车轮轮压极大，车轮与钢轨面微观轮廓的金属凸凹结构紧紧地咬合在一起，当车轮与钢轨之间因某种原因产生滑动时，摩檫热会使金属表面薄层熔化形成润滑层而使粘着系数急剧下降。车轮与钢轨之间完全为纯滚动时粘着系数相当于静止摩擦系数，但在实际上是办不到，例如，机车同轴的两个车轮直径误差、两轴之间安装的平行度误差、曲线转弯时的侧向力、行驶时的

22、冲击和振动总是存在的，所以粘着系数永远小于静止摩擦系数（与设计手册上的钢与钢的摩擦系数有别）。 钢轨表面的状态对粘着系数产生较大的影响，干燥的钢轨表面形成的粘着系数可以比湿滑的钢轨表面形成的粘着系数大一倍以上。粘着系数是实测数值而不是计算数值。根据国外干线机车试验资料介绍，在他们那里能达到的条件下粘着系数可高达0.45。因此，基于车轮箍与钢轨间轮压条件下产生的摩擦系数，是不同于手册中表示但对于直流机车和交流机车来说，导致粘着系数不同的最主要原因不是在于车轮箍与钢轨有什么不同，而是牵引曲线或特性的差别。也就是说，由于牵引力产生时是突然的或是平稳增大的，这会使得产生滑动的趋向增加或减少，从而影响实

23、际粘着系数的大小，从而也影响许用值的取值大小。两种机车的牵引性能曲线大致如上图所示： 的钢与钢之间数值为0.15的平面摩擦系数的。直流机车和交流机车的车轮轮箍在材质、加工工艺、热处理工艺都可以做到完全一样。在物理性能方面没有差别，钢轨对每种机车都没有什么不同。所不同的即是上述所说的牵引力特性的差别。因此，在设计时，直流机车粘着系数的取值较低。在最佳状态时，直流机车的瞬间粘着系数也有可能相当大，但由于力矩的突变和不平稳，粘着系数的平均值却不大。交流机车在整个牵引过程中基本上都处于最佳状态，平均粘着系数值接近最佳状态时的瞬间粘着系数，因此，在设计时，交流机车粘着系数的取值较高。实际值也较高。粘着系

24、数值较高意味着在相同的粘重条件下机车能产生的牵引力更大，或者在相同的牵引力条件下机车的重量更轻。轻的重量对于机车转场的运输过程、制造成本、对轨道的重量和铺设要求、节省能源、行驶安全等方面都非常有利。2 2、粘重、牵引力、功率计算、粘重、牵引力、功率计算A A、机车粘重计算、机车粘重计算由：机车粘着牵引力坡道阻力+列车综合运行阻力+加速惯性力得：得： G1(G1+G2)(1+2+a/g)-(2G1(G1+G2)(1+2+a/g)-(21)1) 其中：其中：G1G1机车粘重（kg）；G2G2牵引重量(kg)；-许用粘着系数(交流机车：取0.20.33)；1 -坡道阻力系数（x=x/1000）；2

25、- 列车运行阻力综合系数，包括滚动阻力系数、轴承摩擦阻力系数、同轴车轮直径差引起的滑动摩擦阻力系数、车轮轮缘在直道或弯道时与钢轨摩擦的阻力系数、车辆振动或摇晃引起的能耗及空气阻力、轴对安装平行度误差引起的差滑阻力系数、曲线离心力引起的侧滑阻力系数等等（取0.006-0.012）。 a列车平均加速度（m/s2）。g-重力加速度（9.8 m/s2）。得：得：G G1 1G G2 2(1 1+2 2+a/g) /-(+a/g) /-(1 1+2 2+a/g) -(2-2)+a/g) -(2-2) B B、机车持续牵引力计算、机车持续牵引力计算a.a.由：机车持续粘着牵引力机车粘重许用粘着系数得得 f

26、= G1f= G1g/1000-(2-(23)3)其中：f-机车持续粘着牵引力(KN)；G1G1机车粘重（kg）；aG2G2牵引重量(kg)；1 -坡道阻力系数（x=x/1000）；2 - 列车运行阻力综合系数g-重力加速度（9.8 m/s2）。式(24)表示机车由动力系统产生的持续驱动牵引力。与式(23)不同的是，公式右侧不是以粘重与粘着系数的乘积来表示，而是以列车总重（机车粘重与牵引重量的和）与总阻力系数（坡道阻力系数与运行阻力综合系数的和）的乘积来表示。说明由动力系统产生的持续驱动牵引力的所需数值。与式(21)相比，公式右侧少了加速惯性阻力。这是因为式(24)表示的是持续驱动牵引力，是保

27、持机车匀速行驶所需的牵引力，而加速惯性阻力由起动驱动牵引力（包括在任意时刻的加速）来克服。起动驱动牵引力根据采用的变频器的不同一般为持续驱动牵引力的1.3-1.5倍。C C、额定牵引重量计算、额定牵引重量计算G2=1000f/G2=1000f/g（1+21+2）- G1- G1-（2 25 5）其中： f-f-机车持续驱动牵引力(KN)G1G1机车粘重（kg）；G2G2牵引重量(kg)；1 -坡道阻力系数（x=x/1000）；2 - 列车运行阻力综合系数（按0.008计算）g-重力加速度（9.8 m/s2）。额定牵引重量根据持续驱动牵引力来计算。式(25)表示的是在某种上坡度情况下机车能够牵引

28、的匀速行驶时的牵引重量数值。是一组数值。同样地不考虑加速惯性阻力。D D、牵引功率计算、牵引功率计算a. N=fV/3.6a. N=fV/3.6-（2 26 6）其中：N-机车功率（kw）V-机车持续速度（km/h）-机车机械总效率f-机车持续驱动牵引力(KN)机车功率根据机车持续驱动牵引力计算。式（26）计算的是实际所需功率。b. N=1000fnR/9549i-(2-7)b. N=1000fnR/9549i-(2-7)其中：N-机车功率（kw）-机车机械总效率f-机车持续驱动牵引力(KN)n-电机额定转速（r/min）i-机车总传动比R-驱动轮半径（M）式（27）是另一种计算方式，结果与式（26）是相同的。计算出的机车功率应园整为标准系列电机功率，园整后的电机功率应比上述两式的计算值大。标准系列电机功率确定后，可根据式（27）复核实际的机车持续驱动牵引力f。四、其它配套设备1 1、砂浆搅拌设备、砂浆搅拌设备砂浆搅拌设备采用JS1000双卧轴搅拌机及配料机PLD1500组成搅拌站。采用根据砂浆需要量的不同而不同。 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