? 地铁TBM施工出渣方式优化探讨杨庆辉 (中铁十八局集团隧道工程有限公司，重庆 400700) 摘 要：TBM近年来逐步在我国地铁建设施工领域获得成功应用，弃渣运输均采用了传统的有轨运输+龙门吊提升方式，其施工能力和效率受到了一定的制约。随着皮带机垂直提升技术的不断发展进步，设计能力、安装尺寸、运输能力均有了长足的进步，为采用TBM施工的地铁隧道出渣提供了更加高效的方式。通过对青岛地铁2号线双护盾TBM采用有轨运输+龙门吊与其它弃渣运输方式的分析和对比，认为采用连续皮带机+垂直皮带机出渣，掘进效率较龙门吊出渣可提高75%以上，为TBM在地铁施工中充分发挥其快速施工的性能提供了一种途径。 关键词：垂直皮带机；TBM；地铁；出渣方式；方案优化 地铁建设不断升温，除各省会城市在大规模建设外，已经扩展到大量地级市，截止2015年底已经有39座城市获批建设地铁。地铁隧道区间采用盾构机或者岩石掘进机(统称为掘进机)开挖已经得到了广泛推广应用。据不完全统计，目前我国用于地铁施工的盾构机保有量已超过800台[1]，用于地铁施工的岩石掘进机数量较少。不同的地质条件有其适用的掘进机机型，大部分城市的地质条件适合采用盾构机施工，而重庆、青岛等多山城市修建地铁，大多采用岩石掘进机(以下简称“TBM”)。 经调查，地铁隧道施工不论采用盾构机还是TBM施工，弃渣全部采用有轨运输方式运抵井口，再利用门式起重机垂直提升至地面。该运输方式在盾构机施工中是成熟的，也是匹配的，但在TBM施工中却呈现明显劣势。本文结合工程实例，分析地铁TBM施工中弃渣垂直运输采用龙门吊所存在的弊端，认为其严重影响了TBM正常掘进效率的发挥，存在巨大的工期和成本浪费，因此有必要探索变革，以期为地铁TBM施工提供一种更加高效、经济、合理的弃渣垂直运输方式。 1 传统弃渣提升方式在地铁TBM施工中的弊端青岛地铁二号线采用了4台双护盾TBM，弃渣垂直提升全部采用龙门吊，在施工过程中，发现该运输方式效率低，严重制约了TBM正常掘进速度。 所有掘进机机型中，双护盾TBM的综合成洞速度是最快的，可以边掘进边拼装管片，一次性完成隧道开挖和永久支护，TBM施工的最高日进尺和最高月进尺也全部是双护盾TBM创造的。 青岛地铁双护盾TBM是依据本工程的地质条件设计制造的。截至目前， 1#TBM完成两个区间的掘进任务，累计长度1 816 m，最高月进尺357 m，平均月进尺283 m，该进度指标相对于地铁隧道盾构法开挖而言是正常水平，但在双护盾TBM施工中却是非常低的。根据制造商提供的设计成果，本项目地质条件下TBM具有600 m/月的掘进能力，实际施工中，由于受龙门吊出渣运输方式的影响，TBM应有的施工效率受到了极大制约。 2 可供选用的弃渣垂直运输方式2.1 龙门吊 龙门吊是地铁施工中最为常见且目前使用最为广泛的出渣方式，技术成熟，龙门吊的生产系列化，制造和维护成本低。绝大部分采用盾构机及TBM施工的地铁隧道均通过龙门吊完成弃渣和材料垂直运输。 2.2 罐笼 罐笼一般用作矿井人员、矿石、设备、材料等的提升，主要用于采煤和采矿领域。对于中、小型矿井，罐笼也可以作为主井提升设备，提升煤炭、矸石等矿料。矿斗通过罐笼直接提升，提升能力通常为1～3 t。 2.3 箕斗 箕斗主要应用于采矿、采煤领域，用来提升矿石、废石或煤炭，分斜井用和立井用两种。根据箕斗具体工作形式不同，容量一般为3～30 t，西德的大型箕斗在20世纪七八十年代已经达到40 t以上[2]。随着技术的不断进步，其提升能力得到很大提高，并获得进一步推广应用[3]。当一个矿山须装设两套提升设备时，主井一般采用箕斗提升，副井则用罐笼提升。 2.4 吊桶提升 吊桶提升在竖井及平巷施工中也得到了一定的应用，但是其与罐笼提升相比，存在占用设备多、人员进出桶时间长、材料运输不方便等缺点，多用于工程量小、时间短、日开凿量不大的情况[4]。 2.5 大倾角皮带机 大倾角带式输送机是一种连续输送设备，它具有结构简单、运行可靠、维护方便等优点，并具有大倾角输送、结构紧凑、占地少等特点。适用于输送碎石、石灰石、煤炭、砂、粘土、烧结砂粉、木屑、粮食等块度不大于550 mm的多种物料。 2.6 垂直皮带机 垂直皮带机属于大倾角皮带机的特殊情况，主要应用于竖井等垂直提升场合。有波状挡边带式输送机、口袋式带式输送机、压带式带式输送机、管状带式输送机等多种形式。 挡边带式输送机其结构是在板式橡胶运输带两侧粘上可自由伸缩的橡胶波形立式'裙边'，在裙边之间又设有一定强度和弹性的横隔板组成匣形斗，使物料在斗中进行连续输送。该型皮带机经过多年不断的发展，技术、工艺已经非常成熟，并开发了多种系列，广泛应用于煤炭、冶金、建材、化工、轻工、矿山、港口等领域[5]。 垂直皮带机工作环境温度为-19～40℃,适合输送堆积比重为5～25 kN/m3的各种散状物料。该皮带机的工作倾角能在0～90°任意布置，具有广泛的用途和出色的工作能力[6]。 通过以上分析可以看出，由于采用TBM的地铁施工中，施工距离长、单位时间出渣量大、材料运输量大且频繁，罐笼、箕斗和吊桶提升均不适用。龙门吊出渣可以满足施工要求，但是TBM施工效率受到了极大的制约。结合地铁车站结构及施工和TBM吊装井的设置，作者认为垂直皮带机的可行性较高，有必要进行进一步研究应用。 3 垂直皮带机应用现状国外垂直皮带机的研制和应用较早，在1960年代初，西德Scholtz公司即研制成功波状挡边带式输送机[5]。1990年代以来逐渐在地下采矿和地下建筑工程竖井施工中得到应用，并获得非常好的效果。为了满足市场对大型垂直皮带机的需求，随着技术的不断进步，其提升能力也不断增强，提升高度越来越高，其综合成本低、效率高的优点也越发凸显，并获得了越来越广泛的应用。在美国、德国和日本等发达国家的市政工程建设中已大量采用了波纹挡边带式输送机，如纽约的城市下水管道工程、芝加哥的TARP工程的竖井均采用了该输送机运输渣料，德国也有很多类似案例[6]。 我国在1990年代末从国外引进带式输送机并应用于采矿行业，其自主性研究起步较晚，综合技术能力与国外差距较大。近年来随着我国社会经济发展和科技进步，在市场需求的推动下，皮带输送机的技术水平也有了很大提高，但是在功能多元化、自动化控制与集成、长距离、大运量、可靠性等核心技术方面与国外先进水平仍有较大差距。 目前在采矿和一些难度较大的地下建筑工程施工领域或者采用传统的斜井施工成本过于高昂的领域，采用竖井垂直皮带机提升物料的方式正逐步得到应用。 4 垂直皮带机用于地铁TBM施工的可行性分析垂直皮带输送机具有占地面积小、输送能力强等特点，特别适用于施工现场受空间和环保等条件限制的场合。尤其对于目前地铁建设工程领域征地难度大、环保要求高的情况下，明挖车站受到较大的局限性，越来越多采用暗挖车站，这就给区间施工带来了很大的困难；通过机车进行长距离运输，龙门吊垂直提升，TBM施工效率大大降低，且与车站施工存在相互干扰。 青岛地铁二号线在建设过程中，采用双护盾TBM法、盾构法和钻爆法相结合的施工方法。由于青岛具体地质情况，盾构法目前的施工并不是很顺利。采用双护盾TBM法施工的区间，开挖直径6.3 m，采用四边形管片衬砌结构，管片宽度1.5 m，管片外径6 m，内径5.4 m，出渣方式采用传统的矿车+龙门吊的方案，目前最快的施工进度357 m/月；但是受到出渣效率的影响，随着掘进长度的增加，施工进度进一步提升的空间非常有限。而采用皮带机系统运输的方式，将可以显著提高施工效率。 4.1 渣料状态 青岛地铁二号线采用TBM施工的区间，基本上处于全岩层段，根据出露情况，大部分为花岗岩，岩石抗压强度高，完整性好。掘进产生的石渣均为碎屑、小块状，通常最大粒径不超过15 cm。根据刀盘开口率设置，最大石渣粒径不超过20 cm，而垂直皮带机系统配置可以满足粒径30 cm左右的石块运输。因此，从渣料状态来分析，垂直皮带机可满足施工要求。 4.2 安装空间 根据目前青岛地铁区间施工的具体情况，每循环石渣46.73 m3×2.8 t/m3=130.8 t，考虑双线同时掘进施工，每循环渣量261.6 t，每循环掘进时间40 min，则每小时的运输能力需求为392.4 t，安全系数取1.5，则配置运输能力588.6 t的垂直皮带机可以满足施工需求。 根据施工需求配置皮带机的参数为：连续皮带机宽度650 mm，垂直提升皮带机宽度1 200 mm，隧道内空间满足连续皮带机安装需求。垂直皮带机的安装需求空间为4 m×6 m，根据目前车站内部结构、竖井或者施工预留口尺寸，可以通过合理布置，满足垂直皮带机的井下布置而不会影响到施工材料的准备和运输。 4.3 供电 垂直皮带机提升能力585 t/h，提升高度40 m，配置200 kW的驱动电机可以满足施工需求；连续皮带机根据运输距离长度不同，配置的功率也有所不同，按照运输距离5 km来计算，总驱动功率不小于400 kW。通过市政供电，可满足施工要求。 4.4 施工效率 青岛地铁TBM开挖直径6.3 m，每循环掘进长度1.5 m，洞内采用有轨方式运输弃渣，每循环所开挖的石渣装载于4台渣斗中，再利用55 t龙门吊将渣斗垂直提升至地面卸入渣池，井底至地面的垂直高度为27 m。经现场实测，每斗渣的垂直提升循环时间平均15 min，每掘进循环卸渣时间需要60 min；叠加吊运管片和装卸豆砾石的时间，每列车备料需要20 min，故每掘进循环卸渣加备料共需要时间80 min。 采用皮带机出渣运输后，可以在掘进过程完成材料运输工作，不用停机等待运输时间，实现连续掘进，施工效率将大幅提高。具体工作参数对比见表1。 表1 地铁隧道双护盾TBM不同出渣方式掘进效率对比表  出渣方式掘进、换步/min管片安装运输/min翻渣、备料/min理论进尺/环进尺/m矿车出渣50与掘进同步558010.3386皮带出渣50与掘进同步10(掘进同步)与掘进同步18环675 注:运输距离按平均运距2 500 m计算，每月掘进25 d，每天掘进时间18 h。列车进洞速度6 km/h，出洞速度5 km/h。 从表1对比可见，与矿车出渣相比，采用皮带机出渣时双护盾TBM掘进效率可提高75%;并且随着运距增加，皮带机出渣效率的优势更加明显。 4.5 成本 皮带系统出渣的设备购置费用较高，但TBM施工速度大大提高，将节约大量的工期和运行成本。以掘进距离5 km投入的设备费用和工期成本为例进行对比分析，结果见表2。 通过表2分析可以看出，在掘进5 km的情况下，采用矿车出渣的直接成本略低于皮带机出渣。表2是按照设备采购成本计算的，而实际上设备将重复周转使用，按折旧计算的设备成本大大降低，节省工期等优势更加明显。 表2 两种出渣方式的成本对比表  出渣方式 龙门吊 规格价格/万元 机车(进口) 规格价格/万元 矿车(国产) 规格价格/万元垂直皮带机/万元连续皮带机/万元合计/万元掘进工期/月工期成本备注矿车出渣55t+20t/2台35045t/3台129020m3/12节15000178013皮带出渣20t/1台4525t/2台4800700200042257.4节约5.6个月,综合管理成本300万元/月,可节约1680万元。综合考虑掘进指标:矿车出渣386m/月,皮带出渣675m/月。 5 结论与讨论综上，传统的龙门吊出渣方式，制约了双护盾TBM的施工效率，未充分发挥其施工性能，造成了一定的资源浪费。垂直皮带机系统应用于地铁施工，技术上可行且日益成熟，但是由于其初期采购成本较高，在一定程度上限制了其大范围的应用。 现阶段，受到国内技术条件和惯性思维制约和影响，城市地铁TBM法施工的隧道，仍在以龙门吊出渣，经济效益和社会效益在一定程度上偏低，相信随着认识水平的提高，技术的进步，垂直皮带机等更为先进的设备和作业方法能够得到合理应用，促进TBM在地铁施工领域更快、更好的运行和发展。 同时，垂直皮带机配合TBM施工，可以充分利用其快速施工的特点，优化总体施工方案，实现长距离连续掘进施工，以正常掘进方式通过车站，即先隧后站。但是其同时也要求在设计阶段要考虑相关问题，包括设置位置、总体掘进长度、总体工期、设备来源等，进而充分发挥TBM施工的优势。 当然，如配备破碎机将大块弃渣分解到合适的粒径，垂直皮带机亦可用于车站暗挖施工，提升施工效率，减少车站施工对地面交通、构筑物的影响。 参考文献 [1]阮 霞.再制造是盾构机下步发展的重点——访北京设备管理协会盾构机专委会秘书长阮霞[J]．隧道建设，2013(10)：814 [2]李业飞.赴德国考察大型箕斗的介绍[J].煤矿设计，1992，152(2)：46-47 [3]孙如海.大型箕斗卸载方式的探讨[J].矿山机械，2010(5)：50-52 [4]程志彬，付万贵.利用吊桶提升施工平巷工程[J].建井技术，2006，12(6)：34-36 [5]杜月波.垂直带式提升机[J]．建筑机械化，2000(5)：56-58 [6]沈永才，蒋卫良，董红赞.垂直提升波纹挡边带式输送机的研究及应用[J].煤矿机电，2003(5)：74-77 An Exploration into the Optimization of the Discharging-Transporting Mode of the TBM for Metro ConstructionYANG Qinghui (The 18th Bureau Group Co. Ltd. of China Railway ，Chongqing 400700,China) Abstract：TBM has been successfully applied to the construction of subways at home step by step in recent years.However,muck is still transported by the traditional rail transport + gantry crane lifting mode,in which case the construction capability and efficiency is often restricted to some extent.With the continuous development of the technique of the vertical conveyor,great progress is made in design capability,installation size and transport capacity,which provides a more efficient way of discharging and transporting muck in TBM subway construction.After comparing and analyzing the transporting mode of the rail transport + gantry crane lifting adopted by the dual protective shield for Line Two of the subway in Qingdao and other muck-transporting modes,it is found that the efficiency in using the TBM-continuous belt conveyor+vertical belt conveyor is more than 75% higher than that of discharging muck with the gantry crane lifting,which provides a new way of giving full play to the performance of TBM in its rapid construction in subway construction. Key words：vertical belt conveyor;TBM；metro；muck-discharging and transporting mode;optimization of the scheme 收稿日期：2016-03-30 作者简介：杨庆辉(1983—)，男，工程师，主要从事TBM施工与管理工作。kjyhy-yqh@163.com DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.05.008 中图分类号：U455.31 文献标识码：B 文章编号：1672-3953(2016)05-0026-04 |
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