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垂直皮带机用于地铁TBM 施工的可行性探讨

作者:齐梦学  发布:2017/9/14  浏览:
单位:中铁十八局集团隧道工程有限公司

摘 要:近年来我国在岩石地层的地铁隧道施工需求越来越大,在青岛地铁双护盾TBM 施工过程中,龙门吊垂直出渣方式严重制约了TBM 施工速度。虽然龙门吊用于地铁土压平衡盾构施工渣土垂直提升,技术成熟且应用广泛,但在岩石掘进机施工中的应用效果不佳,因此有必要进行探索和变革,采用更加适用的方法以充分发挥TBM 快速施工的优势。分析龙门吊垂直提升石渣对双护盾TBM 施工效率的影响,调研相关行业的物料垂直提升方法,从技术、经济和工期3 方面分析龙门吊与垂直皮带机出渣的差异。在城市地铁双护盾及开敞式TBM 施工中,垂直皮带机出渣技术具有运输效率高、不占用TBM 掘进时间、故障率和综合成本低的优势,可为充分发挥TBM 掘进效率提供良好保障,具有很大的市场推广价值。

0 引言

我国地铁建设方兴未艾,从最初的北京、上海和广州等一线城市发展到天津、西安等二线城市,目前已经延伸到了三四线城市; 从以泥土为主的软岩地质条件,扩展到复合地层,又发展到岩石地层; 从最初的明挖法、浅埋暗挖法发展到机械法,所采用的隧道掘进机( 盾构和岩石掘进机的统称,为便于描述,文中岩石掘进机按照业内习惯简称为TBM) 从土压平衡式盾构、泥水平衡式盾构发展到复合式盾构、复合式TBM,近年来又开始应用TBM。例如,重庆轨道交通工程六号线曾经使用2 台开敞式TBM、2 台基于单护盾的复合式TBM,轨道交通环线正在使用单护盾TBM 施工; 青岛地铁二号线正在采用4 台双护盾TBM 施工,刚刚开工的一号线将采用10 台双护盾TBM 施工。从地铁工程建设的规模分析,结合相应的地质条件,TBM 的应用将不断得以推广。

目前,地铁隧道施工以盾构法开挖为主,并且在我国已经成为了一种普遍方法,技术越来越成熟,随着单护盾和双护盾等岩石掘进机不断推广,面对新的问题有必要继续深入研究,不断探索和实践,促进施工技术的不断完善、施工效率合理提高、施工成本趋于合理以及环境友好性能不断提升。

经调研,同期采用TBM 施工的项目,施工进度存在明显差异,山岭隧道大幅领先于地铁隧道,部分项目TBM 施工出渣方式和进尺对比见表1。究其原因,出渣方式是影响施工进度的不可忽视的重要因素,序号1—7 所列的山岭隧道全部采用连续皮带机出渣,序号8—11 所列项目为有轨运输辅以龙门吊提升卸渣。如何改进地铁TBM 出渣方式,提高施工速度与综合效益是研究的重点。

表1 部分项目TBM 施工出渣方式与平均月进尺对比

查阅相关资料,文献[1]说明了TBM 施工目前常用的出渣运输方式为有轨运输和连续皮带机; 文献[2]结合西秦岭隧道从技术、工期、经济效益角度全面对比了有轨运输和连续皮带机出渣; 文献[3]论述了垂直带式提升机的机型及其应用; 文献[4]介绍了双带式垂直皮带机的结构、工作性能、机构存在的问题及改型设计; 文献[5]介绍了气垫带式输送机、波状挡边带式输送机和圆管带式输送机的发展过程、特点及今后的研究方向; 文献[6]重点论述了波状挡边带式输送机的设计计算、结构原理与功能; 文献[7]认为波状挡边带式输送机可用于地铁隧道施工软土质物料运输; 文献[8 - 13]分别论述了波状挡边带式输送机在散粮、砂石骨料、粒状棉、电煤、煤矿、水泥生产脱硫石膏运输领域的应用。目前未见有垂直皮带机用于TBM 施工的相关论述。本文结合青岛地铁双护盾TBM 施工实践,分析现有出渣方式( 水平运输为有轨方式、内燃机车牵引,垂直运输为龙门吊提升) 对TBM施工进度的影响与制约,简要汇总可供选用的出渣方式及其适用范围,重点论述了垂直皮带机用于地铁TBM 弃渣垂直运输的可行性。

1 龙门吊垂直提升出渣实例分析

青岛地铁二号线二标02 工区采用2 台双护盾TBM 施工,右线TBM 掘进3 776. 1 m,左线TBM 掘进3 546 m,线路最小曲线半径为350 m,最小竖曲线半径为3 000 m,最大纵坡为22‰。

TBM 开挖直径为6. 28 m,每循环掘进长度为1. 5 m,管片内径为5. 5 m,最大推力为24 150 kN,额定扭矩为2 940 kN•m,脱困扭矩为5 700 kN•m,出渣用吊装井深度为24 m。以1#TBM 为例,目前正在施工第3区间,在第1 区间施工过程中,受到租赁的TBM 设备质量与技术服务影响,不能保证持续正常进度,因此选取第2 区间,即徐家麦岛站—海川路站区间为研究对象。

围岩以花岗岩为主,饱和单轴抗压强度为50 ~160 MPa,以Ⅱ级和Ⅲ级围岩为主,正常情况下TBM 掘进速度为40 ~ 100 mm/min。洞内弃渣采用内燃机车牵引矿车进行水平运输,到达井口位置后采用龙门吊提升运至临时弃渣池。TBM 掘进每循环弃渣装满4节矿车,平均每循环时间为20 ~ 40 min。水平运距为3. 6 km,单程水平运输时间为22 min。

目前,TBM 采用龙门吊垂直提升石渣,设计最大提升速度为12 m/min,最大下降速度为15 m/min,大车速度为20 ~ 40 m/min,小车速度为12 m/min,采用变频驱动,装机功率为200 kW。

经多次现场实测,每斗石渣垂直提升往返循环时间为12 ~ 16 min,平均为15 min,TBM 每个掘进循环的石渣采用4 节矿车运输,每循环石渣的垂直运输时间平均为60 min; 管片、豆砾石和砂浆等施工材料装车备料时间约20 min。由于提升与卸渣工作环节较多,加、减速频繁且高速段运行时间短,单独提高龙门吊升降或者移动速度难以显著提高出渣效率。

双护盾TBM 无需初期支护,并且拼装管片可以在TBM 掘进过程中同步完成,正常情况下可以实现“掘进—换步—掘进—换步”的连续循环作业,在适宜的地质条件下,是所有TBM 机型中综合成洞速度最快的。然而青岛地铁二号线施工实践中,由于弃渣垂直运输的影响,TBM 施工效率降低了约50%,无法充分发挥TBM 快速施工的优势,经济效益和社会效益均大大降低。

我国铁路、公路、市政、供水、供气、防洪和水电等工程的需求量大,由于建设环境和工程条件的原因,隧道的需求数量巨大[14]; 国家重点建设项目,如西部大开发、长距离供水、西气东输和跨海通道等工程中隧道所占的比例越来越高。作为代表当今世界最先进施工技术和施工方法的TBM,存在着诸多优势,必将大有用武之地[15]。因此,探索工程适应性更强的TBM 弃渣运输方式是非常有必要的。

2 可供选用的弃渣运输方式

2. 1 水平运输

TBM 施工过程中的弃渣水平运输主要为有轨运输和连续皮带机2 种方式,以及应用较少的无轨胶轮车运输。

有轨运输曾经是TBM 施工弃渣运输的普遍方式,近年来在长距离隧道中逐步被连续皮带机取代。

长运距工况下采用连续皮带机更能充分发挥TBM 掘进优势并且节约成本[2]; 连续皮带机安装拆卸占用的工期较长、一次性投入成本大,因而在短距离运输时不宜采用。

无轨胶轮车是近几年发展起来的TBM 配套施工设备,无需铺设轨道,可节约周转材料的消耗成本,但设备造价相对偏高、运输效率不高、燃油消耗水平高于有轨运输且施工通风要求高,在短距离运输时具有一定优势,但不适合长距离运输。

2. 2 垂直运输

TBM 施工过程中,垂直运输大多集中于地铁项目,目前使用最为广泛的是龙门吊提升。经调研,充分结合相关行业的物料提升方式,可供选用的弃渣垂直运输方式见表2。

表2 弃渣垂直运输方式对比

在地铁TBM 施工弃渣垂直运输方面,对上述几种方法的适用性简要分析如下:

龙门吊是地铁施工最为常见且目前使用最为普遍的出渣方式,技术成熟。龙门吊为定型产品,制造和维护成本低,但严重影响了TBM 施工效率的发挥。

吊桶运输效率低,即便用于盾构施工也会严重制约盾构施工速度,不具备配合TBM 施工的能力。

罐笼和箕斗设备配置成本高、安装工作量大且成本高,通常建成后要应用数十年,显然不能适应地铁TBM 施工需要频繁拆装的工况条件。

大倾角皮带机具有连续输送、结构简单、运行可靠和维护方便等优点。如果用于地铁TBM 施工,将占用车站空间,往往会影响车站结构施工,不利于总体施工组织,影响工期。

垂直皮带机可连续输送物料,比大倾角皮带机占地更少,TBM 吊装井的空间即可满足其安装运行的空间需要。

综上所述,垂直皮带机用于地铁TBM 施工的可能性较大。

3 垂直皮带机型式选择

垂直带式输送机具有占地面积和土建工程量小等优点,现已研制出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、管状带式输送机等型式[3],见图1。

图1 垂直皮带机

波状挡边皮带机广泛用于煤炭、冶金、建材、化工、轻工、矿山和港口等散料装卸。从20 世纪80 年代末开始,大型垂直挡边皮带机开始用于地下采矿与地下建筑工程的竖井中。

口袋式输送机以“内袋”或“外袋”的形式垂直提升物料,可用于地下采矿、采石厂、隧道挖掘、水泥厂、装卸船,甚至可以用来垂直提升温度高的、黏性的、大块的或粉状的物料。

压带式皮带机由承载带和覆盖带组成,在压辊或气压的作用下夹住物料实现垂直或大角度提升,可用于散粮、煤炭等运输。

管状皮带机通过密闭的管状胶带输送物料,有效保护物料,可避免沿途撒料、污染环境,曾用于煤场。

根据各类垂直皮带机的特点和适用范围,结合TBM 施工弃渣状态与施工特点,地铁TBM 施工采用波状挡边皮带机较其他机型更具有可行性。

4 垂直皮带机用于地铁TBM 施工的可行性

需要修建地铁的城市,经济相对发达且人口多,土地资源必然紧张,特别是地铁沿线大多位于市区,从民生、经济、交通和环保等方面考虑,要求地铁施工占用的地面空间越小越好。垂直皮带机具有占地面积小和输送能力强等特点,特别适用于施工现场受空间和环保等条件限制的场合。

以正在施工的青岛地铁二号线双护盾TBM 为例,从渣料状态、空间要求、施工效率、经济效益、应用实例方面综合分析,研究垂直皮带机用于地铁TBM 施工的可行性。

4. 1 渣料状态

TBM 依靠盘形滚刀机械式破岩,青岛地铁1#TBM设计允许进入刀盘的石渣最大粒径为30 ~ 40 cm,弃渣状态如图2 所示。较为理想的石渣以15 ~ 20 cm 长的梭片状为主,夹杂少量较大尺寸的石块以及细渣; 通常情况下,受到围岩节理发育的影响,石渣以10 ~30 cm的碎块状为主,夹杂较多细小颗粒和少量岩粉。

图2 石渣状态

受到地层含水、TBM 掘进过程中刀盘喷水降尘的影响,开挖石渣中的岩粉大多呈泥状,黏结性能较差。

经初步调查,波状挡边皮带机胶带挡边高度为300 mm,隔板间距336 mm,因此粒径不大于300 mm的石渣即可在皮带机上顺利输送。

综上所述,TBM 施工的石渣,通常情况下尺寸小、以块状和颗粒状居多、含水量较小且黏性小,适合采用挡边皮带机运输; 但受到围岩岩性的影响,石渣对胶带具有一定的磨蚀性。如果遇到黏土地层,TBM 开挖的石渣中泥浆的黏性会明显提升,因而胶带选型要重视工程适应性的问题。

4. 2 空间要求

TBM 掘进速度通常为1. 5 ~ 3. 6 m/h,直径6. 28m 的TBM 出渣量为130 ~ 300 t /h,平均按250 t /h 考虑,2台TBM 同时施工,配置运输能力500 ~ 600 t /h的垂直皮带机可以满足施工需求。经初步选型,皮带机胶带宽度为1 200 mm。垂直皮带机布置见图3。

图3 垂直皮带机布置

如图3 所示,垂直皮带机底部尺寸为6 m × 2. 5 m( 长× 宽) ,中间部分尺寸为2. 5 m × 2 m( 长× 宽) ,地面部分尺寸为9 m × 5 m( 长× 宽) 。该空间需求在地铁车站范围内具备布置条件,可以利用TBM 吊装井或者按照以往龙门吊出渣方式布置出渣井。青岛地铁二号线TBM 吊装井结构设计见图4。

4. 3 施工效率

TBM 每掘进1 个循环,产生4 斗石渣,根据弃渣垂直运输时间以及管片、豆砾石和砂浆等施工材料装车备料时间,完成1 个列车编组的卸渣和装料工作通常不少于80 min。

皮带机出渣可连续作业,列车编组仅仅用于施工材料运输,所需时间约为20 min,可以为TBM 连续掘进施工提供条件。

2 种出渣方式施工效率对比见表3。由表3 可知,与矿车配合龙门吊出渣相比,皮带机出渣时TBM 掘进效率可提高1 倍。

上述计算中,TBM 掘进速度取值偏低、单循环掘进时间较长,当围岩条件适宜时TBM 掘进速度会明显提高,二者之间的差异相应会明显加大; 正常情况下,TBM 纯掘进时间利用率是按照目前的总体平均水平考虑的,如果以LXB 供水工程二段四标的开敞式TBM平均利用率52. 9% 或者吉林引松供水工程二标的开敞式TBM 平均利用率53% 为参照,双护盾TBM 的纯掘进时间利用率会更高,皮带机出渣时TBM 的施工效率优势将更加显著。

图4 车站TBM 吊装井( 单位: mm)

表3 TBM 施工效率对比

4. 4 经济效益

对比2 种石渣垂直运输方式的经济效益,需要从设备配置成本、运行成本、工期成本综合分析。因此,首先需要确定设备配置。

采用TBM 施工的地铁隧道通常不会是单区间隧道。青岛地铁正在施工的二号线和刚刚开工的一号线,均采用双护盾TBM 施工,单台TBM 施工区间平均为4 个,过站3 次,TBM 每次组装掘进长度平均为4km,每个区间平均长度为1 km。为了便于进行2 种出渣方式下的成本对比,以上述平均值为计算条件,每2台TBM 出渣及施工材料运输设备配置见表4。

表4 TBM 出渣及材料运输设备配置对比

采用4. 3 节平均月进尺计算结果,合理考虑TBM设备组装调试、始发、掘进、过站、拆卸工序,矿车出渣工况下运输设备占用时间约为2 年,皮带机出渣工况下运输设备占用时间约为1. 4 年。2 种出渣方式下运输设备折旧成本对比见表5。

表5 运输设备折旧成本对比

施工期间设备运行成本见表6。

表6 运行成本对比

综上所述,左右线2 台TBM 同时施工,皮带机出渣系统设备采购成本较矿车出渣系统高888 万元,设备折旧成本低146. 07 万元,设备运行及人工成本低503. 8 万元。即,按照设备折旧计算,皮带机出渣系统综合成本较矿车出渣系统低649. 87 万元。如果全面考虑钢枕等物资消耗,皮带机出渣的经济效益会更加显著。

5 结论与讨论

TBM 法在长大隧道、岩石地层城市地铁施工领域的应用越来越广泛,与之配套的施工技术、施工设备也在不断进步。TBM 施工设备配置的一个总原则是配套设备的生产能力大于TBM 生产能力,这样才能充分发挥TBM 快速掘进的优势,避免社会资源的浪费。龙门吊垂直提升出渣在土压平衡盾构施工时能够很好地保证盾构掘进效率,却严重制约了双护盾TBM 的施工效率,垂直皮带机出渣技术在其他行业具有广泛成功的应用实例,并且在地铁TBM 施工中具有很好的技术可行性。

垂直皮带机在地铁TBM 施工领域作为一项新技术,能够提升掘进速度1 倍以上,连续掘进4 个区间、总掘进长度4 km 可节约工期8 个月,综合成本节约500 万元以上。

因此,垂直皮带机用于城市地铁TBM 施工具有较大的技术可行性和显著的工期、经济效益,具有很好的推广价值,特别是开敞式TBM 和双护盾TBM 施工中效果极为显著; 但在单护盾TBM 和盾构施工的地铁项目中,技术上是可行的,其应用效果不一定很好。

垂直皮带机应用于城市地铁TBM 施工,真正投入应用之前,还有很多工作需要深入研究: 1) TBM 掘进、皮带机安装运行与车站施工之间不可避免地会存在干扰,需要提前研究,做好准备,尽量避免和减少干涉,从方案、技术措施、组织管理方面综合管控,达到协调统一; 2) 由于区间工期大大缩短,因而总体施工规划拥有了继续优化的空间,可提升地铁建设的总体速度; 3) 垂直提升高度、设备配置、工序衔接对龙门吊提升出渣效率均存在一定影响,在出渣方式论证选择过程中应全面分析; 4) 在充分论证的前提下,寻找机遇尽快投入工程实践,只有经过实践检验才能发现更多的问题,从而不断完善和优化,做到科学应用和推广。

摘自:隧道建设

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