盾构法管廊特殊地段水平运输设备的选用

高海刚

（中冶城市投资控股有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

随着我国城市的快速发展，以往在盾构法管廊隧道施工中，小曲线大坡度段掘进施工时，地表容易发生沉降，重载水平运输极易发生溜车事故，导致严重的安全风险隐患。经过多年的发展和完善，赵翌川等[1]指出小半径曲线盾构隧道施工所引起的地表横向沉降呈现不对称特征，所穿越土层的参数空间变异性对计算结果的影响不大。刘博峰等[2]指出可根据地面变形的规律提出了盾构穿越引起地面沉降的主要控制措施，有效保证了盾构隧道的安全施工建设。为避免溜车事故发生，目前行业内主要采取增加电瓶车车头的方案，能有效提供动力及制动力，降低风险，人员投入大、维护运行成本高，施工工序复杂，亦有采用连续洞内皮带机运输方案解决重载水平运输问题，工程设备投入及运行成本较高，更需要增加文明施工管理。任子林等[3]研究指出结合地下城市综合管廊的特点及建设要求，明确各方面要点、参数，主要施工方法，提高城市地下综合管廊结构设计有效性和科学性。本文通过对该现有盾构管廊施工实例，针对小曲线大坡度段掘进施工时，从设备设计的选型、制造、运输设备的配置功能、安全保障系统以及在工程施工中调整设备编组的角度入手，增加多种有效防溜措施、管理措施，以有效降低溜车风险，保证施工作业人员安全及避免相关经济损失。

1 工程概况

16 号线共建管廊（综合井10～综合井17）工程位于龙岗区及坪山区，长度约6.61km。盾构隧道衬砌为钢筋混凝土管片，管片采用3+2+1 模式组合，错缝拼装。管片宽1 500mm，厚350mm，衬砌内径6 000mm，外径6 700mm。钢筋混凝土管片设计强度为C50，抗渗等级为≥P10。

15 综合井～17 综合井区间隧道拱顶埋深10.41～27.28m，最大坡度46.3‰，最小平面曲线R300m，全长2051m。盾构隧道主要穿越地层微风化花岗岩，部分强风化砂岩。其中，本区间微风化花岗岩呈褐黄色、褐灰色，岩芯呈碎块状和短柱状，柱长5～35cm，RQD=65～85，岩芯采取率为75%～80%；实测饱和单轴抗压强度值29.9～51.5MPa，标准值34.34MPa，属较硬岩，完整性指数0.64，为较完整岩，岩体基本质量等级属Ⅲ级[4]。

地下水主要为孔隙潜水、基岩裂隙水，水量丰富，孔隙潜水对混凝土结构及钢筋混凝土结构中的钢筋具有微腐蚀性；基岩裂隙水水量甚微，但不排除局部段有富水条件，泥岩含斑状石膏，基岩裂隙水对混凝土结构按弱腐蚀性考虑。

2 设备选型情况

针对本项目隧道的最大纵坡达到46.3‰，选用性能更加强大的65t 锂电池牵引机车，并在机车编组方面做出针对性的改变；常规盾构隧道掘进时，隧道内物料水平运输的电机车编组配置为1 台机车+5 台渣土车+1 台砂浆车+两台管片车，本隧道内水平运输机车编组方式进行适当调整，采用1 台机车+两台渣土车+两台管片车与1 台机车+3 台渣土车+1 台砂浆车的方式，以减少每列编组的牵引重量，增强制动效果。

2.1 电机车结构和功能

电机车结构由机械、电气组成。分为车架、司机室、走行部、牵引系统、制动系统等。

2.1.1 车架和司机室

车架是采用钢结构焊接而成的框架式布置，具有防尘、密封保温和抗重物砸碰等功能，可确保操作人员安全，满足施工现场气候环境要求。司机室内设有多种操纵按钮（警示、照明、气喇叭等）、仪表显示（速度、电池电量显示、输入电流、输入电压等）装置，为了便于瞭望司机室前后方和两侧均有视野宽阔的钢化玻璃窗，后玻璃窗可以开启，两侧玻璃窗为推拉式，司机室前后端均装有照明大灯，为防止在频繁吊装锂电池组时损坏后照明灯，后照明灯凹于驾驶室后端面，前端安装有旋转警示灯，车内装有电风扇、司机室照明灯、可前后调整360°旋转的升降司机座椅，驾乘工作环境安全舒适，驾驶室门采用纵向推拉方式，采用了橡胶减振方式安装，保证运行过程中不会因振动产生声音。

2.1.2 走行部

走行部采用二轮对、无转向架设置，车体通过V 型橡胶弹簧与走行部的轴箱连接（一系悬挂系统），重量轻且免维护的V 型橡胶弹簧（寿命可达50 万km 以上）承担着垂向、横向和纵向三个方向的作用力和减振作用，在有效减少轮轨磨损的同时提高了机车的驾乘舒适性。

2.1.3 机车制动装置（电制动、气制动、弹簧制动）

根据隧道盾构掘进时编组载重大，线路超过常规坡度的特点，机车牵引就涉及重载上行、下行，对运输电机车组的制动性能提出更高、更灵敏的要求。结合机车特点和环境要求设置了多种制动和防止溜车的安全措施。

电制动：电机车整机电气通过PLC 处理各类控制及故障信号，如变频器控制、外围故障检测等，PLC 可以依据不同级别故障自动进入相应的控制状态，如降低电机负荷，刹车制动等，特别是可以依据不同级别的故障采取不同等级的刹车制动措施，确保电机车任何时候均处于可控状态，保证机车运行安全。

闭环矢量控制技术：电机车采用变频器独立控制电机，牵引电机特殊化定制，增加能实现闭环功能的旋转变压器，采用闭环矢量控制技术，机车在行驶过程中机车的输出电流、电压等各项数据通过变频器和电机有适应性反馈，通过大坡度时，电流输出和电机扭矩输出会增大，确保机车爬坡牵引能力满足，下坡反之，输出电压电流降低，降低能耗，利用低速大扭矩，零速悬停，实现行车电制动，提升了整机制动性能，保障了机车的稳定性和施工作业的安全性。

气制动：气刹车系统，制动和缓解过程没有明显延时，可以迅速控制整列机车的制动及缓解。双管路空气系统将电机车与后配套车辆的行车制动操作控制由两个气控开关分开独立操作控制，实现电机车在大坡度上重载起步运行不留车，在大坡道刹车起动时防止出现溜车现象效果明显。

弹簧制动：在停止供电、机车停用时，可使用弹簧制动，同时可以取代手刹。

防溜车制动装置，该制动装置为长期驻车采用的防溜车的制动措施，也可为当机车上述两种制动失效提供备用制动。

2.1.4 其他装置

锂电池组：锂电池（537V，338kWh）由1 个电池箱用插销连接器连接组成，一次充电综合工况可运行30km 以上。

交流异步牵引电动机：该车装配的异步牵引电动机起动力矩大、恒功范围宽、绝缘等级高（H 级）、维护费用低，是机车专用的牵引电机。

牵引逆变器：牵引逆变器是4 台大功率工矿车专用逆变器，该逆变器采用进口机车变流器的功率元件和控制技术，具有自适应特性好、抗振性能强、过载余量大、电制动性能操作方便等特点，通过长期装车运行验证，该牵引逆变器故障率极低，能适应潮湿、灰尘、高温等恶劣工作环境。

2.1.5 防瞌睡系统

瞌睡状态识别、警示。施工为两班倒，此系统为了防止司机疲劳驾驶，一般情况下设置若连续50s 对设备无任何操作，中冶城市投资控股有限公司设计的防瞌睡系统会发出警报声音提示司机，若10s 后司机还是无应答，机车会触动防瞌睡制动功能，机车自行制动。各级报警中，若机车乘务员恢复清醒状态后，报警自动取消。

报警视频信息传输。发送盹睡警示过程（盹睡前10s——警示过程——警示后10s）的视频信息将传输并存储到中央处理器。

系统自检：实时监测摄像头、编解码模块、网络传输接口的运行状态，并将状态信息发送给中央处理平台。

摄像监视系统：机车装备有摄像监视系统，在司机室内部装有彩色监视器，在机车后端板上安装双红外摄像头，监控范围包括机车牵引器和后配套车辆上方空间，连接电缆（机车、车辆）采用快插式航空接头，具有防水功能。

2.2 使用和操作

司机在使用前要对交接班记录、车况、车轮、闸瓦、制动的灵敏度等进行检查和测试。

2.2.1 电气系统操作

电机车操纵台功能简介：（1）司机控制器：司机控制器有0～15 共15 档牵引位。从0 位开始，顺时针转动手轮，电机车速度逐级提高；逆时针转动手轮，实施电制动。具有机械连锁功能，速度手轮不在0 位时方向手柄锁定；方向手柄在0 位时速度手轮锁定。（2）扳键开关组；用于控制后照灯、前照灯、司机室灯、电风扇、辅助电源的通断；（3）指示灯显示：欠压指示灯、辅助电源指示灯。（4）复位开关：逆变器的复位开关。（5）点动开关：可控制机车低速运行，用于机车车辆编组或定点停车。（6）喇叭按钮：鸣响喇叭以示注意。（7）空压机手动开关：是自动开关故障时的备用开关，接通该开关空压机工作，关闭此开关空压机停止工作，还可用于测试空压机是否正常工作。

2.2.2 运行操作

（1）驾乘人员进入司机室关闭车门，接通直流断路器逆变器开始充电，3～5s 后牵引逆变器开始工作，当空气制动系统的压强达到0.5MPa（空气制动工作的工作压强），方可行车。（2）根据运行方向，将司机控制器拨至前进或后退位。（3）试鸣喇叭，预示将要行车。（4）转动手动转阀使空气制动系统处于缓解位，机车机械制动缓解闸瓦与车轮分离；然后顺时转动司控器挡位手轮（逐级加减挡）机车起步，待到机车达到5km/h 时，检测下电制动是否正常工作。（5）在弯道处，机车根据设定速度行驶。（6）运行时机车前方有障碍，迅速制动，并停车至无路障时方可通过。（7）光照强度不够时，驾乘人员应根据运行方向打开前后灯、司机室顶灯。

2.3 注意事项

2.3.1 制动时注意事项

提前减挡使机车减速直到终点处停止，如电制动达不到停车要求可配合使用空气制动。机车停止后，司机离开机车前，应将空气制动阀手柄置于制动位，使机车机械制动装置处于制动状态。注意：在电机车速度降为零以前，不允许使用换向手柄实施逆操作。

2.3.2 行驶时注意事项

司机要注意周围环境、路况和仪表仪器显示，在通过弯道、道岔时减速并观察路况，必要时要停车等待；导线的烧损和轴承过热都可产生异味，故若发现异音、异味时应制动停车；在正常行车中，机车控制系统有5 次自动复位能力（可根据用户要求设定20次），超过5次需人工接通复位开关强制复位；注意：司机控制速度手轮在“0”位，复位开关、扳动开关才起作用。

2.3.3 离开机车时注意事项

司控器置零；切断电源开关；若司机换班必须认真填好交接班记录；关闭司机室门并上锁，以防他人进入造成行车事故。

3 电机车防溜车措施

3.1 电机车编组配置方案

常规结构隧道掘进时，隧道内物料水平运输的电机车编组配置为：1 台机车+5 台渣土车+1 台砂浆车+两台管片车，针对本项目隧道的最大纵坡达到46.3‰，在电瓶机车的选用及编组方面做出针对性的改变：一是选用性能更加强大的牵引机车，选用65t 锂电池牵引机车；二是机车编组方式进行适当调整，减少每列编组的牵引重量。

（1）1#编组：1 台65t 牵引机车+3 台20 方渣土车+1 台10 方砂浆车，编组总长度约为37m。

（2）2#编组：1 台65t 牵引机车+两台20 方渣土车+两台20t 管片车，编组总长度约为32.6m。

3.2 机车的相关计算

3.2.1 机车粘重选择计算

从两列编组配置方式及各运载重量可以看出，最大运载重量的编组配置为1#编组，其最大牵引重量为：3×渣土车自重+3×渣土车满载方量+1×砂浆车自重=159t

式中：

G1—机车粘重（kg）；

G2—牵引重量（kg），此处按最大牵引重量计算；

μ0—许用粘着系数（交流机车：取0.2～ 0.4，综合工况取0.24）；

μ1—坡道阻力系数（x‰=x/1 000）；

μ2—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、曲线离心力引起的侧滑阻力系数等（取0.008 或8N/kN）；

a—列车平均加速度（m/s2，取0.06）；

g—重力加速度（9.8 m/s2）；

根据两列编组配置方案编组牵引重量，依照编组重载牵引159t，在46.3‰坡度工况进行机车粘重核算，可计算得G1≥53t，

根据现有机车规格及安全性考虑，选择65t 机车完全满足要求。

3.2.2 驻车制动计算（排气制动）

最大载运量列车编组：65t 锂电池电机车（1辆）＋20 立方土渣车（3辆）＋10 立方砂浆车（1辆）

载荷计算，列车出渣时，砂浆车和管片车均为空载，故列车载荷G出为：

因列车进入隧道时，渣土车空载，砂浆车和管片车满载，故列车载荷G入为：

3.2.3 制动力计算

机车在46.3‰坡道上下滑力计算，根据《列车牵引计算》，在46.3‰坡道上坡道附加阻力（下滑力）为：101.6kN，计算公式为：

式中：机车、车辆的坡道附加阻力在数值上等于该坡道的坡道千分数i，单位为N/kN。

机车断气后制动缸弹簧制动力（闸瓦制动），电机车采用空气制动和电制动同时制动，其中空气制动使用气缸拉动制动连杆制动。制动气缸参数：缸径：D=220mm，杆径：d=50，行程L=160mm。弹簧初始力：7 328N，弹簧终压缩力：14 391N，制动气压：p=0.38MPa，制动时空气和弹簧力同时作用，制动时气缸伸出40mm。制动时气缸空气拉力F1为 13 692 N，计算公式为：

式中：μ—中闸瓦与车轮摩擦系数，取0.3（综合工况）

65t 机车头为四轴转向架结构，共有8 个制动轮，共计制动力N=29 427×8=235kN。总制动力235kN ＞在46.3‰坡道上满载时的下滑力101.6kN，本驻车制动装置安全、可靠。

3.3 重点区段防溜车措施

3.3.1 设备准入

（1）应对电瓶车、渣土车的选型进行论证，结合所施工项目大坡度实际情况，确保设备能够满足水平运输作业安全运行。

（2）电瓶车和渣土车进场前须提供质量合格证明文件、使用说明书，电瓶车还需提供性能试验报告。

（3）电瓶车应配备基础制动和紧急制动装置，防止电瓶车在基础制动失效的情况下溜坡。

（4）电瓶车应配置喷砂辅助制动装置。在无法有效制动情况下，通过行车轮前方的喷砂装置喷射石英砂以提高轮轨粘着系数[5]。

（5）电瓶车在断电情况下应具备自动刹车功能，并应设置具备自动升降功能的防溜车抓钩，抓钩应为双钩头。

3.3.2 辅助措施

（1）电瓶车应安装电子标签限速系统，在大坡度段自 动检测识别，即使手柄推至高速挡，也能自动低速运行，确保不因速度过快引发变频器故障、电制动保护失效。直线段 限速 5km/h，曲线、大坡度段、井口、盾构机台车范围内限速3km/h。

（2）轨道端头、道岔位置、盾构机首尾台车位置均应设置防撞梁，轨道端头还应设置车挡和缓冲垫。

（3）应采用槽钢等型钢或定型轨枕，间距不大于 1.2m，螺栓压板紧固；采用 43kg/m 轨双轨铺设，道轨距拉 杆间距不超 6m；钢轨接头采用夹板连接，轨缝间隙不大于 10mm，接头处错台、错牙不大于5mm。

（4）电瓶车蓄电池应提供采取有针对性的防火防爆措施，及蓄电池耐压、冲击、穿刺等试验报告。

（5）电瓶车车辆编组之间除了销轴连接外，还应设置两道钢丝绳或短环铁链等材料的软连接，确保编组之间的连接，防止个别编组脱节造成溜车。

（6）机车设置司机防瞌睡功能，当司机瞌睡或疲劳时触发该功能自动减速停车。

（7）配置倒车影像和声光警报装置。

（8）隧道内每隔 50 环备存防溜车应急沙袋。

3.4 安全保障措施

在爬坡位置设置限速标示牌，洞内水平运输分析可知，洞内水平运输电机车性能主要与坡度、速度、牵引重量等因素相关，经过分析，在本标段大坡度前提下，电机车爬坡必须采取小速度大牵引力行驶，机车爬坡限速为3km/h。因此在隧道大坡度位置，设置限速标示牌，使电机车司机清楚机车已经进入大坡度位置，必须按照规定速度要求运行电机车，采取小速度大牵引力行驶，从而预防溜车事故的发生。

机车车头位置设置紧急制动锚钩，紧急制动锚钩由空气制动系统控制，在正常制动不能满足要求的情况下或溜车的情况下按下紧急按钮启动紧急制动锚钩，使锚钩放下钩住轨枕，将列车强制停下。此装置在机车刚开始溜车或有溜车苗头而机车本身刹车系统不能较好控制机车下滑情况时使用，在以往使用时起到了比较好的效果，因此本区间继续采用此装置预防溜车事故的发生。

充分发挥机车本身制动性能，车制动分为电制动、空气制动和机械弹簧制动。电制动为常用制动，机车下坡道或减速运行，交流异步牵引电动机处于发电状态，将机车动能转化为电能通过变流器向锂电池充电，当锂电池充满电的情况下可自动转换成电阻制动将能量消耗掉。压缩空气作为动力的闸瓦制动仅作为紧急制动使用。因此机车在运用过程中闸瓦消耗极少。机械弹簧制动为驻车时防止溜车使用。因此，在机车运行时，必须充分发挥机车本身制动性能，为预防溜车起到最基本的保障作用。要求在平时的运行过程中加强机车的日常维护保养，保障各项制动性能的完好性[6]。

设置辅助制动装置，电机车上安装沙箱，设置撒砂装置，行驶中在轨面进行撒沙，以增加车轮与轨道间摩擦力，增强制动能力。在轨道上设置轨挡器（轨挡器随车携带），当列车向前溜动时用以卡住车轮，阻止其溜车[7]。

随车配备铁靴，后配套运行停止时，必须同时启用制动系统及铁靴，防止溜车。

4 结论

本文通过工程实例叙述了盾构工程在小曲线及大坡度工况下，针对水平运输设备进行合理选型，并通过相关措施的合理应用，施工期间未发生电瓶车溜车、滑移、脱轨等情况，安全有效完成了盾构在小曲线及大坡度范围的施工任务，有效降低溜车风险，保证施工作业人员安全及避免相关经济损失。在其他类似工程时希望可以得到很好的借鉴意义。