摘要：本文阐述了盾构机配套设备选型基本原则，配套设备选型的相关次序及计算依据，以济南地铁R3线为例详细的介绍了盾构机配套设备的选型过程，为盾构机配套设备的选型提供可就借鉴的依据。
关键词：盾构机；配套设备；选型
引言：
随着地铁建设的快速发展，高效安全的盾构法施工在地铁建设中被广泛采用，在盾构施工设备选型时，施工单位往往重点考虑价值大、技术复杂的盾构机的选型与配置，而配套设备因数量多而复杂，其设备价值远低于盾构机的价值，常常不能被引起足够的重视。由于盾构施工是工厂化的流水线施工，任何一环节出现设备故障都将影响到整个盾构施工，盾构机配套设备的选用应充分全面的考虑各环节高效配合，更好的满足盾构施工的需要。
盾构机的配套设备主要有：电瓶车、龙门吊、砂浆拌合站、通风机等。
1、配套设备选型的依据：
盾构配套设备选型根据盾构掘进每环的出土量及单线运输的方案，同时兼顾所在城市盾构线路的规划方案、盾构隧道设计的发展趋势，配套设备的选型既要确保充分发挥盾构机的正常高速的掘进、最大限度的发挥盾构机效益，又要最大限度的满足各配套设备的的使用工况、技术特点等，以达到充分发挥各自的作用；同时要综合考虑采购成本与获得的效益关系，力争最小的投入获得最大的收益。
2、电瓶车编组的的选用
以济南地铁R3线六标段为例，盾构机型号：ZTE6250，直径6250mm，开挖直径6280mm，主机长度（含刀盘）8.5m，总长81m，台车长度60m，一号台车前端距皮带机落土口47m，台车轨距2080mm、左右台板间距1800mm。管片外径6000mm，内径5400mm，宽度1500mm。
盾构掘进每环出土量计算：V实土＝3.14／4×6.28²×1.5＝46.44m³
综合国内地㈠铁施工城市区域的地质情况，碴土的膨胀系数在1.2—1.9之间，济南地铁R3线六标段地质为全断面为无水沙层，结合济南地铁其它标段的施工情况，取碴土的膨胀系数为1.5，盾构每掘进一环的渣土量为：V渣土＝46.44m³×1.5＝69.66m³；取每环出土量为70 m³。
2.1、碴土车选用：由于渣土车是运输渣土重要设备，渣土车的选型要综合考虑以下因素。
①碴土车不仅要满足承载强度的要求，还必须有足够的刚度，保证渣土箱满载吊卸时土箱不会变形（开裂），土箱满载重量不超过45T。② 渣土车的土斗和承载拖盘是相对独立的两部分，卸土时只吊土斗。每环掘进的渣土一次运输完毕。③碴土车的宽度严禁超过盾构机台车内部的最大限宽1800mm，综合考虑将土斗宽度定为1500mm，转弯半径小于25m。④列车编组长度满足盾构机皮带机的设计要求，ZTE6250盾构机一号台车前端到皮带机落土口长度约47m。⑤该标段盾构施工，渣土改良用膨润土泥浆在洞外拌浆，放入专用土箱由电瓶车运输。根据地质情况为满足每环掘进的需要，整套列车编组包括：渣土箱、1节膨润土箱、1节砂浆罐车、2节管片车。综合以上因素，确定4节渣土车，每个土箱容积18m³，总容积72m³，大于每环最大出土量70m³，满足盾构施工要求。4节渣土车长度L1﹦（6600＋200）×4﹦27200mm（其中200为2节车间的连接长度）。⑥ 渣土车设计上满足条件：拖车采用可转向轮对，利于重载时的小半径曲线运输；土箱的设计满足渣土吊卸时，既可以用吊车辅助拉杆卸渣土，也可以（根据施工场地布置）借助渣土池的固定翻转机构卸渣土。
2.2、膨润土罐车：为便于膨润土箱清洗维护，膨润土箱与承载拖车设计为分体结构，根据该标段的地质情况，掘进每环需用膨润土泥浆8～12m³，取膨润土箱容积12m³，图二为膨润土罐车结构图。膨润土罐车长度L2﹦5400＋200﹦5600mm（其中200为2节车间的连接长度）。
2.3、砂浆罐车：砂浆用于填充管片与盾构刀盘开挖空间的空隙，其填充量计算如下：
V砂浆＝3.14／4×（6.28²－6.0²）×1.5＝4.05m³，注浆量取150％ ～180％，砂浆罐车设计为8m³。为方便砂浆由砂浆罐车中泵出，同时防止砂浆沉淀，设置搅拌装置，驱动功率11KW；砂浆由罐车中泵送到台车储浆罐中，选用砂浆泵，配备功率11KW。
罐车箱体与行走悬挂装置为一体结构。
砂浆罐车长度L3﹦5090＋200﹦5290mm（其中200为2节车间的连接长度）。
2.4、管片车：管片车是盾构施工专门运送管片的车辆，每环管片分3块标准块，2块邻接块，1块封顶快；每车装运3块，其中一车为3块标准块，另一车为2块邻接块及1块封顶快。
标准块最大重量约4.5T，3块共计13.5T，选择管片车载重为15T。
管片车应满足：管片车设置专门的橡胶垫，橡胶垫位置应适于管片受力，防止运输过程中管片的损坏；根据管片的实际形状管片车为中“凹”结构，即利于管片在运输中的稳定性，又增加了管片吊出时管片吊机与管片间的空间；综合以上因素，管片车设计尺寸为
L4﹦3600×2＋200﹦7400mm（其中200为2节车间的连接长度）。
牵引机车的选用：①每列电瓶车编组分4节渣土车、1节膨润土车、1节砂浆罐车、2节管片车；②电瓶车编组保证在30‰坡道上安全起动并牵引整列车正常行驶；③具备空气制动、电制动和手制动三种制动方式；
④具有变频装置，以适应不同路况及载重的需要；⑤配备的蓄电池单次充电需保证10kM的运输。
综合以上因素：选用北车集团兰州机车厂的45T电瓶车，整体采用排气制动，轨距900mm，连接方式采用G3/4快速接头，距轨面连接高度430mm。
牵引机车长度：L牵引﹦8109＋200﹦8308mm（其中200为2节车间的连接长度）。
列车总长度为：L列车﹦L牵引＋L1＋L2＋L3＋L4﹦53798mm。
L编组﹦L1＋L2＋L3＋L4﹦45490mm＜47m（一号台车到皮带机落土口）
该编组满足使用要求。
列车编组重量见下表：（单位T）
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由表看出，机车编组由隧道开出时牵引重量最大191.6T
2.5、机车牵引计算
45T机车30‰坡道牵引吨位计算
GQ =（Fμ-P（Wq／+ iq））/（Wq／／+ iq）
粘着牵引力Fμ=μ×p=0.26×450=126KN
μ ：机车粘着系数 0.26（轨道干燥无油污）
P ：机车粘重 450KN
Wq／ ：机车单位起动阻力5N/KN（根据机车《牵规》取值）
Iq ：坡道阻力系数30‰
Wq／／=3+0.4ig=3+0.4×30=15N/kN
GQ =（126000-450（5+30））/（15+30）=225T
结论：45T机车30‰坡道牵引重量为225T。
机车在30‰坡道上行驶时牵引重量为225T＞191.6T。45T电瓶机车满足施工要求。
3、龙门吊的选型：
龙门吊是盾构施工中吊卸渣土及各种材料、施工机具的重要起升设备，设备选型需满足以下要求：
①最大载重量：土斗自重＋满载碴土重量，根据设计资料，土斗4.5T，18m³渣土重32T，总重36.5T，选择45T龙门吊。②该标段双线盾构始发，根据车站设计及现场环境确定龙门吊跨度为12.5m，有效单悬臂为4m，以利于吊卸管片及其他施工材料。渣土斗卸土翻转时，土斗距轨道平面2～3m，选择起重高度9m。根据现场施工条件，龙门吊沿车站轴线行走，土斗翻转机构选用中部翻转。③大车、小车行走机构为变频设计，大车行走速度0～41m∕min，小车速度0～32m∕min，吊钩升降0～13m∕min。龙门吊行走及升降要求，重载低速，轻载高速。④龙门吊设计主副钩，主钩45T吊卸渣土及管片，副沟吊卸施工材料及小型机具。⑤起重扁担保证自动平衡，吊具可拆卸，摘挂方便灵活；为保证施工安全，龙门吊设置升光报警、手动夹轨装置、限位装置、起重高度及重量显示仪等。
4、拌合站选型：
盾构施工用拌合站是专用的砂浆拌合站，配料机构要简单，粉料只有水泥及粉煤灰，不需要添加剂罐，占地面积要小。同时需配备带有搅拌装置的储浆罐。
该项目为一台盾构右线始发，考虑到后续项目2台盾构同向双线始发，砂浆拌合站选用0.75m³∕罐，配备8m³储浆罐。每环注浆量：V﹦3.14／4×（6.28²－6²）×1.5＝4.05m³，通常按150％注浆，通常注浆量为6m³，需拌浆8次，3分钟搅拌一罐，24分钟可完成拌浆工作。一个盾构循环最快1小时，可满足2台盾构同时施工。
5、通风机的选型
（1）通风条件
①通风类型：长管道轴流风机压入式通风；②送风长度：济南地铁R3线六标工业北路站至王舍人站区间1800m，风机放于中板；③管片衬砌内径：5.4m；④风管类型：阻燃风带；⑤风管直径：1000mm
（2）通风计算
①隧道性质。隧道断面：A=22.89 m2（管片衬砌内径：5.4m）；隧道掘进法：盾构法；作业人员：16人。②所需通风量的计算
a、根据作业人员呼吸所测定的通风量须排出的气体为二氧化碳，其数量计算如下：
每个作业人员需排出的气体量：Q= 3 m3/min，作业人员数量：N = 16人
则：Q′=3N=3×16 =48 m3/min
b、根据送入隧道内空气的流速计算通风量
为有效稀释洞内浊气浓度，隧道内的空气流速设定为0.5m/s。
Q＂=0.5×A×60 = 0.5×22.89×60=686.7 m3/min
c、需要的通风量
使Q′＜Q＂，Q＂值则应为所需通风量 Q = Q＂=686.7 m3/min
③通风系统。通风系统将按以下提供：
盾构机与风机之间距离为：1800m
风机的空气外泄系数：mi = 1–0.015×1800/100 =0.73（通常管道 β=0.015）
风机作业所需空气量（Qf）采用通风量（Q =686.7 m3/min）来计算。
Qf1 = Q/ mi1 =686.7 m3/min /0.73 =940.68 m3/min
风管租力风压损失
Pd=λ·L/d·ρ·V2p/2=0.0155×1800×1.293×19.972/2/1.0=7193.3（Pa）
式（中：L——风管最大长度，根据工程概况取1800m：d——风管直径，取1.0m； ρ——空气密度，取1.293kg/m3；Vp——风管平均风速，m/s；λ——风管阻力摩擦系数取0.0155。
Vp =Q/（60×π·d2/4）=940.68/（60×3.14×1.02/4）=19.97（m/s）
据上述结果选择风机风量为550～790m3/min、风压为680～8200 Pa、功率55KW×2 的轴流正压通风机。
6、结论：
盾构施工是工厂化的流水线作业，需各岗位工作人员及全部设备的密切配合，任一环节故障都会导致全线停机。在配套设备的选用上，首先保证所选设备的性能及技术参数能最大限度的满足施工需要；选择生产厂家时，首选知名品牌，保证质量最佳；在满足以上两点后，保证价格最优。施工单位在选择盾构配套设备时，在考虑其技术性能及质量的同时，必须兼顾其造价成本，方可选出经济高效的盾构配套设备，为盾构施工发挥最大的效率。
论文作者:周海涛
论文发表刊物:《基层建设》2019年第28期
论文发表时间:2020/1/13
标签：盾构论文; 管片论文; 渣土论文; 砂浆论文; 设备论文; 罐车论文; 龙门吊论文; 《基层建设》2019年第28期论文;