超大直径盾构法隧道施工运输方法及设备

摘要

本发明提供了超大型直径盾构法隧道施工中的运输方法，包括以下步骤：首先对超大直径隧道内的断面进行优化布置，由盾构机后方依序设为预制件路段、预制件两侧灌浆路段、养护路段、车道路段；筹划整条运输线路的环节，根据实际情况采用完全水平运输的方式进行运输，增设掉头平台，并因应不同的施工阶段采用不同的浆液的运送方式；选用规划运输车辆，以运送所需的施工材料。本发明所提供的运输方法还进一步包括将施工材料分层运送的车架，用以铺设成道路中间的预制件由下层吊挂运送，而装载有浆液的浆桶以及用以拼贴成隧道衬砌的管片，则由上层运送至盾构机后方，通过上述的运输方法，可以满足超长距离、超大断面的隧道同步施工，以提升施工效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种盾构法掘进隧道施工的运输方法，尤指一种通过道路设计，方便工程车进出及有效地运输材料的方法与设备。

背景技术

随着城市地下工程建设的飞速发展，如何通过改进施工运输来提高生产速度成为各施工单位的考虑重点。大型隧道施工机械的引进和发展，单条隧道施工距离的加长，原有的运输系统，已经不能满足现有施工进度要求。

一般性隧道施工中，工程及施工材料的运输一般是由水平运输及垂直运输相结合的方式将所需材料运至隧道施工工作面。

目前这些传统的运输方式所受到的局限性比较大。垂直运输的制约因素包括：工作井的深度；行车的垂直运输的运行速度等。水平运输的制约因素包括：隧道的长度；水平运输车辆的运行速度；道岔的分布情况等。运输环节中任何一个环节出问题都可能会造成整个运输系统的停滞，因此可以说传统的运输方式受到的制约因素比较多，运输系统的效率较差。

目前上海过江大型隧道以及地铁隧道的施工中的有轨运输通过提高运输配置，长距离施工中增设道岔的方式来提高运输速度，取得了一定的效果。

在一些单次掘进距离超过2km的隧道施工中，还没有特别有效的运输方法来保证施工进度，在这样的条件下，势必要革新施工运输的方法，以达到超大断面、超长距离的隧道掘进施工的施工运输要求。

发明内容

因此本发明要解决的技术问题为提供一种施工运输方法，以实现在整个盾构掘进的过程中能够持续稳定地运输施工材料，以减少待料时间，大幅提升施工效率。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种超大直径盾构法隧道施工运输方法，其步骤包括：

步骤1、将隧道内的路段断面进行优化布置形成不同断面，由盾构机后方依序设为预制件路段、预制件两侧灌浆路段、养护路段、车道路段；

步骤2、筹划隧道运输环节，采用地面车辆水平运输方式，增设掉头平台，并因应不同的施工阶段采用不同的浆液的运送方式：

其中，掉头平台是位于所述的预制件路段上，并且随着盾构机的推进而移动；

而施工初期的浆液运送方式是利用可移动的浆桶装载，再采用双头平板车运输至盾构机后方，随掘进距离加长，另于预制件路段上增设一平台，于平台设一送浆泵，通过水泥搅拌车直接将同步注浆浆液从搅拌站直接运送至送浆泵处，由送浆泵直接将浆液泵送至盾构机后方

通过上述方法，本发明于盾构机掘进时，后方同时进行铺排中间车道、现场浇灌两侧路面、养护两侧路面、形成三道运输车道，路段施工不互相干涉，而可同步施工，不仅提升铺设道路的效率，更可供运输车辆持续地运载进出，掉头平台的引入，使车辆可以在盾构机车架后部掉头、避让其它车辆，大大提高了运输速度和灵活性.用送浆泵泵送同步注浆浆液，则可大幅节约了以吊装移动浆桶的时间.

本发明的进一步改进在于运输方法包括步骤3、选用规划运输车辆，以运送所需的施工材料；

选用平板车运输施工材料，平板车的长度必须满足浆桶与用于拼贴成隧道衬砌的管片同时置于平板车的平板上，以及将管片与预制件同时置于平板车平板上。

又所述的运输方法，其运输车辆进一步包括卡车，卡车主要用于运输管片，其装载管片的平面高度不得高于平板车的行车高度。

通过规划平板车及卡车，可在不同的施工阶段运载施工材料，使运输效益达到最佳化。

本发明进一步改进在于所述的运输方法包括施工材料在盾构机后方采用分层运送，将预制构件由下层吊挂运送，而浆桶及一用以拼贴成隧道衬砌的管片则由上层吊挂运送。如此，各施工材料不互相干扰而可同步作业。

本发明还提供一种超大型直径盾构法掘进隧道施工运输设备，是于盾构机后方依序配置1号车架、2号车架及3号车架，其中，1号车架的底部设有管片运输机；

所述2号车架为一连接1号车架20及3号车架40的中空框架结构，分上下两层，上层空间设有一沿着前后方向位移的一上行车，下层前部安装有一可前后位移及旋转的前行车，下层后部安装有一可前后位移的后行车，2号车架前后端均分别设有一使上、下层空间相通的通道。藉此设备，当运输车辆将管片或者浆桶等施工材料载到2号车架后部时，可以藉由上行车将管片往上拉，通过通道到达上层空间之后再往前运送，由前端的通道下放至管片运输机上，并往前输送至泥水平衡盾构机的盾尾处施作拼装成隧道衬砌，在上层运输过程中，下层的预制件藉由后行车吊挂运输至前方中间，再下放拼贴铺成中间车道，其具有分层运送施工，不互相影响的优点，以达到提升施工效率的目的。

本发明进一步于3号车架两侧分别设有一往后延伸的平台，以在3号车架后方形成掉头平台。使卡车可以不用倒车，直接掉头再开出去，以缩短运输时间。

附图说明

图1为本发明的施工运输方法流程图；

图2为本发明的侧视剖面示意图；

图3为本发明的俯视剖面示意图；

图4为本发明1号车架20、2号车架30及3号车架40的侧视剖面示意图；

图5为本发明的A-A断面示意图；

图6为本发明的B-B断面示意图；

图7为本发明的C-C断面示意图；

图8为本发明的D-D断面示意图；以及

图9为本发明的车辆运输规划示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明超大直径盾构法隧道施工运输方法包括将隧道内的路段规划成数段不同的断面，以要求能够同步施工；筹划隧道运输环节，采用地面车辆水平运输方式，增设掉头平台，并因应不同的施工阶段采用不同的浆液的运送方式，以确保运输效率；选用规划运输车辆，以运送所需的施工材料；针对7.5km长的隧道内运输能力的计算，制定运输方案，保证在最长施工距离的前提条件下，依然能够满足8环/天的施工进度，以下结合具体工程进一步详细说明。以上海长江隧道工程为例，上海市长江隧道工程是连接浦东五好沟与长兴岛的隧道工程，是我国长江口沿海一项特大型交通建设项目。道路规划为双向6车道，设计时速80km/h。长江隧道工程分为东线和西线：

东线隧道长度为7471.65m，江中段长度为6872.37m。

西线隧道长度为7469.36m，其中江中段长度为6854.91m。

隧道最大坡度为2.9％，最小平面曲率半径为4000m。

隧道采用盾构法施工，衬砌结构尺寸设计为目前世界第一大，内径为13.70m，外径为15.00m，厚度为0.65m，环宽为2.0m。因应此种庞大的项目，本发明采取的运输方法及设备说明如下：步骤一：将隧道内的路段规划成数段不同的断面，以要求能够同步施工：

请参阅图2、3的配置示意图，工程中采用了德国海瑞克生产的直径为15.43m的泥水平衡盾构机10，其后方依序配置1号车架20、2号车架30及3号车架40。

关于车道的运输线路设计：

盾构机设计时已考虑同步施工，盾构掘进过程中，同时进行道路路面的施工，先于盾构机车间内完成安装多数个口字形预制件50，再运输至施工现场拼贴铺排形成中间车道，预制件50两侧则是现浇路面，脱出3号车架40后施工，整个运输路线分为四个阶段，请配合图2、3及图5～8所示：

图5是位于2号车架30处的预制件路段，其中A-A断面图，显示预制件50逐一往前拼贴就位，以形成中间车道；

图6是脱出于3号车架40后方约40米至80米范围内的预制件两侧灌浆路段，取其中一B-B断面图，显示该路段是于口字形预制件50两侧现浇作业，且现浇结构是分次施工，首先浇灌底部；

图7是位于3号车架40后侧的约120米至220米之间的养护路段，取其中一C-C断面，当浇灌形成路面之后，即以模板支架55覆盖养护，较佳是藉由5套模板支架55依次轮换使用，当位于最后端的浇灌路面凝固之后，即拆解该模板支架55，套设于前端辅完成浇灌的路面；

图8是完成养护的车道路段，其中一D-D断面，显示完成养护的现浇路面与中间的预制件50形成三车道运输。

通过上述的道路断面设计，道路施工时，由前至后依序铺排中间车道、现场浇灌两侧路面、养护两侧路面、形成三道运输车道，且各路段施工不互相干涉，而可同步施工。

本发明之车架的运输结构设计：

所述1号车架20是设在泥水平衡盾构机10后方(请参看图4)，车架的底部设有管片运输机21，可同时堆放10块管片22，并且同步进行运输；

所述2号车架30为一连接1号车架20及3号车架40的中空框架结构，分上下两层，上层空间设有一沿着前后方向位移的一上行车31，用于运输管片22以及浆桶24，其负载设计较佳为50吨，下层前部安装有一可前后位移及旋转的前行车32，用于配合设于管片运输机21上的一转向行车33，可将辅助管片旋转90度，负载可设为15吨，另于下层后部安装有一可前后位移的后行车34，用于吊装口字形预制件50，较佳负载可设为30吨，2号车架前后端均分别设有一使上、下层空间相通的通道，预制件50的吊运与管片22、浆桶24的吊运互不影响，大大提高了施工材料运输速度，亦即，当卡车或者平板车将管片22等施工材料载到2号车架30后部时，可以藉由上行车31将管片22往上拉，通过通道到达上层空间之后再往前运送，由前端的通道下放至管片运输机21的转向行车33上，配合前行车32将管片22转向，并往前输送至泥水平衡盾构机10的盾尾处施作拼装成隧道衬砌，在上层运输过程中，下层的预制件50藉由后行车34吊挂运输至前方中间，再下放拼贴铺成中间车道.

步骤二：筹划隧道运输环节，采用地面车辆水平运输方式，增设掉头平台，并因应不同的施工阶段采用不同的浆液的运送方式，以确保运输效率：

隧道运输分为两个大的部分：第一部分是施工及工程材料的运输；第二部分是泥水的运输。

1、施工及工程材料的运输

这部分材料运输主要采用水平运输方式来实现，摒弃了以往施工中的垂直运输，隧道暗埋段先于隧道开工前完工，开通暗埋段通往地面的施工道路。而本发明隧道内则采用同步施工，泥水平衡盾构机10推进过程中，进行隧道内路面的施工，这样，施工及工程材料即可通过无轨运输方式直接从地面运送至盾构机工作面。

2、泥水的输送

泥水的输送采用了泥水管路进行输送，从地面往盾构机前面输送比重很低的泥浆，在盾构机正前方与盾构刀盘切削下来的土体进行混合后，形成厚的泥浆，再通过管路排至地面，地面泥水设备将厚浆进行处理分解为两部分，一部分即可再次利用的薄浆，另一部分为需要外运的土(此部份为现在盾构机的功能，不另赘述)。

关于掉头平台的设计

由于盾构机车架后有200至300米由预制件路段所形成的单车道，这对于具有双头的平板车来说没有任何影响，但是对卡车的影响非常大，司机一般从车架驶出时总是倒车出去，这么窄的路况需要倒300m，难度比较大，因此，本发明于3号车架40的二侧分别安装一往后延伸的平台，以在3号车架40后方形成分别位于预制件路段两侧的掉头平台51，掉头平台51是随着泥水平衡盾构机10推进而前进，其较佳是突出于3号车架后方40米，以供卡车载运管片、浆桶等施工材料在2号车架30处卸载之后，可以回转掉头，掉头平台51的引入，使车辆可以在掉头平台上51掉头并且可以避让其它车，减少卡车卸载之后，以倒车方式出去所耗费的时间，大幅提高了运输效率。

关于浆液的运送

第一阶段运输过程中通过移动浆桶24的装载形式采用双头平板车进行运输，将移动浆桶24运输至2号车架30范围内，通过车架内的上行车31把移动浆桶24吊运至1号车架20，然后把同步注浆浆液注入车架内的一固定贮浆桶25内，每次需要以二桶移动浆桶24的浆液注入一桶固定贮浆桶25。

第二阶段施工，随掘进距离加长，为了减少双头车的运输任务，3号车架40后部的平台上增设了一台送浆泵26，通过水泥搅拌车直接将同步注浆浆液从搅拌站直接运送至送浆泵26处，由送浆泵26泵送浆液至盾构机一号车架20的固定贮浆桶25.省略了由平板车运送移动浆桶这个步骤.而且水泥搅拌车是停在掉头平台上放浆，并不影响交通.这样节省了车次也大大节约了时间.较佳是将送浆泵26安装在3号车架40后方和右边掉头平台51之间(即盾构前进方向的右边).正常推进状态下，隧道施工每环所需同步注浆最大量为27m3，推进时间1小时左右.而该送浆泵在低压下输送量为120m3/h，完全满足施工要求.

步骤三：选用规划运输车辆，以运送所需的施工材料；

1、施工运输材料：

①工程材料

盾构掘进过程中所需的工程材料包括管片22(一环隧道衬砌包含了10块管片22)、同步注浆浆液(一环隧道衬砌需两浆桶)、口字形预制件50(一环一块)。

②施工材料

泵管、盾尾油脂、集中润滑油脂、液压油、各种管架、拼装螺丝等零星器材。

2、平板车的车量设计要求：

(1)长度方面：必须满足管片与浆桶；或者管片22与预制件50同时置于平板车平板上，较佳是将车身最终长度为12.90m。

(2)高度方面：2号车架30上的后行车34提升至最高位置时，其底部距离路面的距离，至少高于平板车的行驶高度20mm，譬如，将后行车34提升至最高位置时，其底部距离路面的1600mm，那么最终要求平板车的行驶高度1400mm，而且车身设计成可升降模式，高度范围1250mm～1600mm。

(3)宽度方面：车身宽度2.5m。

(4)承载设计方面：平板车按照70t荷载设计制造。

(5)如此大型车辆，隧道内掉头肯定不可能实现，平板车要求双头设计，双向均可正常行驶，不需要倒车。

(6)由于隧道到地面的施工道路之间的路面有一段道路弯度很小，半径约10m。平板车要求能够适应很小的曲率半径的转弯。

(7)为了保证车辆能准确行驶到车架内的吊运点，要求车辆具有侧向移位的功能。车辆前后3组轮子，每组轮子均可调节方向，例如左急弯时，前轮往左，中轮居中不动，后轮往右；侧移动时所有3组6个轮子均是往同一个方向。

3、卡车设计

卡车主要用于运输管片，卡车的设计承载力为36t。其装载管片的平面高度不得高于平板车的行駛高度。

前述为本发明关于运输方法的规划，在此基础下，可对运输细节加以规划如下：

1、因应不同的施工距离，规划所需的运输车种：

(1)第一个施工阶段，盾构开始作业至推进至2000m：

在正常运输中，平板车的运输时按照图9的运输流程来进行施工及工程材料的运输的.通过合理的安排，施工前期2km之前，采用了2辆平板车进行运输，第一车次运输两块管片22和一个浆桶24进去，然后空车出来；第二车次进去运输两块管片22及一个浆桶24进去，空车出来；第三车次运输4块管片22进去，然后将已经放空的一个浆桶24运输出来；第四车次运输一块预制件50和两块管片22进去，然后装在另一个空浆桶24出来；第五车次为每5环运输一次的泵管

(2)第二阶段，2000m～4000m

随着隧道施工距离的加长，平板车的速度慢，循环一次周期长，于是2km之后，不但增加了一台平板车，另外引入了卡车协助运输，机动性大大增强，弥补了平板车速度慢，机动性不强等缺点，大幅提高运输效率。平板车以预制件50及泵管的运输为主，以管片运输为辅，卡车则完全进行管片的运输。已阶段已不要考虑浆桶的运输，因为是藉由送浆泵同步注浆。

这段距离的掘进过程中采用3辆平板车，1辆卡车进行运输。

(3)第三阶段，4000m～盾构进洞(7500m)

这段距离的掘进过程中采用3辆平板车，2辆卡车进行运输。

以上均为单条隧道的配置。

通过本发明的设计及细节规划，估计可以产生新的日推进记录，日推进13环、周推进72环、月进度更是达到了241环，以提前完成隧道工程。