24后配套设备选型设计及洞内布置.docx
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24后配套设备选型设计及洞内布置
3-2-24
盾构后配套设备选型、设计及洞内布置
1前言
1.1概述
盾构后配套设备是为盾构机的其它机械设备，盾构后配套设备主要配置以围绕出碴、供料等施工需要，在充分考虑施工工期和盾构始发井场地条件的前提下予以配置。
盾构法施工原则上应考虑整个施工期间的均衡、连续生产作业及相互之间的性能参数的合理匹配并力求整套系统较低的使用成本，保证安全、经济、可靠的运行。
盾构后配套设备主要有水平运输设备（如电瓶车、渣土车、管片车、浆液车等）、垂直运输设备（如龙门吊等）、拌浆设备（拌浆机）和通风设备（通风机）等。
1.2适用范围
适用于城市地铁土压平衡盾构后配套设备配置。
2盾构后配套设备选型设计流程
盾构后配套设备选型设计流程见图2-1
图2-1盾构后配套设备选型设计流程
3水平运输设备的选型设计
3.1电机车的选型
3.1.1常用电机车的形式
隧道内常用电机车的形式有蓄电池式电机车和绕线式电机车2种，一般地铁隧道选用蓄电池式电机车。
3.1.2电瓶车的选型设计
（1）选型条件
以下列条件为例，其余可参照。
①区间隧道最大纵坡为35‰;
②掘进断面外径6.34米;管片外径6.2米,内径5.5米,每环宽1.2米；
③渣土松散系数设为1.2。
（2）土方计算
①每环实际掘进距离按1.2米,则每环挖掘土方为:
TF=π（d/2）2×1.2×1.2=3.14×（6.34/2）2×1.22
=45.43（m3）≈45m3
②为合理配置车列长度,并使每一渣斗装载及吊卸重量合理,选配5个渣土车,渣土箱容积选9m3较为合理,即5个渣土车总运渣量为:
PZT=9m3×5=45m3
③若按每方渣土1.8t计算，总出渣重量为:
WZT=PZT×1.8t/m3
=45m3×1.8t/m3
=81t
（3）牵引力计算及机车选型
1）车列各单元自重:
ZT-9（9m3渣车）:
6t×4（4辆）=24t
GP-15（管片车）:
3t×2（2辆）=6t
SJ-5（5m3砂浆搅拌运输车）:
5t×1（1辆）=5t
管片重量:
20.1t
2）满负荷各单元重量:
ZT-9:
4×6t+81/5×4t=24t+64.8t=88.8t
GP-15:
6t+20.1t=26.1t
SJ-5:
5t+8.5t=13.5t
3）列车编组
目前两列编组方式较为常见，施工效率较高。
第一列编组：
1台电机车+4节碴土车
第二列编组：
1台电机车+1节碴土车+1节砂浆车+2节管片车
两列编组，不含机车自重时满载重分别为88.8t、45.6t。
4）机车牵引力计算:
基本参数:
①线路最大纵坡：
35‰
②持续速度：
7.8km/h
③最高速度：
15.6km/h
④列车载荷Q（不含机车自重）：
88.8t
机车起动粘着牵引重量：
式中
—机车起动时牵引重量，kN
—粘着牵引力＝μ×P，N
式中μ—粘着系数，取0.33
P—机车粘着重量，kN
—坡道上机车单位阻力，5N/kN
—坡道阻力系数，取纵坡千分数绝对值＝35，上坡为＋，下坡为－
—坡道上车辆单位阻力，17N/kN
—机车所配动力计算牵引重量，kN
按35‰上坡道,设机车自重为20t,则机车的起动粘着牵引重量为:
＝[0.33×200,000－200×（5+35）]/（17+35）
≈1115（KN）
≈113（t）
显然,20吨位机车足够。
依据上述算式，可设在同样条件下，机车自重分别为18吨、25吨位时计算其牵引力。
其计算结果为：
机车自重18吨时的机车牵引重量：
102t
机车自重25吨时的机车牵引重量：
142t
3.1.3电机车结构形式的确定
（1）电机车主要技术参数
电机车主要技术参数见表2-1
表2-1电机车主要技术参数
序号
项目
单位
技术参数
备注
1
粘着重量
t
18
2
轨距
mm
762
3
传动方式
直—交
4
固定轴距
mm
2000
5
轮径
mm
680
6
最高速度
km/h
12
7
通过最小曲线半径
m
15
8
机车外型尺寸
m
5285×1360×2000
（2）电瓶车结构组成说明
电瓶车预留与运碴车连接的制动管快速接头，并在操作室中设置控制装置，控制运碴车制动。
电瓶车后配套尺寸是在满足施工组织要求的前提下，又要与盾构机要求的工作界限尺寸相吻合的情况下而确定或计算得出。
根据现有的机车类型，交直流变频机车具有粘着力大、易于操作、无污染、使用成本低等优点，因此使用交直流变频机车。
3.2渣土车的选型设计
3.2.1常用渣土车的结构形式
常用渣土车的结构形式主要由土箱、转向架、芯盘、轮对、基础制动、空气制动及牵引装置等部分组成。
3.2.2渣土车的选型
（1）每环出碴设计总方量
V碴=πD2/4×L×N=π×6.342/4×1.2×1.2=45.4m3/环
式中d-盾构刀盘外径ф6.34m；
L-每环掘进深度1.2m；
N-松散系数1.2。
（2）每节土箱装碴容量
V箱=V碴/5节=45.4m3/5节=9.08m3/节
取整：
V箱=9m3/节
（3）每环分两次出碴，运碴车实际运碴总容量
V碴车=9m3×5台/次=45m3/环≈45.4m3/环能满足施工需要。
运碴车选型：
土箱容量为9m3的运碴车。
（4）其他参数：
每环出碴总重量：
G碴=ρ碴V碴/N=1.8×45/1.2=67.5t/环
（地质资料：
ρ碴-碴土比重1.8t/m3）
每节土箱装碴重量:
G节碴=ρ碴V箱/N=1.8t/m3×8m3/节/1.2=12t/节
每节碴车自重参数：
G碴车=G平板+G箱=3+3=6t/节
3.2.3渣土车结构形式的确定
（1）渣土车技术参数
渣土车技术参数见表2-2
表2-2渣土车主要技术参数
序号
项目
单位
技术参数
备注
1
碴车界限尺寸
mm
4300×1460×2000
2
碴箱容积尺寸
mm
3800×1400×1700
3
自重
t
6
4
轨距
mm
762
5
轮径
mm
400
6
最高速度
km/h
15
7
牵引销中心线距轨面高度
mm
430
8
最小转弯半径
m
50
9
总容量
m3
9
（2）渣土车组成
容量约为9m3。
土箱为平底,车架四角设挡板定位，与车架无任何连接；土箱上设置销轴式起吊装置和销轴旋转式卸渣装置。
渣土车结构：
主要由土箱、转向架、芯盘、轮对、基础制动、空气制动及牵引装置土箱等部分组成,其自身不带动力,不具有独立行走功能,保养简便。
1）土箱
土箱主要由8mm及15mm、20mm钢板拼焊而成。
土箱两侧及前后均由8mm钢板压型拼焊而成，其余主要采用15mm钢板拼焊,上芯盘与土箱连接处为两块20mm钢板,土箱内的加强筋及隔板均采用8mm钢板。
起吊装置：
销轴式。
销轴置于土箱两外侧上方纵向中心轴线适当位置，龙门吊板梁钩形吊钩可直接起吊。
卸渣装置：
销轴旋转式。
销轴置于土箱两外侧下方纵向偏离中心轴线适当位置，土箱偏心销轴置于渣坑上的固定支架上产生偏矩旋转卸渣，确保渣土卸尽。
起吊轴Φ110×200及翻转轴Φ80（Φ160）×80焊接于土箱上。
2）转向架
转向架为两轴转向架,由构架、下芯盘、轮对、基础制动、空气制动系统组成。
构架由钢板拼焊而成,在构架侧架上装有两个滑块,以限制土箱的摆动。
轮对为整体铸钢轮,轴箱轴承支承。
基础制动为一个制动缸驱动四个闸瓦的单侧制动单元。
下芯盘与转向架焊接在一起,芯盘以上的重量将由它伟递到转向架上。
渣土车运动时通过转向架、芯盘转向，弹簧减震。
3）芯盘
芯盘总成主要由上芯盘、下芯盘、芯盘中心销等组成。
芯盘总成起着传递牵引力、制动力的作用,是整个渣车的关键部件。
4）空气制动系统结构
主要由制动缸、制动软管、主管路、弯头、异径接头、快速接头等组成。
制动系统采用排气制动:
排气时（气压为0），闸瓦通过制动缸内的制动弹簧，经过杠杆机构进行制动,制动性能稳定,不易受外界因素干扰；当列车管压力为4kg/cm2时，闸瓦缓解。
渣土车之间制动管路连接采用快速接头连接并设置闸阀，使渣土车既可单独使用又可编组使用。
气源由电瓶车提供并控制。
3.3浆液车的选型设计
3.3.1常用浆液车的形式
常用浆液车主要由料斗、牵引座、制动系统，动力系统、搅拌系统、泵送系统、电器控制系统等组成。
3.3.2浆液车的选型设计
（1）计算每环注浆设计容量
V浆0=（πD2/4-πD02/4）L=π/4×（6.342-6.22）×1.2=1.65m3/环
式中D0-每环管片外径ф6.2m
（2）每环灌注砂浆实际重量
实际灌浆中会发生渗透及渗漏及其它因素，经验值取
V浆=1.5～2.5V浆0=1.5～2.5×1.65=2.5～4.1m3/环
（3）浆液车的容量
结合砂浆在运输过程中的流动性，浆液车的容量取大取整：
V浆=5m3/环＞4.1m3/环能满足施工需要。
（4）浆液车所装砂浆的最大重量：
G浆=ρ浆V浆=1.7×5=8.5t
式中ρ浆-砂浆比重
相应每节浆液车自重参数：
G浆车=5t
（5）浆液车选型：
容量为5m3的浆液车。
3.3.3浆液车结构形式的确定
（1）浆液车技术参数
浆液车技术参数见表2-3
表2-3浆液车主要技术参数
序号
项目
单位
技术参数
备注
1
砂浆车界限尺寸
mm
4000×1400×2400
2
总容量
m3
5
3
自重
t
5
4
轨距
mm
762
5
轮径
mm
400
6
轴距
mm
1500
7
最高速度
km/h
25
8
最小转弯半径
m
50
9
出料速度
m3/h
11
10
牵引销中心线距轨面高度
mm
430
11
搅拌电机功率
kw
>7.5
12
减速器型号、速比
KA107、i=121.46
13
搅拌轴转速
r/min
12
14
电源AC
V
380
（2）浆液车组成
浆液车由料斗、牵引座、制动系统，动力系统、搅拌系统、泵送系统、电器控制系统等组成。
搅拌料斗：
由8mm、16mm、20mm钢板制形拼焊而成，有效容积为5.5M3，两端16mm钢板数控切割机切割成形，斗身8mm钢板滚制成U形焊接成整体料斗,再与其它部件组焊成搅拌料斗。
搅拌主轴：
采用φ120mm的厚壁无缝钢管，这样既保证了轴的强度和刚度，又减轻了整车的重量，搅拌片在搅拌轴上分成前后旋向不同的两部分，这样有利于砂浆的排空。
搅拌轴在箱体两端的密封采用动、静环式的机械密封方式，动、静环采用耐磨材料制作，这样密封可靠，密封系统不容易损坏，检修工作量小。
搅拌系统：
由从动链轮总成、链条、搅拌轴减速机组、前后轴总成、主动链轮总成、搅拌轴总成组成,搅拌轴转速为10r/min,搅拌轴功率为11KW。
行走支撑与行走轮总成：
轨行式。
采用两轴轴箱承载式走行机构。
行走支撑下部卡块与车轴轴箱两侧凹槽配合组成车辆导框机构,通过8对减震弹簧组,将上车部分的全部载荷传递给轮对轴箱,最终将全部载荷传递给钢轮,提高了车辆行走的平稳性，也大大延长了轴承的寿命。
制动系统：
同渣土车制动系统。
动力系统：
交流电机，380V,由盾构机提供电源。
泵送系统：
把浆液车内的砂浆转驳到盾构机上的储浆罐内。
转驳泵由小松公司提供,工地现场安装,浆液车在制造时预留转驳泵安装位置。
3.4管片车的选型设计
3.4.1常用管片车的形式
常用管片车主要由车架、轮对、手制动系统组成。
3.4.2管片车的选型设计
（1）计算每环管片重量
每环管片组成为：
三块标准块、二块邻接块、一块封顶块。
G管=ρ管V管=ρ管（πD2/4-πD02/4）L
=π/4×（6.22-5.52）×1.2×2.6=20.1t/环
式中D-每环管片外径ф6.2m；
D0-每环管片内径ф5.5m；
L-管片长度1.2m。
ρ管-2.5～2.6t/m3）
计算重量为20.1t（管片内径为5.5m），取两节管片装运车较为合理，每节管片车所装管片可取总重的一半计算：
G管/2=20.1/2=10.1t
（2）选型
管片车载重为15t＞10.1t，能满足施工需要。
相应每节管片车自重参数：
G管车=3t
管片车选型：
载重为15t的管片运输车。
3.4.3管片车结构形式的确定
（1）管片车主要技术参数
管片车主要技术参数见表2-4
表2-4管片车主要技术参数
序号
项目
单位
技术参数
备注
1
界限尺寸
mm
4200×1400×1930
运输3片管片时的尺寸
2
自重
t
3
3
轨距
mm
762
4
最小转弯半径
m
50
5
载重
t
15
6
构造速度
km/h
25
7
轴距
mm
2750
（2）管片车组成
停车制动装置：
机械式手制动，防止管片车在大坡度上溜车。
主要结构：
主要由车架、轮对、手制动系统组成。
车架：
平底V形,型钢拼焊而成,用于承载管片及料具。
管片支撑处设置有橡胶垫板,保护管片和车辆不受损坏。
轮对:
轮径Φ350mm，轮轴之间通过流动轴承联接,轮对两端各有一个轴承箱,轴承箱与车架之间设置有减震弹簧,在承载管片时减小冲击,保护轴承、轮对。
手制动：
在每台车的后轮对外侧各加设一套手制动装置,手制动装置由手轮、丝杆、闸瓦等组成,使用时可转动手轮使闸瓦抱紧或松开车轮。
3.5水平运输设备的编组
3.5.1列车编组因素
盾构始发井的长度情况；
用一列或两列编组运出掘进一环管片所排出的碴土；
一环管片一次性运进；
浆液一次性运进。
3.5.2一列与两列编组优劣对比
如果采用每环一列编组列车的出碴方式，在效率上占优，施工组织更加简洁有效，但列车负荷大，安全隐患较大，不利于安全生产。
如果采用每环两列车的出碴方式，效率上相对低一些，施工组织相对较复杂，工序衔接增加，但是列车负荷相对较小，安全风险相对降低，有利于安全生产；同时，总的编组列车设备装备功率降低，购置费用将会减少。
由于每环两列编组列车的出碴方式在实际运行效率上仅仅比每环一列编组列车的出碴方式在时间上多出两列车的换车时间，按照平均每次换车时间10分钟考虑（行车速度按照平均8km/h计算），以掘进长度4km计，总换车时间约为14000分钟，大约多出15天，对总的施工工期影响较小。
因此一般采用每环两列编组列车出碴的方式较为合适。
3.5.3软土1.2m与硬岩1.5m管片的列车编组配置
（1）软土1.2m管片列车编组
密实碴土比重1.8t/m3，松散系数1.2，每环掘进深度1.2m，出土45.4m3/67.5t。
第一列编组：
1台18t电机车+4节9m3碴土车
第二列编组：
1台18t电机车+1节9m3碴土车+1节5m3砂浆车+2节管片车
（2）硬岩1.5m管片列车编组
密实碴土比重2.2t/m3，松散系数1.25，每环掘进深度1.5m，出土58.2m3/101.2t。
第一列编组：
1台25t电机车+3节15m3碴土车+2节管片车
第二列编组：
1台25t电机车+2节15m3碴土车+1节7m3砂浆车+2节管片车
3.5.4最大运输能力计算
根据工期要求，按正常段掘进日进度为10环/天，最远运输距离2Km检算，每天20小时掘进，即每环的循环时间为120min。
每一循环出碴、进料由两组编组列车完成。
每天最大掘进量计算如下：
（1）列车速度及运输时间：
隧道内列车速度为10～12Km/h，按10Km/h计算，当最大运距为1.91Km时列车运行时间约为11.5min；
（2）掘进作业：
盾构设计掘进速度为0～6cm/min，按平均掘进速度为4cm/min，每环掘进时间约为30min。
（3）管片安装和注浆：
当掘进完成后即开始进行管片安装，管片安装时间控制为30min，在掘进完成后立即开始管片安装作业；由于采用同步注浆，故注浆作业不占用盾构推进循环时间。
（4）洞内管片和浆液就位：
当管片车和浆液车到达盾构机时，将管片从车上吊下时间为6×2=12min，同时浆液完成转至1#拖车上的储浆罐内。
（5）卸土作业和管片吊放
列车运行到工作井时，卸土作业时间为每斗碴土7min，管片吊放一次吊三片，每环管片吊放时间只需14min，浆液的装车作业时间需10min。
第一组列车工作井作业时间为2×7+14+10=38min，第二组列车作业时间为3×7=21min，两者之和为59min，小于掘进作业30min+管片安装30min=60min。
因此卸土作业和管片吊放不占用循环时间。
综上所述，每环作业循环时间为：
3×11.5+30+30+12=106.5min，则每天20小时能够掘进11～12环，故两组列车能满足最大运距掘进要求。
3.5.5列车编组的长度要求
以海瑞克盾构为例，编组列车中，从最后一个碴土车的尾端到最前一个管片车前端的最大距离为35米，盾构机从1号拖车最前端（轨道可延伸位置，并具有安全延伸距离）到出土口的距离为41米。
可知，列车有效工作长度满足盾构机对列车的长度要求。
4垂直运输设备的选型设计
4.1垂直运输设备的作用
垂直运输设备的作用主要是运行龙门吊将盾构推进所需的施工材料吊运至井下、将井下的渣土箱等重物吊运至地面、在场地内卸管片。
4.2垂直运输设备的组成
垂直运输设备一般选用A型龙门吊，龙门吊一般由大车行走装置、小车行走装置、支腿、梁、电气设备、轨道、操作室等组成。
4.3垂直运输设备的选型设计
根据施工安排，每个井口需安装一台龙门吊用于装吊电瓶列车入井及吊出渣车卸渣，以列车各配套车辆的技术参数为依据，可确定或计算出龙门吊的技术参数如下：
（1）单件最大重量比较：
渣及渣车重量：
ρ渣V斗+M渣车=1.8×9+6=22.2t
电瓶车重量约：
M粘－M瓶=25－4.8=21.2t
（2）龙门吊吨位的确定：
从
（1）式可以得出，龙门吊吨位应大于22.2t，再考虑到以后可吊装稍重一些的物件，故确定龙门吊的吨位为25t较合理。
4.4垂直运输设备结构形式的确定
根据施工井口断面相应尺寸及施工需要，及后续施工要求，选用25tA型龙门吊，具体可确定如下参数：
跨度：
16m
起重高度：
＋10m,－25m
两端有效悬臂：
4.5m
速度：
标准配置。
吊构：
板梁专用吊构，卸碴方便，结合运碴车设计。
电缆敷设：
卷盘式，五芯电缆100米。
操作室：
位置可调换
5砂浆搅拌设备的选择
5.1砂浆搅拌设备的作用
砂浆搅拌设备作用是确保同步注浆材料的搅拌和提供。
5.2砂浆搅拌设备的组成
砂浆搅拌设备主要由料斗、动力系统、搅拌系统、电器控制系统等组成。
5.3砂浆搅拌设备的选型设计
（1）每环注浆设计容量
V浆0=（πD2/4-πD02/4）L=π/4×（6.342-6.22）×1.2=1.65m3/环
式中D0-每环管片外径6.2m
（2）每环灌注砂浆实际重量
实际灌浆中会发生渗透及渗漏及其它因素，经验值取
V浆=1.5～2.5V浆0=1.5～2.5×1.65=2.5～4.1m3/环
（3）砂浆搅拌设备的容量：
结合砂浆在运输过程中的流动性，砂浆搅拌设备的容量选取和砂浆车一致：
V浆=5m3/环＞4.1m3/环能满足施工需要。
5.4砂浆搅拌设备结构形式的确定
（1）砂浆搅拌设备技术参数
砂浆搅拌设备技术参数见表5-1
表5-1砂浆搅拌设备主要技术参数
序号
项目
单位
技术参数
备注
1
砂浆车界限尺寸
mm
4000×1400×2400
2
总容量
m3
5
3
自重
t
5
4
出料口
Mm
Ф200
5
搅拌电机功率
kw
>7.5
6
减速器型号、速比
KA107、i=121.46
7
搅拌轴转速
r/min
12
8
电源AC
V
380
（2）砂浆搅拌设备组成
砂浆搅拌设备主要由料斗、动力系统、搅拌系统、电器控制系统等组成。
搅拌料斗：
由8mm、16mm、20mm钢板制形拼焊而成，有效容积为5.5M3，两端16mm钢板数控切割机切割成形，斗身8mm钢板滚制成U形焊接成整体料斗,再与其它部件组焊成搅拌料斗。
搅拌主轴：
采用φ120mm的厚壁无缝钢管，这样既保证了轴的强度和刚度，又减轻了整车的重量，搅拌片在搅拌轴上分成前后旋向不同的两部分，这样有利于砂浆的排空。
搅拌轴在箱体两端的密封采用动、静环式的机械密封方式，动、静环采用耐磨材料制作，这样密封可靠，密封系统不容易损坏，检修工作量小。
动力系统：
交流电机，380V。
对于软土地区盾构而言，由于管片与围岩之间的“建筑空隙”较小，每环掘进所需要的浆液量很小，且以惰性浆液为主，这样配置的砂浆搅拌设备是可行的。
而对于硬岩地区盾构而言，存在“建筑空隙”较大，每环掘进所需要的浆液量大，且以水泥砂浆液为主，如果采用砂浆搅拌设备存在搅拌能力跟不上、浆液拌制不均匀等问题，会严重制约盾构掘进施工，因此这种情况下采用的拌制设备为强制式拌合机，并增加中间转接的储浆罐。
6通风设备的选择
6.1通风设备的作用
为隧洞内人员工作地点供给足够的新鲜空气：
淡化或排除各种有害气体，创造良好的劳动气候条件，保证盾构机和其他设备的运行条件。
6.2通风设备的组成
通风设备主要由控制箱、通风机、通风管及通风管固定件组成。
6.3通风设备的选型设计
（1）施工人员所需风量
VP=UPMK=3×15×1.5=67.5（m3/min）
式中UP—洞内每人所需新鲜空气量，一般按（3m3/min/人）计算；
M—洞内同时工作的最多人数；
K—通风备用系数取（1.1～1.5）；
确定了隧洞通风所需的最大风量后，再椐此计算应设置的通风机的工作量，并计算通风机的工作风压，然后根据这二者来选择通风机，在进一步确定风管和风机的匹配及布置。
（2）通风机的工作风量
Vm=（1+PL/100）V（m3/min）=（1+0.01×1000/100）×8.333×60=550（m3/min）
式中V—通风机的工作风量m3/min
L—风管的长度m
P—100m风管漏风量，一般≯2%
（3）通风机的选择
通过上述计算后，确定风机型号及规格。
对于1.5km以下的隧道，常用压入式通风设备。
（4）风管与风机的布置
风管的选用主要从风管出口处的风速和风量、风管的造价、风管的耐用性、风管装拆的难易程度等方面考虑。
在通风机性能确定的前提下，风管出口处的风速和风量主要和风压损失、管道摩阻损失、漏风损失等因素有关，将这些损失降低到最小程度，首先保证工作面的风量，再结合造价等因素，风管的选择就随之确定了。
6.4通风设备技术参数
压入式通风机主要技术参数见表5-1
表5-1压入式通风机主要技术参数
序号
项目
SD—Ⅱ—60
备注
1
转速
2930r/min
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