交通运输系统工程与信息
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盾构水平运输风险与控制

  摘要:在盾构施工中,水平运输为隧洞掘进提供施工用材、运送渣土,在掘进中占有比较关键的地位,电机车是水平运输的载体,也是盾构施工中的一个重要风险源。本工程盾构区间转弯半径小,坡度大,加大了水平运输存在的风险及隐患。本文针对盾构水平运输的风险与控制结合本工程实践进行总结,整理出一套实用有效的风险控制办法,便于今后的借鉴与改进。


  关键词:盾构电机车水平运输引言:


  随着社会经济的迅猛发展,城市建设日益繁荣,地面的构(建)筑物星罗棋布,盾构施工的难度也日益增加,为了不影响地面建筑及人们的正常活动,保护地下管网系统,盾构隧洞的设计坡度会逐渐增大,转弯半径会越来越小,复合曲线线型设计将会越来越频繁,使盾构水平运输的难度和风险不断加大,车黄盾构区间的最大坡度已达50‰,转弯半径只有300m。所以,在水平运输中如何进行有的放矢的风险控制是很关键的,也是值得探索和实践的。


  一、工程概况广州轨道交通四号线【黄村站~车陂南站盾构区间】是广州市“亚运专线”,区间全长约2.5 公里,本段盾构区间刚完成始发就直接进入最大坡度50‰坡长470m 复合半径R=300m 的转弯曲线,下穿广园快速路、广深铁路、东环高速高架桥桩基以及大量既有或在建民用建筑基础。本工程三站二区间,区间同时都复合大坡度、小半径转弯。由于是亚运专线,工期紧张,每天必须完成平均8 环以上的掘进量。因此,在复杂的复合曲线区间里安全的、稳定的、高效的完成水平运输是工程施工的难点及重点。


  二、盾构水平运输风险分析结合本工程实际情况,水平运输存在的一些问题以及风险分析如下:


  ⑴、电机车蓄电池存在的隐患及风险1、蓄电池输出容量减小,换用频率高铅酸蓄电池存在放电电流越大,容量越小的规律。此外,放电电流越大,电池内电压降也越大,电池端电压下降快,到终止电压的时刻越早,允许放电的时间越短。容量越小,不同放电率下的电池容量见下表:


  电机车在上坡的过程中由于坡度和荷载原因放电电流明显增大,电池消耗非常快。正常情况下,当电压降至490V 需更换,但在大坡度使用条件下,当电压降至530V 就需要进行更换,使用时间极大缩短,换用及充电频率很高。


  2、硫化和失水现象增加,影响电池使用寿命在工程实践中发现,造成铅酸蓄电池失效以及损坏的主要原因就是硫化以及失水。在上坡过程中,由于放电电流增大,电解液反应剧烈,温度升高,蓄电池更容易发生硫化和失水现象。


  3、电池虚电造成安全事故由于充电方法不当,或者电池储存不当导致电池虚电,使用时电压很快降低,电量很快用完,导致电机车在运输中失电,在坡度隧洞中,如果电机车失电,失去牵引力有可能造成溜车,对设备及人员造成严重伤害。


  4、温度过高存在安全隐患如果降温不良或过充电,导致充电温度过高,使得电解液干涸甚至造成蓄电池爆炸对设备和人员造成严重伤害。


  ⑵、电机车刹车存在的隐患及风险在紧急情况下,由于刹车失灵或损坏,造成定位不准以及溜车事故,对设备及人员造成伤害。本工程坡度很大,使溜车风险增加,造成的后果也会更加严重。此外,由于电机车刹车存在问题还会造成以下问题:


  1、耽误掘进时间一方面,因刹车不灵就会导致机车超过轨道而脱出轨道,需投入人力进行维修;另一方面,机车分体、合体时因刹车失灵造成人员伤亡,设备损坏等安全事故,耽误工期,所以刹车的好与坏严重影响了掘进的时间。


  2、影响出土出渣一方面,机车是运输材料及渣土的重要工具,如果刹车不灵就可能导致定位有误,出土不到位,渣土倾覆在隧道管片上,影响了施工的环境卫生,需投入人力进行清理。另一方面,在渣土运出至井口出渣之时,由于刹车不灵,定位不准确,导致龙门吊无法按时出土。


  3、易发生安全事故一方面,施工人员长期、长时间在隧道内工作,易产生精神疲劳,另一方面,本区间复合多处小半径转弯,机车输送材料时,在弯道处无法明确前方隧洞情况,当机车鸣笛之后,发现现场有施工人员施工,却未及时刹车,导致安全事故。因此,刹车的好与坏也是降低隧道内事故率的关键。


  三、工程中采取的具体对策经过以上分析,为确保水平运输的安全与顺畅,保障工程的安全和进度,在本工程中我们我们主要从改进蓄电池充电及维护方法、电机车刹车的改造、增加溜车防护措施以及加强关键部位日常管理这几个方面进行控制。


  为确保充电质量,保障工程的安全和进度,在本工程中我们在充电整个过程中都采取了相应的措施,并对部分原有的充电方法进行了合理改进,从源头和过程等各方面进行控制。


  1、源头控制:


  充电设备改进后使用三相全控桥式整流电路绝大多数的电池不是用坏的而是充坏的,所以选择好的充电设备以及适当的充电方法,从源头进行控制,对延长蓄电池的使用寿命以及使用质量具有举足轻重的作用。


  本工程选择的充电设备是西安开元变压整流设备厂提供的KCA01 系列电瓶车充电装置,除根据充电基本需求进行选择之外,要求厂家对充电设备进行了一定的改进,把三相半控桥式整流改为三相全控桥式整流,电路简图如下所示。


  三相半控桥式整流电路由共阴极接法的三相半波可控整流电路与共阳极接法的三相半波不可控整流电路串联而成,这种电路兼有可控与不可控两者的特性,而三相全控桥式整流电路实际上是一组共阴极组与一组共阳极组的三相半波可控整流电路的串联,相比起来,电压可控性更强。三相全控桥式整流电路比起三相半控桥式整流电路有以下优点:


  ①。 三相全控桥式整流电路输出电压脉动小,基波频率为300HZ,比三相半控桥式整流电路高一倍,输出更稳定。


  ②。三相全控桥式整流电路能工作于有源逆变状态,而三相半控桥式整流电路只能做可控整流,不能用在逆变状态。


  ③。三相全控桥式整流电路控制增益大,灵敏度高,其控制滞后时间为3.3ms,而三相半控桥式整流电路为6.6ms,因此三相全控桥式整流电路的动态响应比三相半控桥式要好很多。


  三相全控桥的各项性能指标都要优于三相半控桥。采用三相全控桥式整流电路对充电机进行改造,在控制、输出等方面有效提高了充电机的性能。


  2、过程控制:


  ①。采用二阶段充电法充电经过对充电方法的研究,我们要求厂家提供的充电设备能够提供恒流充电与恒压充电相结合的二段充电法。


  恒流充电法是靠调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻,保持充电电流强度不变的充电方法,充电曲线如图3 所示。控制方法简单,但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的,到充电后期,充电电流多用于电解水,产生气体,出气过甚。


  恒压充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值,随着蓄电池端电压的逐渐升高,电流逐渐减少。与恒流充电法相比,其充电过程更接近于最佳充电曲线。对比充电曲线如图4、5 所示。由于充电初期蓄电池电动势较低,充电电流很大,随着充电的进行,电流将逐渐减少,因此,只需简易控制系统。这种充电方法电解水很少,避免了蓄电池过充。但在充电初期电流过大,对蓄电池寿命造成很大影响,且容易使蓄电池极板弯曲,造成电池报废。


  第一阶段用恒定电流把单只电池电压充到固定值,再改为恒定电压充电,用第一阶段电流的1/2 继续充电。这样的充电方法,由于只需要对充电电流进行调节,且充电电流恒定,所以操作人员控制更简便,并可以根据充电时间来掌握充入电瓶的容量,还可以根据充电过程中温度的变化来及时调整充电电流的大小,减少温度的影响因素,显著提高电池的使用寿命。


  ②。采用双池循环水降温法为了给蓄电池创造一个最佳的充电温度,本工程采用双循环水池降温的方法。原有的降温方法采用的是非循环方式,把电池浸泡在大的冷却池中,这样的方法由于其降温用水不可流动,水吸热温度升高之后降温效果明显下降,又由于电解液呈酸性,降温池水不循环更换,时间一长,水的酸性就会增强,会对电池的箱壳造成腐蚀,而循环水降温法在一定程度上克服了以上缺陷。


  本工程中循环水池的规格计算方法:


  根据已知条件,在电池组使用后吊出井后,电解液的平均温度约为40℃,一箱电池电解液质量m 约为1500kg,电解液由于是稀硫酸,比热容计算时取水的比热容C=4200J/kg,经过循环水池降温后,电解液的温度需达到25℃。


  由比热容公式:Q=mcΔtC 电解液=4200J/kg,m 电解液=1500kg,t2=25℃,t1=40℃则:Q 放= m 电解液C 电解液(t2-t1)=-6.3×107J,要带走6.3×107 的热量则需要的循环水的质量为1500kg,即每台电池的降温至少需要1.5m3 的水。同时放置电池的水槽需设置最少能放置四组电池的容量,即12 箱电池,以便更换使用。所以循环水池的最小容水量应该为12×1.5=18m3。循环水池需设同等规格的两个,便于循环水的冷却。


  电池冷却水槽尺寸根据电池的尺寸设计,要方便充电人员测量、补水、清洁。每箱电池之间也应保持一定的间距,便于散热,吊用。


  温度是影响蓄电池寿命及充电质量的关键因素,双池循环法在原有降温方法上加以改进,使得降温效果明显提高。


  对蓄电池进行有针对性的维护保养,可以有效的延长蓄电池的使用寿命,并提高充电质量,减少设备故障率,保障安全。


  随着科技的进步,蓄电池也在不断的进行改进新的电池类型不断出现,如:出现了免维护铅酸蓄电池。在实际工程中,应该多关注市场动态变化,根据实际需求以及成本估算选择最优的电池种类及型号,在实际使用中也需要不断改进维护方法,提高生产效率。


  ③、蓄电池⑵、对电机车刹车进行改造溜车是电机车在大坡度上、下坡运行时,由自重产生的牵引力大于主动牵引力加摩擦力时发生的自主下滑。发生溜车事故会对机车本身、其他设备构成破坏并对施工人员的安全构成严重威胁,造成严重后果。


  厂家提供的刹车有三,第一为电自动刹车、第二为给气刹车、第三为排气刹车,厂家提供的刹车能满足的最大坡度仅为36‰时所用,而车黄区间复合最大坡度为50‰坡长470m,远远无法满足要求,因此改进刹车是降低水平运输危险系数的关键。因此,我方要求厂家为电机车装设我们自行设计的新型刹车,命名为紧急制动刹车(如图9),当电机车发生溜车现象时,按下紧急制动刹车,安装在机头四周的四个气缸能在最长3~5 秒内全部伸出,迫使机头车轮离开轨道面,摩擦力逐渐大于下滑牵引力,使其有效定位。


  ⑶、工程中采取的防溜车措施1、自制插销挡轨由于车黄盾构区间自始发完成后紧接着就是大坡度曲线,电机车全长40 米,蓄电池能量不足时或更换过程中,机头在井口水平轴线上而车尾却在大坡度曲线上,考虑刹车失灵、施工人员疏忽等问题,为确保安全,项目部自行设计安装挡轨器放置车轮尾部,即使机车下滑,挡轨会成为其下滑途中的障碍,可阻止溜车事故发生。自主研制挡轨结构(图10)。


  2、浆车上装设防溜钩链为确保在大坡度曲线段上完成机车解体,并且保证无事故发生,项目部在机车的砂浆车上添加勾链,在盾构机上焊接耳朵,在解体前取下勾链勾在焊接的耳朵上,解体后就靠勾链拉住机车后配套,防止可能由后配套溜车造成的人员损伤、设备损坏。


  3、盾构机尾部增设防撞杆在盾构机的尾部安置防撞杆设备,当机车离开台车之时就关闭防撞杠,机车进入之前打开防撞杆。防撞杆的作用在于,当发生溜车之后,机车高速运行,当接触到防撞杆之后,防撞杆就能起到缓冲作用,减轻人员伤亡、设备损坏程度。


  ⑷、日常管理针对施工中存在的风险,我们不仅在技术上进行改进,采取应对措施,同时对于相应问题存在的关键点在日常管理方面也进行了加强。


  1、蓄电池①、每月定期测试电池单体浮充电压,当单体浮充电压降为2.18V 以下时,须进行活化处理或均衡充电,避免产生虚电现象。


  ②、发现落后电池立即处理,以免影响整箱电池的使用。


  2、电机车由于区间曲线多处的小半径转弯,电机车在弯道处车轮轮缘容易磨损,如果不及时更换容易出现脱轨,所以要每天进行检查,及时发现并根据情况更换。


  为保障日常安全运行,在电机车内增设电气自锁装置,关闭机车门之后,方能对机车进行启动操作。


  电机车与电池进行配组,不能随意打乱电机车与其配套的使用电池,这样,不仅方便蓄电池充电管理,除了问题也更便于追溯、分析和解决。


  3、轨道由于转弯半径小,在转弯段均使用3 米轨道,轨道连接板比6 米轨多出一半,所以在转弯段应该增加轨道轨距检查频率。


  四、总结本文对车黄盾构区间水平运输存在的主要问题以及风险进行了总结,并对车黄项目部针对这些问题以及风险采取的方法以及对策进行整理,归纳出一套行之有效的风险控制办法,并总结了部分可供参考的大坡度条件下水平运输中需注意的问题。目前,车黄盾构区间已全线贯通,水平运输未发生一起事故,为紧张的工期提供了有力保障。在水平运输中采取必要的和有针对性的措施进行风险控制,是非常必要的。


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