在盾構施工中，水平運輸為隧洞掘進提供施工用材、運送渣土，在掘進中占有比較關鍵的地位，電機車是水平運輸的載體，也是盾構施工中的一個重要風險源。本工程盾構區間轉彎半徑小，坡度大，加大了水平運輸存在的風險及隱患。本文針對盾構水平運輸的風險與控制結合本工程實踐進行總結，整理出一套實用有效的風險控制辦法，便于今后的借鑒與改進。
　　關鍵詞：盾構，電機車，水平運輸
　　引言：
　　隨著社會經濟的迅猛發展，城市建設日益繁榮，地面的構（建）筑物星羅棋布，盾構施工的難度也日益增加，為了不影響地面建筑及人們的正常活動，保護地下管網系統，盾構隧洞的設計坡度會逐漸增大，轉彎半徑會越來越小，復合曲線線型設計將會越來越頻繁，使盾構水平運輸的難度和風險不斷加大，車黃盾構區間的最大坡度已達50‰，轉彎半徑只有300m。所以，在水平運輸中如何進行有的放矢的風險控制是很關鍵的，也是值得探索和實踐的。
　　一、工程概況
　　廣州軌道交通四號線【黃村站～車陂南站盾構區間】是廣州市“亞運專線”，區間全長約2.5公里，本段盾構區間剛完成始發就直接進入最大坡度50‰坡長470m復合半徑R=300m的轉彎曲線，下穿廣園快速路、廣深鐵路、東環高速高架橋樁基以及大量既有或在建民用建筑基礎。本工程三站二區間，區間同時都復合大坡度、小半徑轉彎。由于是亞運專線，工期緊張，每天必須完成平均8環以上的掘進量。因此，在復雜的復合曲線區間里安全的、穩定的、高效的完成水平運輸是工程施工的難點及重點。
　　二、盾構水平運輸風險分析
　　結合本工程實際情況，水平運輸存在的一些問題以及風險分析如下：
　　⑴、電機車蓄電池存在的隱患及風險
　　1、蓄電池輸出容量減小，換用頻率高
　　鉛酸蓄電池存在放電電流越大，容量越小的規律。此外，放電電流越大，電池內電壓降也越大，電池端電壓下降快，到終止電壓的時刻越早，允許放電的時間越短。容量越小，不同放電率下的電池容量見下表：

　　表1：不同放電率下的容量（25℃）
　　電機車在上坡的過程中由于坡度和荷載原因放電電流明顯增大，電池消耗非常快。正常情況下，當電壓降至490V需更換，但在大坡度使用條件下，當電壓降至530V就需要進行更換，使用時間極大縮短，換用及充電頻率很高。
　　2、硫化和失水現象增加，影響電池使用壽命
　　在工程實踐中發現，造成鉛酸蓄電池失效以及損壞的主要原因就是硫化以及失水。在上坡過程中，由于放電電流增大，電解液反應劇烈，溫度升高，蓄電池更容易發生硫化和失水現象。
　　3、電池虛電造成安全事故
　　由于充電方法不當，或者電池儲存不當導致電池虛電，使用時電壓很快降低，電量很快用完，導致電機車在運輸中失電，在坡度隧洞中，如果電機車失電，失去牽引力有可能造成溜車，對設備及人員造成嚴重傷害。
　　4、溫度過高存在安全隱患
　　如果降溫不良或過充電，導致充電溫度過高，使得電解液干涸甚至造成蓄電池爆炸對設備和人員造成嚴重傷害。
　　⑵、電機車剎車存在的隱患及風險
　　在緊急情況下，由于剎車失靈或損壞，造成定位不準以及溜車事故，對設備及人員造成傷害。本工程坡度很大，使溜車風險增加，造成的后果也會更加嚴重。此外，由于電機車剎車存在問題還會造成以下問題：
　　1、耽誤掘進時間
　　一方面，因剎車不靈就會導致機車超過軌道而脫出軌道，需投入人力進行維修；另一方面，機車分體、合體時因剎車失靈造成人員傷亡，設備損壞等安全事故，耽誤工期，所以剎車的好與壞嚴重影響了掘進的時間。
　　2、影響出土出渣
　　一方面，機車是運輸材料及渣土的重要工具，如果剎車不靈就可能導致定位有誤，出土不到位，渣土傾覆在隧道管片上，影響了施工的環境衛生，需投入人力進行清理。另一方面，在渣土運出至井口出渣之時，由于剎車不靈，定位不準確，導致龍門吊無法按時出土。
　　3、易發生安全事故
　　一方面，施工人員長期、長時間在隧道內工作，易產生精神疲勞，另一方面，本區間復合多處小半徑轉彎，機車輸送材料時，在彎道處無法明確前方隧洞情況，當機車鳴笛之后，發現現場有施工人員施工，卻未及時剎車，導致安全事故。因此，剎車的好與壞也是降低隧道內事故率的關鍵。
　　三、工程中采取的具體對策
　　經過以上分析，為確保水平運輸的安全與順暢，保障工程的安全和進度，在本工程中我們我們主要從改進蓄電池充電及維護方法、電機車剎車的改造、增加溜車防護措施以及加強關鍵部位日常管理這幾個方面進行控制。
　　
　　圖1
　　⑴、對蓄電池充電與維護進行有針對性的改進
　　為確保充電質量，保障工程的安全和進度，在本工程中我們在充電整個過程中都采取了相應的措施，并對部分原有的充電方法進行了合理改進，從源頭和過程等各方面進行控制。
　　1、源頭控制：
　　充電設備改進后使用三相全控橋式整流電路
　　絕大多數的電池不是用壞的而是充壞的，所以選擇好的充電設備以及適當的充電方法，從源頭進行控制，對延長蓄電池的使用壽命以及使用質量具有舉足輕重的作用。
　　本工程選擇的充電設備是西安開元變壓整流設備廠提供的KCA01系列電瓶車充電裝置，除根據充電基本需求進行選擇之外，要求廠家對充電設備進行了一定的改進，把三相半控橋式整流改為三相全控橋式整流，電路簡圖如下所示。
　　
　　圖2：電路簡圖
　　三相半控橋式整流電路由共陰極接法的三相半波可控整流電路與共陽極接法的三相半波不可控整流電路串聯而成，這種電路兼有可控與不可控兩者的特性，而三相全控橋式整流電路實際上是一組共陰極組與一組共陽極組的三相半波可控整流電路的串聯，相比起來，電壓可控性更強。三相全控橋式整流電路比起三相半控橋式整流電路有以下優點：
　　①．三相全控橋式整流電路輸出電壓脈動小，基波頻率為300HZ，比三相半控橋式整流電路高一倍，輸出更穩定。
　　②．三相全控橋式整流電路能工作于有源逆變狀態，而三相半控橋式整流電路只能做可控整流，不能用在逆變狀態。
　　③．三相全控橋式整流電路控制增益大，靈敏度高，其控制滯后時間為3.3ms，而三相半控橋式整流電路為6.6ms，因此三相全控橋式整流電路的動態響應比三相半控橋式要好很多。
　　三相全控橋的各項性能指標都要優于三相半控橋。采用三相全控橋式整流電路對充電機進行改造，在控制、輸出等方面有效提高了充電機的性能。
　　2、過程控制：
　　①．采用二階段充電法充電
　　經過對充電方法的研究，我們要求廠家提供的充電設備能夠提供恒流充電與恒壓充電相結合的二段充電法。
　　恒流充電法是靠調整充電裝置輸出電壓或改變與蓄電池串聯電阻，保持充電電流強度不變的充電方法，充電曲線如圖3所示。控制方法簡單，但由于電池的可接受電流能力是隨著充電過程的進行而逐漸下降的，到充電后期，充電電流多用于電解水，產生氣體，出氣過甚。
　　
　　圖3：恒流充電曲線
　　恒壓充電電源的電壓在全部充電時間里保持恒定的數值，隨著蓄電池端電壓的逐漸升高，電流逐漸減少。與恒流充電法相比，其充電過程更接近于最佳充電曲線。對比充電曲線如圖4、5所示。由于充電初期蓄電池電動勢較低，充電電流很大，隨著充電的進行，電流將逐漸減少，因此，只需簡易控制系統。這種充電方法電解水很少，避免了蓄電池過充。但在充電初期電流過大，對蓄電池壽命造成很大影響，且容易使蓄電池極板彎曲，造成電池報廢。
　　
　　圖4：恒壓充電圖5：最佳充電曲線
　　本工程所采用的二階段充電法把兩者結合起來，以恒電流充電至預定的電壓值，然后，改為恒電壓完成剩余的充電。充電曲線如圖6所示：
　　
　　圖6：二階段充電
　　第一階段用恒定電流把單只電池電壓充到固定值，再改為恒定電壓充電，用第一階段電流的1/2繼續充電。這樣的充電方法，由于只需要對充電電流進行調節，且充電電流恒定，所以操作人員控制更簡便，并可以根據充電時間來掌握充入電瓶的容量，還可以根據充電過程中溫度的變化來及時調整充電電流的大小，減少溫度的影響因素，顯著提高電池的使用壽命。
　　②．采用雙池循環水降溫法
　　為了給蓄電池創造一個最佳的充電溫度，本工程采用雙循環水池降溫的方法。原有的降溫方法采用的是非循環方式，把電池浸泡在大的冷卻池中，這樣的方法由于其降溫用水不可流動，水吸熱溫度升高之后降溫效果明顯下降，又由于電解液呈酸性，降溫池水不循環更換，時間一長，水的酸性就會增強，會對電池的箱殼造成腐蝕，而循環水降溫法在一定程度上克服了以上缺陷。
　　本工程中循環水池的規格計算方法：
　　根據已知條件，在電池組使用后吊出井后，電解液的平均溫度約為40℃，一箱電池電解液質量m約為1500kg，電解液由于是稀硫酸，比熱容計算時取水的比熱容C=4200J/kg，經過循環水池降溫后，電解液的溫度需達到25℃。
　　由比熱容公式：Q=mcΔt
　　C電解液=4200J/kg，m電解液=1500kg，t2=25℃，t1=40℃
　　則：Q放=m電解液C電解液（t2-t1）=－6.3×107J，
　　要帶走6.3×107的熱量則需要的循環水的質量為1500kg，即每臺電池的降溫至少需要1.5m³的水。同時放置電池的水槽需設置最少能放置四組電池的容量，即12箱電池，以便更換使用。所以循環水池的最小容水量應該為12×1.5=18m³。循環水池需設同等規格的兩個，便于循環水的冷卻。
　　電池冷卻水槽尺寸根據電池的尺寸設計，要方便充電人員測量、補水、清潔。每箱電池之間也應保持一定的間距，便于散熱，吊用。
　　
　　圖7：電池冷卻槽
　　循環水冷卻系統布置示意圖如圖8所示：
　　
　　圖8：循環水系統示意圖
　　溫度是影響蓄電池壽命及充電質量的關鍵因素，雙池循環法在原有降溫方法上加以改進，使得降溫效果明顯提高。
　　對蓄電池進行有針對性的維護保養，可以有效的延長蓄電池的使用壽命，并提高充電質量，減少設備故障率，保障安全。
　　隨著科技的進步，蓄電池也在不斷的進行改進新的電池類型不斷出現，如：出現了免維護鉛酸蓄電池。在實際工程中，應該多關注市場動態變化，根據實際需求以及成本估算選擇最優的電池種類及型號，在實際使用中也需要不斷改進維護方法，提高生產效率。
　　③、蓄電池
　　⑵、對電機車剎車進行改造
　　溜車是電機車在大坡度上、下坡運行時，由自重產生的牽引力大于主動牽引力加摩擦力時發生的自主下滑。發生溜車事故會對機車本身、其他設備構成破壞并對施工人員的安全構成嚴重威脅，造成嚴重后果。
　　
　　圖9：改進后的剎車裝置
　　廠家提供的剎車有三，第一為電自動剎車、第二為給氣剎車、第三為排氣剎車，廠家提供的剎車能滿足的最大坡度僅為36‰時所用，而車黃區間復合最大坡度為50‰坡長470m，遠遠無法滿足要求，因此改進剎車是降低水平運輸危險系數的關鍵。因此，我方要求廠家為電機車裝設我們自行設計的新型剎車，命名為緊急制動剎車（如圖9），當電機車發生溜車現象時，按下緊急制動剎車，安裝在機頭四周的四個氣缸能在最長3～5秒內全部伸出，迫使機頭車輪離開軌道面，摩擦力逐漸大于下滑牽引力，使其有效定位。
　　⑶、工程中采取的防溜車措施
　　1、自制插銷擋軌
　　由于車黃盾構區間自始發完成后緊接著就是大坡度曲線，電機車全長40米，蓄電池能量不足時或更換過程中，機頭在井口水平軸線上而車尾卻在大坡度曲線上，考慮剎車失靈、施工人員疏忽等問題，為確保安全，項目部自行設計安裝擋軌器放置車輪尾部，即使機車下滑，擋軌會成為其下滑途中的障礙，可阻止溜車事故發生。自主研制擋軌結構（圖10）。
　　
　　圖10
　　2、漿車上裝設防溜鉤鏈
　　為確保在大坡度曲線段上完成機車解體，并且保證無事故發生，項目部在機車的砂漿車上添加勾鏈，在盾構機上焊接耳朵，在解體前取下勾鏈勾在焊接的耳朵上，解體后就靠勾鏈拉住機車后配套，防止可能由后配套溜車造成的人員損傷、設備損壞。
　　3、盾構機尾部增設防撞桿
　　在盾構機的尾部安置防撞桿設備，當機車離開臺車之時就關閉防撞杠，機車進入之前打開防撞桿。防撞桿的作用在于，當發生溜車之后，機車高速運行，當接觸到防撞桿之后，防撞桿就能起到緩沖作用，減輕人員傷亡、設備損壞程度。
　　⑷、日常管理
　　針對施工中存在的風險，我們不僅在技術上進行改進，采取應對措施，同時對于相應問題存在的關鍵點在日常管理方面也進行了加強。
　　1、蓄電池
　　①、每月定期測試電池單體浮充電壓，當單體浮充電壓降為2.18V以下時，須進行活化處理或均衡充電，避免產生虛電現象。
　　②、發現落后電池立即處理，以免影響整箱電池的使用。
　　2、電機車
　　由于區間曲線多處的小半徑轉彎，電機車在彎道處車輪輪緣容易磨損，如果不及時更換容易出現脫軌，所以要每天進行檢查，及時發現并根據情況更換。
　　為保障日常安全運行，在電機車內增設電氣自鎖裝置，關閉機車門之后，方能對機車進行啟動操作。
　　電機車與電池進行配組，不能隨意打亂電機車與其配套的使用電池，這樣，不僅方便蓄電池充電管理，除了問題也更便于追溯、分析和解決。
　　3、軌道
　　由于轉彎半徑小，在轉彎段均使用3米軌道，軌道連接板比6米軌多出一半，所以在轉彎段應該增加軌道軌距檢查頻率。
　　四、總結
　　本文對車黃盾構區間水平運輸存在的主要問題以及風險進行了總結，并對車黃項目部針對這些問題以及風險采取的方法以及對策進行整理，歸納出一套行之有效的風險控制辦法，并總結了部分可供參考的大坡度條件下水平運輸中需注意的問題。目前，車黃盾構區間已全線貫通，水平運輸未發生一起事故，為緊張的工期提供了有力保障。在水平運輸中采取必要的和有針對性的措施進行風險控制，是非常必要的。