盾构施工中水平运输电机车安全使用探讨

盾构施工中水平运输电机车安全使用探讨

万磊

身份证号：652101197606013815

摘要：对盾构工法隧道施工中水平运输电机车安全事故，特别是电机车失控溜车现象，进行了深入的原因分析并提出了防溜车安全措施及建议。最后提供了电机车牵引重量计算参考公式。为盾构施工顺利、水平运输设备安全使用、电机车选型设计提供依据。

关键词：盾构，安全，电机车，防溜车

作者简介：李文斌1987年7月，男，中级工程师，大学本科，主要从事地下工程与盾构施工技术研究。E-mail：515988924@qq.com。

1引言

水平运输电机车（以下简称电机车）由牵引机车、渣土车、砂浆车、管片车、人车等车辆根据需求数量及排布顺序编组而成。在盾构工法隧道施工中，电机车编组承担着出渣以及运送砂浆、管片、耗材、人员等的功能。电机车故障将导致隧道施工停工，因此在整个施工系统中占有比较关键的地位。同时，由于电机车载重大、需上下坡及夜间行车等自身特点，具有一定的危险性，一旦发生事故，后果比较严重。电机车与门式起重机成为隧道施工工地上两大重点关注的危险源。随着国内地下工程的发展，隧道坡度越来越大、距离越来越长，施工单位安全管理水平滞后、施工人员素质良莠不齐，使得电机车的安全运行越发成为影响生产的关键因素之一。

2电机车的安全事故危害

电机车出轨、溜车、碰撞事故截止今日仍时有发生。由于电机车编组重量大，一旦发生事故后果十分严重。轻则损毁设备延误工期，重则造成人员伤亡。电机车安全事故严重制约着隧道施工的顺利进行，尤其电机车失控溜车现象是目前行业内的痛点问题。

图1 电机车失控冲出轨道

3电机车失控溜车原因探讨

通过现场调查、与电机车驾驶员及施工团队交流、复盘事故过程、核算设计技术参数等途径，本文对电机车失控溜车事故做了分析。得出溜车原因主要分为三大方面：电机车故障原因、人员操作原因、使用环境原因。

图2 电机车失控溜车原因

3.1电机车故障

电机车关键部位发生故障将引发失控溜车事故。

（1）制动系统失效。电机车制动系统采用闸瓦抱紧车轮产生摩擦阻力提供制动力，当设备使用一定时间后，闸瓦发生磨损，产生的摩擦力变小，制动力不足制动失效。此时当电机车在下坡行走，驾驶员踩下刹车想要制动，电机车将无法正常减速停车。闸瓦磨损严重时，制动力很小，电机车将无法制动，直接溜车很长一段距离。另外停车未拉手刹将导致制动失效。旧款电机车设计不合理，停车后必须依靠驾驶员拉手刹保证电机车可靠停车。否则如果电机车恰好在坡道上，即便坡度不大，电机车将可能朝低处滑走。根据使用经验，曾经发生过停车后未拉手刹次日找不到电机车的案例，结果电机车已经自行滑移到隧道深处。

（2）电机驱动器故障。当电机驱动器报过载故障时，驱动器停止输出，驱动器将对电动机失去控制，此时驾驶员的操作将不起作用，而刹车闸瓦处于打开状态，电机车将直接发生失控溜车。

（3）动力电池故障。当动力电池报过压、过流、过温故障时，动力电池为自我保护将采取断电措施，此时电机车整车将失去动力电，在较短的一段时间内驾驶员肯能不自知。在这段时间内电机车处于失控危险状态。

3.2人员操作

驾驶人员操作不当将导致电机车溜车碰撞事故。

（1）疲劳驾驶。隧道环境场景单一、含氧量比地面低，容易造成电机车驾驶员视觉疲劳与头脑昏沉，尤其是夜班12小时的作业，加剧了驾驶员身体疲劳。当驾驶员瞌睡或者注意力不集中，来不及刹车或者忘记刹车，电机车将溜车碰撞其他设备，造成事故。

（2）注意力分散。管理不善的工地，驾驶员为了打发无聊的夜班时间，存在一边看手机视频一边驾驶电机车的情况。一心两用，往往酿成碰撞事故。

（3）驾驶员水平。电机车驾驶员往往是年纪较大的农民工，驾驶水平很难符合专业要求，有些工地不重视为了节省成本聘用的驾驶员甚至不识字。当发生紧急情况，此类驾驶员往往操作不当，不能立即让电机车制动停车，而发生溜车碰撞事故。

3.3使用环境

电机车使用的轨道环境也将引发溜车事故。

（1）轨道湿滑。隧道轨面上存在水、油等导致摩擦系数降低，从而导致电机车打滑，重载上坡时极易因为牵引力不足而往后倒溜造成碰撞事故。

（2）轨道铺设质量。电机车轨道磨损变形严重，或者铺设不符合要求，将导致轮轨接触不良，电机车牵引力不足发生倒溜碰撞或者出轨事故。

（3）电机车选型。在对隧道进行电机车选型时，未正确计算负载和考虑坡度或留出合适的余量而导致电机车选型偏小，牵引力不足。在重载上坡时将发生电机车倒溜碰撞事故。

由此可知，电机车失控溜车的原因是多方面的，需要从源头逐项解决才能避免事故的发生。

4防溜车安全措施

4.1针对电机车故障方面的措施

4.1.1防止制动系统失效

（1）电机车制动系统采用PLC自动控制，使得机械制动（闸瓦）、电制动完美配合，再加上行车辅助制动及紧急制动（钩轨器），四重制动共同保证电机车安全，防止溜车发生。制动与启动配合不好时将出现带刹车行走现象及松刹车后机车无动力现象，前者加快闸瓦磨损不利于制动能力的保持，后者在坡道上将发生机车倒溜。图3为电机车制动与启动停止的配合时序图。启动时机械制动完全解除后电机车才开始行走，减少闸瓦磨损。同时在解除机械制动的工程中，通过电制动避免出现电机车倒溜现象。启动完成后，电制动将解除，电机车正常行走。电机车停止后，机械制动自动完成，避免驾驶员因忘记拉手刹而造成溜车事故。整个启停过程中，制动系统由PLC自动控制，不需要依赖驾驶员的操作。

图3 电机车制动与启动停止的配合时序

（2）采用柱式拉力传感器。在制动系统中增加柱式拉力传感器，实时检测刹车力的大小。当闸瓦磨损刹车力不足时操作系统将提醒驾驶员调整刹车力。

（3）给电机车加装钩轨器。紧急情况发生当所有制动系统失效时，钩轨器放下，让电机车强行停车。这是防溜车的最后一道防线，因会破坏轨道非必要不使用。

4.1.2防止电机驱动器及动力电池故障引发溜车。

（1）对电机车进行安全专项设计，采用全系统整体设计理念，整合电机车所有相关部件，由高性能CPU统一管理，实时监测，实现相互连锁保护。

（2）操作系统进行数据分析，并通过大数据算法，实现对电机车故障预判与干预。当故障无法避免时优先保证安全停车。

（3）设计“黑匣子”，对电机车数据实时存储，做到历史数据可追溯。

4.2针对人员操作方面的措施

大多数的电机车失控溜车事故因为驾驶员的操作不当或者安全意识薄弱引起。

（1）设计符合人体工程学的一体化操作台，友好的人机交互性能，减少驾驶人员的疲劳。

（2）加强与驾驶员交互以判断人是否处于清醒状态，一旦人机失去交互，则认为电机车失控，执行自动停车。如30秒无操作则视为驾驶员昏睡，电机车自动停车避免溜车碰撞事故。

（3）增加视频辅助驾驶功能，让驾驶员视野更加开阔清晰，避免电机车前后碰撞其他障碍物。

（4）加强安全管理。以人为核心，从源头管控做起，要求施工单位做好安全教育、安全技术交底及现场操作培训。驾驶员要熟悉设备操作规程、了解设备结构及关键零部件，加强安全意识。建议做到：设备维护，责任到人。电池管理，严控电压。一停一出，安全有序。拦截防溜，警报撤离。驾驶过程，不玩手机。

4.3针对使用环境方面的措施

（1）根据隧道实际技术参数，组织技术人员对牵引力、轨道型号进行选型，避免因电机车选型不当造成安全事故。

（2）及时维护轨道，清除油污、积水等，保证足够的轮轨摩擦系数。

5电机车选型参考

电机车选型是隧道掘进系统中重要的一环，选型不当，如牵引力不足将引发溜车事故，牵引力过大将增加施工成本造成浪费。

（1）限制坡道上坡启动

(5-1)

式中：Q为牵引质量，t；Fmax为机车最大牵引力，kN；为单位基本阻力，N/kN；为单位启动阻力，N/kN；为单位坡道阻力，N/kN；为单位曲线阻力，N/kN；P为机车自重，t。

（2）限制坡道匀速上坡启动

    (5-2)

式中：F为机车持续牵引力，kN。

（3）满足要求的制动距离

   (5-3)

其中

式中：为机车黏着重量，t；为机车制动黏着系数，取0.17~0.2；为机车制动减速度，m/s2；为机车制动初始速度，m/s；l为要求的制动距离，m。

考虑富余量，牵引重量应在理论计算值基础上除以安全系数。安全系数推荐1.2~1.5。

6 结论

电机车既要满足施工需要，还要满足安全需要，防止出现失控溜车事故造成人员设备损失。合理的电机车设计、合适的电机车选型及严格的安全管理措施，共同保证了电机车运行使用安全，确保盾构施工顺利进行。随着科学技术的发展，智能3D避障技术有待应用到电机车的安全使用中来。

参考文献

[1]TB/T 1407.1-2018 列车牵引计算 第1部分：机车牵引式列车

[2]胡汉春.机车电传动与控制.北京：中国铁道出版社，2017

[3]饶忠.列车制动（第二版）.北京：中国铁道出版社，2016