小断面隧道有轨联合斜井无轨出渣技术探讨

(中国葛洲坝集团第五工程有限公司,湖北 宜昌 443002)

1 概述

近年来,随着国家对基础设施建设的大力投入,在铁路、公路、航运、水工、市政及采矿等工程建设领域,涉及到大量的隧道工程。斜井支洞用来增加主隧道工作面,减少隧道单个工作面作业长度,长大隧道斜井支洞出渣作业为关键线路,直接制约主隧道的施工进度,故出渣方案的选择是控制施工工期的重点,采用经济合理的出渣方案,可保证施工安全、高效、低成本的顺利进行。

出渣运输方式包括无轨出渣运输、有轨出渣运输和无轨装渣有轨运输等几种。在隧道工程的实施过程中,含斜井支洞的小断面隧道因斜井限制运输效率、作业空间狭小、通风难度大、相邻工作面施工易相互干扰等因素,使得施工进度难以提高。因此,需要一种高效、环保、安全的出渣方式,减轻斜井支洞运输压力,缩短出渣作业时间,以提高洞挖施工效率。有轨出渣效率高、无废气排放,但不适用于陡坡段；无轨出渣灵活度高,但对洞内通风条件有不利影响。通过有轨和无轨联合出渣,即在坡度缓、距离长的主隧道采用有轨出渣,在坡度陡但较短的斜井支洞采用无轨出渣,可有效弥补斜井支洞陡坡对有轨出渣的不利影响,提高小断面隧道斜井支洞出渣效率。

本文结合肯尼亚供水隧道一期工程实例,分析小断面隧道采用主隧道有轨联合斜井无轨出渣技术的平面布置、设备选型、工艺流程及安全措施等,目前该技术尚未在小断面隧道中广泛应用。而通常采用单一的无轨出渣、有轨出渣,或在洞口设置吊装转渣设施。相较于传统出渣方式,本文采用的技术具有出渣效率高、安全风险小、节约成本及节能环保等特点。

2 工程概况

肯尼亚供水隧道一期工程(以下简称“本工程”)位于肯尼亚首都内罗毕北部约70 km处,处于东非大裂谷地带。本工程主要是在Maragua河、Gikigie河及Irati河的河道上修建混凝土分流堰和进水口,修建一条长11.7 km、开挖直径4.1 m、纵向坡度为0.15%的马蹄形断面引水隧洞,将部分河水引流至Thika水库。此外,还包括Kaanja河附近施工支洞(以下简称“Kaanja斜井支洞”),支洞长620 m；Gikigie河附近引水支洞,支洞长274 m；Irati河附近竖井,竖井深52 m,竖井与主洞之间的连接洞长18.4 m。其中,Kaanja斜井支洞洞口87 m为平坡段(含洞口30m直线段、32 m半径r为30 m的弧线段、25 m直线段),中间480 m是坡度i为9.123%的陡坡段,交汇处53 m为平坡段。

肯尼亚政府对环保要求很高,优先选择电驱动的有轨出渣方式,Kaanja斜井支洞坡度陡,有轨设备需无极绳绞车辅助配合行驶,但无极绳绞车工作效率不高,使得Kaanja斜井支洞严重制约了出渣作业效率。为提高斜井支洞出渣效率,将Kaanja斜井支洞出渣方式调整为无轨出渣(以利用无轨出渣的高度灵活性),在交汇处上下游均设置临时堆料区,采用侧卸式装载机将渣料装车,通过自卸车运输至洞外,以解决出渣作业瓶颈,提高洞挖施工效率。同时,在Kaanja斜井支洞设置一套无极绳绞车系统,以协助有轨设备进出隧道,便于电机车充电和有轨设备维护保养,使得混凝土、钢拱架及钢筋等材料能够直接运输至掌子面。

3 施工布置

3.1 洞口区域布置

小断面隧道内可利用空间狭小,有轨设备充电房、检修车间等宜布置在洞口附近,同时,拌和站和加工厂等设施也应就近布置,利于材料快速装车运输至洞内,本工程距洞口230 m处设置有弃渣场。

3.2 斜井支洞布置

将钢轨(轨型为18 kg/m,轨距为600 mm)布置在隧道仰拱中间。无极绳绞车主机和控制室设置在洞口处,牵引钢丝绳设置在轨道中间,通过拖绳轮组、压绳轮组等控制钢丝绳高度和转弯,尾轮设置在斜井支洞陡坡段末端。轨道两侧浇筑自卸车路面混凝土,路面高程与轨道面高程一致,在回转钢丝绳一侧预埋钢管供钢丝绳穿过,在洞口轨道自卸车穿越处、轮组和尾轮等部位设置简易钢栈桥,利于自卸车平稳通过以及轮组维护或更换,Kaanja斜井支洞布置见图1。

图1 Kaanja斜井支洞布置

3.3 交汇处布置

在斜井支洞和主隧道交汇处的上下游均布置长度约70 m的错车道。错车线和主线之间的距离保证有轨设备会车时最小间距不小于50 cm,错车道用于错车和临时堆料,交汇处错车道轨道两侧均浇筑混凝土至轨道面高程,利于装载机和自卸车行驶、掉头、装渣等,交汇处错车道及出渣设备布置详见图2。

图2 交汇处错车道及出渣设备布置

3.4 主隧道布置

将钢轨(轨型为18 kg/m,轨距为600 mm)布置在隧道仰拱中间,每700～800 m设置一个长度为60 m的错车道,利于后期增加有轨出渣设备后有序会车,梭车进洞开始每循环出渣前在洞口检修车间掉头,保证梭车装料时卸料高端在相应掌子面背侧。

4 设备选型

根据进度要求,考虑每月25 d正常施工时间,两个主洞作业面每天需完成2个循环开挖出渣作业,每循环进尺为2.5 m,每循环松散渣料量为52 m³。

4.1 有轨出渣设备

(1)有轨梭车

梭车整车尺寸要满足隧道断面尺寸要求,在此基础上尽可能选择容渣量大的型号,根据进度要求确定梭车数量,梭车数量可按公式(1)进行计算：

式中：n1为每组梭车的数量(台)；M为梭车车组数；A为最低出渣效率(m3/h)；T为梭车往返时间(min)；K为梭车充盈系数,取0.8；V为梭车容积(m3)。

经计算确定,前700 m洞挖作业配备4台梭车,梭车容渣量为6 m³,随着洞挖进尺变大,每700 m增加4台梭车。

(2)有轨电机车

有轨电机车为出渣作业提供动力,其爬坡牵引能力需满足同时牵引4台装满渣料的梭车的要求,牵引能力验算可参考公式(2)进行计算：

式中：n2为电机车一次最多牵引梭车数量；q为梭车自重+载重(t)；∅为运行时粘着系数,取0.15；Pc、P分别为机车粘着重、机车自重,一般两者相等(t)；W为重车运行时基本阻力(N)；W1为坡度阻力(N),取平均坡度千分数的绝对值；R为线路曲线半径(m)。

经计算,洞挖前700 m两工作面共用3台,随着洞挖进尺加大,每700 m增加1台电机车。

4.2 无轨出渣设备

合理调度使得两个主隧道工作面不同时出渣,自卸车出渣时间与有轨梭车出渣时间相当,以尽可能减少自卸车出渣占用Kaanja斜井支洞的时间,减轻对混凝土、钢筋网及钢拱架等材料运输的影响。

自卸车首先要满足隧道断面尺寸要求,确保作业过程中对初期支护和设备设施等不造成影响,然后尽可能选择容渣量大的型号,最后根据进度要求确定自卸车数量,计算公式详见公式(3)、公式(4)：

式中：T1为每循环有轨出渣时间(h)；n1为每组梭车的数量,取4台；t1为每台梭车的装渣时间,取0.17 h/车；l为梭车运输长度,取0.7 km；v1为电机车行驶速度,取6 km/h；t2为每台梭车的卸渣时间,取0.08 h/车；N1为每循环进尺梭车出渣次数,取3次。

式中：T2为每循环无轨出渣时间(h)；n2为自卸车数量(台)；t3为每台自卸车的装渣时间,取0.08 h/车；v2为自卸车斜井支洞行驶速度,取6 km/h；v3为自卸车洞外行驶速度,取12 km/h；t4为每台自卸车的卸料时间,取0.05 h/车；N2为每循环进尺自卸车出渣次数,取4次。

需要满足T1≥T2的要求,经计算,选定4台自卸车,自卸车容渣量为4.5 m³。

4.3 其它辅助设备

其它辅助设备包括扒渣机、装载机和无极绳绞车。

(1)扒渣机：扒渣机兼顾软岩开挖和装渣,整机尺寸需满足隧道断面尺寸要求,最后选定2台扒渣机。

(2)装载机：装载机宜选择侧卸式,利于在错车道内装渣,整车尺寸需满足隧道断面尺寸要求,最后选定1台侧卸式装载机。

(3)无极绳绞车：无极绳绞车牵引能力需满足单次最少同时牵引1台电机车和1台梭车的要求,选定1台无极绳绞车。

5 工艺流程

Kaanja主隧道有轨出渣联合斜井支洞无轨出渣作业的主要施工工艺流程为：梭车准备→扒渣机装渣→梭车出渣→自卸车准备→装载机装渣→自卸车出渣。

(1)梭车准备

首先利用洞口检修车间10 t龙门吊将梭车调转车头,确保到达出渣掌子面时梭车卸料高端在掌子面背侧,然后将4台梭车串联后经电机车牵引至扒渣机尾部准备装渣。

(2)扒渣机装渣

扒渣机铲斗将渣料扒至运输槽铲板,渣料经运输槽运输至尾部下方的梭车车厢内,前3台梭车开启皮带将渣料转运至第4台梭车,直至4台梭车全部装满渣料。

(3)梭车出渣

1#电机车将装满渣料的梭车牵引至交汇处错车道内,1#电机车与梭车分离后停在轨道主线上,梭车卸料直至结束,2#电机车驶入错车道将梭车牵引至轨道主线的1#电机车附近,然后2#电机车行驶停放在错车道,主线上的1#电机车将梭车牵引至扒渣机尾部继续装料,如此直至完成该循环梭车出渣作业。

(4)自卸车准备

在梭车开始在错车道卸料时,安排4台自卸车驶入洞内,在交汇处调头后(保证自卸车车头朝向下游方向,以便出洞时无需在交汇处调头),依次停放在另一工作面的错车道内,做好装料准备,自卸车出渣布置详见图2。

(5)装载机装渣

待梭车卸料结束离开后,第1台自卸车驶入错车道停在轨道主线一侧,停在错车线一侧的装载机将临时堆料区的渣料转运至自卸车车厢内,自卸车斜停放亦可,待第1台自卸车装满渣料驶出交汇处后第2台自卸车驶入错车道开始装渣,如此循环作业,侧卸式装载机装渣方式见图3。

图3 侧卸式装载机装渣

(6)自卸车出渣

装满渣料的自卸车前行或后退至交汇处后直行驶出隧道,自行卸料在弃渣场,卸料结束后驶入隧道,在交汇处掉头后停放在另一工作面的错车道内,如此循环直至完成该循环的无轨出渣作业。

6 安全措施

隧道工程是我国《建设工程安全生产管理条例》中规定的危险性较大的分部分项工程之一,隧道施工事故无小事,安全管理是施工管理中的重中之重,因此,把安全管理放在首位,是保证隧道工程建设顺利完成的前提,隧道施工过程中的安全措施包括但不限于下述的4点。

(1)扒渣机、装载机、龙门吊及自卸车等设备作业时严禁无关人员进入工作区域,时刻关注周边环境中的潜在危险源,操作员严格按照操作规程进行操作。

(2)进洞自卸车必须进行检查并出于完好状态,其制动性能必须有效可靠,严禁人料同装,出渣过程中严禁超载、超高、超宽运输。人车相会时,人员靠边站立,车辆减速慢行,关闭远光。车辆行驶过程中严禁超速,交汇处设专人指挥交通,车辆暂停在隧道内时开双闪,以防遭其他车辆或设备碰撞。做好斜井支洞内外通讯交流和车辆调度,尽可能避免在斜井支洞内会车。

(3)作业人员进入隧道时应穿戴好防护用品,走人行道,不得与自卸车等抢道,严禁爬车、追车或强行搭车。

(4)安排人员定期养护路面,保证道路路面质量,确保行车安全,同时加强交汇处错车道至洞口段通风,确保洞内空气质量达标。

7 结语

含斜井支洞的小断面隧道宜选择主隧道有轨联合斜井支洞无轨出渣技术,具体应用时应考虑工程自身特点、合同及进度等要求,以便与现场施工更为贴合。实践证明,本工程采用该出渣技术取得了较好效果。主隧道采用有轨出渣,出渣效率高、工艺流程简单、易于实施、掌子面通风作业环境得到极大改善；斜井支洞采用无轨出渣,能够有效缓解斜井支洞的运输压力,消除斜井支洞出渣效率瓶颈；提高洞挖施工进度,节约隧道出渣时间,实际出渣作业占用时间仅为有轨出渣耗时；斜井支洞设置无极绳绞车系统,洞口布置充电房检修车间等,减少额外工程量,利于混凝土、钢拱架及钢筋等材料通过有轨设备直接运输至掌子面。