高強(qiáng)度、大坡度隧洞施工運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝建武

（山西省水利建筑工程局 山西太原 030006）

當(dāng)前，山西大水網(wǎng)工程正處于全面建設(shè)時(shí)期，在大水網(wǎng)工程建設(shè)項(xiàng)目中，輸水隧洞工程項(xiàng)目占有相當(dāng)大的比例，且有很多隧洞因地理位置及輸水線路等因素造成其埋深較大，坡度很大，由此帶來一些新的隧洞施工難題需要面對(duì)和克服，諸如通風(fēng)、出渣、供電、排水以及襯砌等。本文擬以實(shí)際工程為依托，對(duì)在工程實(shí)施中遇到的高強(qiáng)度、大坡度隧洞施工運(yùn)輸難題，有針對(duì)性地進(jìn)行分析研究，在確保安全施工的前提下，設(shè)計(jì)制定適宜的渣料裝、運(yùn)、卸方案及洞內(nèi)所需施工材料運(yùn)輸方案，以期為隧洞工程的順利實(shí)施奠定良好的基礎(chǔ)。

1 工程分析

在山西大水網(wǎng)隧洞工程項(xiàng)目中，中部引黃工程TBM2標(biāo)隧洞項(xiàng)目具有洞身埋深大、運(yùn)輸坡度大、運(yùn)輸距離長以及運(yùn)輸強(qiáng)度高等特點(diǎn)，可作為高強(qiáng)度、大坡度隧洞施工運(yùn)輸方案的代表工程進(jìn)行分析研究。

1.1 工程簡介

山西省中部引黃工程TBM2標(biāo)工程主洞口位于山西省呂梁市臨縣木瓜坪鄉(xiāng)楊家?guī)r村。主洞長20.325 km，坡度為1/2 500～1/3 000，采用TBM進(jìn)行施工；進(jìn)洞支洞長度為3.641 km，坡比6.5%，其中土洞段和巖土銜接段長687.48 m，采用人工鉆爆法施工，巖石段長2 953.52 m，采用TBM施工，加上主洞的20.325 km，主洞和部分支洞（TBM施工段）掘進(jìn)斷面相同，TBM施工總長度為23.279 km；進(jìn)口支洞高程與主、支洞交匯點(diǎn)的高程差212.56 m，主、支洞交匯處設(shè)32.367°左轉(zhuǎn)弧，弧長291.185 m，R=500 m；在進(jìn)洞支洞口50 m處和左轉(zhuǎn)弧15 m處有立面弧段，R=1 000 m。進(jìn)洞支洞入口鉆爆段，開挖斷面7.8 m，成馬蹄形，成型后斷面為6.5 m；TBM施工段開挖斷面5.06 m，預(yù)制管片襯砌，襯砌后斷面4.3 m，TBM每個(gè)循環(huán)1.4 m，每兩個(gè)循環(huán)出一次渣,掘進(jìn)機(jī)每個(gè)循環(huán)的時(shí)間為22 min，預(yù)制管片內(nèi)徑4.3 m，外徑4.8 m，厚度25 cm。

1.2 工程特點(diǎn)

該標(biāo)段隧洞主要采用TBM施工，先行對(duì)進(jìn)洞支洞施工，進(jìn)洞支洞前687.48 m段采用人工鉆爆法施工，后段2 953.52 m和長20.325 km的主洞采用TBM法進(jìn)行施工，開挖斷面為圓形，直徑5.06 m。進(jìn)洞支洞的坡度6.47%（全程直線下坡），總長3.3 km。進(jìn)度支洞施工完成后，進(jìn)行水平主洞施工。主洞施工的物料、人員進(jìn)出以支洞為運(yùn)輸通道。因人工鉆爆法施工只有687.48 m，對(duì)整個(gè)工程的進(jìn)度影響很小，故文中的開挖及運(yùn)輸強(qiáng)度的設(shè)計(jì)以TBM施工段為主。

因洞體開挖主要以TBM進(jìn)行，其掘進(jìn)強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鉆爆法施工，因而帶來高強(qiáng)度的渣料運(yùn)輸問題；又因坡度為6.47%的交通運(yùn)輸支洞，使得大坡度的運(yùn)輸成為亟需克服的難題。

1.3 隧洞施工運(yùn)輸工況要求

掘進(jìn)設(shè)備選用美國羅賓斯生產(chǎn)的TBM，全長420 m(其中含165 m的錯(cuò)車平臺(tái))，后配套為臺(tái)車式，軌距900 mm，采用38 kg/m軌道，最小轉(zhuǎn)彎半徑為25 m，TBM設(shè)備后配套可用通行機(jī)車的尺寸最寬不大于1.4 m，最高不大于1.8 m；要求機(jī)車在平洞段（主洞）空載20 km/h,重載15 km/h；斜洞段（進(jìn)洞支洞）下行重載7 km/h，上行空載15 km/h。

2 隧洞施工運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)工程運(yùn)輸強(qiáng)度高、運(yùn)輸坡度大等具體情況，在滿足安全的前提下，本著經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸?shù)脑瓌t，確定運(yùn)輸系統(tǒng)總體布置如下：支洞出渣采用連續(xù)皮帶機(jī)，支洞的材料運(yùn)輸采用無軌內(nèi)燃機(jī)車（以下簡稱膠輪車）牽引列車編組；主洞出渣采用25 t內(nèi)燃機(jī)車牽引列車編組，通過洞內(nèi)工業(yè)廣場轉(zhuǎn)送到支洞固定皮帶機(jī)（支洞施工時(shí)為連續(xù)皮帶機(jī)，主洞施工時(shí)改為固定皮帶機(jī)）進(jìn)行出渣，材料運(yùn)輸采用支洞段膠輪車運(yùn)至洞內(nèi)工業(yè)廣場重新編組，主洞段采用25 t內(nèi)燃機(jī)車牽引運(yùn)輸。

2.1 支洞段運(yùn)輸方案布置

2.1.1 支洞段出渣方案

進(jìn)洞支洞TBM掘進(jìn)出渣采用連續(xù)皮帶機(jī)出渣，掌子面渣料通過TBM自身皮帶機(jī)轉(zhuǎn)送給連續(xù)皮帶機(jī)，然后經(jīng)連續(xù)皮帶機(jī)將渣料運(yùn)至洞外的轉(zhuǎn)渣皮帶機(jī)將渣料轉(zhuǎn)至洞外轉(zhuǎn)渣場，最后用自卸汽車將渣料運(yùn)至棄渣場。支洞施工完畢后，將支洞段的連續(xù)皮帶機(jī)改為固定皮帶機(jī)，上述運(yùn)輸方案作為主洞掘進(jìn)時(shí)渣料在該段的運(yùn)輸方式。進(jìn)洞支洞出渣系統(tǒng)運(yùn)輸流程為：掘進(jìn)機(jī)掌子面渣料→TBM主機(jī)皮帶機(jī)（設(shè)備自帶）→TBM后配套皮帶機(jī)（設(shè)備自帶）→連續(xù)皮帶機(jī)→洞外轉(zhuǎn)渣皮帶機(jī)→洞外轉(zhuǎn)渣場→自卸車運(yùn)輸→棄渣場。

連續(xù)皮帶機(jī)出渣方式是將掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)渣料由主機(jī)皮帶機(jī)、后配套皮帶機(jī)、連續(xù)皮帶機(jī)共同組成連續(xù)排渣系統(tǒng)。在理想的工況下，TBM掘進(jìn)需要的輸送能力計(jì)算見表1。根據(jù)計(jì)算結(jié)果選用的連續(xù)皮帶機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表1 TBM掘進(jìn)皮帶機(jī)出渣能力計(jì)算參數(shù)

表2 連續(xù)皮帶機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2.1.2 支洞段材料運(yùn)輸方案

洞內(nèi)施工所需材料運(yùn)輸采用膠輪車牽引列車編組，洞外材料采用膠輪車牽引列車編組到TBM后配套的錯(cuò)車平臺(tái)后，將膠輪車的位置轉(zhuǎn)到列車編組的尾部，再由膠輪車將列車編組推進(jìn)TBM工作面。進(jìn)洞支洞材料運(yùn)輸流程為：洞外有軌機(jī)車牽引材料運(yùn)輸編組列車→在洞口有軌機(jī)車轉(zhuǎn)換為膠輪車→膠輪車牽引材料運(yùn)輸編組運(yùn)至洞內(nèi)工作面→膠輪車牽引列車編組返回洞口→再次編組循環(huán)。

材料運(yùn)輸?shù)闹饕獌?nèi)容有豆礫石、管片及水泥等，對(duì)材料要求運(yùn)輸能力進(jìn)行估算，進(jìn)洞最大載重為：1人車（滿載）+1豆礫石車（滿載）+3平板車（滿載）+4管片牽引車（滿載），總重約為105 t；出洞最大載重為：1人車（滿載）+1豆礫石車（空載）+3平板車（空載）+4管片牽引車（空載），總重約為45 t。

根據(jù)上述材料運(yùn)輸能力要求，對(duì)膠輪車的性能要求應(yīng)滿足最大載荷和上坡最高速度工況（15km/h）；適應(yīng)隧道內(nèi)濕滑、高塵土污染的工作環(huán)境；爬坡能力、通過能力強(qiáng)；車輛的緩速/制動(dòng)系統(tǒng)可保證運(yùn)行安全。該車的主要技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 無軌內(nèi)燃機(jī)車（膠輪車）主要技術(shù)參數(shù)

2.2 主洞段運(yùn)輸方案布置

主洞段TBM掘進(jìn)出渣和材料運(yùn)輸整體方案如下：

（1）在主洞段（樁號(hào)118+395.85)通過擴(kuò)挖方式修建210 m×10 m×8 m(長×寬×高)的洞內(nèi)工業(yè)廣場，廣場內(nèi)布置四條互通軌道，軌距900 mm，并設(shè)翻渣臺(tái)、轉(zhuǎn)渣皮帶機(jī)、給料、排水設(shè)備等附屬設(shè)施。

（2）TBM掘進(jìn)出渣采用25 t有軌內(nèi)燃機(jī)車牽引列車編組運(yùn)至洞內(nèi)工業(yè)廣場內(nèi)，通過翻渣機(jī)將渣料卸至料倉內(nèi)，料倉出渣口設(shè)給料機(jī)經(jīng)上仰式轉(zhuǎn)渣皮帶機(jī)將渣料轉(zhuǎn)運(yùn)至安裝在支洞的固定皮帶機(jī)，其后渣料的運(yùn)輸流程與支洞掘進(jìn)時(shí)的運(yùn)輸方式相同。

（3）洞內(nèi)施工材料采用膠輪車牽引有軌列車編組至主洞工業(yè)廣場更換為有軌內(nèi)燃機(jī)車牽引至施工作業(yè)場，材料列車編組空載返回到洞內(nèi)工業(yè)廣場再更換為膠輪車牽引至洞外進(jìn)行下一循環(huán)作業(yè)。

2.2.1 主洞段出渣方案

由TBM掘進(jìn)機(jī)中的皮帶機(jī)（設(shè)備自帶）將掌子面渣料運(yùn)輸至后配套卸渣口，列車編組接料，再由有軌內(nèi)燃機(jī)車將列車編組牽引至洞內(nèi)工業(yè)廣場的翻渣臺(tái)，翻渣后通過上仰轉(zhuǎn)渣皮帶機(jī)將渣料轉(zhuǎn)至固定皮帶機(jī)（由支洞段的連續(xù)皮帶機(jī)改裝而成）。需要說明的是，主洞段的渣料運(yùn)輸由25 t的內(nèi)燃機(jī)車進(jìn)行牽引運(yùn)輸，該機(jī)與TBM為配套設(shè)施，運(yùn)輸能力完全滿足要求。渣料運(yùn)到支洞后其與前述運(yùn)輸方式相同。

主洞出渣系統(tǒng)運(yùn)輸流程為：TBM掌子面渣料→TBM主機(jī)皮帶機(jī)→TBM后配套皮帶機(jī)→渣斗車運(yùn)輸→洞內(nèi)工業(yè)廣場翻渣→轉(zhuǎn)渣皮帶機(jī)→固定皮帶機(jī)→洞外轉(zhuǎn)渣皮帶機(jī)→洞外轉(zhuǎn)渣場→自卸車運(yùn)輸至棄渣場。

2.2.2 主洞段材料運(yùn)輸方案

膠輪車牽引材料編組列車至洞內(nèi)工業(yè)廣場再轉(zhuǎn)換有軌機(jī)車牽引至洞內(nèi)工作面，然后空載返回洞內(nèi)工業(yè)廣場轉(zhuǎn)換為膠輪車牽引進(jìn)行編組循環(huán)。其各段運(yùn)輸方式及運(yùn)輸能力與前述支洞段基本相同。

主洞施工材料運(yùn)輸流程為：洞外有軌機(jī)車牽引材料列車編組→洞口轉(zhuǎn)換為膠輪車牽引→工業(yè)廣場換為有軌機(jī)車牽引至洞內(nèi)工作面→返回工業(yè)廣場轉(zhuǎn)換為無軌牽引→洞口轉(zhuǎn)換有軌機(jī)車→再次編組循環(huán)。

3 結(jié)語

客觀地說，主洞掘進(jìn)的渣料運(yùn)輸若全部采用連續(xù)皮帶機(jī)方案從技術(shù)角度講完全可以滿足要求，但造價(jià)卻要高出很多。因此，前述渣料運(yùn)輸系統(tǒng)布置貌似復(fù)雜，但這恰恰說明了工程技術(shù)人員的用心良苦，在滿足進(jìn)度及安全的前提下，經(jīng)過測算，上述方案比全部用皮帶機(jī)節(jié)省固定資產(chǎn)投資約1 000萬元，且運(yùn)行費(fèi)用也少約4元/臺(tái)時(shí)。由此可以看出，針對(duì)具體工程情況進(jìn)行切合實(shí)際的分析研究，并據(jù)以制定出適宜的施工方案是非常有必要的。