無(wú)軌運(yùn)輸隧道施工輔助斜井型式探討

張海超， 蔡振宇

(1.中鐵隧道集團(tuán)有限公司， 河南 洛陽(yáng)　471009； 2.中鐵隧道集團(tuán)有限公司杭州公司， 浙江 杭州　310030)

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無(wú)軌運(yùn)輸隧道施工輔助斜井型式探討

張海超1， 蔡振宇2

(1.中鐵隧道集團(tuán)有限公司， 河南 洛陽(yáng)471009； 2.中鐵隧道集團(tuán)有限公司杭州公司， 浙江 杭州310030)

摘要：為解決隧道施工輔助斜井單、雙車道選擇以及斜井輪廓尺寸方面的問題，通過(guò)對(duì)行車限定速度、錯(cuò)車時(shí)車輛通過(guò)情況進(jìn)行模擬，以數(shù)學(xué)推導(dǎo)的方法，分析單、雙車道的通過(guò)能力，研究斜井內(nèi)的斷面布置。認(rèn)為單、雙車道斜井的通過(guò)能力相差極大，當(dāng)通過(guò)斜井開辟隧道施工工作面較多，計(jì)算施工高峰期總車流量大于單車道斜井最大通過(guò)能力時(shí)必須采用雙車道；同時(shí)通過(guò)對(duì)單、雙車道斷面布置中的車輛外形、各種間隙、人行道、管路、水溝等尺寸的研究，提出了單、雙線斜井輪廓尺寸。

關(guān)鍵詞：隧道； 無(wú)軌運(yùn)輸斜井； 輔助坑道； 單車道； 雙車道； 斷面布置； 斷面尺寸

0引言

近年來(lái)施工的長(zhǎng)大隧道，多采用斜井、豎井形式實(shí)施“長(zhǎng)隧短打”方案[1-2]，其中斜井的型式、斷面選擇直接影響著隧道的工期及造價(jià)[3]。一般情況下斜井縱坡傾角小于7°～8°時(shí)，采用無(wú)軌運(yùn)輸[4-5]，國(guó)外多數(shù)學(xué)者認(rèn)為坡度在10%左右為宜[6]。無(wú)軌運(yùn)輸斜井相比有軌運(yùn)輸斜井而言投入低、效率高[7]，故在實(shí)際應(yīng)用中越來(lái)越多，但在無(wú)軌斜井單、雙線型式選擇、斷面布置方面的文獻(xiàn)較少，且在單、雙車道選擇中至關(guān)重要的通過(guò)能力指標(biāo)以及斷面布置中的一些具體參數(shù)也缺少依據(jù)。與通過(guò)能力相關(guān)研究如斜坡道年通過(guò)能力計(jì)算[8]、農(nóng)村單車道公路錯(cuò)車道設(shè)置[9]、低等級(jí)道路通行能力計(jì)算[10]等也與隧道施工特點(diǎn)有較大差別。一些文獻(xiàn)中給出了單雙車道斜井的斷面圖或斷面尺寸[11-14]、安全間隙[15]等，但少有涉及斷面布置中所需要考慮的具體參數(shù)及依據(jù)。

本文從滿足隧道施工需要，兼顧施工效率的角度，通過(guò)對(duì)無(wú)軌運(yùn)輸斜井通過(guò)能力與施工高峰期運(yùn)輸車流量的對(duì)比分析，提出以斜井運(yùn)輸能力是否滿足隧道施工基本需求來(lái)選擇斜井單、雙車道的方法，并通過(guò)對(duì)單、雙車道斜井?dāng)嗝娌贾弥械母鞣N參數(shù)分析，提供斜井?dāng)嗝娉叽邕x擇的理論依據(jù)。

1無(wú)軌運(yùn)輸施工輔助斜井單雙車道選擇

1.1選擇原則

在單車道斜井能滿足交通運(yùn)輸?shù)那闆r下，優(yōu)先選用單車道斜井。當(dāng)計(jì)算隧道內(nèi)高峰車流量大于斜井最大通過(guò)能力時(shí)，則或者調(diào)整隧道施工進(jìn)度，減小運(yùn)輸量；或者使用雙車道斜井。

1.2單車道斜井最大通行能力測(cè)算

單車道斜井的最大通行能力受錯(cuò)車道的距離和斜井內(nèi)的行車速度限制，故要先確定斜井內(nèi)的行車速度和錯(cuò)車道距離2個(gè)指標(biāo)。

1.2.1最高行車速度

便道的行車速度，國(guó)家和交通行業(yè)主管部門均無(wú)明確規(guī)定，應(yīng)由便道的設(shè)計(jì)單位根據(jù)便道的寬度、坡度、通行車輛、視線條件等綜合確定。在GBJ 22—1987《廠礦道路設(shè)計(jì)規(guī)范》中采用的計(jì)算速度為15 km/h。由于斜井交通一般情況下坡度較大、路面潮濕、照明條件不好，本文中施工斜井內(nèi)的重載車輛最大限速取≤15 km/h。

1.2.2斜井內(nèi)錯(cuò)車道距離設(shè)置

斜井內(nèi)的錯(cuò)車道設(shè)置一般為200 m左右[16-17]，從理論上來(lái)說(shuō)錯(cuò)車道間距離越短，通行能力越大，但如錯(cuò)車道設(shè)置過(guò)密，則施工難度加大，從經(jīng)濟(jì)上來(lái)說(shuō)就失去了設(shè)錯(cuò)車道的意義了。

1.2.3斜井內(nèi)實(shí)際車速測(cè)算

井內(nèi)影響實(shí)際行車速度主要為錯(cuò)車影響，其次還有司機(jī)熟練程度、車輛狀況、路面平整度和濕潤(rùn)度及意外情況等。為簡(jiǎn)化計(jì)算，本文中僅計(jì)算錯(cuò)車影響，其他影響在計(jì)算后按0.9的折算系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，錯(cuò)車道影響計(jì)算時(shí)按極端情況： 上行重車按最小間距依次排列，不間斷通行，下行空車在每個(gè)錯(cuò)車道避讓為假定模型。

1)每次錯(cuò)車耽誤時(shí)間?？哲嚢l(fā)現(xiàn)重載車輛后減速并進(jìn)入錯(cuò)車道平均時(shí)間0.7 min，重載車輛發(fā)現(xiàn)前方車輛后減速慢行到重新加速耽誤時(shí)間0.3 min，空載車輛等待、重新啟動(dòng)后加速耽誤時(shí)間1.0 min。

2)斜井內(nèi)錯(cuò)車次數(shù)。由于計(jì)算斜井最大通過(guò)能力的假定模型是重車以最小間距依次排列，不間斷通行，空車為每個(gè)錯(cuò)車道避讓，故避讓次數(shù)即為錯(cuò)車道個(gè)數(shù)。錯(cuò)車次數(shù)

N=l/200。

式中：N計(jì)算結(jié)果取整數(shù)；l為斜井長(zhǎng)度，m。

3)全斜井因錯(cuò)車耽誤總時(shí)間等于每次錯(cuò)車耽誤時(shí)間乘以錯(cuò)車次數(shù)。

(0.7+0.3+1.0)×N= 2.0N(min)。

4)考慮全部因素后斜井平均車速。

v=2Kl/(0.008l+2.0N)。

式中：v為斜井平均行車速度，m/min；K為折算系數(shù)，一般取0.9。

1.2.4單車道斜井最大通行能力

斜井最大通行能力計(jì)算時(shí)，假定上下行車輛均按平均速度v勻速行駛，上下行之間互不干擾，但為保證能按1.2.3節(jié)的假定斜井通行模型錯(cuò)車，同向車輛之間的間距必須大于2個(gè)錯(cuò)車道的間距。斜井內(nèi)錯(cuò)車示意如圖1所示。

圖1　斜井內(nèi)錯(cuò)車示意圖

取同向2車間距為450 m，則上行2輛車通過(guò)同一斷面的時(shí)間間隔為450/v。

斜井內(nèi)任一斷面1個(gè)小時(shí)能單向通過(guò)的車輛(即單車道斜井的最大通過(guò)能力)為60v/450=0.133v(輛/h)。

1.3雙車道最大通行能力計(jì)算

1.3.1計(jì)算車速

由于雙車道斜井不考慮錯(cuò)車等待因素，其通過(guò)能力主要為受車輛行車速度所限和前后車距所限，計(jì)算雙車道斜井的最大通過(guò)能力時(shí)，行車速度按最高行車速度15 km/h計(jì)算(具體分析見1.2.1節(jié))。

1.3.2同向行駛車輛前后間距

國(guó)家對(duì)便道低速行車時(shí)的前后車間距并無(wú)強(qiáng)制性規(guī)定，GBJ 22—1987《廠礦道路設(shè)計(jì)規(guī)范》廠內(nèi)道路的會(huì)車視距為30 m。鑒于斜井一般縱坡較大、照明條件差、對(duì)視線及停車造成影響較大，故取會(huì)車視距的2倍即60 m作為斜井內(nèi)的前后車距。

1.3.3最大通過(guò)能力

斜井內(nèi)2車通過(guò)同一斷面的時(shí)間間隔為

60 m÷15 000 m/h=0.004 h。

最大通過(guò)能力為斜井內(nèi)任一斷面1 h能單向通過(guò)的車輛，考慮錯(cuò)車、車輛間距不均等影響取折算系數(shù)0.85，則最大通過(guò)能力為

0.85×1 h÷0.004 h/輛=213輛。

1.4施工高峰期斜井車流量

1.4.1單工作面出碴車輛計(jì)算

N=K1K2S×D÷T÷(K3Q)。

式中：N為單工作面單位出碴車數(shù)，輛/h；S為工作面斷面積，m2；D為工作面循環(huán)進(jìn)尺，m；T為工作面出碴作業(yè)工序循環(huán)時(shí)間，h；Q為自卸汽車斗容量，m3；K1為超挖系數(shù)，根據(jù)圍巖地質(zhì)及斷面大小確定，一般取1.02～1.1；K2為隧道巖石松散系數(shù)，一般取1.3～1.5；K3為裝車系數(shù)，一般取0.8～1.0。

1.4.2單位時(shí)間內(nèi)總出碴車輛計(jì)算

斜井進(jìn)入主隧道后，當(dāng)主隧道為單洞時(shí)，工作面的個(gè)數(shù)為1—2；當(dāng)主隧道為雙洞時(shí)，工作面?zhèn)€數(shù)為2—4；特殊情況下如采用平導(dǎo)接應(yīng)正洞時(shí)，工作面?zhèn)€數(shù)可能更多。

因?yàn)楦鏖_挖工作面不可能安排同時(shí)出碴(極個(gè)別情況下可能出現(xiàn)，需現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整)，故計(jì)算出碴工作面要低于實(shí)際開挖面數(shù)，具體數(shù)量需根據(jù)實(shí)際施工組織進(jìn)度要求選用，一般情況下也可考慮按表1選取。

表1　計(jì)算工作面選取表

單位時(shí)間內(nèi)的總出碴車輛由計(jì)算出碴工作面和單工作面出碴車輛計(jì)算得出。

1.4.3單位時(shí)間內(nèi)混凝土運(yùn)輸車流量

見表2。

表2　單工作面混凝土運(yùn)輸車流量表

1.4.4其他車流量

其他進(jìn)料及人員上下班專用車輛一般情況下不考慮，由于工人徙步上班距離一般不宜超過(guò)3 km[18]，考慮斜井交通情況，在斜井長(zhǎng)度≥2 km時(shí)可考慮1輛/h的人員上下班車輛。

1.4.5施工高峰期斜井總車流量

由單位時(shí)間內(nèi)的出碴車輛、噴射混凝土車輛、模筑混凝土車輛及人員車輛相加即可。

1.5斜井單雙車道比選

根據(jù)上文計(jì)算，如施工高峰期斜井總車流量大于單車道斜井的最大通行能力，則必須選用雙車道斜井；如小于單車道通行能力則還需要根據(jù)施工效率進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比選，由于涉及因素較多，此處不進(jìn)行詳細(xì)探討。

2無(wú)軌運(yùn)輸施工輔助斜井?dāng)嗝孢x擇

2.1單車道無(wú)軌斜井?dāng)嗝娌贾?/p>

施工輔助斜井的凈空斷面在鐵路和公路的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中均沒有明確要求，僅原則性的說(shuō)明滿足行車、通風(fēng)、排水、逃生、救災(zāi)等使用功能要求。

本文介紹的是施工用臨時(shí)斜井，故僅從滿足施工需求方面對(duì)斜井凈空斷面要求進(jìn)行分析，斷面布置如圖2和圖3所示。

2.1.1具體參數(shù)確定

1)人行道寬度b1。TB 10003—2005《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，人行道寬度不小于0.7 m；JTG D 70—2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，斜井必須設(shè)置寬度不小于0.75 m的人行道。

本圖為直線段斷面，曲線處需相應(yīng)加寬。

圖2單車道斜井正常段斷面凈空?qǐng)D(單位： cm)

Fig. 2Cross-section of normal section of single-lane inclined shaft (cm)

本圖為直線段斷面,曲線處需相應(yīng)加寬。

圖3單車道斜井錯(cuò)車段斷面凈空?qǐng)D(單位： cm)

Fig. 3Cross-section of vehicle passing section of single-lane inclined shaft (cm)

2)車輛兩側(cè)間隙?！兑苯鸬叵碌V山安全規(guī)程》2.1.8規(guī)定： 在水平巷道和斜井中,運(yùn)輸設(shè)備之間以及運(yùn)輸設(shè)備與支護(hù)之間的間隙,不應(yīng)小于0.3 m。GBJ 22—1987《廠礦道路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定： 場(chǎng)內(nèi)道路邊緣至管線支架的最小凈距為1.0 m?？紤]斜井施工更接近礦山施工，本文中取兩側(cè)間隙為0.4 m，為安全及行車速度考慮，也取稍大值。

3)水溝及風(fēng)水管路占寬。斜井施工一般為2個(gè)以上工作面，風(fēng)水管路占寬根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取0.3 m。

4)車輛通行寬度B。按斜井通過(guò)的最寬設(shè)備裝載機(jī)計(jì)算。常用裝載機(jī)參數(shù)見表3。

表3　常用裝載機(jī)參數(shù)表

5)車輛高度H。按斜井通過(guò)的最高設(shè)備混凝土運(yùn)輸車考慮。國(guó)內(nèi)常用混凝土運(yùn)輸車規(guī)格見表4。

表4 　常用混凝土運(yùn)輸車參數(shù)表

6)通行車輛頂與通風(fēng)占用空間之間的間隙。施工期間斜井井身一般未進(jìn)行二次襯砌施工，考慮施工、測(cè)量誤差等造成的地面不平順、拱頂起伏等因素，需預(yù)留20 cm間隙防止出現(xiàn)車輛擦掛風(fēng)管、風(fēng)道等。

7)水溝寬度b2。由于斜井排水較為重要，一般需根據(jù)涌水量進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，如無(wú)專項(xiàng)設(shè)計(jì)尺寸，b1一般取15～30 cm。

8)隧道通風(fēng)占用空間。直接影響斜井的高度，需根據(jù)斜井長(zhǎng)度，進(jìn)入主隧道后的施工任務(wù)及斷面情況進(jìn)行詳細(xì)的通風(fēng)設(shè)計(jì)，根據(jù)專項(xiàng)設(shè)計(jì)確定通風(fēng)所占用的高度值。

2.1.2單車道斜井?dāng)嗝娲_定

由2.1.1節(jié)可以確定出斜井凈空斷面所需要的凈高和凈寬總值，確定斜井?dāng)嗝孢€需根據(jù)斜井的地質(zhì)情況決定斜井邊墻為直墻還是曲墻，如設(shè)計(jì)為曲墻，則根據(jù)曲率大小，還可將風(fēng)水管路的所用空間適當(dāng)減小，從而減小斜井的凈寬。

斜井邊墻直線段高度必須保證載重汽車無(wú)障礙通行，頂部曲線一般情況下選擇同心圓，曲率可根據(jù)地質(zhì)情況和空間布置情況調(diào)整。

斜井曲線地段適當(dāng)加寬，加寬值根據(jù)曲線半徑大小確定，具體計(jì)算方法可參照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》和《城市地下道路設(shè)計(jì)規(guī)范》確定。

斜井加寬段設(shè)計(jì)應(yīng)盡量保證斜井未加寬側(cè)的起拱線以下部分不變。

2.2雙車道無(wú)軌斜井?dāng)嗝娌贾?/p>

2.2.1雙車道斷面布置

見圖4。

本圖為直線段斷面，曲線處需相應(yīng)加寬。

圖4雙車道斜井?dāng)嗝鎯艨請(qǐng)D(單位： cm)

Fig. 4Cross-section of twin-lane inclined shaft (cm)

2.2.2具體參數(shù)確定

1)車輛寬度。由于斜井內(nèi)裝載機(jī)通過(guò)較少，故不考慮裝載機(jī)在正常行車中的錯(cuò)車問題，GB 1589—1989《汽車外輪廓尺寸限界》規(guī)定，車輛總寬(不包括后視鏡)不能超過(guò)2.5 m，而現(xiàn)階段的載重自卸汽車和混凝土運(yùn)輸車寬度也基本為2.4～2.5 m，故選用2.5 m。

2)兩車間凈橫距。國(guó)家對(duì)低速便道的行車凈橫距并無(wú)明確的要求，在GBJ 22—1987《廠礦道路設(shè)計(jì)規(guī)范》的橋涵荷載計(jì)算時(shí)，30 t以下載質(zhì)量自卸汽車采用的橫向布置凈距為0.6 m。實(shí)際2車凈距為0.6 m，即錯(cuò)車時(shí)除去2車后視鏡所占空隙外，實(shí)際凈距僅0.3 m。如2車間凈距少于0.6 m，不能保證正常通行過(guò)程中的錯(cuò)車安全，故本文中取0.6 m。

2.2.3雙車道斜井?dāng)嗝娲_定

雙車道斜井?dāng)嗝娲_定所應(yīng)遵循的原則同單車道斜井相同，具體參照2.1.2節(jié)。

3結(jié)論與探討

在斜井?dāng)嗝孢x擇的過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合施工組織對(duì)各工作面循環(huán)作業(yè)時(shí)間中出碴工序占用作業(yè)時(shí)間的邊界條件進(jìn)行綜合分析，合理選擇斜井?dāng)嗝嫘褪?。單、雙車道斜井的通過(guò)能力相差15～20倍，故當(dāng)通過(guò)斜井開辟隧道施工面較多，且計(jì)算施工高峰期總車流量大于單車道斜井最大通過(guò)能力時(shí)必須采用雙車道。

本文以滿足施工基本需求為前提，以邏輯推導(dǎo)和數(shù)學(xué)計(jì)算的方式得出單、雙車道斜井型式選擇時(shí)，必須考慮的運(yùn)輸能力指標(biāo)校驗(yàn)方法；同時(shí)通過(guò)對(duì)單、雙車道斷面布置中的車輛外形、各種間隙、人行道、管路、水溝等參數(shù)的研究，提供了其在實(shí)際應(yīng)用中的選擇方法和理論依據(jù)。

無(wú)軌運(yùn)輸斜井?dāng)嗝嫘褪郊拜喞叽绲拇_定需要考慮很多因素，如至關(guān)重要的建井成本與施工工效間的關(guān)系，對(duì)運(yùn)輸能力指標(biāo)影響較大的斜井內(nèi)最高行駛速度、車距等指標(biāo)，均沒有形成統(tǒng)一的權(quán)威認(rèn)知，需要各界專家學(xué)者來(lái)充分論證。

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Discussion on Mode of Trackless Auxiliary Inclined Shaft for Tunnel Constraction

ZHANG Haichao1, CAI Zhenyu2

(1.ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China; 2.HangzhouBranch,ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Hangzhou310030,Zhejiang,China)

Abstract:The situation of vehicle passed under the conditions of limited vehicle running speed and vehicle passing is simulated. The transportation capacity of single-lane and twin-lane are analyzed by means of mathematical deduction method. The layout of the inclined shaft cross-section is analyzed. The results show that: 1) The vehicle passing capacity of twin-lane inclined shaft is far larger than that of single-lane inclined shaft. 2) The cross-section size of single-lane inclined shaft and that of twin-lane inclined shaft are proposed by making analysis on relevant parameters.

Keywords:tunnel; trackless inclined shaft; auxiliary tunnel; single lane; twin lane; cross-section layout; cross-section size

中圖分類號(hào)：U 45

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-741X(2016)02-0200-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.02.012

作者簡(jiǎn)介：第一 張海超(1970—)，男，河南洛陽(yáng)人，2011年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，鐵道工程專業(yè)，本科，工程師，主要從事工程管理工作。 E-mail: 459091411@qq.com。

收稿日期：2015-10-10; 修回日期: 2015-11-20