小斷面隧道有軌聯(lián)合斜井無軌出渣技術(shù)探討

(中國葛洲壩集團(tuán)第五工程有限公司,湖北 宜昌 443002)

1 概述

近年來,隨著國家對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力投入,在鐵路、公路、航運(yùn)、水工、市政及采礦等工程建設(shè)領(lǐng)域,涉及到大量的隧道工程。斜井支洞用來增加主隧道工作面,減少隧道單個工作面作業(yè)長度,長大隧道斜井支洞出渣作業(yè)為關(guān)鍵線路,直接制約主隧道的施工進(jìn)度,故出渣方案的選擇是控制施工工期的重點(diǎn),采用經(jīng)濟(jì)合理的出渣方案,可保證施工安全、高效、低成本的順利進(jìn)行。

出渣運(yùn)輸方式包括無軌出渣運(yùn)輸、有軌出渣運(yùn)輸和無軌裝渣有軌運(yùn)輸?shù)葞追N。在隧道工程的實施過程中,含斜井支洞的小斷面隧道因斜井限制運(yùn)輸效率、作業(yè)空間狹小、通風(fēng)難度大、相鄰工作面施工易相互干擾等因素,使得施工進(jìn)度難以提高。因此,需要一種高效、環(huán)保、安全的出渣方式,減輕斜井支洞運(yùn)輸壓力,縮短出渣作業(yè)時間,以提高洞挖施工效率。有軌出渣效率高、無廢氣排放,但不適用于陡坡段；無軌出渣靈活度高,但對洞內(nèi)通風(fēng)條件有不利影響。通過有軌和無軌聯(lián)合出渣,即在坡度緩、距離長的主隧道采用有軌出渣,在坡度陡但較短的斜井支洞采用無軌出渣,可有效彌補(bǔ)斜井支洞陡坡對有軌出渣的不利影響,提高小斷面隧道斜井支洞出渣效率。

本文結(jié)合肯尼亞供水隧道一期工程實例,分析小斷面隧道采用主隧道有軌聯(lián)合斜井無軌出渣技術(shù)的平面布置、設(shè)備選型、工藝流程及安全措施等,目前該技術(shù)尚未在小斷面隧道中廣泛應(yīng)用。而通常采用單一的無軌出渣、有軌出渣,或在洞口設(shè)置吊裝轉(zhuǎn)渣設(shè)施。相較于傳統(tǒng)出渣方式,本文采用的技術(shù)具有出渣效率高、安全風(fēng)險小、節(jié)約成本及節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)。

2 工程概況

肯尼亞供水隧道一期工程(以下簡稱“本工程”)位于肯尼亞首都內(nèi)羅畢北部約70 km處,處于東非大裂谷地帶。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進(jìn)水口,修建一條長11.7 km、開挖直徑4.1 m、縱向坡度為0.15%的馬蹄形斷面引水隧洞,將部分河水引流至Thika水庫。此外,還包括Kaanja河附近施工支洞(以下簡稱“Kaanja斜井支洞”),支洞長620 m；Gikigie河附近引水支洞,支洞長274 m；Irati河附近豎井,豎井深52 m,豎井與主洞之間的連接洞長18.4 m。其中,Kaanja斜井支洞洞口87 m為平坡段(含洞口30m直線段、32 m半徑r為30 m的弧線段、25 m直線段),中間480 m是坡度i為9.123%的陡坡段,交匯處53 m為平坡段。

肯尼亞政府對環(huán)保要求很高,優(yōu)先選擇電驅(qū)動的有軌出渣方式,Kaanja斜井支洞坡度陡,有軌設(shè)備需無極繩絞車輔助配合行駛,但無極繩絞車工作效率不高,使得Kaanja斜井支洞嚴(yán)重制約了出渣作業(yè)效率。為提高斜井支洞出渣效率,將Kaanja斜井支洞出渣方式調(diào)整為無軌出渣(以利用無軌出渣的高度靈活性),在交匯處上下游均設(shè)置臨時堆料區(qū),采用側(cè)卸式裝載機(jī)將渣料裝車,通過自卸車運(yùn)輸至洞外,以解決出渣作業(yè)瓶頸,提高洞挖施工效率。同時,在Kaanja斜井支洞設(shè)置一套無極繩絞車系統(tǒng),以協(xié)助有軌設(shè)備進(jìn)出隧道,便于電機(jī)車充電和有軌設(shè)備維護(hù)保養(yǎng),使得混凝土、鋼拱架及鋼筋等材料能夠直接運(yùn)輸至掌子面。

3 施工布置

3.1 洞口區(qū)域布置

小斷面隧道內(nèi)可利用空間狹小,有軌設(shè)備充電房、檢修車間等宜布置在洞口附近,同時,拌和站和加工廠等設(shè)施也應(yīng)就近布置,利于材料快速裝車運(yùn)輸至洞內(nèi),本工程距洞口230 m處設(shè)置有棄渣場。

3.2 斜井支洞布置

將鋼軌(軌型為18 kg/m,軌距為600 mm)布置在隧道仰拱中間。無極繩絞車主機(jī)和控制室設(shè)置在洞口處,牽引鋼絲繩設(shè)置在軌道中間,通過拖繩輪組、壓繩輪組等控制鋼絲繩高度和轉(zhuǎn)彎,尾輪設(shè)置在斜井支洞陡坡段末端。軌道兩側(cè)澆筑自卸車路面混凝土,路面高程與軌道面高程一致,在回轉(zhuǎn)鋼絲繩一側(cè)預(yù)埋鋼管供鋼絲繩穿過,在洞口軌道自卸車穿越處、輪組和尾輪等部位設(shè)置簡易鋼棧橋,利于自卸車平穩(wěn)通過以及輪組維護(hù)或更換,Kaanja斜井支洞布置見圖1。

圖1 Kaanja斜井支洞布置

3.3 交匯處布置

在斜井支洞和主隧道交匯處的上下游均布置長度約70 m的錯車道。錯車線和主線之間的距離保證有軌設(shè)備會車時最小間距不小于50 cm,錯車道用于錯車和臨時堆料,交匯處錯車道軌道兩側(cè)均澆筑混凝土至軌道面高程,利于裝載機(jī)和自卸車行駛、掉頭、裝渣等,交匯處錯車道及出渣設(shè)備布置詳見圖2。

圖2 交匯處錯車道及出渣設(shè)備布置

3.4 主隧道布置

將鋼軌(軌型為18 kg/m,軌距為600 mm)布置在隧道仰拱中間,每700～800 m設(shè)置一個長度為60 m的錯車道,利于后期增加有軌出渣設(shè)備后有序會車,梭車進(jìn)洞開始每循環(huán)出渣前在洞口檢修車間掉頭,保證梭車裝料時卸料高端在相應(yīng)掌子面背側(cè)。

4 設(shè)備選型

根據(jù)進(jìn)度要求,考慮每月25 d正常施工時間,兩個主洞作業(yè)面每天需完成2個循環(huán)開挖出渣作業(yè),每循環(huán)進(jìn)尺為2.5 m,每循環(huán)松散渣料量為52 m3。

4.1 有軌出渣設(shè)備

(1)有軌梭車

梭車整車尺寸要滿足隧道斷面尺寸要求,在此基礎(chǔ)上盡可能選擇容渣量大的型號,根據(jù)進(jìn)度要求確定梭車數(shù)量,梭車數(shù)量可按公式(1)進(jìn)行計算：

式中：n1為每組梭車的數(shù)量(臺)；M為梭車車組數(shù)；A為最低出渣效率(m3/h)；T為梭車往返時間(min)；K為梭車充盈系數(shù),取0.8；V為梭車容積(m3)。

經(jīng)計算確定,前700 m洞挖作業(yè)配備4臺梭車,梭車容渣量為6 m3,隨著洞挖進(jìn)尺變大,每700 m增加4臺梭車。

(2)有軌電機(jī)車

有軌電機(jī)車為出渣作業(yè)提供動力,其爬坡牽引能力需滿足同時牽引4臺裝滿渣料的梭車的要求,牽引能力驗算可參考公式(2)進(jìn)行計算：

式中：n2為電機(jī)車一次最多牽引梭車數(shù)量；q為梭車自重+載重(t)；?為運(yùn)行時粘著系數(shù),取0.15；Pc、P分別為機(jī)車粘著重、機(jī)車自重,一般兩者相等(t)；W為重車運(yùn)行時基本阻力(N)；W1為坡度阻力(N),取平均坡度千分?jǐn)?shù)的絕對值；R為線路曲線半徑(m)。

經(jīng)計算,洞挖前700 m兩工作面共用3臺,隨著洞挖進(jìn)尺加大,每700 m增加1臺電機(jī)車。

4.2 無軌出渣設(shè)備

合理調(diào)度使得兩個主隧道工作面不同時出渣,自卸車出渣時間與有軌梭車出渣時間相當(dāng),以盡可能減少自卸車出渣占用Kaanja斜井支洞的時間,減輕對混凝土、鋼筋網(wǎng)及鋼拱架等材料運(yùn)輸?shù)挠绊憽?/p>

自卸車首先要滿足隧道斷面尺寸要求,確保作業(yè)過程中對初期支護(hù)和設(shè)備設(shè)施等不造成影響,然后盡可能選擇容渣量大的型號,最后根據(jù)進(jìn)度要求確定自卸車數(shù)量,計算公式詳見公式(3)、公式(4)：

式中：T1為每循環(huán)有軌出渣時間(h)；n1為每組梭車的數(shù)量,取4臺；t1為每臺梭車的裝渣時間,取0.17 h/車；l為梭車運(yùn)輸長度,取0.7 km；v1為電機(jī)車行駛速度,取6 km/h；t2為每臺梭車的卸渣時間,取0.08 h/車；N1為每循環(huán)進(jìn)尺梭車出渣次數(shù),取3次。

式中：T2為每循環(huán)無軌出渣時間(h)；n2為自卸車數(shù)量(臺)；t3為每臺自卸車的裝渣時間,取0.08 h/車；v2為自卸車斜井支洞行駛速度,取6 km/h；v3為自卸車洞外行駛速度,取12 km/h；t4為每臺自卸車的卸料時間,取0.05 h/車；N2為每循環(huán)進(jìn)尺自卸車出渣次數(shù),取4次。

需要滿足T1≥T2的要求,經(jīng)計算,選定4臺自卸車,自卸車容渣量為4.5 m3。

4.3 其它輔助設(shè)備

其它輔助設(shè)備包括扒渣機(jī)、裝載機(jī)和無極繩絞車。

(1)扒渣機(jī)：扒渣機(jī)兼顧軟巖開挖和裝渣,整機(jī)尺寸需滿足隧道斷面尺寸要求,最后選定2臺扒渣機(jī)。

(2)裝載機(jī)：裝載機(jī)宜選擇側(cè)卸式,利于在錯車道內(nèi)裝渣,整車尺寸需滿足隧道斷面尺寸要求,最后選定1臺側(cè)卸式裝載機(jī)。

(3)無極繩絞車：無極繩絞車牽引能力需滿足單次最少同時牽引1臺電機(jī)車和1臺梭車的要求,選定1臺無極繩絞車。

5 工藝流程

Kaanja主隧道有軌出渣聯(lián)合斜井支洞無軌出渣作業(yè)的主要施工工藝流程為：梭車準(zhǔn)備→扒渣機(jī)裝渣→梭車出渣→自卸車準(zhǔn)備→裝載機(jī)裝渣→自卸車出渣。

(1)梭車準(zhǔn)備

首先利用洞口檢修車間10 t龍門吊將梭車調(diào)轉(zhuǎn)車頭,確保到達(dá)出渣掌子面時梭車卸料高端在掌子面背側(cè),然后將4臺梭車串聯(lián)后經(jīng)電機(jī)車牽引至扒渣機(jī)尾部準(zhǔn)備裝渣。

(2)扒渣機(jī)裝渣

扒渣機(jī)鏟斗將渣料扒至運(yùn)輸槽鏟板,渣料經(jīng)運(yùn)輸槽運(yùn)輸至尾部下方的梭車車廂內(nèi),前3臺梭車開啟皮帶將渣料轉(zhuǎn)運(yùn)至第4臺梭車,直至4臺梭車全部裝滿渣料。

(3)梭車出渣

1#電機(jī)車將裝滿渣料的梭車牽引至交匯處錯車道內(nèi),1#電機(jī)車與梭車分離后停在軌道主線上,梭車卸料直至結(jié)束,2#電機(jī)車駛?cè)脲e車道將梭車牽引至軌道主線的1#電機(jī)車附近,然后2#電機(jī)車行駛停放在錯車道,主線上的1#電機(jī)車將梭車牽引至扒渣機(jī)尾部繼續(xù)裝料,如此直至完成該循環(huán)梭車出渣作業(yè)。

(4)自卸車準(zhǔn)備

在梭車開始在錯車道卸料時,安排4臺自卸車駛?cè)攵磧?nèi),在交匯處調(diào)頭后(保證自卸車車頭朝向下游方向,以便出洞時無需在交匯處調(diào)頭),依次停放在另一工作面的錯車道內(nèi),做好裝料準(zhǔn)備,自卸車出渣布置詳見圖2。

(5)裝載機(jī)裝渣

待梭車卸料結(jié)束離開后,第1臺自卸車駛?cè)脲e車道停在軌道主線一側(cè),停在錯車線一側(cè)的裝載機(jī)將臨時堆料區(qū)的渣料轉(zhuǎn)運(yùn)至自卸車車廂內(nèi),自卸車斜停放亦可,待第1臺自卸車裝滿渣料駛出交匯處后第2臺自卸車駛?cè)脲e車道開始裝渣,如此循環(huán)作業(yè),側(cè)卸式裝載機(jī)裝渣方式見圖3。

圖3 側(cè)卸式裝載機(jī)裝渣

(6)自卸車出渣

裝滿渣料的自卸車前行或后退至交匯處后直行駛出隧道,自行卸料在棄渣場,卸料結(jié)束后駛?cè)胨淼?在交匯處掉頭后停放在另一工作面的錯車道內(nèi),如此循環(huán)直至完成該循環(huán)的無軌出渣作業(yè)。

6 安全措施

隧道工程是我國《建設(shè)工程安全生產(chǎn)管理條例》中規(guī)定的危險性較大的分部分項工程之一,隧道施工事故無小事,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,是保證隧道工程建設(shè)順利完成的前提,隧道施工過程中的安全措施包括但不限于下述的4點(diǎn)。

(1)扒渣機(jī)、裝載機(jī)、龍門吊及自卸車等設(shè)備作業(yè)時嚴(yán)禁無關(guān)人員進(jìn)入工作區(qū)域,時刻關(guān)注周邊環(huán)境中的潛在危險源,操作員嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行操作。

(2)進(jìn)洞自卸車必須進(jìn)行檢查并出于完好狀態(tài),其制動性能必須有效可靠,嚴(yán)禁人料同裝,出渣過程中嚴(yán)禁超載、超高、超寬運(yùn)輸。人車相會時,人員靠邊站立,車輛減速慢行,關(guān)閉遠(yuǎn)光。車輛行駛過程中嚴(yán)禁超速,交匯處設(shè)專人指揮交通,車輛暫停在隧道內(nèi)時開雙閃,以防遭其他車輛或設(shè)備碰撞。做好斜井支洞內(nèi)外通訊交流和車輛調(diào)度,盡可能避免在斜井支洞內(nèi)會車。

(3)作業(yè)人員進(jìn)入隧道時應(yīng)穿戴好防護(hù)用品,走人行道,不得與自卸車等搶道,嚴(yán)禁爬車、追車或強(qiáng)行搭車。

(4)安排人員定期養(yǎng)護(hù)路面,保證道路路面質(zhì)量,確保行車安全,同時加強(qiáng)交匯處錯車道至洞口段通風(fēng),確保洞內(nèi)空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

7 結(jié)語

含斜井支洞的小斷面隧道宜選擇主隧道有軌聯(lián)合斜井支洞無軌出渣技術(shù),具體應(yīng)用時應(yīng)考慮工程自身特點(diǎn)、合同及進(jìn)度等要求,以便與現(xiàn)場施工更為貼合。實踐證明,本工程采用該出渣技術(shù)取得了較好效果。主隧道采用有軌出渣,出渣效率高、工藝流程簡單、易于實施、掌子面通風(fēng)作業(yè)環(huán)境得到極大改善；斜井支洞采用無軌出渣,能夠有效緩解斜井支洞的運(yùn)輸壓力,消除斜井支洞出渣效率瓶頸；提高洞挖施工進(jìn)度,節(jié)約隧道出渣時間,實際出渣作業(yè)占用時間僅為有軌出渣耗時；斜井支洞設(shè)置無極繩絞車系統(tǒng),洞口布置充電房檢修車間等,減少額外工程量,利于混凝土、鋼拱架及鋼筋等材料通過有軌設(shè)備直接運(yùn)輸至掌子面。