小斷面隧道有軌聯合斜井無軌出渣技術探討

(中國葛洲壩集團第五工程有限公司,湖北 宜昌 443002)

1 概述

近年來,隨著國家對基礎設施建設的大力投入,在鐵路、公路、航運、水工、市政及采礦等工程建設領域,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長度,長大隧道斜井支洞出渣作業為關鍵線路,直接制約主隧道的施工進度,故出渣方案的選擇是控制施工工期的重點,采用經濟合理的出渣方案,可保證施工安全、高效、低成本的順利進行。

出渣運輸方式包括無軌出渣運輸、有軌出渣運輸和無軌裝渣有軌運輸等幾種。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輸效率、作業空間狹小、通風難度大、相鄰工作面施工易相互干擾等因素,使得施工進度難以提高。因此,需要一種高效、環保、安全的出渣方式,減輕斜井支洞運輸壓力,縮短出渣作業時間,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,但對洞內通風條件有不利影響。通過有軌和無軌聯合出渣,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合斜井無軌出渣技術的平面布置、設備選型、工藝流程及安全措施等,目前該技術尚未在小斷面隧道中廣泛應用。而通常采用單一的無軌出渣、有軌出渣,或在洞口設置吊裝轉渣設施。相較于傳統出渣方式,本文采用的技術具有出渣效率高、安全風險小、節約成本及節能環保等特點。

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。

肯尼亞政府對環保要求很高,優先選擇電驅動的有軌出渣方式,Kaanja斜井支洞坡度陡,有軌設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斜井支洞嚴重制約了出渣作業效率。為提高斜井支洞出渣效率,將Kaanja斜井支洞出渣方式調整為無軌出渣(以利用無軌出渣的高度靈活性),在交匯處上下游均設置臨時堆料區,采用側卸式裝載機將渣料裝車,通過自卸車運輸至洞外,以解決出渣作業瓶頸,提高洞挖施工效率。同時,在Kaanja斜井支洞設置一套無極繩絞車系統,以協助有軌設備進出隧道,便于電機車充電和有軌設備維護保養,使得混凝土、鋼拱架及鋼筋等材料能夠直接運輸至掌子面。

3 施工布置

3.1 洞口區域布置

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

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。無極繩絞車主機和控制室設置在洞口處,牽引鋼絲繩設置在軌道中間,通過拖繩輪組、壓繩輪組等控制鋼絲繩高度和轉彎,尾輪設置在斜井支洞陡坡段末端。軌道兩側澆筑自卸車路面混凝土,路面高程與軌道面高程一致,在回轉鋼絲繩一側預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置簡易鋼棧橋,利于自卸車平穩通過以及輪組維護或更換,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均澆筑混凝土至軌道面高程,利于裝載機和自卸車行駛、掉頭、裝渣等,交匯處錯車道及出渣設備布置詳見圖2。

圖2 交匯處錯車道及出渣設備布置

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設置一個長度為60 m的錯車道,利于后期增加有軌出渣設備后有序會車,梭車進洞開始每循環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掌子面背側。

4 設備選型

根據進度要求,考慮每月25 d正常施工時間,兩個主洞作業面每天需完成2個循環開挖出渣作業,每循環進尺為2.5 m,每循環松散渣料量為52 m3。

4.1 有軌出渣設備

(1)有軌梭車

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

式中：n1為每組梭車的數量(臺)；M為梭車車組數；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,取0.8；V為梭車容積(m3)。

經計算確定,前700 m洞挖作業配備4臺梭車,梭車容渣量為6 m3,隨著洞挖進尺變大,每700 m增加4臺梭車。

(2)有軌電機車

有軌電機車為出渣作業提供動力,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)進行計算：

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

經計算,洞挖前700 m兩工作面共用3臺,隨著洞挖進尺加大,每700 m增加1臺電機車。

4.2 無軌出渣設備

合理調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,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、鋼筋網及鋼拱架等材料運輸的影響。

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

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

式中：T2為每循環無軌出渣時間(h)；n2為自卸車數量(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為每循環進尺自卸車出渣次數,取4次。

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

4.3 其它輔助設備

其它輔助設備包括扒渣機、裝載機和無極繩絞車。

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

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

(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主隧道有軌出渣聯合斜井支洞無軌出渣作業的主要施工工藝流程為：梭車準備→扒渣機裝渣→梭車出渣→自卸車準備→裝載機裝渣→自卸車出渣。

(1)梭車準備

首先利用洞口檢修車間10 t龍門吊將梭車調轉車頭,確保到達出渣掌子面時梭車卸料高端在掌子面背側,然后將4臺梭車串聯后經電機車牽引至扒渣機尾部準備裝渣。

(2)扒渣機裝渣

扒渣機鏟斗將渣料扒至運輸槽鏟板,渣料經運輸槽運輸至尾部下方的梭車車廂內,前3臺梭車開啟皮帶將渣料轉運至第4臺梭車,直至4臺梭車全部裝滿渣料。

(3)梭車出渣

1#電機車將裝滿渣料的梭車牽引至交匯處錯車道內,1#電機車與梭車分離后停在軌道主線上,梭車卸料直至結束,2#電機車駛入錯車道將梭車牽引至軌道主線的1#電機車附近,然后2#電機車行駛停放在錯車道,主線上的1#電機車將梭車牽引至扒渣機尾部繼續裝料,如此直至完成該循環梭車出渣作業。

(4)自卸車準備

在梭車開始在錯車道卸料時,安排4臺自卸車駛入洞內,在交匯處調頭后(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頭),依次停放在另一工作面的錯車道內,做好裝料準備,自卸車出渣布置詳見圖2。

(5)裝載機裝渣

待梭車卸料結束離開后,第1臺自卸車駛入錯車道停在軌道主線一側,停在錯車線一側的裝載機將臨時堆料區的渣料轉運至自卸車車廂內,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臺自卸車駛入錯車道開始裝渣,如此循環作業,側卸式裝載機裝渣方式見圖3。

圖3 側卸式裝載機裝渣

(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,卸料結束后駛入隧道,在交匯處掉頭后停放在另一工作面的錯車道內,如此循環直至完成該循環的無軌出渣作業。

6 安全措施

隧道工程是我國《建設工程安全生產管理條例》中規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。

(1)扒渣機、裝載機、龍門吊及自卸車等設備作業時嚴禁無關人員進入工作區域,時刻關注周邊環境中的潛在危險源,操作員嚴格按照操作規程進行操作。

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

(3)作業人員進入隧道時應穿戴好防護用品,走人行道,不得與自卸車等搶道,嚴禁爬車、追車或強行搭車。

(4)安排人員定期養護路面,保證道路路面質量,確保行車安全,同時加強交匯處錯車道至洞口段通風,確保洞內空氣質量達標。

7 結語

含斜井支洞的小斷面隧道宜選擇主隧道有軌聯合斜井支洞無軌出渣技術,具體應用時應考慮工程自身特點、合同及進度等要求,以便與現場施工更為貼合。實踐證明,本工程采用該出渣技術取得了較好效果。主隧道采用有軌出渣,出渣效率高、工藝流程簡單、易于實施、掌子面通風作業環境得到極大改善；斜井支洞采用無軌出渣,能夠有效緩解斜井支洞的運輸壓力,消除斜井支洞出渣效率瓶頸；提高洞挖施工進度,節約隧道出渣時間,實際出渣作業占用時間僅為有軌出渣耗時；斜井支洞設置無極繩絞車系統,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備直接運輸至掌子面。