有轨运输在锦屏辅助洞工程中的应用

摘 要:通过锦屏辅助洞工程的有轨运输系统的实践分析,介绍了有轨运输系统在长大隧道安全快速掘进的主要经验,对类似隧道有轨运输施工具有一定借鉴意义。

关键词:有轨运输 锦屏辅助洞 调度

中图分类号:U48文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)01(b)-0072-03

Research on the rail transport of the auxiliary tunnel of Jinping Hydropower Station

NI Ziyu

(China Railway 14th Bureau Group Co. Ltd. , Ji’nan 250014 , China)

Abstract: Through the practice of the rail transport systems of the auxiliary tunnel of Jinping Hydropower Station,I briefly introduced the main experience of the rail transport of the large-scale tunnels, and it gives us some significance for the similar tunnels’ construction.

Key words: Rail transport; the auxiliary tunnel of Jinping Hydropower Station;scheduling

1 工程概述

锦屏水电枢纽辅助洞工程位于四川省的冕宁、盐源、木里县交界处的雅砻江干流锦屏大河湾上,是国家西部大开发和“西电东送”的重要电源点锦屏一、二级水电站前期工程的关键施工项目,是锦屏二级水电站引水隧洞的勘探洞、试验洞和施工辅助洞,也是锦屏一级和二级水电站重要的交通和运输通道,通过17.5km的辅助洞可同时解决一级水电站和二级水电站的对外交通以及锦屏二级引水隧洞的施工两大难题,保证物资和电站设备运输的运输畅通,同时缩短运距约100km,使锦屏一级、二级电站和地方的联系更为便捷,极大地提高了水电站运行管理的便利性。辅助洞由A、B两孔单车道隧洞组成,采用城门洞形断面,水平中心距约35m。双洞均长约17.5km,成洞断面6.0m×5.0m。每500～800m设一条连接两洞的横通道。该辅助洞工程具有典型的特长(双洞均长达17.5km,是国内第二长公路隧道,也是国内水电站最长的交通隧道)、埋深大(达2400m)、水压高(达10Mpa)等特点,施工通风也面临着巨大的考验。本工程A、B线辅助洞东端实际独头掘进约8km,洞室断面较小,隧洞出碴线路长,部分洞段纵坡达2.5%(长约4km),运输制动困难。如何高效地进行运输的施工组织,是本工程的施工难点之一。

2 运输方式的对比选择

目前,隧洞(隧道)施工的主要运输方式有无轨运输和有轨运输两种。它们各有其优缺点:无轨运输机动、灵活,能胜任洞外远距离运输,装、运、卸的效率较高,洞内外临时设施简单,但是要求洞内作业空间较大,车辆排出的废气须采用大型通风设施,对洞内空气污染大,而且对运输道路的要求较高,尤其是在渗(涌)水量较大时要求更高;有轨运输一般不受隧道规模、地质条件等的影响,但却受隧道纵坡的限制(一般不超过2.5%),而且弃碴场地也不宜距洞口过远。

根据锦屏辅助洞工程具有独头掘进距离长、成洞断面相对较小、埋深大、地下水压高、不良地质及通风问题突出等特点的实际,采用有轨运输方式。

3 有轨运输设备配套

3.1 概述

有轨运输方式与无轨运输方式相比,设备配置的不同点主要在于:轨道及轨行式机械设备所带来的一系列对应路面与轮胎式设备的变化。

3.2 轨道系统

根据辅助洞工程的总体施工计划,洞内采用有轨运输,洞外采用无轨运输,洞口设调车车场。有轨运输组织按单个正洞掘进设计,A、B洞线路均采用四轨双线制,重载、轻载进出洞分道运行,出洞方向左侧为重车道,右侧为轻车道。洞口设转碴码头。梭式矿车运输洞碴至洞口卸碴码头,然后用装载机装碴,自卸汽车转运至模萨沟弃碴场。

轨道采用43kg/m重轨、900mm轨距的重载、重轨运输系统,电瓶车、梭式矿车均配备制动装置。轨道在洞口车场设1%的上坡,并在卸碴码头的末端设阻车器,以有效降低重载下坡出洞的速度,同时增大洞口卸碴码头的容量。

在掘进掌子面后方100～400m处设调车道岔以实现快速装碴,调车道岔随掌子面的掘进而前移。双线轨道间净距取1.5m,距洞口500m处设一渡线道岔(即1#道岔),以利于轻重车道之间调车及机车调头;横通道口用双开道岔将A、B洞轨道连成一体以利调车。掌子面备短轨,以利于接长轨道,方便挖掘装载机装碴。

3.3 开挖

有轨运输方式和无轨运输方式的开挖方式基本相同,采用钻爆法施工:瑞典阿特拉斯353E三臂凿岩台车钻孔、人工装药、爆破。

3.4 装碴

由于出碴运输设备为搭接式梭式矿车(两节为一组或一节一组),为保证矿车的工作效率,故采用德国产ITC312挖掘装载机和国产ZL50装载机在掌子面联合装碴。

ITC312挖掘装载机理论产量为300m3/h,实际产量不小于180m3/h(3m3/min),分无轨和有轨两种走行方式,为方便作业,该设备在工作面采用无轨走行方式。外形尺寸长×宽×高为15450mm×2300mm×2715mm。A、B线辅助洞各一个掘进作业面,每作业面配置德国产ITC312挖掘装载机和国产ZL50装载机各一台,另外配置一台ITC312挖掘装载机和一台ZL50装载机备用。

ITC312挖掘装载机是德国ITC公司生产的巷道挖掘机,是一种重型的全液压地下作业机械,爆破的石碴通过槽型结构框架槽安装吊杆支架上的双排链输送带运出,输送带在两条链条之间运行工作,而后从输送槽后部卸载到停在其后部的梭式矿车里。当梭式矿车石碴堆高到和车帮一样高时,就要一边装载石碴一边开动矿车底板上的刮板运输机,刮板运输机一般每次移动距离在60～70cm为宜,过大就会使矿车装不满,降低矿车的使用效率,过小则会影响装碴机械的效率,这主要取决于梭碴人员的控制。向矿车装载石碴,开始装载时应先装一些碎碴,并抛掷不要过远,以防车箱底板受冲击过大变形。

为提高装碴速度,在装碴时除配置ITC312挖掘装载机外,再配置一台国产ZL50装载机同时装碴。国产ZL50装载机外形尺寸长×宽×高为8340mm×2950mm×3440mm。受隧道开挖净空限制,国产ZL50装载机在辅助装碴时只能是纵向进退行驶(如图1所示)。

梭式矿车搭接时,第二台矿车前车体应伸入第一台矿车后车体1.2～1.5m销接,从而完成两台矿车的搭接。当第一台矿车石碴装满时,继续开动刮板运输机,石碴就被梭进第二台矿车,在第二台矿车石碴装满时,则完成石碴的装载。若搭接矿车多于两台时依此类推。

在掌子面装碴时,机车在矿车的前方(即洞口方向)。

3.5 石碴运输

运输设备的配置是控制石碴运输速度的关键,需根据纵坡进行配置。

经对辅助洞纵坡验算,在纵坡小于2%的洞段,石碴运输采用12t机车+2×16m3矿车组合,即采用SSD-16搭接式梭式矿车(11980×1800×2410),两节一组,CDXT-12防爆型电瓶车(外形尺寸(长×宽×高)为4900×1360×1800mm,最小转弯半径12m,最大牵引重量50t,运行速度8.5km/h)牵引;而对于纵坡大于2%的洞段,只能采用12t机车+16～20m3矿车组合,即一台CDXT-12防爆型电瓶车牵引一节SSD-16～20梭式矿车石碴运输(对于2.5%的纵坡,12t机车+20m3矿车基本已达到极限)。

在洞口车场形成前,洞内还是使用无轨运输。当洞深超过1.5km时,采用有轨运输。

洞深2km以内时,开挖断面约45m3,平均循环进尺3.5m,则平均循环开挖石方45×3.5=157.5m3,爆破后堆方系数取1.7,则石碴堆方为268m3。石碴运输采用12t机车+2×16m3矿车组合。

ITC312挖掘装载机和ZL50装载机联合装碴时间为5min,梭式矿车就位时间随调车道岔到掌子面的距离而定,暂定调车道岔距掌子面平均为250m(该距离随着掌子面的推进而变化),则该段长度梭式矿车调出至就位时间为0.25km×2÷4km/h×60=7.5min;重车出洞运行时间为2km÷6km/h×60=20min,卸车时间为2min,空车进洞时间为2km÷8.5km/h×60=14min,则一组列车自装碴完毕至下一次到掌子面装碴时间为7.5+20+2+14=43.5min,需要列车数量为43.5/(7.5+5)+1=5组,即每循环至少需要5组列车才能保证连续出碴。每组列车一次可装碴2×16=32m3,则运输次数为268/32=9次,若按照5组列车计算,则平均每组列车每循环运碴9/5=1.8次;若A、B洞同时出碴,则需列车5×2=10组,考虑1.2的备用系数,则需列车10×1.2=12组。

洞深4km以内时,只有在进出洞的运行时间有所增加,其他时间基本不变。重车出洞时间为4km÷6km/h×60=40min,空车进洞时间4km÷8.5km/h×60=28min。一组列车自装碴完毕至下一次到掌子面装碴时间为7.5+40+2+28=77.5min,双洞需要列车数量为(77.5/(7.5+5)+1)×2×1.2=18组。

洞深在4km左右(实际里程为AK13+607.146、BK13+650)时,隧道纵坡调整为2.294%＞2%,如前所述,12t机车+2×16m3矿车的列车组合已不能满足施工需要,须将其调整为12t机车+16～20m3矿车(为提高运碴效率,新购矿车为20m3矿车。由于前期施工已购入多辆16m3矿车,为减少资源浪费,该矿车继续使用,平均按照18m3计算)。

洞深在6km以内时,重车出洞时间为6km÷6km/h×60=60min,空车进洞时间6km÷8.5km/h×60=43min。一组列车自装碴完毕至下一次到掌子面装碴时间为7.5+60+2+43=112.5min,需要列车数量112.5/(7.5+5)+1=10组。每组列车一次装碴平均按照18m3计,则运输次数为268/18=15次,若按照10组列车计算,则平均每组列车每循环运碴15/10=1.5次;若A、B洞同时出碴,则需列车10*2=20组,考虑1.2的备用系数,则需列车20*1.2=24组。

洞深在8km以内时,重车出洞时间为8km÷6km/h×60=80min,空车进洞时间8km÷8.5km/h×60=57min。一组列车自装碴完毕至下一次到掌子面装碴时间为7.5+80+2+57=146.5min,双洞需要列车数量为(146.5/(7.5+5)+1)×2×1.2=31组。

3.6 卸碴

梭式矿车前后端均需安装牵引杆,在运行时一端通过牵引杆和机车连接,而另一端的牵引杆须用挂钩固定在矿车的中间位置,以免牵引杆碰到人或其他物体,但装碴和卸碴必须把挂钩取下,将牵引杆搬到一侧,以免石碴砸坏牵引杆。

矿车装满石碴后由牵引机车牵引出洞。当行驶至1#道岔时,矿车前方的牵引机车须调至矿车后方,由机车顶推矿车出洞至卸碴码头,停稳并安放阻车器后,接通矿车上刮板运输机电源开动刮板运输机卸碴。当矿车车箱内石碴卸完后,即可返回洞内排队装碴。当列车行驶至1#道岔时仍需调头,由机车顶推矿车到掌子面附近的调车道岔处等候调度。

3.7 其他轨道运输机械

3.7.1混凝土运输机械

采用TSII-6型轨行式混凝土搅拌运输车(6400*1600*2800)运输混凝土,A、B洞各配置4台,双洞配置8台(双洞间可互相协调),以CDXT-12防爆型电瓶机车牵引。行车过程能实现自动二次拌和,防止砼离析。除在洞口车场向混凝土搅拌站铺设轨道外,其他混凝土设备均与无轨运输相同。

3.7.2 其他有轨运输机械

由于有轨运输系统的特殊性,在轨道铺设之后,无轨运输设备不能在洞内通行。为解决材料、小型机具、人员等的进出洞问题,我单位采用部分材料、铺轨材料和小型机具等通过2辆20T-900的平板运输车运输,人员进出洞则乘坐2辆54座的轨道客车。

为保证施工的连续性,防止因部分机车故障影响施工,我单位还配置了2台备用电瓶机车。

其他设备与无轨运输基本相同(如表1）。

4 有轨运输调度及注意事项

4.1 调度组织

为组织高效的有轨运输,我单位在洞口设置总调度室、开挖爆破班组分调度室、有轨运输班组分调度室、支护班组分调度室,洞内掘进掌子面附近及各道岔设值班室,均为24小时专人值班(总调度室由项目领导轮流值班),通过专用内线电话统一调度,洞内各工作面间均配置对讲机,形成一个完善、有效的统一调度指挥系统,发现问题及时处理。

4.2 工序交接

钻孔爆破、出碴、喷砼支护等各主要工序交接实行双通知制度:即在该工序结束前提前通知洞口总调度室和下一工序所在班组分调度室,洞口总调度室接到通知后再通知下一工序班组分调度室并做记录,以确保下一工序施工人员提前准备,及时进洞到达工作面,形成洞内工作面工序无缝连接,提高施工效率。

4.3 车辆行驶线路

轨道运输车辆严格按进出洞线路行车。以出碴车辆为例,机车牵引矿车自洞口车场沿轻车道进洞到1#道岔,在1#道岔调头后机车顶推矿车沿轻车道至掌子面附近的调车道岔,在调车道岔前方等候,待前车在掌子面装碴完毕驶离调车道岔后,立即自轻车道经调车道岔至重车道进入掌子面装碴;装碴完毕,机车牵引重载矿车沿重车道行驶至1#道岔,机车在1#道岔调头后顶推矿车出洞,经洞口车场至卸碴码头,卸碴完毕后在车场调车线由重载车道进入轻载车道。而当混凝土搅拌车、材料运输平板车和轨道客车进洞时,则是沿轻载车道进入,出洞时沿重载车道出洞,以保证轻重载车道上仅有单向车流,提高运输效率。当部分洞段一条轨道系统故障或被临时占用时,上下两个横通道口的道岔值班人员及时将该段轨道系统封闭,车辆临时进入另外一条轨道,在下一道岔处返回正常轨道行驶,此时道岔之间的联络与调度就极为重要。

4.4 轨道铺设

钢轨单根长度为12.5m。钢轨端头距掌子面保持8～10m,掌子面备2根6.25m短轨作为临时轨道铺设,以利于接长轨道,在铺设12.5m长轨时拆除。轨道铺设是在出碴完毕之后进行,利用ITC312挖掘装载机刨出掌子面的底碴,最好能露出隧底基岩,否则应先压实底碴再铺设枕木和钢轨,严格控制两根钢轨的高差及轨道平顺度。轨道铺设完毕后回填石碴,尺寸大小应适中,粗细骨料相结合,满足整体的级配,尽量减少孔隙,提高轨道系统的稳定性,以使轨道车辆运行平稳。

4.5 轨道维护

轨道维护在长大隧道有轨运输中极为重要。锦屏辅助洞工程多次突发涌水,涌水将轨道部分填碴冲失,造成轨道系统稳定性降低,轨道间距加大,造成脱轨;轨道系统长期在流水中浸泡,枕木腐烂,也降低轨道的稳定性。因此,我单位成立轨道系统维护班组,加强轨道系统的日常维护,及时疏通水沟、补填石碴、抽换枕木、紧固螺栓及道钉、清理掉落石碴等,保证轨道畅通,提高运输效率。

4.6 运行安全

运行安全是有轨运输系统管理中的重中之重。为保证运行安全,必须对机车司机进行岗前培训以及施工过程中的经常性培训教育;严格控制列车运行速度;运行过程中,特别是在道岔和洞口处,机车司机应加强瞭望,遇有人员或其他车辆等障碍物时,须鸣笛并提前减速;通过弯道或道岔时,要减速慢行;机车调头时要将阻车器放到梭车车轮下面,防止矿车前后移动。人员进出洞必须乘坐轨道客车或空矿车的车厢内,严禁重车载人和扒车;轨道车辆应加强日常检修和维修等。

5 有轨运输效果分析

锦屏辅助洞东端工程自2004年10月份实现无轨运输向有轨运输的转换,至2008年5月份B洞贯通、8月份A洞贯通,历时3年半。其中,2005年1月8日B洞突发高压涌水,由于掌子面治水而使掘进进度自2005年初至2006年5月份受阻外,其他时间均实现了隧道的快速掘进,而有轨运输系统发挥了不可忽视的作用:轨道的畅通缩短了掘进循环时间;蓄电池电瓶机车的使用则减小了特长隧道施工的通风压力,极大地改善了洞内作业环境,提高了工作效率。

6 结语

在长大隧道的施工中,运输系统是控制施工进度的瓶颈,因此,运输系统的选择尤为重要。锦屏辅助洞东端工程的施工实践证明,有轨运输系统能有效保证长大隧道内的空气清新,达到安全快速掘进的效果。对此,我们对有轨运输系统的使用和维护以及设备配套进行了探讨,总结了一套成功的经验,对以后的类似工程具有一定的借鉴意义。

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