大坡度斜井有轨运输施工工法

'大坡度斜井有轨运输施工工法中铁十二局集团第二工程有限公司李有兵白国峰1．前言随着我国长大隧道建设的不断增多，为了解决隧道通风一般都通过设置竖井或斜井来解决对应的问题。国内土建行业对有轨运输斜井辅助正洞施工经验较少，相关技术、规范尚不完善，传统施工方法、机械配置无法满足日趋紧迫的施工工期要求。我公司通过综合技术攻关，对大坡度斜井有轨运输施工技术进行技术创新，达到安全、高效、快速运输正洞石碴的目的，突显有轨运输在安全、技术、经济、环保等方面的优越性，取得了良好的经济效益和社会效益。其关键技术通过了山西省科学技术厅组织的专家评审，达到国际领先水平。2.工法特点2.1有轨运输系统采用矿用提升机牵引侧翻式矿车运输，使用安全，卸料速度快。2.2矿用提升机有轨运输出碴作业流程安排经济合理。2.3有轨运输系统的设备选型、布置和安装，运输轨道、卸碴栈桥的修筑等经济、科学、合理。2.4应用了安全、高效的可编程逻辑控制器PLC技术，保证了提升安全、提高了运输效率。3.适用范围本工法适用于引水、铁路和公路隧道的大坡度斜井有轨运输施工，也适合于煤矿和铁矿等矿山的大坡度斜井有轨运输施工。4.工艺原理大坡度斜井有轨运输施工技术工艺，通过矿用提升机的选型技术、布置和安装技术，有轨运输卸碴栈桥的布置和修筑技术，轨道布置技术，道床的修筑技术，信号和视频的安全监控技术等一系列的技术创新，实现出碴程序的流程化管理，采用挖掘机掌子面扒碴，给侧翻式矿车装碴，矿用提升机采用PLC电控自动化控制系统，上下行采用信号及视频监控系统进行协调指挥，经矿用提升机牵引至洞外卸碴场卸碴。5.工艺流程及操作要点-9- 5.1工艺流程大坡度斜井有轨运输工艺流程见图5.1。正常轨道及设备检查存在隐患排除隐患爆破开挖斜井底发信号斜井口接收确认信号斜井口向矿用提升机司机发信号矿用提升机司确认信号开启操作手柄，运行矿用提升机挖掘机装碴侧翻矿车运行至装碴点侧翻矿车运行至卸碴栈桥、卸碴矿用提升机及配套设施安装斜井口卸碴栈桥修筑洞外运输线存车线等铺设修筑斜井前50米掘进，无轨运输斜井内轨道布置道床修筑信号视频安装图5.1大坡度斜井有轨运输工艺流程图5.2操作要点在斜井完成开挖支护50m后，采用无轨运输已较为困难，由于坡度太陡，只能采用有轨运输。在此之前，首先要完成洞口外轨道铺设及栈桥修筑，洞内轨道要随着掌子面的向前掘进，及时跟进铺设。轨道铺设均采用人工并辅以机械配合完成。根据矿用提升机及矿车规格选型及相关技术参数要求，在洞口段需进行轨道坡度转换，轨道过渡转换段近似于双曲线，并与两侧轨道平顺连接，曲线段采用异形曲轨，由厂家加工制作成型。-9- 5.2.1矿用提升机及配套设施安装5.2.1.1矿用提升机选型按施工高峰期满负荷考虑，每天出实方量Q1m3来计算，实方容重2.5T/m3。基本参数：斜井倾角α,斜井长Lm，每天出实方量Q1m3。工作制按每天三班，每班净提升出碴时间6小时；每班出实方量Q1/3m3。每班其余2小时为运送物料辅助提升时间。选择提升速度：Vm/s。提升方式：双钩提升；提升容器：侧翻自卸矿车；提升钢绳：d=36mm,q1=4.58kg/m一个提升循环用时：T=L/V+t1(辅助时间),一般取t1=133s；每小时提升次数：n=60/T次每班提升次数：N=6n次每次提升量Q（T）最大静张力F=(Q+q)(0.015cosα+sinα)+Lq1(0.15cosα+sinα)/1000式中：L---斜井长（m）；q1---钢丝绳每米重量（kg）；Q---运送物料总重（T）；q---矿车容器总重（T）；α---斜井倾角（°）根据以上公式计算得出：最大静张力：Fjmax(KN)最大静张力差：△Fj(KN)根据计算所得最大静张力及最大静张力差值，参照产品技术参数确定斜井矿用提升机的型号。5.2.1.2矿用提升机布置及安装矿用提升机卷筒两控绳板至天轮之间钢丝绳的内外偏角应小于1°30′，这样才能满足钢丝绳在缠绕过程中能自然排绳，不产生背绳和咬绳，摘钩和挂钩方便。能防止矿车在斜井口出轨掉道。天轮采用固定天轮，钢丝绳与地面夹角不小于15°，以保证矿用提升机运行时提升力达到最佳效果。根据上述原则，确定矿用提升机卷筒、天轮、洞口相对位置图5.2-1。图5.2-1卷筒、天轮、洞口相对位置图-9- 5.2.2洞外卸碴栈桥修筑洞外采用架设栈桥的方式设置卸碴点见图5.2-2，栈桥以上轨道钢轨同样采用43.5Kg/m钢轨，[20槽钢作为轨枕，间距为30cm，在槽钢上打孔并采用扣件与钢轨连接固定，同时在卸碴栈桥上安装护轨和曲轨。栈桥采用钢筋混凝土墩支撑，净跨距为10m，桥墩基础为钢筋混凝土结构，基础宽2.8m，长度分别为7.3m、4.65m，埋深2.0m，基础内配置φ22钢筋，纵横布设，间距为30cm，上下双排，两排主筋间设φ8箍筋，栈桥高度根据矿用提升机钢丝绳与天轮角度确定。图5.2-2栈桥卸碴断面图栈桥上架设I32型钢纵梁，在每道钢轨和曲轨下各布设一道，纵梁两端支座处与墩顶预埋钢板焊接固定，为保证纵梁安全稳定，在每道纵梁下两侧桥墩处设置I20型钢斜撑进行支承加固，斜撑与纵梁间及墩侧壁预埋钢板间均采用焊接固定。为防止矿车提升时制动失控掉道，需在卸碴栈桥靠近天轮一端设置防撞挡墙，挡墙采用钢筋混凝土结构，高度至提升中线以下20cm，挡墙内配置φ22主筋，间距30cm，主筋间设φ8箍筋。5.2.3洞外材料运输线、存车线洞内喷锚料、钢构件采用料车、矿用提升机提升运送，计划在洞口外铺设临时渡线，分别与斜井轨道连接，同时铺设一条渡线至搅拌站，再铺设一条临时存车线，用于存放料车及人车。在洞口处分别安装1台11.5Kw小型绞车，料车及人车通过导向轮、小型绞车引至洞内及搅拌站，洞内下料时将料车牵引至斜井轨道上，并与矿车挂接，矿用提升机牵引至洞内，洞外临时渡线、存车线、洞内运输线间通过道岔连接，共需铺设4付道岔。喷锚料、钢构件等材料采用料车经矿用提升机运输至井下，并在洞外布置运料线一条。5.2.4轨道布置在斜井中布设三条有轨运输线，洞外安装双筒矿用提升机1台，侧卸式曲轨矿车2台，使用两条轨道。单筒矿用提升机使用一条轨道。斜井断面布置图见图5.2-3所示。-9- 根据矿车规格、选型，轨道轨距为90cm，采用43.5kg/m钢轨，每根长度12.5m，钢筋混凝土轨枕，每根长度1.48m，轨枕间距为80cm，钢轨与轨枕间采用扣件连接固定，钢轨间采用鱼尾板连接，同时在钢轨间设置轨距杆、防爬器、挡车器等安全装置。图5.2-3斜井断面布置图5.2.5道床修筑由于全部采用无碴轨道，道床用混凝土浇筑。洞内道床标高为设计仰拱回填面以下16cm，开挖抄平后，将混凝土轨枕按设计要求间距摆放好，为防止轨枕溜滑，在轨枕两侧各打设2根φ20锚固筋固定，轨枕间采用混凝土浇筑至轨底面。洞外道床两侧采用砌筑片石挡墙，挡墙内回填浇筑片石混凝土，至混凝土轨枕底面，混凝土终凝后，再铺设轨枕，打设锚固筋，轨枕间二次浇筑混凝土至轨底面，为防止矿用提升机牵引钢丝绳拖地磨损，在混凝土道床内设置钢制地滚加以防护，地滚间距为15～20m，洞口变坡曲线段采用φ320mm的地滚，洞内采用φ200mm的地滚。5.2.6信号及视频监控在斜井洞口及井内配置信号及视频监控系统，矿用提升机采用电控自动化控制系统，上下行驶采用信号及视频监控系统进行协调指挥。斜井口和洞外卸碴台等区域安装带夜视功能的一体化圆球式摄像机，斜井底与斜井口之间、斜井口与提升机房司机操作台之间，装设信号箱和直通电话。5.2.7斜井有轨运输出碴在斜井掌子面，爆破初期支护后，采用挖掘机扒碴，给侧翻式矿车装碴，斜井底信号工在检查轨道无安全隐患后，给斜井口信号工发开车信号，斜井口信号工检查轨道无安全隐患后，给矿用提升机司机发开车信号，矿用提升机司机根据所发信号选择对应的档位进行开车，经矿用提升机提升至洞外卸碴点。停车时，根据信号工发出的-9- 信号进行停车。矿用提升机出碴时，设专职信号员加强斜井口、斜井底与矿用提升机房的联系，在斜井口设阻车器，专人管理，阻车器经常处于正位关闭状态，放车时方可打开；车身设断绳脱钩保险器，以备发生断绳脱钩时，抓钩自动落下，钩住轨枕，不使矿车下滑；采用不摘钩方式，将钢丝绳与矿车固定连接，避免脱钩的可能。在洞外卸碴点，采用装载机配合自卸车将碴运至指定的弃碴场。5.2.8合理选择停车最佳减速距离根据停车减速距离的选择原则，矿用提升机选择运行速度为Vm/s，结合司机快速反映最短时间和速度减为零时所用的时间为15s(根据以往同类斜井，矿车运行时间测定结果为15s),因此矿用提升机停车减速至翻碴台的最佳运行距离为15Vm。6.材料与设备6.1材料本工法所用材料为常规材料。6.2设备本工法主要施工设备见表6.2-1。表6.2-1斜井施工主要设备表序号设备名称规格型号单位数量任务量/用途备注1空压机20m3/min台82挖掘机CAT312台1短臂/斜井段施工3混凝土输送泵HBT80.18.132SC台1地面向下输送混凝土4矿用提升机2JK-3x1.5/20套1400000m3碴运输5JK-2x1.8/20套1运送人员6侧卸矿车12m3台3主要用于出碴7侧卸矿车5m3台1辅助出碴/下料8混凝土输送车4m3台2地面使用,轨行式9人车台110挖掘机CAT320台2正洞400000m3碴量11装载机ZL856台212出碴车北方奔驰台1013混凝土搅拌机JS1000+PL1200台2二衬50000m3混凝土-9- 14混凝土搅拌机JS750+PL1200台215混凝土输送泵HBT60台2正洞内衬砌用16混凝土输送车8m3台6正洞运输混凝土17发电机500KW台218通风机110KWx2台2送风距离3000m7.质量控制7.1施工中执行标准严格按照《公路隧道施工质量验收规范》施工。7.2采用安全、高效的可编程逻辑控制器PLC技术的运用。PLC具有较强的信号分析与处理能力，并且可在不改变硬件的情况下，通过改写程序，达到实现不同用途的目的，可靠性高，通用性强。7.2提升或制动钢丝绳直径减少到10%时，必须更换。7.3钢丝绳的钢丝有变黑、锈皮、点蚀麻坑等损坏时，不得用于升降人员。8.安全措施8.1安全管理措施严格执行国家《安全法》和地方安全管理条列，并加强围岩量测，实施信息化施工。8.2有轨运输安全控制由于斜井坡度大，距离长，运输繁忙，矿车和提升绞车的安全使用是项目设备管理的重点。8.2.1安排具有丰富煤矿矿用绞车操作经验的技师负责操作和带徒，所有操作人员到矿务局培训中心进行专业培训，经过考试合格后持证上岗。8.2.2在硬件上进行安全投入，每台绞车配备可视系统、信号系统，实行PLC互锁；在轨道上设置防溜车保护装置。这些措施有效地降低了安全风险，保证了施工生产的顺利进行。8.3其他安全技术措施8.3.1防止过卷装置，当提升容器超过正常卸载位置（或出车平台）50cm时，必须能自动断电，并能使保险闸发生作用。8.3.2防止超速装置，当提升速度超过最大速度的15%时，必须能自动断电，并能使保险闸发生作用。8.3.3超负荷或失压保护装置。-9- 8.3.4防止闸瓦过度磨损时的警铃和自动断电的保护装置。9.环保措施9.1环境保护规程《公路环境保护指标考核及考核监测技术规范》。9.2环境保护措施9.2.1矿用提升机出碴后，确保碴弃入指定碴场。9.2.2有轨斜井采用的是电力牵引，对周边环境的影响很小。9.2.3施工完成后，及时清理建筑垃圾，减少污染。10.效益分析10.1工期效益利用有轨运输施工技术，比无轨运输提前6个月工期。10.2经济效益⑴比采用皮带机运输节约成本800万元。⑵比采用无轨运输节约掘进成本2000万元。10.3社会效益斜井的提前贯通,为缩短正洞的施工赢得了时间,早投运早收益。采用有轨运输比无轨运输的斜井少建设1000多米，少产生近7万立方的弃碴，少占土地100余亩。10.4环境节能效益采用矿用提升机有轨运输既节能又环保,符合当前低碳清洁施工的要求。11.工程实例11.1工程概况太古高速公路西山特长隧道为目前全国在建第一长大公路隧道，属全线重点、难点、控制性工程。隧道为两座，双线单洞，左线全长13654米，右线全长13570米，设计时速80km/h，工期34个月。隧道地质条件复杂，施工区要穿过十几条断裂带，同时还要穿越岩溶区、膨胀岩、高瓦斯煤层和采空区等不良地质，极易造成坍塌，突水、突泥和瓦斯爆炸，施工安全风险极高。西山隧道1号斜井长763米，坡度42.26%，倾角25°，属全国少有的长大陡坡隧道，隧道排水和出碴相当困难，工期紧、任务重。11.2施工运用情况有轨运输系统在小半径、长曲线斜井中的使用，占用空间小,投资少，-9- 快速形成生产能力，其运输安全性能高、施工速度快、成本低。主要表现在有轨运输坡度陡,缩短了斜井井身长度,减小了开挖断面,减小了挖掘斜井工程量，同时隧道正洞及斜井内均不需要挖掘大量的错车洞室,减少了开挖及支护工作量,同时有利于后续施工,成本也相对较低，另一方面,有轨运输施工过程污染较轻,无需配置大功率的通风设备,降低了工程造价。斜井出碴程序实行流程化管理，采用2JK-3*1.5/20型矿用提升机提升系统出碴到洞口卸碴栈桥，然后在通过洞外装载机与奔驰车将碴倒运至弃碴场，不但解决了长大徒坡运输难的问题，而且提高了工作效率。安全是整个施工过程中控制的重点，施工前建立健全的矿用提升机管理制度，保障了作业安全，保证施工的顺利进行。11.3推广情况采用大坡度斜井有轨运输施工技术，在太古高速西山隧道1号斜井取得成功后，推广运用到长平高速公路虹梯关隧道，在左线左侧设置3、4号通风斜井，3号斜井长708.56m，坡度37.4%，倾角20°30′，4号斜井长679.73m，坡度38.4%，倾角21°。实现了大坡度斜井有轨运输的安全快速掘进。目前，长大隧道的建设，使大坡度斜井的施工增多，推广前景好。-9-'