吉艷雷

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司橋隧處，西安 710043)

關(guān)角隧道皮帶機(jī)出砟系統(tǒng)設(shè)計

吉艷雷

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司橋隧處，西安 710043)

關(guān)角隧道屬高原隧道，高寒缺氧，環(huán)境惡劣，傳統(tǒng)出砟運輸困難，皮帶機(jī)出砟具有良好的進(jìn)度、環(huán)保、安全效益，結(jié)合關(guān)角隧道9號斜井皮帶機(jī)出砟的設(shè)計，系統(tǒng)介紹皮帶機(jī)出砟在山嶺隧道中的應(yīng)用。

鐵路隧道;皮帶運輸;破碎站;出砟;設(shè)計

1 概述

皮帶運輸機(jī)在歐美等國已被廣泛采用，目前國內(nèi)在煤炭行業(yè)皮帶運輸機(jī)比較完善和成熟，在盾構(gòu)和TBM掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)中也采用過，鉆爆法施工的隧道采用皮帶機(jī)出砟方式尚無先例，結(jié)合關(guān)角隧道9號斜井皮帶運輸機(jī)的設(shè)計，系統(tǒng)地介紹皮帶運輸出砟在山嶺隧道中的應(yīng)用［1-2］。

關(guān)角隧道全長32.645 km，設(shè)計為2座平行的單線隧道，線間距40 m，鉆爆法施工，共有10座輔助施工斜井。其地處青藏高原東北緣，各洞(井)口海拔3 400～3 800 m，屬于高原隧道。該地區(qū)自然環(huán)境及其惡劣，空氣稀薄，高寒缺氧，氧氣量只有平原地區(qū)的60%左右。在此條件下，人員、設(shè)備效率低，冬季施工時間長是施工組織的三大難點。

9號斜井長度1 125.89 m，綜合坡度為9.83%，建井期間采用無軌運輸汽車出砟。9號斜井正洞工區(qū)采用“正洞無軌+斜井皮帶機(jī)+洞外汽車轉(zhuǎn)運”三部分出砟運輸方案。9號斜井正洞工區(qū)對應(yīng)里程范圍:Ⅰ線隧道:DK303+400～DK305+260，長1 860 m;Ⅱ線隧道:DyK303+230～DyK305+895，長2 665 m。9號斜井工區(qū)平面布置如圖1所示。

2 斜井皮帶機(jī)設(shè)計

2.1 皮帶機(jī)的優(yōu)點［2-6］

(1)進(jìn)度效益。在高海拔低氣壓環(huán)境下，電力設(shè)備的使用效率不受影響，運輸能力提高，降低勞動力需求，加快施工進(jìn)度。經(jīng)測算，9號斜井每延米出砟可節(jié)約0.5 h，累計可節(jié)約2.7個月。此外利用皮帶機(jī)出砟還避免了斜井井身出現(xiàn)堵車現(xiàn)象，有較大的潛在時間效益。

(2)環(huán)保效益。系統(tǒng)多采用電力設(shè)備，減少了內(nèi)燃汽車的使用數(shù)量，縮短了內(nèi)燃汽車的工作時間和強(qiáng)度，從而大大減少了尾氣排放，有利于洞內(nèi)空氣的稀釋凈化，降低了通風(fēng)能耗。電力設(shè)備取代燃油設(shè)備，不但在節(jié)能減排方面取得了巨大效益，對保護(hù)高原高寒地區(qū)的草原生態(tài)環(huán)境也起到了積極作用。見表1。

(3)增加安全系數(shù)。占用斜井空間面積小，避免了斜井出砟與進(jìn)料的相互干擾，減少自卸汽車運行數(shù)量，降低了安全風(fēng)險。

圖1 9號斜井工區(qū)平面布置(單位:m)

表1 使用皮帶機(jī)前后斜井井身內(nèi)空氣質(zhì)量檢測情況

(4)皮帶機(jī)是一個非常成熟的技術(shù)，其設(shè)備的維修保養(yǎng)、零部件較為方便，間接進(jìn)度效益明顯。

2.2 皮帶機(jī)設(shè)備選型

皮帶運輸機(jī)系統(tǒng)依據(jù)實際施工中所需的出砟能力和場地環(huán)境設(shè)計，9號斜井每天最快掘進(jìn)15 m，出砟990 m3，折合2 723 t，按每天工作15 h，皮帶機(jī)輸送能力182 t/h，綜合分析取9號斜井皮帶機(jī)長度1.2 km，帶寬650 mm，帶速2.5 m/s，工作能力最大200 t/h，功率 400 kW［1］。

2.3 皮帶機(jī)安裝總體設(shè)計

9號斜井皮帶機(jī)出砟運輸系統(tǒng)的井底破碎站設(shè)置在Ⅰ線、Ⅱ線之間橫通道位置，井身皮帶機(jī)安裝在斜井左側(cè)底板上，靠近邊墻，井口設(shè)砟石轉(zhuǎn)運裝置轉(zhuǎn)運至砟場，其布置見圖2。

圖2 9號斜井皮帶機(jī)出砟運輸系統(tǒng)布置(單位:m)

3 相關(guān)土建工程設(shè)計

3.1 斜井底工程地質(zhì)條件

井底段為華力西期花崗質(zhì)碎斑巖:青灰色、淺灰綠色，顏色和結(jié)構(gòu)不均勻，全晶質(zhì)細(xì)粒斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖石受脆韌性應(yīng)力構(gòu)造及鈣質(zhì)方解石脈貫入膠結(jié)，局部發(fā)育小型次級斷層，巖體較碎裂松散破碎，碎塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，局部松散結(jié)構(gòu)，成分為石英、長石、方解石及綠泥石、云母等，巖塊間結(jié)合力差，圍巖完整性差，自穩(wěn)能力差，易坍塌。地下水不發(fā)育，巖體潮濕，Ⅴ級圍巖。

3.2 破碎站設(shè)計

破碎站由喂料槽、破碎機(jī)、出料槽、皮帶機(jī)組成，設(shè)計考慮以下3個方案。

方案1:Ⅱ線破碎站方案，處于交叉口交通要道，對洞內(nèi)運輸形成干擾。

方案2:Ⅰ線破碎站方案，破碎站規(guī)模大，出砟能力強(qiáng)，適用于圍巖條件好，進(jìn)度較快地段。

方案3:井底橫通道方案。9號斜井圍巖較差，井底圍巖破碎，選擇在Ⅰ、Ⅱ線之間設(shè)置橫通道布置破碎站。

由于9號斜井承擔(dān)施工段落圍巖較差，井底通過段地層為石炭系板巖，圍巖破碎，Ⅴ級圍巖，整體進(jìn)度較慢，不適宜建設(shè)大規(guī)模破碎站，綜合分析采用方案3。破碎站設(shè)計如圖3所示，現(xiàn)場安裝見圖4。

3.3 破碎站橫通道

橫通道巖體破碎，巖質(zhì)較軟，巖塊間結(jié)合力差，局部有泥質(zhì)夾層，圍巖完整性差，自穩(wěn)能力差，采用雙層支護(hù)，拱部120°范圍采用φ42 mm超前小導(dǎo)管，小導(dǎo)管長3.5 m，環(huán)向間距40 cm，支護(hù)參數(shù)見表2。破碎站橫通道斷面如圖5所示。

圖3 9號斜井井底破碎站布置(單位:cm)

圖4 9號斜井井底破碎站現(xiàn)場安裝

圖5 破碎站橫通道斷面(單位:cm)

表2 橫通道支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.4 斜井皮帶機(jī)設(shè)置

9號斜井皮帶機(jī)安裝和施工共分為斜井井身、井底與正洞交叉口和穿越Ⅱ線3個環(huán)節(jié)。

(1)斜井井身皮帶機(jī)架設(shè)在左側(cè)底部，占用斷面寬度1.7 m(包括安全距離50 cm)，高度120 cm左右。在斜井井身安裝皮帶機(jī)前進(jìn)行一次系統(tǒng)的井身測量，對邊墻鼓包突出、扭曲侵限的部位要重點鑿除，確保井身順直，皮帶機(jī)緊貼邊墻，設(shè)計及施工見圖6。

(2)由于破碎站設(shè)置在橫通道，為了使皮帶機(jī)無折點到達(dá)破碎機(jī)下料口，同時不影響斜井底部和Ⅱ線正洞的交通運輸，對斜井井身與正洞交叉口前20 m范圍內(nèi)左側(cè)底板進(jìn)行下挖處理，井底段設(shè)計及施工見圖7。

(3)皮帶機(jī)下穿Ⅱ線時設(shè)置棧橋，棧橋采用密排I32型鋼上部鋪設(shè)鋼板形成。將該段范圍的仰拱加深，邊墻拱腳也相應(yīng)接長，以保證仰拱能與邊墻支護(hù)封閉成環(huán)，設(shè)計及施工見圖8。

3.5 洞外轉(zhuǎn)運設(shè)備

9號斜井洞外安設(shè)卸料裝置，將皮帶機(jī)輸出砟石直接卸載到汽車上運至砟場。為了保證出料口石砟能卸載在不間斷的汽車上，避免二次裝砟，卸料裝置設(shè)置2個卸料口，能獨立開關(guān)。裝滿一輛車后，關(guān)閉該出料口，同時開啟另一個出料口卸砟到另一車輛，從而形成不間斷轉(zhuǎn)砟。采用無軌出砟轉(zhuǎn)運至棄砟場，平均運距0.6 km。見圖9。

圖6 斜井井身皮帶機(jī)安裝(單位:cm)

圖7 斜井井底皮帶機(jī)安裝(單位:cm)

圖8 斜井皮帶機(jī)下穿正洞Ⅱ線設(shè)計及施工現(xiàn)場(單位:cm)

圖9 9號斜井皮帶機(jī)洞外卸料裝置

4 結(jié)語

長大隧道快速安全施工是隧道施工的難題，關(guān)角隧道環(huán)境惡劣，施工難度大，首次嘗試在斜井內(nèi)設(shè)置皮帶機(jī)，采用“正洞無軌+斜井皮帶機(jī)+洞外汽車轉(zhuǎn)運”出砟方案，現(xiàn)場運行良好，取得了較好的進(jìn)度、環(huán)境、安全效益，為山嶺隧道提供了新的施工模式。

［1］ 職常應(yīng)，李永生，羅占夫.關(guān)角隧道斜井皮帶機(jī)運輸技術(shù)研究［J］.隧道建設(shè)，2009(6):654-657.

［2］ 陳永輝，李建偉.關(guān)角隧道傳統(tǒng)出砟方式與皮帶運輸機(jī)出砟方式的比較研究［J］.科技信息，2009(8):632-633.

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［4］ 李志平，李永生.關(guān)角隧道無軌斜井施工方案優(yōu)化［J］.隧道建設(shè)，2010(1):54-57.

［5］ 羅致良.皮帶運輸系統(tǒng)在盾構(gòu)隧道建設(shè)中的應(yīng)用［J］.城市道橋與防洪，2004(5):125-130.

［6］ 夏安琳.軟弱圍巖陡坡長斜井無軌運輸快速施工技術(shù)［J］.隧道建設(shè)，2005(2):32-33.

［7］ 吳慧明，周文波.高效運輸系統(tǒng)在盾構(gòu)法隧道施工中的應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004(S2):5137-5139.

［8］ 關(guān)寶樹.隧道工程設(shè)計要點集［M］.北京:人民教育出版社，2003.

［9］ 鐵道部第二勘測設(shè)計院.鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊.隧道［M］.北京:中國鐵道出版社，1995.

［10］中華人民共和國鐵道部.TB10003—2005 鐵路隧道設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2010.

［11］王智遠(yuǎn)，伍智勇.連續(xù)皮帶機(jī)配套TBM出砟技術(shù)探討［J］.隧道建設(shè)，2011(1):138-143.

［12］宋偉剛.通用帶式輸送機(jī)設(shè)計［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

Design of Belt Conveyer Mucking-out System Used in Guanjiao Tunnel

JI Yan-lei
(Bridge and Tunnel Design Department，China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.，Xi'an 710043，China)

As a plateau tunnel，the Guanjiao Tunnel is sited in such a poor environment that there is shortage of oxygen with very cold weather.For this reason，it is difficult to do the mucking-out work by traditional method.However，the mucking-out work can be conducted by the belt conveyer thought which the good efficiencies can be achieved in relation to the schedule，environment protection and the safety.In this paper，in combination with the design of the belt conveyer mucking-out system at No.9 inclined shaft of Guanjiao Tunnel，the application of the belt conveyer mucking-out system in mountain tunnel was illustrated systematically.

railway tunnel;belt conveying;crushing station;mucking out;design

U45

A

1004-2954(2013)10-0112-04

2013-02-27;

2013-04-11

吉艷雷(1982—)，男，工程師，2008年畢業(yè)于西南交通大學(xué)隧道及地下工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail:tumu20011474@163.com。