高速鐵路隧道高瓦斯工區(qū)施工無軌運輸方案探討

林 斌

(中國中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司工程經(jīng)濟院， 四川成都 610031)

高速鐵路隧道高瓦斯工區(qū)施工無軌運輸方案探討

林 斌

(中國中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司工程經(jīng)濟院， 四川成都 610031)

成貴鐵路貓魯寺雙線隧道為國內(nèi)川南地區(qū)典型的天然氣高瓦斯隧道，瓦斯?jié)舛雀撸L(fēng)險大，施工運輸方式是隧道施工組織設(shè)計的難點。有軌運輸專用設(shè)備投入大，組織困難，無軌運輸需設(shè)備防爆改裝、強化通風(fēng)、輔助坑道斷面加大。文章結(jié)合現(xiàn)場施工，對瓦斯防爆原理、高瓦斯工區(qū)對運輸設(shè)備的要求、兩種運輸方式的工況要求及技術(shù)經(jīng)濟、優(yōu)缺點等進行闡述和比較論證。

高速鐵路； 隧道； 高瓦斯； 工區(qū)； 運輸

1 工程及地質(zhì)概況

新建成都至貴陽鐵路貓魯寺隧道位于四川省興文縣蓮花鎮(zhèn)境內(nèi)，隧道全長4 295 m。出口工區(qū)長2 625 m，為高瓦斯工區(qū)。出口設(shè)平導(dǎo)，平導(dǎo)長2 102 m，平導(dǎo)承擔(dān)正洞施工259 m。貓魯寺隧道為川南地區(qū)典型的天然氣高瓦斯隧道。

隧區(qū)地層為含煤或炭質(zhì)頁巖地層，線路中心右側(cè)120～170 m即為宜賓興文縣大灣煤礦礦權(quán)區(qū)，右側(cè)1 300 m即為大灣煤礦開采區(qū)邊界。根據(jù)隧區(qū)深鉆有害氣體測試結(jié)果，結(jié)合隧道埋深和巖性綜合分析，隧道里程D1K215+100～D1K216+900段為高瓦斯段落，地質(zhì)縱斷面示意見圖1。

圖1 貓魯寺隧道地質(zhì)縱斷面示意

2 輔助坑道及工區(qū)劃分

為滿足高瓦斯工區(qū)巷道式通風(fēng)及超前探明地質(zhì)需要，于出口線路前進方向左側(cè)30 m設(shè)置平行導(dǎo)坑，全長2 102 m，按有軌單車道設(shè)計。設(shè)計出口(含平導(dǎo))工區(qū)采用有軌運輸模式組織施工，進口工區(qū)采用無軌運輸模式組織施工，見圖2。

圖2 貓魯寺隧道輔助坑道及工區(qū)劃分示意

3 高瓦斯工區(qū)施工運輸方案選擇

3．1 瓦斯特性簡介

(1)爆炸性。

瓦斯本身是不會自燃和爆炸的，但當(dāng)和空氣(氧氣)以一定比例混合均勻并達到一定濃度后，遇到火源，就會燃燒和發(fā)生爆炸。

(2)滲透性。

瓦斯的滲透性極高，擴散速度快，其擴散性較空氣高1.6倍，容易透過裂隙發(fā)育、結(jié)構(gòu)松散的巖石或煤層，滲透到隧道開挖空間。

(3)不穩(wěn)定性。

瓦斯在煤體和圍巖中以游離狀態(tài)和吸附狀態(tài)存在。兩種狀態(tài)的瓦斯是處在不斷變化的動態(tài)平衡中，當(dāng)溫度、壓力等外界條件變化時，平衡就被打破。壓力升高溫度降低時，部分瓦斯將由游離狀態(tài)轉(zhuǎn)化為吸附狀態(tài)，反之，壓力降低溫度升高時，又會有部分瓦斯由吸附狀態(tài)轉(zhuǎn)化為游離狀態(tài)。

(4)窒息性。

瓦斯無毒、無色、無味，但不適合呼吸。瓦斯?jié)舛壬撸諝庵醒鯕鉂舛燃眲∠陆?，會引起人員窒息。

(5)瓦斯爆炸的必要條件。

瓦斯爆炸必須具備三個條件：一定的瓦斯?jié)舛?，一定溫度的引火源和足夠的氧氣[1]。

3.2 瓦斯防爆基本原則

一是控制瓦斯這個危險物質(zhì)，關(guān)鍵是通過瓦斯探測、瓦斯監(jiān)測、施工通風(fēng)降低瓦斯?jié)舛取?/p>

二是防止點火源的出現(xiàn)。

3.3 高瓦斯隧道對運輸設(shè)備的要求

現(xiàn)行鐵路瓦斯隧道施工技術(shù)規(guī)范、隧道施工指南和安全技術(shù)規(guī)程規(guī)定：隧道內(nèi)高瓦斯工區(qū)必須采用安全防爆型機電設(shè)備。有軌、無軌運輸設(shè)備從本質(zhì)上應(yīng)具備消除電氣、動力火花和控制高溫的防爆性能，應(yīng)選擇有資質(zhì)的單位進行有軌、無軌設(shè)備防爆改裝。

(1)有軌運輸設(shè)備產(chǎn)生的火花和高溫均是由電力提供，消除電氣火花主要采取與環(huán)境隔絕的措施；無軌運輸采用柴油機為牽引動力，其防爆主要應(yīng)消除柴油機電火花及柴油燃燒產(chǎn)生的火花。

(2)運輸設(shè)備應(yīng)設(shè)置自動保護裝置，在監(jiān)控參數(shù)出現(xiàn)異常情況時能及時發(fā)出警報信號并能使無軌運輸設(shè)備動力系統(tǒng)停止運行。

(3)運輸設(shè)備應(yīng)配備車載瓦斯自動監(jiān)測報警閉鎖系統(tǒng)，在防爆改裝無軌運輸設(shè)備本質(zhì)上具備防爆性能的基礎(chǔ)上，再給設(shè)備配備車載瓦斯自動監(jiān)測報警閉鎖系統(tǒng)，作為多重保險。

3.4 有軌運輸與無軌運輸?shù)姆辣?/p>

有軌運輸與無軌運輸防爆主要是消除動力火花和設(shè)備產(chǎn)生的高溫，以及預(yù)防電氣火花；兩種運輸方式不可消除的是都可能產(chǎn)生機械摩擦和撞擊火花等。

無論有軌運輸和無軌運輸防爆設(shè)備消除產(chǎn)生的火花和產(chǎn)生高溫是相對的，無論采用那種運輸方式都不可能徹底杜絕摩擦和撞擊火花產(chǎn)生，只要施工中通風(fēng)良好、瓦斯不發(fā)生積聚，將瓦斯?jié)舛瓤刂圃诎踩珴舛确秶詢?nèi)，就不會出現(xiàn)瓦斯爆炸事故。從防爆原理上來說，兩種運輸方式均能滿足高瓦斯隧道施工要求。

3.5 兩種運輸方式的技術(shù)經(jīng)濟比較

隧道洞內(nèi)運輸方式是隧道施工組織設(shè)計必須首要解決的問題，作為高瓦斯隧道的高瓦斯工區(qū)采用有軌運輸也是為了消除動力火花和動力產(chǎn)生的高溫，以及預(yù)防電氣火花。洞內(nèi)敷設(shè)鋼軌，利用軌道式液壓立爪裝巖機、軌道式電瓶車、梭式礦車及硅整流充電機等專用設(shè)備進行出砟運輸，加上軌道式混凝土攪拌輸送車、軌道平車實現(xiàn)混凝土及洞內(nèi)材料的運輸。為保證每個掌子面裝砟后隨時有梭式礦車跟進，裝砟不停，運輸不斷作業(yè)，需設(shè)匯車道。有軌運輸配套設(shè)備相對專業(yè)化，配備生產(chǎn)及調(diào)度管理人員多。設(shè)備投入較大，工程完工后，一旦沒有相類似的工程項目施工，勢必造成機械設(shè)備的大量閑置，資源浪費。有軌運輸通道有效凈空斷面要求小，適宜單線隧道，獨頭掘進越長越適宜，輔助坑道斷面小，節(jié)省投資，對于高瓦斯隧道無洞內(nèi)柴油運輸設(shè)備的改裝費用。有軌運輸減少了大量內(nèi)燃機進洞所產(chǎn)生的有害氣體，改善了洞內(nèi)作業(yè)人員的作業(yè)環(huán)境。目前長大單線隧道及高瓦斯工區(qū)基本上采用有軌運輸設(shè)計及施工[2-3]。

高速鐵路隧道大斷面開挖，適宜隧道無軌運輸及大型裝砟、運輸設(shè)備的推廣使用，尤其是目前推行的“長隧短打”、獨頭掘進短工效高。專用設(shè)備投入少，挖掘機、裝載機、自卸汽車、混凝土罐車均為常用設(shè)備，無軌運輸施工組織相對簡單，人力成本較低，是目前隧道施工最常用的運輸方式。但由于柴油機械較多，所產(chǎn)生的有害氣體對洞內(nèi)作業(yè)人環(huán)境污染大，需加強通風(fēng)，進行通風(fēng)專項設(shè)計，使用雙電源，尤其是高瓦斯工區(qū)，不間斷通風(fēng)尤為重要。目前鐵路高瓦斯隧道無軌運輸無規(guī)范可供參考，有高瓦斯隧道施工經(jīng)驗的施工單位均認為無軌運輸較有軌運輸施工效率高、工期有保障。

有軌運輸與無軌運輸對通道的有效凈空斷面要求不同，單線隧道多采用有軌運輸方式，尤其是單洞掘進大于3 000 m的，工效更高。鐵路隧道對輔助坑道設(shè)計斷面一般是有軌單車道為3.5 m(寬)×4.9 m(高)，無軌單車道為5.0 m(寬)×6.0 m(高)。

比如一天中午，我本來興高采烈的，可媽媽說：“方舟，今天我發(fā)了八十八塊錢，和你考的一樣?！闭f完，又裝作天真無邪的樣子捂住嘴，好像說漏了嘴一樣。我警惕地看了爸爸一眼，爸爸正在做飯，不知他聽見沒有。

針對有軌、無軌運輸方式的以上設(shè)備配置、施工組織等技術(shù)不同，對成貴鐵路貓魯寺高瓦斯隧道出口高瓦斯工區(qū)進行了經(jīng)濟比較。結(jié)合現(xiàn)場實際和高瓦斯無軌運輸作業(yè)特點，以及原鐵道部《鐵路隧道施工機械配置的指導(dǎo)意見》(鐵建〔2008〕777號)相關(guān)要求，按正洞+平導(dǎo)工區(qū)考慮機械設(shè)備的配置數(shù)量，并根據(jù)當(dāng)前防爆設(shè)備改裝市場行情，洞內(nèi)設(shè)備防爆改裝費用需336萬元。2 102 m長的出口平導(dǎo)無軌單車道造價高于有軌單車道425.76萬元，通過對貓魯寺隧道出口高瓦斯工區(qū)按有軌運輸和無軌運輸方式選配的機械設(shè)備進行施工費用測算，其中有軌運輸成本每1m3為65.23元，無軌運輸成本每1m3為43.18元，無軌運輸考慮設(shè)備改裝費及輔助坑道斷面加大的投入，成本每1m3為64.64元,兩種運輸方式成本投入相差無幾。但無軌運輸卻沒有有軌運輸成套專用設(shè)備購置的一次性大量資金投入，以及完工后可能的設(shè)備閑置，資源浪費等，無軌運輸在技術(shù)經(jīng)濟上優(yōu)勢明顯。

3.6 有軌運輸、無軌運輸方式優(yōu)缺點比較

表1 有軌運輸與無軌運輸優(yōu)缺點比較

從表1可以看出無軌運輸從根本上克服了傳統(tǒng)有軌運輸方式所存在的用人多、專用設(shè)備多、效率低、費用高等弊端，為高效、高產(chǎn)提供了較有力的運輸保證。

3.7 部分高瓦斯隧道施工運輸方式對比

對20世紀90年代至當(dāng)前一段時期的國內(nèi)施工的部分公路、鐵路高瓦斯隧道施工運輸方式進行了統(tǒng)計，列如表2：

從表2可以看出，高瓦斯隧道現(xiàn)場實際施工中，有軌、無軌運輸方式均有使用，并有大量成功的實例。只要施工中通風(fēng)良好、瓦斯不發(fā)生積聚，將瓦斯?jié)舛瓤刂圃诎踩珴舛确秶詢?nèi)，就不會出現(xiàn)瓦斯燃燒爆炸事故，兩種運輸方式均能滿足高瓦斯隧道施工要求。根據(jù)國內(nèi)瓦斯隧道的施工經(jīng)驗，不論是無軌運輸還是有軌運輸，其施工技術(shù)都是成熟的。

3.8 采用無軌運輸方式應(yīng)采取的安全措施

(1)洞內(nèi)施工機械設(shè)備須采用柴油防爆型(車輛、挖裝設(shè)備等)，防爆柴油動力設(shè)備必須嚴格按照相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

(2)柴油動力設(shè)備防爆改裝須有防爆盒煤礦安標資質(zhì)的單位進行設(shè)計、改造，并出具相關(guān)部門的檢驗報告、產(chǎn)品合格證等。

表2 國內(nèi)部分高瓦斯隧道運輸方式對比

(3)加強防爆柴油動力設(shè)備的日常管理，建立管理制度，確保設(shè)備完好。

(4)隧道施工通風(fēng)應(yīng)根據(jù)隧道開挖斷面、地質(zhì)及工況變化進行專項設(shè)計，采用機械通風(fēng)，通風(fēng)設(shè)備應(yīng)采用雙電源，因故停止通風(fēng)后應(yīng)在10 min內(nèi)恢復(fù)通風(fēng)。

(5)所有電氣設(shè)備必須采用防爆型，并做到“三專兩閉鎖”。

(6)施工期間應(yīng)加強對瓦斯的超前探查，建立完善的瓦斯監(jiān)控體系，制定瓦斯隧道專項管理制度。各級分別成立瓦斯隧道安全管理機構(gòu)。

(7)細化瓦斯突出地段施工方案。

(8)加強瓦斯隧道施工期間的管理和研究，實行動態(tài)管理。

3.9 結(jié)論

通過有軌運輸、無軌運輸方式比較可以看出，采用無軌運輸方式是目前高瓦斯隧道運輸方式的發(fā)展趨勢，這是因為通過設(shè)備防爆改造的實施以及技術(shù)、管理的進步，無軌運輸方式既能滿足高瓦斯隧道機電設(shè)備防爆安全要求，還能較大地提高運輸效率、降低運輸成本，為隧道施工高效、高產(chǎn)提供強有力的運輸保證。

鑒于山區(qū)鐵路地形條件差，有軌運輸車場布置困難；成貴鐵路為客運專線鐵路，隧道斷面大，臺階法開挖掌子面仍無法避免無軌機械作業(yè)等問題。經(jīng)以上論證，高瓦斯隧道在采取一定安全措施下，采用無軌運輸是可行的。結(jié)合貓魯寺隧道地形條件、工期等具體情況及目前施工單位在高瓦斯隧道方面積累的施工經(jīng)驗，貓魯寺隧道出口高瓦斯工區(qū)擬變更設(shè)計采用無軌運輸方式進行施工，并通過采取一系列行之成效的技術(shù)保證措施、安全保證措施、嚴格的安全管理措施，確保安全、高效、快速完成隧道建設(shè)。

[1] 鄒福林.高瓦斯隧道無軌運輸通風(fēng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].建材與裝飾，2013，(4)：250-251

[2] 楊永榮.淺談長大隧道有軌運輸機械設(shè)備配套管理技術(shù)[J].科技視界，2012，(17)：270-271

[3] 劉永迅.有軌運輸隧道施工設(shè)備配置及調(diào)度技術(shù)[J].西部探礦工程，2004，(11)

林斌(1970～),男,工程師,研究方向：鐵路施工組織設(shè)計與工程概預(yù)算。

[定稿日期]2014-11-25