洛湛铁路长大单线铁路隧道独头施工技术

洛湛铁路长大单线铁路隧道独头施工技术,中铁局集团洛湛铁路工程指挥部,工程概况 洛湛铁路长乐隧道和袍子岭隧道位于湖南省永州市双牌县境内，其中长乐隧道全长6381米，我标段施工进口段D3K77+565D3K81+600段4035米 ；袍子岭隧道全长6475米，我标段施工出口D3K73+800D3K77+565段3515米。两座隧道均为为洛湛线的工期控制性工程。 设计均为单线铁路隧道，断面小，工序干扰大；隧道长，工期要求紧，独头掘进更是增加了施工难度。 施工关键技术：有轨运输和施工通风排烟。,一、长大隧道有轨运输施工技术,（一）有轨运输总体施工方案 有轨运输轨道线路采用ZDK943/7/40号单开道岔、ZDC900型浮放道岔以及 ZDX943/7/4022型渡线道岔配合43钢轨铺装；开挖出碴运输采用挖装机装碴（一台LTC312H挖装机用于正洞，一台LDWZ200B挖装机用于平导，一台LDWZ200B挖装机备用）；利用18T电瓶车牵引SS20D梭式矿车进行出碴运输作业，混凝土施工利用12 T电瓶车牵引6m3混凝土罐车进行运输作业；洞内一般地段实施两轨单线，特殊地段和会车道利用道岔铺装闭合双线。洞内每350400设一避车线，避车线有效长度为50,（二）有轨设备的配备,德国进口LTC312H挖掘装载机的生产能力为260m3/h ，LDWZ200B挖掘装载机的生产能力为200m3/h。牵引选用18T电瓶车，矿车选用SS20D搭接式梭式矿车V=20m3。有轨运输的最长运输距离：隧道4835米（包括洞外800米）。每循环只需由6台18T电瓶车牵引12台梭矿车即能满足出碴要求。,18T电瓶车牵引SS20D梭式矿车进行出碴运输作业,LTC312H履带全液压式挖装机作业,LDWZ200B国产挖装机作业,（三）施工方法和工艺 【一】、施工方法,线路布置：洞外设置有调车、编组、卸碴、进料、设备充电和维修线路，以及可以同时满足10组电瓶充电的充电房一座。洞外线路包括主线、线2条，弃碴场卸碴线2条，拌和站混凝土运输线1条，碎石场原材运输线1条，电瓶车充电线路1条。洞内设置：洞口双线段设置有停车编组线、线，单线段设置有浮放道岔式停车会让线，掌子面附近设置有调车线和装碴线。,有轨运输洞外线路平面布置,有轨线路进洞,1、轨道铺设方法 仰拱施工地段：在浇筑仰拱时在钢轨铺设处预埋长为160mm直径20mm的钢筋2根，单侧钢轨两根钢筋的宽度为钢轨底宽2mm，每排钢筋的纵向间距为1m，横向间距为90cm（即轨距宽度）。钢轨下垫20mm的木板，安装时首先铺设木板，再铺设钢轨，经检测钢轨的位置无误后，用大锤将20mm钢筋打弯扣压在钢轨上即可。如钢筋与钢轨有缝隙，压紧点焊上。 仰拱未施工一般地段：将地面大致垫平，铺上1.5m长的枕木，枕木间距为1m。将一根钢轨放置枕木之上，利用道钉将钢轨固定在枕木上，经检测钢轨的位置无误，确保轨距为90cm后，再将另一根钢轨固定在枕木上。每5m左右在轨道上安装或焊上一根连接杆。轨道安装完成后，轨道工班对轨道进行整道工作，确保轨道平顺。,掌子面轨道延伸：掌子面的轨道延伸，应及时满足装碴、运输机械的走行和作业要求，并避免轨道延伸与其他工作的干扰。延伸采用短接轨的方法，待开挖面向前推进后，将连接的几根短轨换成长轨。 详见轨道安装及平面布置图 2、二衬施工段的运输线路布置 采用有轨混凝土罐车和改装的14m3梭矿车运送衬砌混凝土和喷射混凝土。从拌合站到作业面之间的有轨运输线路全程贯通。为了避免出碴和浇筑混凝土的干扰，在衬砌台车附近安装浮放道岔或者岔线。浮放道岔的特点是整个闭合道岔浮放于既有运输线路轨道之上，移动时只需要松开限位螺丝，采用电瓶车牵引便能实现道岔整体移动。浮放道岔铺设的目的是为二衬施工提供最佳的泵送距离和足够作业空间，以及不影响正常出碴运输作业。浮放道岔布置图,3、仰拱施工段的运输线路布置 仰拱施工包括开挖和混凝土浇筑两项内容，在解决仰拱施工段有轨运输线路的跨越问题时，我们采用了“便桥跨越、半幅开挖、全副浇筑”的施工方法对隧道单线段的仰拱进行施工。便桥跨越是指在仰拱施工段通过混凝土支墩架设工字钢便桥，有轨运输线路钢轨直接铺设于钢便桥之上，实现有轨运输线路跨越。仰拱便桥详见仰拱施工流程及便桥平面布置示意图,【二】、工艺流程图及工艺要点 装碴工艺流程 1、工艺流程 装碴调度工艺流程图,调车步骤说明： 线为主要装碴线，线为辅助装碴线，装碴通过、线和1号道岔完成装碴和会车； 具体装碴调车步骤如下： 第一步：待挖装机就位后，电瓶车推1号梭矿车到挖装机装碴位，同时电瓶车推2号梭矿车过1号道岔在线上等候； 第二步：待1号梭矿车装满碴后，电瓶车牵引经线到洞外卸碴，同时电瓶车推2号梭矿车到挖装机装碴位装碴； 第三步：在2号梭矿车装碴期间， 3号梭矿车和1号梭矿车通过浮放道岔调换车头方向后，由电瓶车推3号梭矿车通过1号道岔到上等候；此时一个装碴调车循环结束。 一个循环调车和装碴共计用时24分钟，按照3.5km计算，一辆出碴车一个出碴循环共计用时40分钟。,装碴调车线1号道岔距离挖装机80100m，如果超过100m时，装碴调车线前移。,卸碴工艺流程 1、工艺流程 1.1洞外调车 洞外调车工艺流程图,调车步骤说明： 线为主要卸碴线，线为辅助卸碴线，卸碴通过、卸碴线和单开道岔和渡线道岔调换车头后完成卸碴。 具体卸碴调车步骤如下： 第一步： 将满载碴的1号梭矿车停在单开道岔之前的线上并脱钩，空载的4号梭矿车停在渡线道岔之后的线上，4号电瓶车脱钩通过渡线与1号梭矿车的尾部连接。 第二步： 4号电瓶车牵引1号梭矿车至渡线道岔的尾部线上，1号电瓶车通过道岔进入线与4号梭矿车连接。 第三部：4号电瓶车推动满载的1号梭矿车通过单开道岔进入弃碴场进行卸碴，1号电瓶车推动4号梭矿车进洞装碴。 第四步：卸完碴后，电瓶车牵引梭矿车进入线，停放在单开道岔之前，并脱钩将电瓶车头停放于渡线道岔之后的线。等待下一列梭矿车到达，调换车头，进入下一循环。 一个循环调车和卸碴共计用时12分钟。,1.2洞内调车 洞内调车工艺流程图,有轨出碴工艺要点 工艺要点如下： 、电瓶车牵引不得超载，满载高度不得大于斗车顶面50cm，宽度不得大于车宽。 、列车连接必须良好，机车摘挂后调车、编组和停留，应备有刹车装置。 、车辆在同方向行驶时，两组列车的间距不得小于100m，轨道旁临时堆放的材料，距离钢轨的外边缘不得小于80cm，高度不得大于100cm。 、卸碴线路应设安全线并设置13的上坡道，卸碴码头应搭设牢固，并设有铁靴车挡装置，放置溜车。 、车辆运行时，必须鸣笛和按喇叭，注意瞭望，严禁非专职人员开车、调车和搭车，以及在运行中进行摘挂作业。 、长大隧道施工上下班的载人列车，制定了相应的安全保证安全措施。,仰拱施工段运输线路布置工艺流程及工艺要点 1、工艺流程 仰拱段线路施工工艺流程图,2、工艺要点 、仰拱的施工首先要保证不能影响正常出碴作业。 、有轨运输线路的左右平移应尽量穿插于掌子面钻眼的时间段，此时施工条件最好。 、仰拱便桥的混凝土支墩，其顶面标高必须根据梁的高度和仰拱顶面设计标高进行计算准确定位，确保线路行车顺畅。 、仰拱便桥的连接、钢梁和轨道之间的连接必须按照设计的连接点数量进行连接，确保轨道的稳固和规距的标准。,（五）劳力组织、设备及材料 有轨运输作业人员配置情况；有轨运输队按照正式建制队进行人员配置，队级管理人员7人，每台挖装机配司机2名，每台电瓶车配司机2名，随车指挥员1名，值班调度3班倒，充电工、电工、电焊工、修理工、铺轨人员按照两班倒配置。主要负责长乐隧道出碴和混凝土运输任务。有轨运输具体的劳动力配置如下表。,有轨运输劳动力配置表,长大隧道有轨运输设备包括防爆电瓶车、梭式矿车、挖装机、有轨平板车、有轨罐车、自动充电设备、简易龙门吊等，材料包括钢轨（43kg/m次重轨）、枕木（15cm15cm150cm）、道岔（单开道岔、浮放道岔、渡线道岔）、道钉、夹板等。配套设备包括高压电缆、变压器等。有轨运输设备、材料详见下表,（六）有轨运输辅助设施 1、高压进洞,随着施工机械化程度的提高，有轨运输装碴、运碴设备，混凝土运输设备都是采用电动装置进行工作，隧道洞内的耗电量也随之变大。为了保证设备的正常运转和充分发挥其机械性能，长乐隧道采取了高压进洞方案：平导洞口设置一台800KVA变压器，高压电缆由平导洞口引入，再由4号横通道切入正洞。正洞内始终要有一台变压器保持与掌子面距离不大于400m，变压器为315KVA。用于满足掌子面挖装机和梭矿车的装碴作业。迂回平导施工，同样采用有轨运输，因此平导内也必须安装1台315KVA变压器，跟进掌子面，距离不大于400m。详见长乐隧道进口施工配电平面布置图,高压进洞,2、充电房,电瓶车的充电装置采用全自动型充电装置。为满足设备的正常运转，保证电瓶车及时充电，充电房大小按可同时充10组电瓶设计。详见有轨运输充电房布置图,（七）经济技术指标,由于有轨运输可以减少洞内空气污染和噪声污染。出碴受洞内环境影响小，在压缩循环时间，提高出碴效率方面效果最为明显。虽然有轨运输前期的投入较大，但是其远期的经济效益还是很可观的。有轨运输减小了长大隧道通风排烟的难度，压缩了循环时间。解决了由于单线隧道空间狭小，无轨运输设备在洞内调头和错车困难的问题。可以避免无轨运输加开错车道对成本增加的影响，有轨运输,有轨运输充电房,可以在隧道加宽段、渐变段和大避车洞等特殊地段布置道岔和输送泵等设备。使各个工序之间减少干扰，对工程整体的进度具有积极的推动作用。 长乐隧道采用有轨运输，使洞内作业的安全系数得到提高。对于隧道施工安全方面提供了可靠的保障。 有轨运输的目标是在无轨运输出碴循环时间的基础上，将循环时间压缩30-40% 。增加日工作循环，提高生产效率，避免由于各工序相互干扰而影响工程进度。,（八）经验体会长乐隧道成功的采用有轨运输为我们今后施工长大隧道奠定了坚实的基础，但是长大隧道有轨运输施工技,术中还有很大的潜力可以挖掘，通过施工方案和机械设备的性能优化，我们还可以在有轨运输方面做足文章。让我们的长大隧道有轨运输施工技术更加成熟和完善。,二、长大隧道通风排烟施工技术,（一）、工程特点和难点 1、两座隧道均属长大隧道，且含有低浓度的瓦斯。单口掘进最长4035米，在集团公司尚属首次。袍子岭隧道采用无轨运输方案，长乐隧道采用有轨运输方案。两隧道均按瓦斯工区组织施工。,2、两隧道均为独头掘进，且工期要求砼衬砌与掘进必须同时进行，这就加大了施工通风的难度 4、两隧道是长大瓦斯隧道，隧道的通风技术是保障施工的关键。通风质量的好坏不仅关系到隧道能否正常施工，而且直接影响到洞内施工人员的身体健康乃至生命安全。 （二）、通风设备的选择 1、风机选择 因袍子岭隧道采用无轨运输方案，通风排烟压力更大，故以袍子岭隧道为例进行说明。 1计算参数的确定 (1)供给每人的新鲜空气按4 m3/min计算。柴油设备千瓦/分钟需要新鲜空气不小于3m3。 (2)开挖爆破一次最大用药量,正洞150 kg,平导70 kg。 (3)放炮后通风时间按30 min计。,(4)洞内摩擦阻力系数正洞为0.02。 (5)软质风筒直径为1.5 m,风筒节长100 m,100 m漏风率2%,风筒内摩擦阻力系数为0.0024。 (6)正洞回风流速不小于0.15 m/s,平导内回风流速不小于0.25 m/s。 (7)隧道内气温不超过20。 2正洞、平导未贯通前风量的计算 21按洞内允许最低风速计算风量:Q2=60VS =0.156060=540 m3/min式中: V正洞最小风速,为0.15 m/s; S正洞开挖断面面积,为60 m2。 22按洞内最多人数计算风量洞内最多人数按80人计算风量:Q2=4801.2=384 m3/min安全系数K=1.2。,23按爆破最多用药量计算风量 Q3=5Gb/t=515035.35/30=833.75 m3/min式中:G爆破最多用药量,150 kg;b爆破时有害气体生成量,岩层中爆破取35.35 L/kg; t通风时间,取30 min。 24消除顶层瓦斯积聚所需风量 Q4=60V小S =600.2560=900 m3/min式中: V小瓦斯隧道通风允许最低风速,取0.25 m3/s;S正洞隧道断面面积,60 m2。 25按回风流瓦斯浓度不超限所需风量 Q5=1CgCH4=1/0017.8=780 m3/min式中:C瓦斯安全浓度,取1%; gCH4瓦斯绝对涌出量,正洞取7.8 m3/min。,26风筒漏风损失风量 风筒最长2500 m,100 m漏风系数为2%,风机风量按消除瓦斯积聚所需风量计算。 Q6=Q4/(1-)L/100=900/(1-0.02)2500/100=1492 m3/min 27实际所需风量计算 271按海拔高度修正风量 QH= Q6/K =1507m3/min 式中:QH、Q6分别为海平面和海拔高度的通风量;K高程系数,袍子岭隧道海拔高度240 m,K取0.99。 272实际所需风机风量 经以上计算,实际所需风机风量为1507 m3/min。 28风机压力计算 通风机的全压要大于通风的总阻力,总阻力为风筒内阻力与洞内阻力之和。,281风筒内摩擦阻力h1 h1=L/DV2/2=635 Pa 式中:正洞摩擦阻力系数,取0.0024; L隧道的最大长度,取2550 m(后期在平导内供风,3015-465=2550米); D风筒直径,取1.5 m; 空气密度,隧道口海拔240 m,取0.96 kg/s; V风筒平均风速取18 m/s。 282隧道内摩擦阻力h2 h2=L/DV2/2 =3.9 Pa 式中:正洞摩擦阻力系数,取0.02; L隧道的最大长度,取3015 m; D隧道当量直径,取6 m; V洞内回流平均风速,取0.9 m/s。,283风筒内局部阻力h3 h局=V2/2 风筒入口处:=0.3, =0.96, V入=24 m/s; 风筒出口处:=1.0, =0.96, V出=13.6 m/s;过两个衬砌台车处:每处=014, =096, V=18 m/s h3=h局=216 Pa 根据风机的风压和风量的要求,我们选用SDF（c）-NO12.5型防爆轴流风机,电机功率为2110 kW, 该风机为变速风机,共6级变速,风量从840 m3/min至2912 m3/min,风压从353 Pa至5355 Pa,功率从16 kW至220 kW，根据其性能曲线图可知,风机风量及全压参数完全大于所需风量及全压,满足使用要求。 3平导风机的选择(略) 电机功率为255 kW的通风机满足施工要求.,2、风筒的选择 实现长距离大风量通风的最有效的技术措施是采用大直径风管，这不仅可以减少通风机、延长送风距离，还可以成倍地降低通风能耗，同时考虑正洞和平导断面大小和通行车辆影响分别选用：正洞用1500mm WSFG型软风管；平导用1000mmWSFG型软风管。 1500mm WSFG型软风管平均百米漏风率：e=1.23%；平均百米静压损失：R=6.5aL/D66.50.0024100/1.560.137NS2/m3；摩阻系统:a=0.0024kg/m3。 考虑长大瓦斯隧道防火防爆要求采用阻燃、抗静电效果较好的软风管。 （三）、施工通风实施方案,洞内已挂好1500mm通风带,袍子岭隧道和长乐隧道有瓦斯含量，又是长大隧道，通风难度大。隧道采取了巷道加管道等通风方式,取得了良好的通风效果,保证了隧道的安全顺利贯通。具体通风方式分两阶段进行。 1、第一阶段(平导、正洞贯通前)采用压入式通风 车站双线段未和1#横通道贯通，1#横通道切入正洞后增加的工作面位与4#横通道未贯通。该段时间通风方式是：在隧道正洞洞口安设一台110KW*2的通风机，通风机配1500mm通风带，车站段最大通风距离为320米；平导洞口安设一台55 KW*2通风机，在平导和1#横通道的分叉处一个三通，确保通风机分别向平导和1#横通道输送新鲜风，平导和1#横通道都用1000mm通风带,平导最大送风长度为680米,4#横通道切如正洞的掌子面里程为D3K78+550。,由于该阶段二次衬砌未开始施工，各个口都仅有开挖支护施工，施工工序单调，通风干扰很小。因此对通风要求比较低。响完炮后通风约15分钟，掌子面即可进行出渣作业，出渣前向渣堆进行撒水降尘，避免装渣时掌子面灰尘过大。通风距离较短，通风保障也因为单工序施工而较为简单。 通风系统布置图一 2、第二阶段(平导、正洞贯通后) 平导与正洞贯通后,将两个洞口风机移至洞内平导与正洞横通道口,将平导作为巷道加风机管道向正洞掌子面压入新鲜风流,使污浊空气从正洞排向洞外。将2110kw的风机放于平导与正洞交叉处的4#平导口处，利用平导方向进风，采用1500mm的通风带。,在1#横通道的正洞附近位置设一台55kw2的通风机配1000mm通风带向正洞口排风,在每组衬砌台车后面以及迂回平导口和掌子面附近安设一台37KW的射流风机以加快污浊空气流动和排出，这样保证了洞内施工人员的作业环境。迂回平导内根据需要增加了射流风机以保证通风效果。两组衬砌台车安设铁皮风筒后即可满足衬砌台车行走时不影响洞内通风的目的。通过采取巷道加管道以及接力通风等通风方式达到通风目的。 通风系统布置图二,平导洞口55 KW2通风机,（四）、洞内环境监测 本工程对洞内有害气体监测,是在掘进施工的不同时间和掘进的不同深度随机进行。采用的设备仪器为: JCB-C103A变携式智能甲烷检测仪和CJC4X型防爆悬挂式瓦斯检测仪、2000型系列便携式有害气体监测仪、GXH301BC02分析仪;风量和风速用QDF 2A型热球式电风速计测试;粉尘用76型交直流两用采样仪采样。经过一系列的测试,工作面的空气可达到国家卫生标准。 （五）、通风管理与辅助通风措施 根据需要随时进行空气卫生和通风指标检测，不断进行通风系统的优化，保证通风系统完好有效运行。 1、水幕降尘，为了降低围岩爆破后产生的粉尘量，我们采用了水幕降尘，改善洞内施工环境，减少了通风时间。在距工作面40 m处设置三道水幕，水幕,降尘 装置安装在边拱上，爆破后5 min打开水幕开关，降尘20 min左右停止。同时在出碴运输过程中用高压水雾对道路及碴堆进行分层洒水以减少粉尘。 2、机械净化，正洞采用净化程度较高的装碴设备,重庆铁马是低排放、低污染运输车。除此之外,还采取了以下措施。 (1)加强对机械的维修保养。按照设备日常保养和定期维修规定,特别对进气、燃油部位进行强化保养,坚持燃油沉淀过滤制度。 (2)柴油中添加加入S30-30柴油净化剂。在柴油中加入少量添加剂,有效地降低了CO和其他有害气体的排放量。 (3) 保持洞内道路平整，减少污染气体排放量。限制污染较大的车辆进洞。,3、防漏降阻是实现长距离通风的关键,严格控制风筒质量,安装时保持风筒直线,防止弯折变形。注意风筒防护,避免机械进出挂损,破损风筒及时修复。 4、成立专门的通风作业班组，一方面负责不断向前接长风管，另一方面进行系统检查和维修，负责风管的维修和更换。对于严重破损的风管要立即更换，轻微破损的风管节要及时修补，修补时可采用快干胶水粘接的方法。由于柔性风管在停风时会在自重作用下自然下垂，再次通风时，当管内风速大于10m/s时会对管路产生很大的瞬时张力，所以采用变频电机调速。修补、接长风管时，应根据洞内作业工班的时间安排，关闭风机。 （六）、通风效果通过采取以上技术措施,两长大隧道施工区段通风效果,较为理想,多次对其进行跟踪监测,检测结果表明,隧道内CO、NO2、SO2、粉尘浓度均符合国家劳动卫生标准的要求。 （七）、经验体会 通过洛湛项目长大隧道施工区段施工通风阶段性实践,总结出以上几点: 1在设备选型上,应尽可能选择风量较大无级变速节能风机,正洞选用SDF(C) NO12.5变速风机,该机共6级变速,风量从840 m3/min至2 912 m3/min,风压从353 Pa至5 355 Pa,功率从16 kW至220 kW,既可适应不同施工阶段的需求,也可避免电能的虚耗和大风机启动时风压较高而设置长距离的硬管。采用直径1.5m的通风软管,百米漏风率降低,风阻减少,更换较少,节约了动力费用。实现了大风机、大风管的合理匹配。,根据流体力学的基本规律,通风阻力和通风消耗的功率等都与通风管直径的负五次方成正比。因此,要降低通风阻力,延长通风距离、降低通风的电能消耗,提高通风效果,最有效的途径是采用直径较大的通风管。若将通风管