謝建武

（山西省水利建筑工程局 山西太原 030006）

當前，山西大水網(wǎng)工程正處于全面建設時期，在大水網(wǎng)工程建設項目中，輸水隧洞工程項目占有相當大的比例，且有很多隧洞因地理位置及輸水線路等因素造成其埋深較大，坡度很大，由此帶來一些新的隧洞施工難題需要面對和克服，諸如通風、出渣、供電、排水以及襯砌等。本文擬以實際工程為依托，對在工程實施中遇到的高強度、大坡度隧洞施工運輸難題，有針對性地進行分析研究，在確保安全施工的前提下，設計制定適宜的渣料裝、運、卸方案及洞內所需施工材料運輸方案，以期為隧洞工程的順利實施奠定良好的基礎。

1 工程分析

在山西大水網(wǎng)隧洞工程項目中，中部引黃工程TBM2標隧洞項目具有洞身埋深大、運輸坡度大、運輸距離長以及運輸強度高等特點，可作為高強度、大坡度隧洞施工運輸方案的代表工程進行分析研究。

1.1 工程簡介

山西省中部引黃工程TBM2標工程主洞口位于山西省呂梁市臨縣木瓜坪鄉(xiāng)楊家?guī)r村。主洞長20.325 km，坡度為1/2 500～1/3 000，采用TBM進行施工；進洞支洞長度為3.641 km，坡比6.5%，其中土洞段和巖土銜接段長687.48 m，采用人工鉆爆法施工，巖石段長2 953.52 m，采用TBM施工，加上主洞的20.325 km，主洞和部分支洞（TBM施工段）掘進斷面相同，TBM施工總長度為23.279 km；進口支洞高程與主、支洞交匯點的高程差212.56 m，主、支洞交匯處設32.367°左轉弧，弧長291.185 m，R=500 m；在進洞支洞口50 m處和左轉弧15 m處有立面弧段，R=1 000 m。進洞支洞入口鉆爆段，開挖斷面7.8 m，成馬蹄形，成型后斷面為6.5 m；TBM施工段開挖斷面5.06 m，預制管片襯砌，襯砌后斷面4.3 m，TBM每個循環(huán)1.4 m，每兩個循環(huán)出一次渣,掘進機每個循環(huán)的時間為22 min，預制管片內徑4.3 m，外徑4.8 m，厚度25 cm。

1.2 工程特點

該標段隧洞主要采用TBM施工，先行對進洞支洞施工，進洞支洞前687.48 m段采用人工鉆爆法施工，后段2 953.52 m和長20.325 km的主洞采用TBM法進行施工，開挖斷面為圓形，直徑5.06 m。進洞支洞的坡度6.47%（全程直線下坡），總長3.3 km。進度支洞施工完成后，進行水平主洞施工。主洞施工的物料、人員進出以支洞為運輸通道。因人工鉆爆法施工只有687.48 m，對整個工程的進度影響很小，故文中的開挖及運輸強度的設計以TBM施工段為主。

因洞體開挖主要以TBM進行，其掘進強度要遠遠高于鉆爆法施工，因而帶來高強度的渣料運輸問題；又因坡度為6.47%的交通運輸支洞，使得大坡度的運輸成為亟需克服的難題。

1.3 隧洞施工運輸工況要求

掘進設備選用美國羅賓斯生產(chǎn)的TBM，全長420 m(其中含165 m的錯車平臺)，后配套為臺車式，軌距900 mm，采用38 kg/m軌道，最小轉彎半徑為25 m，TBM設備后配套可用通行機車的尺寸最寬不大于1.4 m，最高不大于1.8 m；要求機車在平洞段（主洞）空載20 km/h,重載15 km/h；斜洞段（進洞支洞）下行重載7 km/h，上行空載15 km/h。

2 隧洞施工運輸系統(tǒng)設計

根據(jù)工程運輸強度高、運輸坡度大等具體情況，在滿足安全的前提下，本著經(jīng)濟運輸?shù)脑瓌t，確定運輸系統(tǒng)總體布置如下：支洞出渣采用連續(xù)皮帶機，支洞的材料運輸采用無軌內燃機車（以下簡稱膠輪車）牽引列車編組；主洞出渣采用25 t內燃機車牽引列車編組，通過洞內工業(yè)廣場轉送到支洞固定皮帶機（支洞施工時為連續(xù)皮帶機，主洞施工時改為固定皮帶機）進行出渣，材料運輸采用支洞段膠輪車運至洞內工業(yè)廣場重新編組，主洞段采用25 t內燃機車牽引運輸。

2.1 支洞段運輸方案布置

2.1.1 支洞段出渣方案

進洞支洞TBM掘進出渣采用連續(xù)皮帶機出渣，掌子面渣料通過TBM自身皮帶機轉送給連續(xù)皮帶機，然后經(jīng)連續(xù)皮帶機將渣料運至洞外的轉渣皮帶機將渣料轉至洞外轉渣場，最后用自卸汽車將渣料運至棄渣場。支洞施工完畢后，將支洞段的連續(xù)皮帶機改為固定皮帶機，上述運輸方案作為主洞掘進時渣料在該段的運輸方式。進洞支洞出渣系統(tǒng)運輸流程為：掘進機掌子面渣料→TBM主機皮帶機（設備自帶）→TBM后配套皮帶機（設備自帶）→連續(xù)皮帶機→洞外轉渣皮帶機→洞外轉渣場→自卸車運輸→棄渣場。

連續(xù)皮帶機出渣方式是將掘進機的掘進渣料由主機皮帶機、后配套皮帶機、連續(xù)皮帶機共同組成連續(xù)排渣系統(tǒng)。在理想的工況下，TBM掘進需要的輸送能力計算見表1。根據(jù)計算結果選用的連續(xù)皮帶機主要技術參數(shù)見表2。

表1 TBM掘進皮帶機出渣能力計算參數(shù)

表2 連續(xù)皮帶機主要技術參數(shù)

2.1.2 支洞段材料運輸方案

洞內施工所需材料運輸采用膠輪車牽引列車編組，洞外材料采用膠輪車牽引列車編組到TBM后配套的錯車平臺后，將膠輪車的位置轉到列車編組的尾部，再由膠輪車將列車編組推進TBM工作面。進洞支洞材料運輸流程為：洞外有軌機車牽引材料運輸編組列車→在洞口有軌機車轉換為膠輪車→膠輪車牽引材料運輸編組運至洞內工作面→膠輪車牽引列車編組返回洞口→再次編組循環(huán)。

材料運輸?shù)闹饕獌热萦卸沟[石、管片及水泥等，對材料要求運輸能力進行估算，進洞最大載重為：1人車（滿載）+1豆礫石車（滿載）+3平板車（滿載）+4管片牽引車（滿載），總重約為105 t；出洞最大載重為：1人車（滿載）+1豆礫石車（空載）+3平板車（空載）+4管片牽引車（空載），總重約為45 t。

根據(jù)上述材料運輸能力要求，對膠輪車的性能要求應滿足最大載荷和上坡最高速度工況（15km/h）；適應隧道內濕滑、高塵土污染的工作環(huán)境；爬坡能力、通過能力強；車輛的緩速/制動系統(tǒng)可保證運行安全。該車的主要技術參數(shù)見表3。

表3 無軌內燃機車（膠輪車）主要技術參數(shù)

2.2 主洞段運輸方案布置

主洞段TBM掘進出渣和材料運輸整體方案如下：

（1）在主洞段（樁號118+395.85)通過擴挖方式修建210 m×10 m×8 m(長×寬×高)的洞內工業(yè)廣場，廣場內布置四條互通軌道，軌距900 mm，并設翻渣臺、轉渣皮帶機、給料、排水設備等附屬設施。

（2）TBM掘進出渣采用25 t有軌內燃機車牽引列車編組運至洞內工業(yè)廣場內，通過翻渣機將渣料卸至料倉內，料倉出渣口設給料機經(jīng)上仰式轉渣皮帶機將渣料轉運至安裝在支洞的固定皮帶機，其后渣料的運輸流程與支洞掘進時的運輸方式相同。

（3）洞內施工材料采用膠輪車牽引有軌列車編組至主洞工業(yè)廣場更換為有軌內燃機車牽引至施工作業(yè)場，材料列車編組空載返回到洞內工業(yè)廣場再更換為膠輪車牽引至洞外進行下一循環(huán)作業(yè)。

2.2.1 主洞段出渣方案

由TBM掘進機中的皮帶機（設備自帶）將掌子面渣料運輸至后配套卸渣口，列車編組接料，再由有軌內燃機車將列車編組牽引至洞內工業(yè)廣場的翻渣臺，翻渣后通過上仰轉渣皮帶機將渣料轉至固定皮帶機（由支洞段的連續(xù)皮帶機改裝而成）。需要說明的是，主洞段的渣料運輸由25 t的內燃機車進行牽引運輸，該機與TBM為配套設施，運輸能力完全滿足要求。渣料運到支洞后其與前述運輸方式相同。

主洞出渣系統(tǒng)運輸流程為：TBM掌子面渣料→TBM主機皮帶機→TBM后配套皮帶機→渣斗車運輸→洞內工業(yè)廣場翻渣→轉渣皮帶機→固定皮帶機→洞外轉渣皮帶機→洞外轉渣場→自卸車運輸至棄渣場。

2.2.2 主洞段材料運輸方案

膠輪車牽引材料編組列車至洞內工業(yè)廣場再轉換有軌機車牽引至洞內工作面，然后空載返回洞內工業(yè)廣場轉換為膠輪車牽引進行編組循環(huán)。其各段運輸方式及運輸能力與前述支洞段基本相同。

主洞施工材料運輸流程為：洞外有軌機車牽引材料列車編組→洞口轉換為膠輪車牽引→工業(yè)廣場換為有軌機車牽引至洞內工作面→返回工業(yè)廣場轉換為無軌牽引→洞口轉換有軌機車→再次編組循環(huán)。

3 結語

客觀地說，主洞掘進的渣料運輸若全部采用連續(xù)皮帶機方案從技術角度講完全可以滿足要求，但造價卻要高出很多。因此，前述渣料運輸系統(tǒng)布置貌似復雜，但這恰恰說明了工程技術人員的用心良苦，在滿足進度及安全的前提下，經(jīng)過測算，上述方案比全部用皮帶機節(jié)省固定資產(chǎn)投資約1 000萬元，且運行費用也少約4元/臺時。由此可以看出，針對具體工程情況進行切合實際的分析研究，并據(jù)以制定出適宜的施工方案是非常有必要的。