張海超， 蔡振宇

(1.中鐵隧道集團有限公司， 河南 洛陽　471009； 2.中鐵隧道集團有限公司杭州公司， 浙江 杭州　310030)

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無軌運輸隧道施工輔助斜井型式探討

張海超1， 蔡振宇2

(1.中鐵隧道集團有限公司， 河南 洛陽471009； 2.中鐵隧道集團有限公司杭州公司， 浙江 杭州310030)

摘要：為解決隧道施工輔助斜井單、雙車道選擇以及斜井輪廓尺寸方面的問題，通過對行車限定速度、錯車時車輛通過情況進行模擬，以數(shù)學(xué)推導(dǎo)的方法，分析單、雙車道的通過能力，研究斜井內(nèi)的斷面布置。認為單、雙車道斜井的通過能力相差極大，當通過斜井開辟隧道施工工作面較多，計算施工高峰期總車流量大于單車道斜井最大通過能力時必須采用雙車道；同時通過對單、雙車道斷面布置中的車輛外形、各種間隙、人行道、管路、水溝等尺寸的研究，提出了單、雙線斜井輪廓尺寸。

關(guān)鍵詞：隧道； 無軌運輸斜井； 輔助坑道； 單車道； 雙車道； 斷面布置； 斷面尺寸

0引言

近年來施工的長大隧道，多采用斜井、豎井形式實施“長隧短打”方案[1-2]，其中斜井的型式、斷面選擇直接影響著隧道的工期及造價[3]。一般情況下斜井縱坡傾角小于7°～8°時，采用無軌運輸[4-5]，國外多數(shù)學(xué)者認為坡度在10%左右為宜[6]。無軌運輸斜井相比有軌運輸斜井而言投入低、效率高[7]，故在實際應(yīng)用中越來越多，但在無軌斜井單、雙線型式選擇、斷面布置方面的文獻較少，且在單、雙車道選擇中至關(guān)重要的通過能力指標以及斷面布置中的一些具體參數(shù)也缺少依據(jù)。與通過能力相關(guān)研究如斜坡道年通過能力計算[8]、農(nóng)村單車道公路錯車道設(shè)置[9]、低等級道路通行能力計算[10]等也與隧道施工特點有較大差別。一些文獻中給出了單雙車道斜井的斷面圖或斷面尺寸[11-14]、安全間隙[15]等，但少有涉及斷面布置中所需要考慮的具體參數(shù)及依據(jù)。

本文從滿足隧道施工需要，兼顧施工效率的角度，通過對無軌運輸斜井通過能力與施工高峰期運輸車流量的對比分析，提出以斜井運輸能力是否滿足隧道施工基本需求來選擇斜井單、雙車道的方法，并通過對單、雙車道斜井斷面布置中的各種參數(shù)分析，提供斜井斷面尺寸選擇的理論依據(jù)。

1無軌運輸施工輔助斜井單雙車道選擇

1.1選擇原則

在單車道斜井能滿足交通運輸?shù)那闆r下，優(yōu)先選用單車道斜井。當計算隧道內(nèi)高峰車流量大于斜井最大通過能力時，則或者調(diào)整隧道施工進度，減小運輸量；或者使用雙車道斜井。

1.2單車道斜井最大通行能力測算

單車道斜井的最大通行能力受錯車道的距離和斜井內(nèi)的行車速度限制，故要先確定斜井內(nèi)的行車速度和錯車道距離2個指標。

1.2.1最高行車速度

便道的行車速度，國家和交通行業(yè)主管部門均無明確規(guī)定，應(yīng)由便道的設(shè)計單位根據(jù)便道的寬度、坡度、通行車輛、視線條件等綜合確定。在GBJ 22—1987《廠礦道路設(shè)計規(guī)范》中采用的計算速度為15 km/h。由于斜井交通一般情況下坡度較大、路面潮濕、照明條件不好，本文中施工斜井內(nèi)的重載車輛最大限速取≤15 km/h。

1.2.2斜井內(nèi)錯車道距離設(shè)置

斜井內(nèi)的錯車道設(shè)置一般為200 m左右[16-17]，從理論上來說錯車道間距離越短，通行能力越大，但如錯車道設(shè)置過密，則施工難度加大，從經(jīng)濟上來說就失去了設(shè)錯車道的意義了。

1.2.3斜井內(nèi)實際車速測算

井內(nèi)影響實際行車速度主要為錯車影響，其次還有司機熟練程度、車輛狀況、路面平整度和濕潤度及意外情況等。為簡化計算，本文中僅計算錯車影響，其他影響在計算后按0.9的折算系數(shù)進行計算，錯車道影響計算時按極端情況： 上行重車按最小間距依次排列，不間斷通行，下行空車在每個錯車道避讓為假定模型。

1)每次錯車耽誤時間?？哲嚢l(fā)現(xiàn)重載車輛后減速并進入錯車道平均時間0.7 min，重載車輛發(fā)現(xiàn)前方車輛后減速慢行到重新加速耽誤時間0.3 min，空載車輛等待、重新啟動后加速耽誤時間1.0 min。

2)斜井內(nèi)錯車次數(shù)。由于計算斜井最大通過能力的假定模型是重車以最小間距依次排列，不間斷通行，空車為每個錯車道避讓，故避讓次數(shù)即為錯車道個數(shù)。錯車次數(shù)

N=l/200。

式中：N計算結(jié)果取整數(shù)；l為斜井長度，m。

3)全斜井因錯車耽誤總時間等于每次錯車耽誤時間乘以錯車次數(shù)。

(0.7+0.3+1.0)×N= 2.0N(min)。

4)考慮全部因素后斜井平均車速。

v=2Kl/(0.008l+2.0N)。

式中：v為斜井平均行車速度，m/min；K為折算系數(shù)，一般取0.9。

1.2.4單車道斜井最大通行能力

斜井最大通行能力計算時，假定上下行車輛均按平均速度v勻速行駛，上下行之間互不干擾，但為保證能按1.2.3節(jié)的假定斜井通行模型錯車，同向車輛之間的間距必須大于2個錯車道的間距。斜井內(nèi)錯車示意如圖1所示。

圖1　斜井內(nèi)錯車示意圖

取同向2車間距為450 m，則上行2輛車通過同一斷面的時間間隔為450/v。

斜井內(nèi)任一斷面1個小時能單向通過的車輛(即單車道斜井的最大通過能力)為60v/450=0.133v(輛/h)。

1.3雙車道最大通行能力計算

1.3.1計算車速

由于雙車道斜井不考慮錯車等待因素，其通過能力主要為受車輛行車速度所限和前后車距所限，計算雙車道斜井的最大通過能力時，行車速度按最高行車速度15 km/h計算(具體分析見1.2.1節(jié))。

1.3.2同向行駛車輛前后間距

國家對便道低速行車時的前后車間距并無強制性規(guī)定，GBJ 22—1987《廠礦道路設(shè)計規(guī)范》廠內(nèi)道路的會車視距為30 m。鑒于斜井一般縱坡較大、照明條件差、對視線及停車造成影響較大，故取會車視距的2倍即60 m作為斜井內(nèi)的前后車距。

1.3.3最大通過能力

斜井內(nèi)2車通過同一斷面的時間間隔為

60 m÷15 000 m/h=0.004 h。

最大通過能力為斜井內(nèi)任一斷面1 h能單向通過的車輛，考慮錯車、車輛間距不均等影響取折算系數(shù)0.85，則最大通過能力為

0.85×1 h÷0.004 h/輛=213輛。

1.4施工高峰期斜井車流量

1.4.1單工作面出碴車輛計算

N=K1K2S×D÷T÷(K3Q)。

式中：N為單工作面單位出碴車數(shù)，輛/h；S為工作面斷面積，m2；D為工作面循環(huán)進尺，m；T為工作面出碴作業(yè)工序循環(huán)時間，h；Q為自卸汽車斗容量，m3；K1為超挖系數(shù)，根據(jù)圍巖地質(zhì)及斷面大小確定，一般取1.02～1.1；K2為隧道巖石松散系數(shù)，一般取1.3～1.5；K3為裝車系數(shù)，一般取0.8～1.0。

1.4.2單位時間內(nèi)總出碴車輛計算

斜井進入主隧道后，當主隧道為單洞時，工作面的個數(shù)為1—2；當主隧道為雙洞時，工作面?zhèn)€數(shù)為2—4；特殊情況下如采用平導(dǎo)接應(yīng)正洞時，工作面?zhèn)€數(shù)可能更多。

因為各開挖工作面不可能安排同時出碴(極個別情況下可能出現(xiàn)，需現(xiàn)場調(diào)整)，故計算出碴工作面要低于實際開挖面數(shù)，具體數(shù)量需根據(jù)實際施工組織進度要求選用，一般情況下也可考慮按表1選取。

表1　計算工作面選取表

單位時間內(nèi)的總出碴車輛由計算出碴工作面和單工作面出碴車輛計算得出。

1.4.3單位時間內(nèi)混凝土運輸車流量

見表2。

表2　單工作面混凝土運輸車流量表

1.4.4其他車流量

其他進料及人員上下班專用車輛一般情況下不考慮，由于工人徙步上班距離一般不宜超過3 km[18]，考慮斜井交通情況，在斜井長度≥2 km時可考慮1輛/h的人員上下班車輛。

1.4.5施工高峰期斜井總車流量

由單位時間內(nèi)的出碴車輛、噴射混凝土車輛、模筑混凝土車輛及人員車輛相加即可。

1.5斜井單雙車道比選

根據(jù)上文計算，如施工高峰期斜井總車流量大于單車道斜井的最大通行能力，則必須選用雙車道斜井；如小于單車道通行能力則還需要根據(jù)施工效率進行經(jīng)濟比選，由于涉及因素較多，此處不進行詳細探討。

2無軌運輸施工輔助斜井斷面選擇

2.1單車道無軌斜井斷面布置

施工輔助斜井的凈空斷面在鐵路和公路的相關(guān)設(shè)計規(guī)范中均沒有明確要求，僅原則性的說明滿足行車、通風、排水、逃生、救災(zāi)等使用功能要求。

本文介紹的是施工用臨時斜井，故僅從滿足施工需求方面對斜井凈空斷面要求進行分析，斷面布置如圖2和圖3所示。

2.1.1具體參數(shù)確定

1)人行道寬度b1。TB 10003—2005《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，人行道寬度不小于0.7 m；JTG D 70—2004《公路隧道設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，斜井必須設(shè)置寬度不小于0.75 m的人行道。

本圖為直線段斷面，曲線處需相應(yīng)加寬。

圖2單車道斜井正常段斷面凈空圖(單位： cm)

Fig. 2Cross-section of normal section of single-lane inclined shaft (cm)

本圖為直線段斷面,曲線處需相應(yīng)加寬。

圖3單車道斜井錯車段斷面凈空圖(單位： cm)

Fig. 3Cross-section of vehicle passing section of single-lane inclined shaft (cm)

2)車輛兩側(cè)間隙?！兑苯鸬叵碌V山安全規(guī)程》2.1.8規(guī)定： 在水平巷道和斜井中,運輸設(shè)備之間以及運輸設(shè)備與支護之間的間隙,不應(yīng)小于0.3 m。GBJ 22—1987《廠礦道路設(shè)計規(guī)范》規(guī)定： 場內(nèi)道路邊緣至管線支架的最小凈距為1.0 m。考慮斜井施工更接近礦山施工，本文中取兩側(cè)間隙為0.4 m，為安全及行車速度考慮，也取稍大值。

3)水溝及風水管路占寬。斜井施工一般為2個以上工作面，風水管路占寬根據(jù)經(jīng)驗取0.3 m。

4)車輛通行寬度B。按斜井通過的最寬設(shè)備裝載機計算。常用裝載機參數(shù)見表3。

表3　常用裝載機參數(shù)表

5)車輛高度H。按斜井通過的最高設(shè)備混凝土運輸車考慮。國內(nèi)常用混凝土運輸車規(guī)格見表4。

表4 　常用混凝土運輸車參數(shù)表

6)通行車輛頂與通風占用空間之間的間隙。施工期間斜井井身一般未進行二次襯砌施工，考慮施工、測量誤差等造成的地面不平順、拱頂起伏等因素，需預(yù)留20 cm間隙防止出現(xiàn)車輛擦掛風管、風道等。

7)水溝寬度b2。由于斜井排水較為重要，一般需根據(jù)涌水量進行專項設(shè)計，如無專項設(shè)計尺寸，b1一般取15～30 cm。

8)隧道通風占用空間。直接影響斜井的高度，需根據(jù)斜井長度，進入主隧道后的施工任務(wù)及斷面情況進行詳細的通風設(shè)計，根據(jù)專項設(shè)計確定通風所占用的高度值。

2.1.2單車道斜井斷面確定

由2.1.1節(jié)可以確定出斜井凈空斷面所需要的凈高和凈寬總值，確定斜井斷面還需根據(jù)斜井的地質(zhì)情況決定斜井邊墻為直墻還是曲墻，如設(shè)計為曲墻，則根據(jù)曲率大小，還可將風水管路的所用空間適當減小，從而減小斜井的凈寬。

斜井邊墻直線段高度必須保證載重汽車無障礙通行，頂部曲線一般情況下選擇同心圓，曲率可根據(jù)地質(zhì)情況和空間布置情況調(diào)整。

斜井曲線地段適當加寬，加寬值根據(jù)曲線半徑大小確定，具體計算方法可參照《公路隧道設(shè)計規(guī)范》和《城市地下道路設(shè)計規(guī)范》確定。

斜井加寬段設(shè)計應(yīng)盡量保證斜井未加寬側(cè)的起拱線以下部分不變。

2.2雙車道無軌斜井斷面布置

2.2.1雙車道斷面布置

見圖4。

本圖為直線段斷面，曲線處需相應(yīng)加寬。

圖4雙車道斜井斷面凈空圖(單位： cm)

Fig. 4Cross-section of twin-lane inclined shaft (cm)

2.2.2具體參數(shù)確定

1)車輛寬度。由于斜井內(nèi)裝載機通過較少，故不考慮裝載機在正常行車中的錯車問題，GB 1589—1989《汽車外輪廓尺寸限界》規(guī)定，車輛總寬(不包括后視鏡)不能超過2.5 m，而現(xiàn)階段的載重自卸汽車和混凝土運輸車寬度也基本為2.4～2.5 m，故選用2.5 m。

2)兩車間凈橫距。國家對低速便道的行車凈橫距并無明確的要求，在GBJ 22—1987《廠礦道路設(shè)計規(guī)范》的橋涵荷載計算時，30 t以下載質(zhì)量自卸汽車采用的橫向布置凈距為0.6 m。實際2車凈距為0.6 m，即錯車時除去2車后視鏡所占空隙外，實際凈距僅0.3 m。如2車間凈距少于0.6 m，不能保證正常通行過程中的錯車安全，故本文中取0.6 m。

2.2.3雙車道斜井斷面確定

雙車道斜井斷面確定所應(yīng)遵循的原則同單車道斜井相同，具體參照2.1.2節(jié)。

3結(jié)論與探討

在斜井斷面選擇的過程中，應(yīng)結(jié)合施工組織對各工作面循環(huán)作業(yè)時間中出碴工序占用作業(yè)時間的邊界條件進行綜合分析，合理選擇斜井斷面型式。單、雙車道斜井的通過能力相差15～20倍，故當通過斜井開辟隧道施工面較多，且計算施工高峰期總車流量大于單車道斜井最大通過能力時必須采用雙車道。

本文以滿足施工基本需求為前提，以邏輯推導(dǎo)和數(shù)學(xué)計算的方式得出單、雙車道斜井型式選擇時，必須考慮的運輸能力指標校驗方法；同時通過對單、雙車道斷面布置中的車輛外形、各種間隙、人行道、管路、水溝等參數(shù)的研究，提供了其在實際應(yīng)用中的選擇方法和理論依據(jù)。

無軌運輸斜井斷面型式及輪廓尺寸的確定需要考慮很多因素，如至關(guān)重要的建井成本與施工工效間的關(guān)系，對運輸能力指標影響較大的斜井內(nèi)最高行駛速度、車距等指標，均沒有形成統(tǒng)一的權(quán)威認知，需要各界專家學(xué)者來充分論證。

參考文獻(References)：

[1]李志平，李永生.關(guān)角隧道單車道無軌斜井施工方案優(yōu)化[J].隧道建設(shè)，2010，30(1): 53-57.(LI Zhiping，LI Yongsheng. Case study on optimization of construction scheme of Guanjiao tunnel through trackless single-lane inclined shaft[J].Tunnel Construction，2010，30(1): 53-57. (in Chinese))

[2]范永在.單車道無軌斜井輔助施工隧道的方案探討[J].甘肅科技，2011，27(3): 126-128.(FAN Yongzai. Discussion trackless inclined auxiliary lane construction of the tunnel plan[J].Gansu Science and Technology，2011，27(3): 126-128. (in Chinese))

[3]陳鴻，陳遠良.從南呂梁山隧道斜井優(yōu)化談隧道斜井設(shè)計的選擇[J].鐵道建筑，2014，54(12): 47-50.(CHEN Hong，CHEN Yuanliang.Discussion on setting up of inclined shaft of tunnel taking inclined shaft optimization of South Lyuliangshan tunnel as an example[J].Railway Engineering，2014，54(12): 47-50. (in Chinese))

[4]李鴻博，申思然.公路隧道陡坡斜井縱坡優(yōu)化設(shè)計[J].公路交通科技，2013，30(7): 181-184.(LI Hongbo，SHEN Siran. Highway tunnel of steep inclined shaft longitudinal slope optimization design [J].Journal of Highway and Transportation，2013，30(7): 181-184. (in Chinese))

[5]張成剛.長大隧道斜井施工技術(shù)[J].鐵道建筑，2009，49(6): 40-43.( ZHANG Chenggang.Construction technique of inclined shaft for long tunnel with large cross-scction[J].Railway Engineering，2009，49(6): 40-43. (in Chinese))

[6]陳華，黎劍華.礦山斜坡道工程設(shè)計及應(yīng)用[J].銅業(yè)工程，2008，21(4): 1-4.(CHEN Hua，LI Jianhua.Mine decline engineering and its application[J].Copper Engineering，2008，21(4): 1-4. (in Chinese))

[7]高鴻毅.隧道大坡度斜井有軌、無軌運輸探討[J].鐵道建筑技術(shù)，2015，32(1): 89-92.(GAO Hongyi.Study on track transport and trackless transport on tunnel inclined shaft of large gradient[J].Railway Construction Technology，2015，32(1): 89-92. (in Chinese))

[8]孫德發(fā)，陳麗.一種計算單車道斜坡道通過能力及設(shè)計錯車道間距方法的研究及應(yīng)用[J].中國礦山工程，2014，43(4): 1-6.(SUN Defa，CHEN Li.Research and application of the calculation method of single ramp throughput and the spacing of car pass[J].China Mine Engineering，2014，43(4): 1-6. (in Chinese))

[9]王鋒，張金喜，藍曉琴.農(nóng)村單車道公路錯車道設(shè)置參數(shù)研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2011，35(5): 940-944.(WANG Feng，ZHANG Jinxi，LAN Xiaoqin.Researches on installation parameter of rural single-lane highways[J].Journal of Wuhan University of Technology，2011，35(5): 940-944. (in Chinese))

[10]王兆林.低等級道路通行能力計算方法探討[J].西南公路，2006，33(3): 22-24.(WANG Zhaolin. Discussion on calculation method of low grade road capacity[J].Southwest Highway，2006，33(3): 22-24. (in Chinese))

[11]馮明，劉旭全.高蓋山長大隧道輔助坑道設(shè)置優(yōu)化方案[J].鐵路工程造價管理，2010，25(3): 56-58.(FENG Ming，LIU Xuquan.Optimization schemes of service gallery arrangement in Gaogaishan extra-long tunnel[J].Railay Engineering Cost Management，2010，25(3): 56-58. (in Chinese))

[12]張健儒.龍廈鐵路象山隧道輔助坑道優(yōu)化設(shè)計[J].隧道建設(shè)，2010，30(1): 59-42.(ZHANG Jianru.Case study on optimization design of construction adits of Xiangshan tunnel on Longyan-Xiamen Railway[J].Tunnel Construction，2010，30(1): 59-42.(in chinaese))

[13]邢利華.新建蘭渝鐵路后山坪隧道斜井施工方案優(yōu)化[J].浙江建筑，2015，32(6): 38-40,49.(XING Lihua. Optimization on the construction project of inclined shaft in the Houshanping Tunnel of the new-built Lan-Yu Railway[J].Zhejiang Construction，2015，32(6): 38-40,49. (in Chinese))

[14]郭德福，李紅軍，周生喜.象山特長隧道長大斜井施工技術(shù)[J].隧道建設(shè)，2009，29(增刊2): 58-66.(GUO Defu，LI Hongjun，ZHOU Shengxi. Construction technology of inclined shaft tunnel grew up in Xiangshan [J].Tunnel Construction，2009，29(S2): 58-66. (in Chinese))

[15]云建平.公路隧道斜井參數(shù)研究與施工技術(shù)[D].西安：長安大學(xué)，2010.(YUN Jianping. Research on highway tunnel slope parameters and construction technology[D].Xi’an: Chang’an University，2010. (in Chinese))

[16]張楊.淺談施工便道設(shè)計要點[J].四川水泥，2014，36(8): 128.(ZHANG Yang. The point of pavement design and construction [J].Sichuan Cement，2014，36(8): 128. (in Chinese))

[17]王建華.單線鐵路隧道無軌運輸機械化施工配套探討[J].甘肅科技，2010，24(4): 152-156.(WANG Jianhua.Mechanized construction of the trackless transportation for single-track tunnel[J].Gansu Science and Technology，2010，24(4): 152-156. (in Chinese))

[18]丁士昭，商麗萍.鐵路工程管理與實務(wù)[M].北京： 中國建筑工業(yè)出版社,2012: 128.(DING Shizhao，SHANG Liping. Railway engineering management and practice[M].BeiJing：China Architecture & Building Press,2012: 128. (in Chinese))

Discussion on Mode of Trackless Auxiliary Inclined Shaft for Tunnel Constraction

ZHANG Haichao1, CAI Zhenyu2

(1.ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China; 2.HangzhouBranch,ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Hangzhou310030,Zhejiang,China)

Abstract:The situation of vehicle passed under the conditions of limited vehicle running speed and vehicle passing is simulated. The transportation capacity of single-lane and twin-lane are analyzed by means of mathematical deduction method. The layout of the inclined shaft cross-section is analyzed. The results show that: 1) The vehicle passing capacity of twin-lane inclined shaft is far larger than that of single-lane inclined shaft. 2) The cross-section size of single-lane inclined shaft and that of twin-lane inclined shaft are proposed by making analysis on relevant parameters.

Keywords:tunnel; trackless inclined shaft; auxiliary tunnel; single lane; twin lane; cross-section layout; cross-section size

中圖分類號：U 45

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)02-0200-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.02.012

作者簡介：第一 張海超(1970—)，男，河南洛陽人，2011年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，鐵道工程專業(yè)，本科，工程師，主要從事工程管理工作。 E-mail: 459091411@qq.com。

收稿日期：2015-10-10; 修回日期: 2015-11-20