肖 浩,高寧波,黃 劍,易 飛,范晨陽(yáng),紀(jì)曉宇

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司,湖北 武漢 430040; 2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430040; 3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心,湖北 武漢 430040;4.中交公路長(zhǎng)大橋建設(shè)國(guó)家工程研究中心有限公司,北京 100120)

0 引言

深切峽谷地形工程一般是“兩隧一橋”,即通過(guò)隧道工程穿過(guò)兩邊山脈,然后通過(guò)橋梁結(jié)構(gòu)連接兩隧。深切峽谷地帶是川藏地區(qū)典型地貌,其工程建設(shè)最大的不利因素是施工場(chǎng)地受限,難以在施工作業(yè)點(diǎn)位建設(shè)大型物料場(chǎng)地,而施工中常用混凝土等有典型的時(shí)效性,難以采用傳統(tǒng)長(zhǎng)距離爬山掛壁公路運(yùn)輸。

軌道運(yùn)輸在煤炭開(kāi)采工程中應(yīng)用較廣泛,郭良姊等[1]研究了無(wú)極繩連續(xù)牽引車在礦井中的應(yīng)用,其適用于長(zhǎng)距離、大傾角、多變坡工況下的礦井采區(qū)直達(dá)運(yùn)輸。劉軍[2]認(rèn)為現(xiàn)階段煤礦斜巷提升內(nèi)齒輪絞車方案存在較大隱患,而SQ無(wú)極繩連續(xù)牽引絞車能很好地替代傳統(tǒng)小絞車接力、對(duì)拉運(yùn)輸方式,是實(shí)現(xiàn)斜巷煤炭運(yùn)輸?shù)睦硐胙b備。解慶典等[3]針對(duì)徐礦集團(tuán)生產(chǎn)礦井采區(qū)運(yùn)輸巷道現(xiàn)狀,在不改變礦井軌道礦車輔助運(yùn)輸系統(tǒng)和現(xiàn)有巷道工況下,研發(fā)了一種在大傾角彎曲起伏巷道下無(wú)極繩連續(xù)牽引車輔助運(yùn)輸系統(tǒng)。趙海興[4]針對(duì)傾角23°斜井,研究了有軌、無(wú)軌混合運(yùn)輸方式及膠輪車入井、升井工藝等。趙軍業(yè)[5]針對(duì)礦井中孤島長(zhǎng)臂工作面軌道斜巷的超大傾角、多轉(zhuǎn)彎、長(zhǎng)運(yùn)距的工程條件,提出一種采用無(wú)極繩牽引車連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng),以循環(huán)鋼絲繩梭車牽引列車的輔助運(yùn)輸設(shè)備,代替多部串聯(lián)調(diào)度絞車,實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離上、下坡和多轉(zhuǎn)彎變向的運(yùn)輸。李文宇[6]開(kāi)發(fā)了適用于煤礦井下長(zhǎng)距離、大傾角、多變坡、大噸位工況條件下的工作面順槽、采區(qū)上(下)山及人員設(shè)備不經(jīng)轉(zhuǎn)載的直達(dá)運(yùn)輸,研究表明鋼絲繩牽引卡軌車操作容易、容繩量大、運(yùn)行費(fèi)用低、安全系數(shù)高,更適合現(xiàn)代化煤礦井下開(kāi)采。

深切峽谷橋隧工程建設(shè)中,大量混凝土、鋼材及隧道掘進(jìn)產(chǎn)生的渣土等需要運(yùn)輸,受地形限制,難以在施工作業(yè)點(diǎn)位設(shè)置混凝土站等,而施工過(guò)程中相關(guān)大宗材料運(yùn)輸有時(shí)效性要求,遠(yuǎn)距離車輛運(yùn)輸亦不適用,因此有必要開(kāi)展大傾角、長(zhǎng)距離軌道運(yùn)輸技術(shù)研究工作。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目依托川藏鐵路雅安林芝段工程,主要工程包括“兩隧一橋”,隧道為格聶山隧道和孜拉山隧道,橋梁為金沙江特大橋,項(xiàng)目整體效果如圖1所示。金沙江特大橋位于V形深切高山峽谷區(qū),地形陡峭,山體無(wú)植被覆蓋,峽谷兩岸自然橫坡>50°。在隧道掘進(jìn)及橋梁施工中需要大量混凝土,同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量隧道渣土需要處置,運(yùn)輸需求大,項(xiàng)目拉薩側(cè)橋隧工期及主要工程量如表1所示。受地形限制,混凝土攪拌站及碎石站設(shè)置在山頂,標(biāo)高約為3 712.000m,橋位施工標(biāo)高為3 048.000m,兩地高差達(dá)664m。采用傳統(tǒng)運(yùn)輸方式一般修筑臨時(shí)盤山掛壁公路,但物料運(yùn)輸距離長(zhǎng)、坡陡彎急,冬季道路有積雪、雨季山體塌方等導(dǎo)致道路中斷,且工程造價(jià)高、工程量大、安全風(fēng)險(xiǎn)高,運(yùn)量無(wú)法滿足工程進(jìn)度要求。傳統(tǒng)臨時(shí)掛壁公路運(yùn)輸線路如圖2所示。

1.2 總體方案設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)混凝土運(yùn)輸及隧道掘進(jìn)渣土出運(yùn)等功能,擬通過(guò)在孜拉山口正上方山頂建設(shè)攪拌站,山頂攪拌站位置與隧道口距離約為1.4km,高差約為660m,直線坡度約為27.3°,部分地段存在凸點(diǎn),最大坡度約為40°(見(jiàn)圖3,4),超過(guò)一般煤礦開(kāi)采中斜巷坡度。山頂攪拌站與隧道口間鋪設(shè)軌道,通過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引實(shí)現(xiàn)混凝土和渣土在山頂與施工點(diǎn)位的運(yùn)輸需求。該方案運(yùn)輸能力強(qiáng),不受冬季道路積雪及雨季山體塌方影響,工期有保障;運(yùn)輸路線短,節(jié)約能源,低碳環(huán)保。

圖4 坡面坡度示意

大傾角、長(zhǎng)距離軌道運(yùn)輸系統(tǒng)包括牽引系統(tǒng)、車輛系統(tǒng)、軌道及支架系統(tǒng)、上部平臺(tái)、下部平臺(tái)及牽引安全系統(tǒng),共6部分,如圖5,6所示。其中,上山、下山均布置4輛車,包括2輛混凝土車與2輛渣土車,共設(shè)計(jì)4種工況(見(jiàn)表2)?；炷淋囎灾?t,滿載12t;渣土車自重8t,滿載11.25t。經(jīng)過(guò)分析,上山段混凝土車與渣土車均空載時(shí),拉力最小;下山段混凝土車滿載、渣土車空載時(shí),拉力最大。上山段及下山段受力分解如圖7所示。上山段及下山段均需考慮摩擦力,計(jì)算表達(dá)式如下:

表2 設(shè)計(jì)工況

圖6 牽引系統(tǒng)與安全系統(tǒng)

圖7 上山段及下山段受力分解

Fpull=Gsinφ+αGcosφ

(1)

式中:G為重力;φ為坡度;α為摩擦力系數(shù),取值為0.015。

由此計(jì)算得到上山段最小拉力為53kN,最大拉力為330kN;下山段最小拉力為44kN,最大拉力為340kN。取6.5倍安全系數(shù),摩擦型卷?yè)P(yáng)機(jī)最大拉力為287kN。

1.3 軌道基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

軌道全長(zhǎng)約1 400m,為降低成本,軌道設(shè)計(jì)為3軌運(yùn)輸段與4軌過(guò)渡段。整個(gè)軌道分為裝渣區(qū)、卸混凝土區(qū)、交匯區(qū)、卸渣區(qū)、裝混凝土區(qū),如圖8所示。軌道布設(shè)要考慮地形影響,分為7個(gè)架空段(JK-1～JK-7)和5個(gè)貼地段(TD-1～TD-5),曲率半徑最大≤150m(見(jiàn)圖9)。架空段跨度設(shè)計(jì)為9,20m 2個(gè)跨度,其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì),通過(guò)螺栓連接而成,軌道基礎(chǔ)斷面如圖10所示。

圖8 軌道布置(單位:m)

圖9 軌道分段(單位:m)

軌道及其立柱基礎(chǔ)均采用懸臂門式起重機(jī)安裝,通過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引門式起重機(jī),自上而下安裝。安裝過(guò)程中,懸臂門式起重機(jī)從山頂運(yùn)輸安裝構(gòu)件到目標(biāo)安裝位置,安裝完畢后,返回山頂取安裝構(gòu)件,依次往復(fù)安裝。懸臂門式起重機(jī)采用過(guò)山車輪系結(jié)構(gòu),吊臂最大傾角≤15°(見(jiàn)圖11)。

圖11 懸臂門式起重機(jī)40°坡度條件下吊裝示意

2 工效及經(jīng)濟(jì)性分析

HZS120型攪拌站生產(chǎn)混凝土工效為30m3/h,隧道混凝土需求量及出渣量分別如表3,4所示。由表可知,隨著圍巖等級(jí)增加,單日極限運(yùn)送次數(shù)最大58次,出渣量最小576m3,最大1 625m3。物料裝卸時(shí)間如表5所示,在山下卸混凝土裝渣用時(shí)最長(zhǎng)為150s,軌道上行駛平均速度≤3m/s,用時(shí)≤480s,進(jìn)而可以計(jì)算得到完成一次整個(gè)裝卸工序≤630s,約為10.5min。

表3 隧道混凝土單日需求量及極限運(yùn)送次數(shù)

表4 隧道出渣量

表5 物料裝卸時(shí)間

為評(píng)判軌道運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性,對(duì)比傳統(tǒng)掛壁公路運(yùn)輸及軌道運(yùn)輸造價(jià),如表6所示。由6表可知,采用軌道運(yùn)輸相比傳統(tǒng)掛壁公路運(yùn)輸共節(jié)省投入 1 775.2 萬(wàn)元。

表6 傳統(tǒng)掛壁公路運(yùn)輸方式與軌道運(yùn)輸方式經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

本研究圍繞川藏鐵路某深切峽谷“兩橋一隧”項(xiàng)目,針對(duì)施工場(chǎng)地受限及傳統(tǒng)運(yùn)輸安全風(fēng)險(xiǎn)高等不利因素,提出一種大傾角長(zhǎng)距離軌道運(yùn)輸方案,并給出總體設(shè)計(jì)方案,包括運(yùn)輸系統(tǒng)構(gòu)成、運(yùn)輸荷載工況、軌道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等,驗(yàn)證了方案的可行性,并對(duì)比分析了大傾角長(zhǎng)距離軌道運(yùn)輸工效及其經(jīng)濟(jì)性,相比較于傳統(tǒng)掛壁公路運(yùn)輸方案,大傾角長(zhǎng)距離軌道運(yùn)輸方案能節(jié)省投資1 775.2萬(wàn)元,且運(yùn)輸連續(xù),不受冬季道路封閉影響,具有極高的推廣應(yīng)用價(jià)值。