中国水利水电第十四工程局有限公司 云南昆明 650041
摘要：隧洞开挖出渣包括装渣及出渣，装渣可采用装载机、挖掘机、扒渣机等，出渣分为有轨出渣和无轨出渣，有轨运输由有轨运输机车牵引梭车在轨道上完成，无轨运输一般由装载机或挖掘机配合自卸汽车完成。隧洞出渣是一项关系到隧洞开挖速度的工作，如何提高隧洞出渣功效是隧洞开挖工作中的一个重要问题。本文主要对厄瓜多尔德尔西水电站长隧洞有轨出渣施工利弊进行分析，为其他类似工程施工提供参考借鉴。
关键词：有轨出渣；隧洞开挖；应用
1、项目概述
德尔西水电站位于南美洲厄瓜多尔萨莫拉•钦奇佩（ZamoraChinchipe）省境内的萨莫拉（Zamora）河上；装机容量为180MW，采用3台冲击式水轮发电机组。工程主要建筑物由首部枢纽、左岸引水系统、发电厂房及其附属设施组成。
引水隧洞全长8037.838m,坡度3.265‰，马蹄形断面，底宽3.76m，洞高4.9m，马蹄形断面上半部直径4.9m，同时设置4条施工支洞。加上施工支洞长度，最大单头开挖长度2230m。
2、有轨出渣工艺原理
根据隧洞开挖长度及断面大小，设计合理的出渣路线，铺设轨道。遵循挖、装、运机械协同配套的原则，配置相匹配的扒渣机、电机车、梭式矿车及轴流风机等设备。洞内掌子面开挖爆破、通风散烟后，扒渣机接通洞内电源，移动至掌子面，牵引机车将梭车推进送入工作面，扒渣机即可向梭车装载石渣，梭车装满石渣后运输至支洞外渣场卸渣。扒渣机配合有轨梭车进行出渣，施工机械动力源为电能，无污染排放，其掌子面直接装渣且梭车装载能力大的特点，提高了出渣高效率。
3、工序流程及操作要点
有轨出渣系统的运行包含：有轨出渣设备选型配置，出渣线路规划布置，轨道铺设，梭车配合扒渣机进行出渣工作。
3.1施工流程
主要施工流程见图3-1：
图3-1有轨出渣施工程序框图
3.2施工方法
中小断面长隧洞有轨出渣施工主要分为施工前准备、轨道铺设作业、出渣作业三个施工阶段。
（1）施工前准备
①出渣线路规划
根据隧洞长度、断面大小、辅助坑道设置、地质条件、施工方法、工期要求，同时考虑施工人员安全、劳动强度等因素，进行综合考虑，合理布局轨道铺设线路、有轨设备回车道、弃渣平台、临时渣场、洞外有轨设备停放场所及电瓶车充电室等。
德尔西水电站引水隧洞1#~4#施工支洞开挖长度分别为240m、600m、422m、375m，坡度3％。1#、4#施工支洞所承担的工作面开挖长度较短，仍采用2.5m³装载机配合15t自卸车出渣；2#、3#施工支洞所承担的4个工作面较长，采用扒渣机配合有轨梭车的方式进行出渣。根据隧洞断面大小及排炮出渣强度要求，采用单线有轨运输，支洞与引水隧洞交叉口布置对称岔道，作为电瓶车及梭车回车道，主洞内每300m设置无轨施工设备回车道，且作为扒渣机停靠点。施工支洞洞口设置卸料平台及机车充电室，卸料平台下部为临时弃渣场。
表3-1 启用有、无轨运输使用条件对比表
②有轨出渣设备配置
有轨出渣设备装渣与运输机械选型应遵循挖、装、运机械能力协调配套，其运输机械的能力不应小于挖装能力的1.2倍，出渣效率大于生产进度指标，综合考虑隧洞断面及坡度，以发挥机械的总体效率为原则进行配置。
采用以下设备配置：
ZWY-120立抓式扒渣机：理论生产效率120m3/h，功率75KW，行走速度为0.25m/s，最大爬坡能力为16°，挖掘高度为3.25m，考虑开挖石方爆破抛掷距离因素影响，实际生产效率按照50m3/h。
SD-14/7B搭接式梭式矿车：理论运载14m³，载重28T，自重12.9T，电动机功率18.5KW，轨距762mm，最大行走速度7.8km/h。随着隧洞开挖加长，梭式矿车可根据需要进行搭接，增大单次装载能力。
XK18-7/196蓄电池电机车：自重18T，牵引力33.2KN，行走速度7.8km/h，轨距762mm，通过最小曲线半径25m。根据实际情况，搭接式梭式矿车可采用3节作为1组使用，满足每排炮爆破石渣2次出渣完成，满载情况总重约108T（含矿车自重）。参考国内提供的牵引力和纵坡之间关系类推，XK18-7/196蓄电池式电机车牵引力满足在9.274‰的纵坡满载上坡、3%的纵坡空载上坡的要求。
根据扒渣机生产效率和梭车运载量，拟定每个工作面配备1辆扒渣机，停于洞内回车道。每个施工支洞外，配3辆电瓶车、2辆梭式矿车、1辆扒渣机，2台电瓶车充电机，其中2辆电瓶车配合2辆梭式矿车洞内出渣，1辆电瓶车及1辆扒渣机洞外备用。
洞内供风：在施工支洞洞口安装2×55KW轴流式通风机，通风风量为1250m3/min，通风管采用Φ900mm软塑布软管悬挂于隧洞洞顶，在施工中随掌子面的掘进接长风管。随着隧洞开挖加长，可视情况在洞内增加22KW轴流风机接力进行供风。
③施工供电布置
施工用电主要为洞外检修区电机车充电（37KW）、洞外梭式矿车卸料时用电（18.5KW）、洞外风机供电（110KW）、洞内扒渣机用电（75KW）、洞内梭式矿车用电（18.5KW）。
洞外供电采用安装在施工支洞洞口附近的500KVA和100KVA变压器对检修区、卸料点及风机供电。洞内供电采用高压电缆和变压器进洞方式供电，根据高压电缆单卷长度（铠装为333m，非铠装为500m），拟定变压器室间距为650m（2卷铠装）或490m（1卷非铠装），根据开挖围岩具体情况现场确定具体位置，变压器室内安装1台200KVA变压器，随着开挖掌子面延伸，变压器位置向前移动，同时延伸高压电缆、处理高压电缆接头。洞内变压器至工作面位置供电使用低压电缆供电，工作面附近布置开关箱。
（2）轨道铺设作业
施工工艺流程：
线路布置→道渣铺垫→枕木铺设→轨道铺设→检查调整线路。
1）线路布置：
a、工作面轨道布置
工作面的轨道布置应避免轨道延伸与其他工作的相互干扰。因此开挖掌子面的运输轨道应及时向前延伸，保证轨道至掌子面的距离在8m以内，拟定采用接短轨延伸的方法，利用开挖造孔时间段，采用两头忙对需铺设轨道部位路基平整，然后进行短轨（5m）安装，后期可根据需要更换成10m长的轨道。
b、交叉口调车布置
支洞与引水隧洞交叉口布置对称岔道（支洞内）、左开岔道（上游侧）和右开岔道（下游侧），以上游侧引水隧洞进出洞一个循环为例：
1#电瓶车推梭式矿车从支洞外至掌子面装渣→洞外卸料平台卸渣
2#电瓶车推梭式矿车从支洞外至对称岔道位置A→左侧开岔道位置C→电瓶机车牵引梭式矿车向下游侧行走停于岔道中部会车道部位H等待→1#电机车牵引梭式矿车装满渣出洞→2#电机车推梭式矿车至掌子面出渣→2#电机车牵引梭式矿车至洞外卸料平台卸渣
c、运输轨道
洞内采用单线运输方式，在支洞与引水隧洞交叉口布置错车道，或根据实际需要开挖错车道。洞外运输轨道包括洞外卸渣线、电瓶车和梭式矿车检修线，采用岔轨连接，卸料点之前设置一段1%左右的重车上坡段，同时在轨道末端设置挡车板焊接固定于钢轨表面，以保证梭式矿车卸渣安全。
2）道渣铺垫
为保证运输设备运行安全，在铺设轨道前铺设底层道渣，石渣厚度为设计开挖底板以上15cm厚，采用洞挖料作为道渣材料，最大块径应小于7cm，人工配合两头忙铺垫。轨道铺设完成后，采用石渣覆盖枕木和一半的轨道高度，满足轮式设备进出洞需要，以应对可能发生的需要紧急支护情况。
3）枕木铺设
测量定出线路中心线和轨道位置桩，并用记号笔或油漆点作为标识，现场采用施工线布置枕木位置；枕木尺寸为15cm×15cm×110cm或15cm×10cm×110cm（高×宽×长），枕木之间净空间距为85cm，铺装时应垂直于轨道中心线。枕木埋于道渣内5cm深，顶部高出道渣面10cm，在岔道部位使用单根长枕木铺设。
4）轨道铺设
本工程钢轨重量为24kg/m，轨道中心线之间距离为762mm（隧洞轴线每侧381mm），除卸渣点附近段为1%的上坡坡度外，其他段均按照隧洞设计底板纵坡铺设。
钢轨定位固定：在枕木上根据轨道中心线定出轨道安装边线，由人工将轨道按放样位置摆放至指定位置，使用道钉逐个固定，安装连接杆。钢轨就位时，必须小心谨慎地调校至正确的轴线位置，保证线路处于良好的工作状态。
钢轨接头连接：两根轨道精确对齐后，先把两侧夹板螺栓上起来，然后调整轨道顶面标高完全一致后，上紧所有的夹板螺栓，保证轨道接头牢固可靠。
5）检查调整线路
肉眼检查各接头是否符合标准，直线轨道是否正确顺直，转弯段是否圆顺。
测量检查轨距，容许误差：尖轨尖端为（±1mm），其他为（+6mm，-4mm）。
检查配件是否齐全，所有螺丝是否拧紧，垫板位置是否正确，有无错置、倒置以及轨底未落枕木等现象；测量检查轨道坡度是否满足要求。
6）成品轨道保护
a.保持排水沟排水通畅，避免路面积水浸泡轨道路基及枕木，导致轨道变形。
b.轨道应有专人养护、维修。轨道走行设备应有专人定时给走行部保养注油，以减少与轨道的摩擦。
（3）出渣作业
1）利用开挖造孔时间段延伸风带至掌子面60m左右，保证施工面空气质量良好。
2）检查轨道是否延伸至距离掌子面8m以内。
3）沿洞壁架设460V电缆，至掌子面100m左右，保证扒渣机所需电力供应，并根据扒渣机自带电缆长度，安装扒渣机行走时所需要的开关箱。
4）检查电瓶车电力是否充足。
5）出渣流程
掌子面响炮→通风散烟→装载机进洞将洞渣推至掌子面→扒渣机移动至掌子面→牵引机车将梭车推进送入工作面→扒渣机向梭车装载石渣→梭车装满石渣后运输至支洞外渣场卸渣。
4、质量控制事项
1）施工设备及钢轨等施工材料，需根据施工特性购买符合要求、信誉好、有质量保证的产品。
2）在轨道安装时要使轨道与隧道坡度相一致并平行，垫实枕木、控制轨距，避免因轨道不平造成脱轨。
3）在隧洞岩性出现风化地段要防止基础软化产生轨道沉陷，每班进行检查并及时纠正，避免重车因轨道不平而跳动造成脱轨或翻车。
4）在隧洞转弯处轨道要进行特殊加工，加密拉杆，使轨道在转弯段圆顺、稳定。
5、安全措施
1）安全环保管理部配置具有施工经验专职安全人员，开工前对所有施工作业人员进行安全知识的教育和培训，并依据有关规定进行专门的安全技术交底，施工过程中进行安全监督、检查和管理，杜绝安全事故发生。
2）所有进入洞室的人员都必须按规定佩戴安全防护用品，各部位设置有效的消防器材，并设明显的标志，定期检查、补充和更换。
3）洞内施工所用的动力线路和照明线路要架设整齐，设置于洞内的变压器、配电系统和布置闸刀、开关的部位，必须要设醒目的安全警示牌。施工现场电气设备和线路要配装触电保护器（漏电保护器），以防止因潮湿漏电和绝缘损坏引起触电及设备事故。
4）出渣设备在不使用时注意维护保养，电瓶车应及时充电，运行前应检查制动系统，对磨损较大的刹车片及时更换。
5）对操作司机进行培训，并经考核合格后方允许上机操作。扒渣机、电瓶车由专人驾驶，驾驶员应严格遵守执行相关操作规程。
6）出渣过程中在隧洞三叉口、洞口、施工道路通道等部位安排专职安全人员警戒，并配备对讲机，保持通讯通畅。道岔由专人按行车组织方式扳动。洞外梭车需通过的施工道路，两侧须设置警示栏杆，在梭车需要通过时，提前将栏杆关闭。
7）梭车装渣、卸渣由专人操作，且负责指挥电瓶车驾驶员将设备准确停靠在指定地点。
6、环保措施
隧洞施工应保护生态环境，根据《中华人民共和国安全生产法》和厄瓜多尔国家的有关环保法律法规及设计有关规定要求，遵守污染物排放标准，防止隧道施工造成周边环境污染和破坏，将环境保护措施和相关设施纳入实施性施工组织设计，隧洞施工期间环保措施落实到位，并不断完善，坚持“预防为主、防治结合、综合治理、环保优先”的原则，主要包括施工废水的处理、施工噪声及粉尘控制、施工弃渣、洞内通风、气体含量限制、有害气体检测控制等。
7、施工/效益分析
德尔西水电站引水隧洞线路较长，且开挖断面较小，通风、排烟非常困难，经多次对洞内有害气体监测后，施工方多次和业主、监理方进行了施工技术措施方面的探讨，最终确定，采用无轨出渣的方式进行出渣，以尽量减少无轨出渣设备对洞内空气的污染，和通风排烟时间对施工进度的影响。对于人们日益重视的施工安全环保、作业人员职业健康等问题，有轨出渣的应用减少了通风排烟的时间，缩短了排炮出渣时间，避免了因空气质量不达标而被业主、监理叫停，使工程得以顺利进行，体现了企业对安全文明施工的重视，提高了企业自身形象。
中小断面长隧洞出渣，受洞径大小限制，有轨出渣相较于无轨出渣，设备装渣效率及装载能力优势尤为明显。德尔西引水隧洞开挖断面面积20.19m2，排炮循环进尺按照2.5m，考虑排炮正常超挖量和爆破后松散堆积系数，单排炮爆破后堆积方量约76m³。2013年12月份开始使用扒渣机配合有轨运输设备出渣后，根据设备理论生产效率和生产实测，在隧洞掘进1.5km的情况下，完成一排炮出渣，有轨设备需1.5h,装载机配合渣车需3h,有轨出渣极大的提高了出渣效率，减少了排炮循环时间，于2015年9月引水隧洞得以全线贯通，创造了良好的经济及社会效益。同时其无废气排放的特点，大大减少了施工过程中的环境污染，避免了职业性有害因素对作业人员的危害，体现了企业对安全文明施工的重视，赢得了监理、业主一致赞扬。
8、结语
随着社会的进步和人类认知的不断提高，国家、社会、人民对企业健康，安全与环境的要求提出了更高的要求，产品质量、节约资源、保护环境、保障劳工安全健康既是企业可持续发展的战略需要，也是全人类的共鸣。
在中小断面长隧洞开挖施工中，随着掘进深度增加，洞内通风、排烟困难，空气质量不达标，粉尘浓度、有害气体超标等问题突出，同时受开挖断面大小制约，无轨出渣设备选型受限，随着掘进深度增加，出渣效率降低明显。有轨出渣技术的应用，解决了中小断面长隧洞通风、排烟困难，出渣效率低的问题。其优点是安装设备简单、故障较少，出渣快、无污染、效率高。缺点是出渣设备为专用设备，回收率低；一般要储备足够的配件，占用的资金比较大；轨道、扒渣机有故障进行维修时，将极大影响施工进度。因此，科学合理的铺设轨道、维护轨道，及时进行设备检查、保养、维修（且最好有一台备用设备），是能否发挥出有轨出渣优点的关键。
作者简介
王建平（1982~），男，陕西澄城人，工程师，现在中国水利水电十四局有限公司德尔西水电站项目部从事项目管理工作。
论文作者:王建平
论文发表刊物:《基层建设》2019年第24期
论文发表时间:2019/11/26
标签：隧洞论文; 轨道论文; 矿车论文; 枕木论文; 断面论文; 电瓶车论文; 洞内论文; 《基层建设》2019年第24期论文;