有軌運輸改無軌運輸方案比選
——以新涼風埡隧道瓦斯突出為例

王明慧，曹美俊，凌飛翔，倪少權，羅加明，張橋

（1. 渝黔鐵路有限責任公司，重慶 400014；2. 西南交通大學，交通運輸與物流學院，成都610031；3. 中鐵十八局集團有限公司，隧道工程公司，重慶400700；4. 國家鐵路局成都監管局，成都610051；5. 西南政法大學，經濟學院，重慶401120）

1 工程及地質概況

渝黔鐵路的建成通車將大大改善渝黔間的交通條件，對推動區域社會經濟發展具有重要意義[1,2]。渝黔鐵路新涼風埡隧道出口正洞DK155+413～DK155+588，穿越含煤地層龍潭組（P2l），含可采煤層5層，分別為K2、K4、K5、K8、K9。主采煤層K2、K4、K5，厚度為1.5～2.0m，層位穩定，壓力為（0.45～1.5）MPa，隧址區及周邊煤礦瓦斯絕對涌出量為0.13～3.02m3/min。該段含煤地層段為高瓦斯并具有突出風險，為I級高風險隧道[3]。

DK155+300處DZ-新涼風埡-11號鉆孔，鉆孔深度467.1m，鉆孔揭示的地質情況為：自上往下厚59.3m，揭示巖性為（10～27）W2：泥巖、頁巖夾灰巖；厚143.4m揭示巖性為（10～28）W2：灰巖夾泥灰巖；厚88.1m揭示巖性為（11～1）W2：灰巖；厚176.3m揭示巖性為（11～2）W2：頁巖夾煤層、砂巖。根據該鉆孔煤層自燃與煤塵瓦斯鑒定報告、隧道周邊煤礦瓦斯等級鑒定報告和桐梓煤礦在2004年7月14日、2006年6月30日發生煤層瓦斯突出爆炸分析，說明該段含煤地層為高瓦斯并具有突出風險。

2 煤層瓦斯災害及防治基本原則

2.1 煤層瓦斯的概念和特性

煤層瓦斯是從煤（巖）層中逸出的各種有害氣體的總稱，其主要成分是甲烷（CH4），具有爆炸性、不穩定性、滲透性、窒息性等特性。

煤層瓦斯爆炸的條件是：一定濃度的瓦斯、高溫火源的存在和充足的氧氣。當瓦斯濃度低于5%時，遇火不爆炸，但能在火焰外圍形成燃燒層；當瓦斯濃度為9.5%時，其爆炸威力最大（氧和瓦斯完全反應）；瓦斯濃度在16%以上時，失去爆炸性，但在空氣中遇火仍會燃燒。

煤層瓦斯在煤（巖）層中以兩種狀態存在，一是游離狀態，二是吸附狀態。兩種狀態的瓦斯處在不斷變化的動態平衡中，當外界條件（如溫度、壓力）變化時，平衡就被打破，兩種狀態相互轉換。

煤層瓦斯的滲透性極高，擴散速度快，較空氣高1.6倍，隧道掘進過程中容易透過裂隙發育、結構松散的巖石或煤層滲透到隧道開挖空間。

煤層瓦斯雖然無毒，但其常伴有硫化氫、二氧化碳等有毒氣體，瓦斯濃度升高，會使空氣中氧氣濃度急劇下降，引起人員窒息。

2.2 煤層瓦斯防爆基本原則[4]

只有正確掌握瓦斯的性質，并采取有效的措施，才能防止瓦斯爆炸事故的發生。一是控制瓦斯的濃度，通過實時瓦斯監測，及時加強通風確保瓦斯濃度低于爆炸界限；二是防止火源的出現。

2.3 防止煤層瓦斯爆炸的要求[5]

（1）對進洞挖掘、裝載、運輸等以柴油為動力的設備進行防爆改裝，并通過驗收合格，滿足MT989—2006、MT990—2006相關標準的要求[6,7]。

（2）電力供應和電氣設備上嚴格執行“三專兩閉鎖”和“MA”準入制度，對于不防爆，沒有防爆安全標識、國家明令禁止使用和淘汰的電氣防爆設備嚴禁進洞使用。

（3）制定通風方案，建立完善有效的通風系統，采用巷道式通風，滿足隧道瓦斯治理的通風要求。

（4）實行自動監測與人工監測相結合的監測體系。

（5）制訂嚴格的瓦斯管理制度，學習煤礦上的管理辦法，嚴格進洞檢身制度，嚴禁攜帶煙、火及通信設備等進洞，嚴禁穿化纖衣服進洞，對于瓦斯容易聚集等敏感地點嚴禁動火，對于隧道內其他可以進行不防爆操作的地點采取了每次都制定安全措施并簽字貫徹的辦法。

3 無軌運輸方案的可行性

3.1 隧道施工條件

渝黔鐵路新涼風埡隧道有效凈空斷面大，正洞開挖工法多采用臺階法[8]，臺階凈空能夠滿足裝載機和自卸汽車進行裝碴施工，襯砌的斷面凈空能夠滿足雙向行駛實現錯車。

3.2 巷道式通風方案

隧道有專門用于輔助通風用的平行導洞，進入煤系地層段施工，采取的巷道式通風方法，安裝兩組四臺風機，并設兩條風帶直接給正洞掘進工作面供風，能有效地解決通風問題。除此之外，在風速較大的隧道入口處也建議安裝風速風向傳感器，用來檢測隧道外山谷的風速和風向[9]。

3.3 設備防爆改裝

在爆炸性氣體環境中作業的以普通內燃機為動力的機械設備產生的電氣火花、排氣火花和機械火花以及危險高溫均可引燃混合氣體發生爆炸事故，根據這些原因，參照煤炭行業標準MT989—2006《礦用防爆柴油機無軌膠輪車通用技術條件》和MT990—2006《礦用防爆柴油機通用技術條件》，對在有爆炸性氣體環境中作業的普通工程車輛進行防爆改裝。

（1）發電機改裝為符合國家標準要求的隔爆型發電機。

（2）啟動機（馬達）改裝為符合國家標準要求的隔爆型啟動機。

（3）蓄電池為閥控式免維護鉛酸蓄電池，安裝在電源控制箱內，電路中接線處各種操縱開關均安裝于隔爆箱內。

（4）照明、信號等燈具均采用了防爆產品（LED隔爆燈）。

（5）對于容易產生靜電積聚的非金屬件采取抗靜電措施。

（6）柴油機的排氣采用了補水箱式廢氣處理裝置和夾層排氣管道或絕熱材料包封措施，排氣支管和渦輪增壓器外殼選用納米陶瓷空心顆粒、硅鋁纖維、各種反射材料為主要成分的太空節能高溫隔熱材料，可抑制增壓器表面及排氣支管表面熱輻射和熱量傳導，控制其表面溫度在150℃以下。

從增壓器到廢氣處理箱之間用層套式水夾層管（不銹鋼管）連接，其內用不銹鋼蛇型管，外用不銹鋼管，中間為水，以保證表面溫度在150℃以下。

在廢氣處理箱排氣出口處設置阻火柵欄，消除排氣引發的危險高溫和排氣火花，從而杜絕了引發爆炸的可能性。同時也可將柴油機機體表面溫度控制在≤150℃，排氣出口處的排氣溫度控制在≤70℃的安全范圍內，符合MT990—2006《礦用防爆柴油機通用技術條件》中4.16的技術要求。

（7）增設了自動保護設置。自動保護裝置為本安兼澆封型，可對工程車輛安全項目進行保護，符合MT990—2006《礦用防爆柴油機通用技術條件》中4.18.2.2的要求（見表1）。

（8）對沒有關斷閥的設備增設空氣關斷閥，一旦發生進氣回火火花在氣缸外直接燃燒的意外情況，立即拉動關斷閥手柄，阻止空氣進入氣缸，迫使設備停止工作。

隧道無軌運輸設備全部從消除電氣、動力火花和控制高溫等方面進行了防爆改裝，且增設了本安兼澆封型自動保護裝置，一旦監控參數出現異常及時發出警報信號并使無軌運輸設備動力系統停止工作，能夠滿足在高瓦斯工區環境中正常使用。

表1 保護項目及設定安全值Tab.1 Safety related operations and the threshold values

3.4 煤層瓦斯隧道管理制度

認真貫徹“安全第一，預防為主”的方針，建立健全安全生產管理體系。成立安全領導小組，以項目經理任組長，安全總監任副組長，項目副經理、專職安全員等其他成員為組員，全面執行落實安全生產責任制[10]。

制訂嚴格的瓦斯管理制度，學習煤礦上的管理辦法，嚴格進洞檢身制度，嚴禁攜帶煙、火等進洞，嚴禁穿化纖衣服進洞，對于進風隧道等敏感地點嚴禁動火，對于隧道內其他可以進行不防爆操作的地點采取了每次都制定安全措施并簽字貫徹的辦法。

建立瓦斯視頻監控系統，實時監測記錄各個工作面瓦斯變化情況，超過預警值立即報警并短信通知主要管理人員，并安排三班專職瓦檢員、安全員巡視檢測瓦斯，實現瓦斯24小時監測，確保隧道安全可控[11]。

3.5 瓦斯突出隧道和煤礦無軌運輸經驗

過去我國煤礦井下輔助運輸狀況與發達國家相比差距仍然較大，大多以有軌運輸為主，20世紀90年代中期，國內部分新建隧道和煤礦礦井開始采用無軌輔助運輸代替傳統的有軌輔助運輸，如中國神華集團的大柳塔礦、山東兗礦集團的濟三煤礦等。從使用情況看，采用無軌輔助運輸方案后效率提高明顯，目前采用無軌運輸或者混合運輸的煤礦占煤礦總數的比重越來越大[12]。

4 有軌運輸與無軌運輸方式的比較分析

4.1 渝黔鐵路新涼風埡隧道工程特點

（1）新涼風埡隧道工期緊、進度壓力大；

（2）正洞斷面大，每循環出碴量大；

（3）圍巖級別較高，多采用臺階法開挖，臺階長度、步距控制嚴格。

4.2 有軌運輸方式

4.2.1 有軌運輸的主要優點

（1）防爆程序簡單，不需要專門改制運輸設備。

（2）空氣污染小，對正洞的風量和風壓需求較小，有利于人工洞內作業。

4.2.2 有軌運輸的主要缺點

（1）出碴能力不足，增加循環時間，采用臺階法施工，因為受步長關系的影響，仰拱至掌子面40～50m長度內有臺階、作業臺架及移動棧橋，二襯前方難于形成雙車道運輸，難于滿足進度要求。

（2）工序較多，影響循環時間。軌道難于鋪設至掌子面，上臺階棄碴需用挖掘機、裝載機械倒運至下臺階。

（3）需要二次轉載，對洞口場地要求較高，新涼風埡隧道出口段場地狹窄，難于形成轉載系統。

（4）因仰拱裝碴、轉載等環節必須使用挖掘機和裝載機，單純在運輸上采取有軌運輸意義不大。

（5）有軌運輸系統費用高，初步估算需增加約2660萬元。

（6）輔助系統較復雜，占用人員較多，給安全管理帶來很大壓力。

4.3 無軌運輸方式

4.3.1 無軌運輸的主要優點

（1）工效高、速度快、工序簡單、相互干擾少、施工組織相對簡單；

（2）對洞口場地要求不高，對洞內仰拱棧橋、襯砌臺車、洞外上坡等困難地形的適應性強，能夠實現從工作面至棄碴場的一次運輸，不需要二次轉載。

（3）專用設備投入少，挖掘機、裝載機、自卸汽車及混凝土罐車均為常用設備，不會造成機械設備的大量閑置。

4.3.2 無軌運輸的主要缺點

（1）隧道有效凈空斷面較大，適用于臺階法、全斷面法。

（2）施工通風難度大，柴油機械產生的廢氣較多。

（3）運輸設備需要專業的防爆改裝，改裝費用投入高。

4.4 兩種運輸方式的比較分析

4.4.1 主要機械設備的投入比較

表2為有軌運輸和無軌運輸主要機械設備投入對比，從表2可以看出，不考慮其他都要使用的設備和設施無軌運輸和有軌運輸分別合計774萬、3434.5萬。有軌運輸的機械設備投入要比無軌運輸多，而且有軌運輸還需要配備必要的輔助系統、管理系統，運輸成本大大增加。

表2 有軌運輸和無軌運輸主要機械設備投入對比表Tab.2 Cost of major equipments (rail transport and non-rail transport)

4.4.2 工作效率比較

（1）無軌運輸組織簡單，不用鋪軌道，出碴靈活，工作效率高。而有軌運輸，調度時間長，組織難度高，每次開挖都有鋪軌時間，否則裝載機運距較遠，造成出碴效率低。

（2）無軌運輸條件下，仰拱作業面采用雙棧橋施工，移動靈活，可以同時滿足仰拱和出碴施工，施工干擾小。而有軌運輸條件下，軌道的撥接頻繁，工作量大，仰拱施工速度慢，而且還會影響正常出碴，施工干擾大。

（3）無軌運輸條件下，襯砌混凝土罐車運輸量大，速度快，效率高，對混凝土的質量性能保障較好；而有軌運輸條件下，軌行式混凝土罐車運量小，速度慢，效率低，要想保證混凝土質量就要加大投入。

4.4.3 施工進度影響比較

（1）有軌運輸運輸效率計算

梭式礦車理論運行時間計算：洞內運輸距離約為l內=2 000m，洞口段運輸距離約為l外=100m；根據機車和梭礦一般行車速度并結合《鐵路隧道施工規范》要求，礦車平均運行速度v=15km/h≈4m/s；礦車斗容量8m3；裝碴時間t1=7min；卸碴時間t2=10min；減速會車時間t3=3min。一輛礦車一次運碴所需要的時間：

18t直流電瓶車一次牽引2臺梭式礦車同時作業，每次運碴量為16m3，隧道斷面尺寸按120m2計算，按循環進尺1m，松散系數取1.5，有軌運輸循環出碴時間：

（2）無軌運輸運輸效率計算

自卸汽車理論運行時間計算：洞內運輸距離約為l內=2000m，洞口段運輸距離約為l外=100m；根據汽車一般行車速度并結合《鐵路隧道施工規范》要求，自卸汽車平均運行速度v=15km/h≈4m/s；自卸汽車斗容量15m3；綜合考慮裝車、卸車時間t=15min。一輛自卸汽車一次運碴所需要的時間：

按照4輛自卸汽車同時作業，每輛汽車運碴量為15m3，隧道斷面尺寸按120m2計算，按循環進尺1m，松散系數取1.5，則無軌運輸循環出碴時間：

綜合考慮自卸汽車裝碴等待時間及其他因素，無軌運輸循環出碴時間為2h。

通過計算比較，有軌運輸運輸時間遠比無軌運輸時間長，難以滿足新涼風埡隧道工期、進度需要。

4.4.4 安全質量影響比較

（1）無軌運輸施工組織經驗豐富，安全可控性較高，而有軌運輸對機械設備操作人員要求相對較高，缺乏組織經驗，安全度較低。

（2）無軌運輸條件下，仰拱和二襯作業能夠跟緊開挖掌子面，及時形成封閉結構，有利于結構穩定，確保施工安全，仰拱棧橋移動方便，便于文明施工作業。而有軌運輸條件下，難以確保仰拱和二襯與開挖掌子面的距離，而且仰拱工作面交叉作業多，施工組織難度較大，不僅嚴重影響施工進度，而且對施工質量、安全都不利。

5 結 論

通過渝黔鐵路新涼風埡煤層瓦斯突出隧道運輸方案分析比較，可以看出瓦斯突出隧道無軌運輸優于有軌運輸。渝黔鐵路新涼風埡隧道通過有效瓦斯監控方法、切實可行的防爆改裝措施、嚴格的通風管理制度，采用無軌運輸方案成功通過了煤層瓦斯突出段施工，既滿足了瓦斯突出隧道機械設備防爆安全的要求，還在較大程度上降低了運輸成本，提高了運輸效率，實現了瓦斯突出隧道施工的安全、高效。同時也說明無軌運輸是今后瓦斯突出隧道運輸方式發展的趨勢。

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[5] 中華人民共和國鐵道部. TB10204—2002鐵路隧道施工規范[S]. 北京：中國鐵道出版社，2003.

[6] 中華人民共和國國家發展和改革委員會. MT/T986—2006礦用防爆柴油機無軌膠輪車通用技術條件[S]. 北京：煤炭工業出版社，2006.

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