深切峽谷大傾角長距離軌道運輸關鍵技術研究*

肖 浩,高寧波,黃 劍,易 飛,范晨陽,紀曉宇

(1.中交第二航務工程局有限公司,湖北 武漢 430040; 2.長大橋梁建設施工交通行業重點實驗室,湖北 武漢 430040; 3.交通運輸行業交通基礎設施智能制造技術研發中心,湖北 武漢 430040;4.中交公路長大橋建設國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”,即通過隧道工程穿過兩邊山脈,然后通過橋梁結構連接兩隧。深切峽谷地帶是川藏地區典型地貌,其工程建設最大的不利因素是施工場地受限,難以在施工作業點位建設大型物料場地,而施工中常用混凝土等有典型的時效性,難以采用傳統長距離爬山掛壁公路運輸。

軌道運輸在煤炭開采工程中應用較廣泛,郭良姊等[1]研究了無極繩連續牽引車在礦井中的應用,其適用于長距離、大傾角、多變坡工況下的礦井采區直達運輸。劉軍[2]認為現階段煤礦斜巷提升內齒輪絞車方案存在較大隱患,而SQ無極繩連續牽引絞車能很好地替代傳統小絞車接力、對拉運輸方式,是實現斜巷煤炭運輸的理想裝備。解慶典等[3]針對徐礦集團生產礦井采區運輸巷道現狀,在不改變礦井軌道礦車輔助運輸系統和現有巷道工況下,研發了一種在大傾角彎曲起伏巷道下無極繩連續牽引車輔助運輸系統。趙海興[4]針對傾角23°斜井,研究了有軌、無軌混合運輸方式及膠輪車入井、升井工藝等。趙軍業[5]針對礦井中孤島長臂工作面軌道斜巷的超大傾角、多轉彎、長運距的工程條件,提出一種采用無極繩牽引車連續運輸系統,以循環鋼絲繩梭車牽引列車的輔助運輸設備,代替多部串聯調度絞車,實現了長距離上、下坡和多轉彎變向的運輸。李文宇[6]開發了適用于煤礦井下長距離、大傾角、多變坡、大噸位工況條件下的工作面順槽、采區上(下)山及人員設備不經轉載的直達運輸,研究表明鋼絲繩牽引卡軌車操作容易、容繩量大、運行費用低、安全系數高,更適合現代化煤礦井下開采。

深切峽谷橋隧工程建設中,大量混凝土、鋼材及隧道掘進產生的渣土等需要運輸,受地形限制,難以在施工作業點位設置混凝土站等,而施工過程中相關大宗材料運輸有時效性要求,遠距離車輛運輸亦不適用,因此有必要開展大傾角、長距離軌道運輸技術研究工作。

1 工程概況

1.1 項目概況

項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,地形陡峭,山體無植被覆蓋,峽谷兩岸自然橫坡>50°。在隧道掘進及橋梁施工中需要大量混凝土,同時也會產生大量隧道渣土需要處置,運輸需求大,項目拉薩側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置在山頂,標高約為3 712.000m,橋位施工標高為3 048.000m,兩地高差達664m。采用傳統運輸方式一般修筑臨時盤山掛壁公路,但物料運輸距離長、坡陡彎急,冬季道路有積雪、雨季山體塌方等導致道路中斷,且工程造價高、工程量大、安全風險高,運量無法滿足工程進度要求。傳統臨時掛壁公路運輸線路如圖2所示。

1.2 總體方案設計

為實現工程建設混凝土運輸及隧道掘進渣土出運等功能,擬通過在孜拉山口正上方山頂建設攪拌站,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,最大坡度約為40°(見圖3,4),超過一般煤礦開采中斜巷坡度。山頂攪拌站與隧道口間鋪設軌道,通過卷揚機牽引實現混凝土和渣土在山頂與施工點位的運輸需求。該方案運輸能力強,不受冬季道路積雪及雨季山體塌方影響,工期有保障;運輸路線短,節約能源,低碳環保。

圖4 坡面坡度示意

大傾角、長距離軌道運輸系統包括牽引系統、車輛系統、軌道及支架系統、上部平臺、下部平臺及牽引安全系統,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,共設計4種工況(見表2)。混凝土車自重6t,滿載12t;渣土車自重8t,滿載11.25t。經過分析,上山段混凝土車與渣土車均空載時,拉力最小;下山段混凝土車滿載、渣土車空載時,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,計算表達式如下:

表2 設計工況

圖6 牽引系統與安全系統

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,取值為0.015。

由此計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,摩擦型卷揚機最大拉力為287kN。

1.3 軌道基礎設計

軌道全長約1 400m,為降低成本,軌道設計為3軌運輸段與4軌過渡段。整個軌道分為裝渣區、卸混凝土區、交匯區、卸渣區、裝混凝土區,如圖8所示。軌道布設要考慮地形影響,分為7個架空段(JK-1～JK-7)和5個貼地段(TD-1～TD-5),曲率半徑最大≤150m(見圖9)。架空段跨度設計為9,20m 2個跨度,其基礎結構采用模塊化設計,通過螺栓連接而成,軌道基礎斷面如圖10所示。

圖8 軌道布置(單位:m)

圖9 軌道分段(單位:m)

軌道及其立柱基礎均采用懸臂門式起重機安裝,通過卷揚機牽引門式起重機,自上而下安裝。安裝過程中,懸臂門式起重機從山頂運輸安裝構件到目標安裝位置,安裝完畢后,返回山頂取安裝構件,依次往復安裝。懸臂門式起重機采用過山車輪系結構,吊臂最大傾角≤15°(見圖11)。

圖11 懸臂門式起重機40°坡度條件下吊裝示意

2 工效及經濟性分析

HZS120型攪拌站生產混凝土工效為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,隨著圍巖等級增加,單日極限運送次數最大58次,出渣量最小576m3,最大1 625m3。物料裝卸時間如表5所示,在山下卸混凝土裝渣用時最長為150s,軌道上行駛平均速度≤3m/s,用時≤480s,進而可以計算得到完成一次整個裝卸工序≤630s,約為10.5min。

表3 隧道混凝土單日需求量及極限運送次數

表4 隧道出渣量

表5 物料裝卸時間

為評判軌道運輸經濟性,對比傳統掛壁公路運輸及軌道運輸造價,如表6所示。由6表可知,采用軌道運輸相比傳統掛壁公路運輸共節省投入 1 775.2 萬元。

表6 傳統掛壁公路運輸方式與軌道運輸方式經濟性對比

3 結語

本研究圍繞川藏鐵路某深切峽谷“兩橋一隧”項目,針對施工場地受限及傳統運輸安全風險高等不利因素,提出一種大傾角長距離軌道運輸方案,并給出總體設計方案,包括運輸系統構成、運輸荷載工況、軌道基礎結構等,驗證了方案的可行性,并對比分析了大傾角長距離軌道運輸工效及其經濟性,相比較于傳統掛壁公路運輸方案,大傾角長距離軌道運輸方案能節省投資1 775.2萬元,且運輸連續,不受冬季道路封閉影響,具有極高的推廣應用價值。