无轨运输隧道施工辅助斜井型式探讨

张海超， 蔡振宇

(1.中铁隧道集团有限公司， 河南 洛阳　471009； 2.中铁隧道集团有限公司杭州公司， 浙江 杭州　310030)



无轨运输隧道施工辅助斜井型式探讨

张海超1， 蔡振宇2

(1.中铁隧道集团有限公司， 河南 洛阳471009； 2.中铁隧道集团有限公司杭州公司， 浙江 杭州310030)

摘要：为解决隧道施工辅助斜井单、双车道选择以及斜井轮廓尺寸方面的问题，通过对行车限定速度、错车时车辆通过情况进行模拟，以数学推导的方法，分析单、双车道的通过能力，研究斜井内的断面布置。认为单、双车道斜井的通过能力相差极大，当通过斜井开辟隧道施工工作面较多，计算施工高峰期总车流量大于单车道斜井最大通过能力时必须采用双车道；同时通过对单、双车道断面布置中的车辆外形、各种间隙、人行道、管路、水沟等尺寸的研究，提出了单、双线斜井轮廓尺寸。

关键词：隧道； 无轨运输斜井； 辅助坑道； 单车道； 双车道； 断面布置； 断面尺寸

0引言

近年来施工的长大隧道，多采用斜井、竖井形式实施“长隧短打”方案[1-2]，其中斜井的型式、断面选择直接影响着隧道的工期及造价[3]。一般情况下斜井纵坡倾角小于7°～8°时，采用无轨运输[4-5]，国外多数学者认为坡度在10%左右为宜[6]。无轨运输斜井相比有轨运输斜井而言投入低、效率高[7]，故在实际应用中越来越多，但在无轨斜井单、双线型式选择、断面布置方面的文献较少，且在单、双车道选择中至关重要的通过能力指标以及断面布置中的一些具体参数也缺少依据。与通过能力相关研究如斜坡道年通过能力计算[8]、农村单车道公路错车道设置[9]、低等级道路通行能力计算[10]等也与隧道施工特点有较大差别。一些文献中给出了单双车道斜井的断面图或断面尺寸[11-14]、安全间隙[15]等，但少有涉及断面布置中所需要考虑的具体参数及依据。

本文从满足隧道施工需要，兼顾施工效率的角度，通过对无轨运输斜井通过能力与施工高峰期运输车流量的对比分析，提出以斜井运输能力是否满足隧道施工基本需求来选择斜井单、双车道的方法，并通过对单、双车道斜井断面布置中的各种参数分析，提供斜井断面尺寸选择的理论依据。

1无轨运输施工辅助斜井单双车道选择

1.1选择原则

在单车道斜井能满足交通运输的情况下，优先选用单车道斜井。当计算隧道内高峰车流量大于斜井最大通过能力时，则或者调整隧道施工进度，减小运输量；或者使用双车道斜井。

1.2单车道斜井最大通行能力测算

单车道斜井的最大通行能力受错车道的距离和斜井内的行车速度限制，故要先确定斜井内的行车速度和错车道距离2个指标。

1.2.1最高行车速度

便道的行车速度，国家和交通行业主管部门均无明确规定，应由便道的设计单位根据便道的宽度、坡度、通行车辆、视线条件等综合确定。在GBJ 22—1987《厂矿道路设计规范》中采用的计算速度为15 km/h。由于斜井交通一般情况下坡度较大、路面潮湿、照明条件不好，本文中施工斜井内的重载车辆最大限速取≤15 km/h。

1.2.2斜井内错车道距离设置

斜井内的错车道设置一般为200 m左右[16-17]，从理论上来说错车道间距离越短，通行能力越大，但如错车道设置过密，则施工难度加大，从经济上来说就失去了设错车道的意义了。

1.2.3斜井内实际车速测算

井内影响实际行车速度主要为错车影响，其次还有司机熟练程度、车辆状况、路面平整度和湿润度及意外情况等。为简化计算，本文中仅计算错车影响，其他影响在计算后按0.9的折算系数进行计算，错车道影响计算时按极端情况： 上行重车按最小间距依次排列，不间断通行，下行空车在每个错车道避让为假定模型。

1)每次错车耽误时间。空车发现重载车辆后减速并进入错车道平均时间0.7 min，重载车辆发现前方车辆后减速慢行到重新加速耽误时间0.3 min，空载车辆等待、重新启动后加速耽误时间1.0 min。

2)斜井内错车次数。由于计算斜井最大通过能力的假定模型是重车以最小间距依次排列，不间断通行，空车为每个错车道避让，故避让次数即为错车道个数。错车次数

N=l/200。

式中：N计算结果取整数；l为斜井长度，m。

3)全斜井因错车耽误总时间等于每次错车耽误时间乘以错车次数。

(0.7+0.3+1.0)×N= 2.0N(min)。

4)考虑全部因素后斜井平均车速。

v=2Kl/(0.008l+2.0N)。

式中：v为斜井平均行车速度，m/min；K为折算系数，一般取0.9。

1.2.4单车道斜井最大通行能力

斜井最大通行能力计算时，假定上下行车辆均按平均速度v匀速行驶，上下行之间互不干扰，但为保证能按1.2.3节的假定斜井通行模型错车，同向车辆之间的间距必须大于2个错车道的间距。斜井内错车示意如图1所示。

图1　斜井内错车示意图

取同向2车间距为450 m，则上行2辆车通过同一断面的时间间隔为450/v。

斜井内任一断面1个小时能单向通过的车辆(即单车道斜井的最大通过能力)为60v/450=0.133v(辆/h)。

1.3双车道最大通行能力计算

1.3.1计算车速

由于双车道斜井不考虑错车等待因素，其通过能力主要为受车辆行车速度所限和前后车距所限，计算双车道斜井的最大通过能力时，行车速度按最高行车速度15 km/h计算(具体分析见1.2.1节)。

1.3.2同向行驶车辆前后间距

国家对便道低速行车时的前后车间距并无强制性规定，GBJ 22—1987《厂矿道路设计规范》厂内道路的会车视距为30 m。鉴于斜井一般纵坡较大、照明条件差、对视线及停车造成影响较大，故取会车视距的2倍即60 m作为斜井内的前后车距。

1.3.3最大通过能力

斜井内2车通过同一断面的时间间隔为

60 m÷15 000 m/h=0.004 h。

最大通过能力为斜井内任一断面1 h能单向通过的车辆，考虑错车、车辆间距不均等影响取折算系数0.85，则最大通过能力为

0.85×1 h÷0.004 h/辆=213辆。

1.4施工高峰期斜井车流量

1.4.1单工作面出碴车辆计算

N=K1K2S×D÷T÷(K3Q)。

式中：N为单工作面单位出碴车数，辆/h；S为工作面断面积，m2；D为工作面循环进尺，m；T为工作面出碴作业工序循环时间，h；Q为自卸汽车斗容量，m3；K1为超挖系数，根据围岩地质及断面大小确定，一般取1.02～1.1；K2为隧道岩石松散系数，一般取1.3～1.5；K3为装车系数，一般取0.8～1.0。

1.4.2单位时间内总出碴车辆计算

斜井进入主隧道后，当主隧道为单洞时，工作面的个数为1—2；当主隧道为双洞时，工作面个数为2—4；特殊情况下如采用平导接应正洞时，工作面个数可能更多。

因为各开挖工作面不可能安排同时出碴(极个别情况下可能出现，需现场调整)，故计算出碴工作面要低于实际开挖面数，具体数量需根据实际施工组织进度要求选用，一般情况下也可考虑按表1选取。

表1　计算工作面选取表

单位时间内的总出碴车辆由计算出碴工作面和单工作面出碴车辆计算得出。

1.4.3单位时间内混凝土运输车流量

见表2。

表2　单工作面混凝土运输车流量表

1.4.4其他车流量

其他进料及人员上下班专用车辆一般情况下不考虑，由于工人徙步上班距离一般不宜超过3 km[18]，考虑斜井交通情况，在斜井长度≥2 km时可考虑1辆/h的人员上下班车辆。

1.4.5施工高峰期斜井总车流量

由单位时间内的出碴车辆、喷射混凝土车辆、模筑混凝土车辆及人员车辆相加即可。

1.5斜井单双车道比选

根据上文计算，如施工高峰期斜井总车流量大于单车道斜井的最大通行能力，则必须选用双车道斜井；如小于单车道通行能力则还需要根据施工效率进行经济比选，由于涉及因素较多，此处不进行详细探讨。

2无轨运输施工辅助斜井断面选择

2.1单车道无轨斜井断面布置

施工辅助斜井的净空断面在铁路和公路的相关设计规范中均没有明确要求，仅原则性的说明满足行车、通风、排水、逃生、救灾等使用功能要求。

本文介绍的是施工用临时斜井，故仅从满足施工需求方面对斜井净空断面要求进行分析，断面布置如图2和图3所示。

2.1.1具体参数确定

1)人行道宽度b1。TB 10003—2005《铁路隧道设计规范》规定，人行道宽度不小于0.7 m；JTG D 70—2004《公路隧道设计规范》规定，斜井必须设置宽度不小于0.75 m的人行道。

本图为直线段断面，曲线处需相应加宽。

图2单车道斜井正常段断面净空图(单位： cm)

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

本图为直线段断面,曲线处需相应加宽。

图3单车道斜井错车段断面净空图(单位： cm)

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

2)车辆两侧间隙。《冶金地下矿山安全规程》2.1.8规定： 在水平巷道和斜井中,运输设备之间以及运输设备与支护之间的间隙,不应小于0.3 m。GBJ 22—1987《厂矿道路设计规范》规定： 场内道路边缘至管线支架的最小净距为1.0 m。考虑斜井施工更接近矿山施工，本文中取两侧间隙为0.4 m，为安全及行车速度考虑，也取稍大值。

3)水沟及风水管路占宽。斜井施工一般为2个以上工作面，风水管路占宽根据经验取0.3 m。

4)车辆通行宽度B。按斜井通过的最宽设备装载机计算。常用装载机参数见表3。

表3　常用装载机参数表

5)车辆高度H。按斜井通过的最高设备混凝土运输车考虑。国内常用混凝土运输车规格见表4。

表4 　常用混凝土运输车参数表

6)通行车辆顶与通风占用空间之间的间隙。施工期间斜井井身一般未进行二次衬砌施工，考虑施工、测量误差等造成的地面不平顺、拱顶起伏等因素，需预留20 cm间隙防止出现车辆擦挂风管、风道等。

7)水沟宽度b2。由于斜井排水较为重要，一般需根据涌水量进行专项设计，如无专项设计尺寸，b1一般取15～30 cm。

8)隧道通风占用空间。直接影响斜井的高度，需根据斜井长度，进入主隧道后的施工任务及断面情况进行详细的通风设计，根据专项设计确定通风所占用的高度值。

2.1.2单车道斜井断面确定

由2.1.1节可以确定出斜井净空断面所需要的净高和净宽总值，确定斜井断面还需根据斜井的地质情况决定斜井边墙为直墙还是曲墙，如设计为曲墙，则根据曲率大小，还可将风水管路的所用空间适当减小，从而减小斜井的净宽。

斜井边墙直线段高度必须保证载重汽车无障碍通行，顶部曲线一般情况下选择同心圆，曲率可根据地质情况和空间布置情况调整。

斜井曲线地段适当加宽，加宽值根据曲线半径大小确定，具体计算方法可参照《公路隧道设计规范》和《城市地下道路设计规范》确定。

斜井加宽段设计应尽量保证斜井未加宽侧的起拱线以下部分不变。

2.2双车道无轨斜井断面布置

2.2.1双车道断面布置

见图4。

本图为直线段断面，曲线处需相应加宽。

图4双车道斜井断面净空图(单位： cm)

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

2.2.2具体参数确定

1)车辆宽度。由于斜井内装载机通过较少，故不考虑装载机在正常行车中的错车问题，GB 1589—1989《汽车外轮廓尺寸限界》规定，车辆总宽(不包括后视镜)不能超过2.5 m，而现阶段的载重自卸汽车和混凝土运输车宽度也基本为2.4～2.5 m，故选用2.5 m。

2)两车间净横距。国家对低速便道的行车净横距并无明确的要求，在GBJ 22—1987《厂矿道路设计规范》的桥涵荷载计算时，30 t以下载质量自卸汽车采用的横向布置净距为0.6 m。实际2车净距为0.6 m，即错车时除去2车后视镜所占空隙外，实际净距仅0.3 m。如2车间净距少于0.6 m，不能保证正常通行过程中的错车安全，故本文中取0.6 m。

2.2.3双车道斜井断面确定

双车道斜井断面确定所应遵循的原则同单车道斜井相同，具体参照2.1.2节。

3结论与探讨

在斜井断面选择的过程中，应结合施工组织对各工作面循环作业时间中出碴工序占用作业时间的边界条件进行综合分析，合理选择斜井断面型式。单、双车道斜井的通过能力相差15～20倍，故当通过斜井开辟隧道施工面较多，且计算施工高峰期总车流量大于单车道斜井最大通过能力时必须采用双车道。

本文以满足施工基本需求为前提，以逻辑推导和数学计算的方式得出单、双车道斜井型式选择时，必须考虑的运输能力指标校验方法；同时通过对单、双车道断面布置中的车辆外形、各种间隙、人行道、管路、水沟等参数的研究，提供了其在实际应用中的选择方法和理论依据。

无轨运输斜井断面型式及轮廓尺寸的确定需要考虑很多因素，如至关重要的建井成本与施工工效间的关系，对运输能力指标影响较大的斜井内最高行驶速度、车距等指标，均没有形成统一的权威认知，需要各界专家学者来充分论证。

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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

中图分类号：U 45

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2016)02-0200-06

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

作者简介：第一 张海超(1970—)，男，河南洛阳人，2011年毕业于西南交通大学，铁道工程专业，本科，工程师，主要从事工程管理工作。 E-mail: 459091411@qq.com。

收稿日期：2015-10-10; 修回日期: 2015-11-20