有轨运输改无轨运输方案比选——以新凉风垭隧道瓦斯突出为例

王明慧，曹美俊，凌飞翔，倪少权，罗加明，张桥

（1. 渝黔铁路有限责任公司，重庆 400014；2. 西南交通大学，交通运输与物流学院，成都610031；3. 中铁十八局集团有限公司，隧道工程公司，重庆400700；4. 国家铁路局成都监管局，成都610051；5. 西南政法大学，经济学院，重庆401120）

1 工程及地质概况

渝黔铁路的建成通车将大大改善渝黔间的交通条件，对推动区域社会经济发展具有重要意义[1,2]。渝黔铁路新凉风垭隧道出口正洞DK155+413～DK155+588，穿越含煤地层龙潭组（P2l），含可采煤层5层，分别为K2、K4、K5、K8、K9。主采煤层K2、K4、K5，厚度为1.5～2.0m，层位稳定，压力为（0.45～1.5）MPa，隧址区及周边煤矿瓦斯绝对涌出量为0.13～3.02m³/min。该段含煤地层段为高瓦斯并具有突出风险，为I级高风险隧道[3]。

DK155+300处DZ-新凉风垭-11号钻孔，钻孔深度467.1m，钻孔揭示的地质情况为：自上往下厚59.3m，揭示岩性为（10～27）W2：泥岩、页岩夹灰岩；厚143.4m揭示岩性为（10～28）W2：灰岩夹泥灰岩；厚88.1m揭示岩性为（11～1）W2：灰岩；厚176.3m揭示岩性为（11～2）W2：页岩夹煤层、砂岩。根据该钻孔煤层自燃与煤尘瓦斯鉴定报告、隧道周边煤矿瓦斯等级鉴定报告和桐梓煤矿在2004年7月14日、2006年6月30日发生煤层瓦斯突出爆炸分析，说明该段含煤地层为高瓦斯并具有突出风险。

2 煤层瓦斯灾害及防治基本原则

2.1 煤层瓦斯的概念和特性

煤层瓦斯是从煤（岩）层中逸出的各种有害气体的总称，其主要成分是甲烷（CH4），具有爆炸性、不稳定性、渗透性、窒息性等特性。

煤层瓦斯爆炸的条件是：一定浓度的瓦斯、高温火源的存在和充足的氧气。当瓦斯浓度低于5%时，遇火不爆炸，但能在火焰外围形成燃烧层；当瓦斯浓度为9.5%时，其爆炸威力最大（氧和瓦斯完全反应）；瓦斯浓度在16%以上时，失去爆炸性，但在空气中遇火仍会燃烧。

煤层瓦斯在煤（岩）层中以两种状态存在，一是游离状态，二是吸附状态。两种状态的瓦斯处在不断变化的动态平衡中，当外界条件（如温度、压力）变化时，平衡就被打破，两种状态相互转换。

煤层瓦斯的渗透性极高，扩散速度快，较空气高1.6倍，隧道掘进过程中容易透过裂隙发育、结构松散的岩石或煤层渗透到隧道开挖空间。

煤层瓦斯虽然无毒，但其常伴有硫化氢、二氧化碳等有毒气体，瓦斯浓度升高，会使空气中氧气浓度急剧下降，引起人员窒息。

2.2 煤层瓦斯防爆基本原则[4]

只有正确掌握瓦斯的性质，并采取有效的措施，才能防止瓦斯爆炸事故的发生。一是控制瓦斯的浓度，通过实时瓦斯监测，及时加强通风确保瓦斯浓度低于爆炸界限；二是防止火源的出现。

2.3 防止煤层瓦斯爆炸的要求[5]

（1）对进洞挖掘、装载、运输等以柴油为动力的设备进行防爆改装，并通过验收合格，满足MT989—2006、MT990—2006相关标准的要求[6,7]。

（2）电力供应和电气设备上严格执行“三专两闭锁”和“MA”准入制度，对于不防爆，没有防爆安全标识、国家明令禁止使用和淘汰的电气防爆设备严禁进洞使用。

（3）制定通风方案，建立完善有效的通风系统，采用巷道式通风，满足隧道瓦斯治理的通风要求。

（4）实行自动监测与人工监测相结合的监测体系。

（5）制订严格的瓦斯管理制度，学习煤矿上的管理办法，严格进洞检身制度，严禁携带烟、火及通信设备等进洞，严禁穿化纤衣服进洞，对于瓦斯容易聚集等敏感地点严禁动火，对于隧道内其他可以进行不防爆操作的地点采取了每次都制定安全措施并签字贯彻的办法。

3 无轨运输方案的可行性

3.1 隧道施工条件

渝黔铁路新凉风垭隧道有效净空断面大，正洞开挖工法多采用台阶法[8]，台阶净空能够满足装载机和自卸汽车进行装碴施工，衬砌的断面净空能够满足双向行驶实现错车。

3.2 巷道式通风方案

隧道有专门用于辅助通风用的平行导洞，进入煤系地层段施工，采取的巷道式通风方法，安装两组四台风机，并设两条风带直接给正洞掘进工作面供风，能有效地解决通风问题。除此之外，在风速较大的隧道入口处也建议安装风速风向传感器，用来检测隧道外山谷的风速和风向[9]。

3.3 设备防爆改装

在爆炸性气体环境中作业的以普通内燃机为动力的机械设备产生的电气火花、排气火花和机械火花以及危险高温均可引燃混合气体发生爆炸事故，根据这些原因，参照煤炭行业标准MT989—2006《矿用防爆柴油机无轨胶轮车通用技术条件》和MT990—2006《矿用防爆柴油机通用技术条件》，对在有爆炸性气体环境中作业的普通工程车辆进行防爆改装。

（1）发电机改装为符合国家标准要求的隔爆型发电机。

（2）启动机（马达）改装为符合国家标准要求的隔爆型启动机。

（3）蓄电池为阀控式免维护铅酸蓄电池，安装在电源控制箱内，电路中接线处各种操纵开关均安装于隔爆箱内。

（4）照明、信号等灯具均采用了防爆产品（LED隔爆灯）。

（5）对于容易产生静电积聚的非金属件采取抗静电措施。

（6）柴油机的排气采用了补水箱式废气处理装置和夹层排气管道或绝热材料包封措施，排气支管和涡轮增压器外壳选用纳米陶瓷空心颗粒、硅铝纤维、各种反射材料为主要成分的太空节能高温隔热材料，可抑制增压器表面及排气支管表面热辐射和热量传导，控制其表面温度在150℃以下。

从增压器到废气处理箱之间用层套式水夹层管（不锈钢管）连接，其内用不锈钢蛇型管，外用不锈钢管，中间为水，以保证表面温度在150℃以下。

在废气处理箱排气出口处设置阻火栅栏，消除排气引发的危险高温和排气火花，从而杜绝了引发爆炸的可能性。同时也可将柴油机机体表面温度控制在≤150℃，排气出口处的排气温度控制在≤70℃的安全范围内，符合MT990—2006《矿用防爆柴油机通用技术条件》中4.16的技术要求。

（7）增设了自动保护设置。自动保护装置为本安兼浇封型，可对工程车辆安全项目进行保护，符合MT990—2006《矿用防爆柴油机通用技术条件》中4.18.2.2的要求（见表1）。

（8）对没有关断阀的设备增设空气关断阀，一旦发生进气回火火花在气缸外直接燃烧的意外情况，立即拉动关断阀手柄，阻止空气进入气缸，迫使设备停止工作。

隧道无轨运输设备全部从消除电气、动力火花和控制高温等方面进行了防爆改装，且增设了本安兼浇封型自动保护装置，一旦监控参数出现异常及时发出警报信号并使无轨运输设备动力系统停止工作，能够满足在高瓦斯工区环境中正常使用。

表1 保护项目及设定安全值Tab.1 Safety related operations and the threshold values

3.4 煤层瓦斯隧道管理制度

认真贯彻“安全第一，预防为主”的方针，建立健全安全生产管理体系。成立安全领导小组，以项目经理任组长，安全总监任副组长，项目副经理、专职安全员等其他成员为组员，全面执行落实安全生产责任制[10]。

制订严格的瓦斯管理制度，学习煤矿上的管理办法，严格进洞检身制度，严禁携带烟、火等进洞，严禁穿化纤衣服进洞，对于进风隧道等敏感地点严禁动火，对于隧道内其他可以进行不防爆操作的地点采取了每次都制定安全措施并签字贯彻的办法。

建立瓦斯视频监控系统，实时监测记录各个工作面瓦斯变化情况，超过预警值立即报警并短信通知主要管理人员，并安排三班专职瓦检员、安全员巡视检测瓦斯，实现瓦斯24小时监测，确保隧道安全可控[11]。

3.5 瓦斯突出隧道和煤矿无轨运输经验

过去我国煤矿井下辅助运输状况与发达国家相比差距仍然较大，大多以有轨运输为主，20世纪90年代中期，国内部分新建隧道和煤矿矿井开始采用无轨辅助运输代替传统的有轨辅助运输，如中国神华集团的大柳塔矿、山东兖矿集团的济三煤矿等。从使用情况看，采用无轨辅助运输方案后效率提高明显，目前采用无轨运输或者混合运输的煤矿占煤矿总数的比重越来越大[12]。

4 有轨运输与无轨运输方式的比较分析

4.1 渝黔铁路新凉风垭隧道工程特点

（1）新凉风垭隧道工期紧、进度压力大；

（2）正洞断面大，每循环出碴量大；

（3）围岩级别较高，多采用台阶法开挖，台阶长度、步距控制严格。

4.2 有轨运输方式

4.2.1 有轨运输的主要优点

（1）防爆程序简单，不需要专门改制运输设备。

（2）空气污染小，对正洞的风量和风压需求较小，有利于人工洞内作业。

4.2.2 有轨运输的主要缺点

（1）出碴能力不足，增加循环时间，采用台阶法施工，因为受步长关系的影响，仰拱至掌子面40～50m长度内有台阶、作业台架及移动栈桥，二衬前方难于形成双车道运输，难于满足进度要求。

（2）工序较多，影响循环时间。轨道难于铺设至掌子面，上台阶弃碴需用挖掘机、装载机械倒运至下台阶。

（3）需要二次转载，对洞口场地要求较高，新凉风垭隧道出口段场地狭窄，难于形成转载系统。

（4）因仰拱装碴、转载等环节必须使用挖掘机和装载机，单纯在运输上采取有轨运输意义不大。

（5）有轨运输系统费用高，初步估算需增加约2660万元。

（6）辅助系统较复杂，占用人员较多，给安全管理带来很大压力。

4.3 无轨运输方式

4.3.1 无轨运输的主要优点

（1）工效高、速度快、工序简单、相互干扰少、施工组织相对简单；

（2）对洞口场地要求不高，对洞内仰拱栈桥、衬砌台车、洞外上坡等困难地形的适应性强，能够实现从工作面至弃碴场的一次运输，不需要二次转载。

（3）专用设备投入少，挖掘机、装载机、自卸汽车及混凝土罐车均为常用设备，不会造成机械设备的大量闲置。

4.3.2 无轨运输的主要缺点

（1）隧道有效净空断面较大，适用于台阶法、全断面法。

（2）施工通风难度大，柴油机械产生的废气较多。

（3）运输设备需要专业的防爆改装，改装费用投入高。

4.4 两种运输方式的比较分析

4.4.1 主要机械设备的投入比较

表2为有轨运输和无轨运输主要机械设备投入对比，从表2可以看出，不考虑其他都要使用的设备和设施无轨运输和有轨运输分别合计774万、3434.5万。有轨运输的机械设备投入要比无轨运输多，而且有轨运输还需要配备必要的辅助系统、管理系统，运输成本大大增加。

表2 有轨运输和无轨运输主要机械设备投入对比表Tab.2 Cost of major equipments (rail transport and non-rail transport)

4.4.2 工作效率比较

（1）无轨运输组织简单，不用铺轨道，出碴灵活，工作效率高。而有轨运输，调度时间长，组织难度高，每次开挖都有铺轨时间，否则装载机运距较远，造成出碴效率低。

（2）无轨运输条件下，仰拱作业面采用双栈桥施工，移动灵活，可以同时满足仰拱和出碴施工，施工干扰小。而有轨运输条件下，轨道的拨接频繁，工作量大，仰拱施工速度慢，而且还会影响正常出碴，施工干扰大。

（3）无轨运输条件下，衬砌混凝土罐车运输量大，速度快，效率高，对混凝土的质量性能保障较好；而有轨运输条件下，轨行式混凝土罐车运量小，速度慢，效率低，要想保证混凝土质量就要加大投入。

4.4.3 施工进度影响比较

（1）有轨运输运输效率计算

梭式矿车理论运行时间计算：洞内运输距离约为l内=2 000m，洞口段运输距离约为l外=100m；根据机车和梭矿一般行车速度并结合《铁路隧道施工规范》要求，矿车平均运行速度v=15km/h≈4m/s；矿车斗容量8m3；装碴时间t1=7min；卸碴时间t2=10min；减速会车时间t3=3min。一辆矿车一次运碴所需要的时间：

18t直流电瓶车一次牵引2台梭式矿车同时作业，每次运碴量为16m3，隧道断面尺寸按120m2计算，按循环进尺1m，松散系数取1.5，有轨运输循环出碴时间：

（2）无轨运输运输效率计算

自卸汽车理论运行时间计算：洞内运输距离约为l内=2000m，洞口段运输距离约为l外=100m；根据汽车一般行车速度并结合《铁路隧道施工规范》要求，自卸汽车平均运行速度v=15km/h≈4m/s；自卸汽车斗容量15m³；综合考虑装车、卸车时间t=15min。一辆自卸汽车一次运碴所需要的时间：

按照4辆自卸汽车同时作业，每辆汽车运碴量为15m³，隧道断面尺寸按120m2计算，按循环进尺1m，松散系数取1.5，则无轨运输循环出碴时间：

综合考虑自卸汽车装碴等待时间及其他因素，无轨运输循环出碴时间为2h。

通过计算比较，有轨运输运输时间远比无轨运输时间长，难以满足新凉风垭隧道工期、进度需要。

4.4.4 安全质量影响比较

（1）无轨运输施工组织经验丰富，安全可控性较高，而有轨运输对机械设备操作人员要求相对较高，缺乏组织经验，安全度较低。

（2）无轨运输条件下，仰拱和二衬作业能够跟紧开挖掌子面，及时形成封闭结构，有利于结构稳定，确保施工安全，仰拱栈桥移动方便，便于文明施工作业。而有轨运输条件下，难以确保仰拱和二衬与开挖掌子面的距离，而且仰拱工作面交叉作业多，施工组织难度较大，不仅严重影响施工进度，而且对施工质量、安全都不利。

5 结 论

通过渝黔铁路新凉风垭煤层瓦斯突出隧道运输方案分析比较，可以看出瓦斯突出隧道无轨运输优于有轨运输。渝黔铁路新凉风垭隧道通过有效瓦斯监控方法、切实可行的防爆改装措施、严格的通风管理制度，采用无轨运输方案成功通过了煤层瓦斯突出段施工，既满足了瓦斯突出隧道机械设备防爆安全的要求，还在较大程度上降低了运输成本，提高了运输效率，实现了瓦斯突出隧道施工的安全、高效。同时也说明无轨运输是今后瓦斯突出隧道运输方式发展的趋势。

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[3] 王明慧，鲁军良，杨仁春. 综合超前地质预报技术在天坪隧道中的应用[J]. 铁道建筑，2014，（3）：30-32.

[4] 中华人民共和国铁道部. TB10120—2002 J160—2002铁路瓦斯隧道技术规范[S]. 北京：中国铁道出版社，2003.

[5] 中华人民共和国铁道部. TB10204—2002铁路隧道施工规范[S]. 北京：中国铁道出版社，2003.

[6] 中华人民共和国国家发展和改革委员会. MT/T986—2006矿用防爆柴油机无轨胶轮车通用技术条件[S]. 北京：煤炭工业出版社，2006.

[7] 中华人民共和国国家发展和改革委员会. MT/T989—2006矿用防爆柴油机通用技术条件[S]. 北京：煤炭工业出版社，2006.

[8] 王明慧，姚云晓，蒋树平. 我国铁路隧道施工方法及适应性研究[J]. 现代隧道技术, 2010（3）：1-5.

[9] 葛敏莉，孙璐. 山区高速公路隧道交通安全研究[J]. 交通运输工程与信息学报，2013，11（1）：59-67.

[10] 雷升祥. 瓦斯隧道施工技术与管理[M]. 北京：中国铁道出版社，2011.

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