深切峡谷大倾角长距离轨道运输关键技术研究*

肖 浩,高宁波,黄 剑,易 飞,范晨阳,纪晓宇

(1.中交第二航务工程局有限公司,湖北 武汉 430040; 2.长大桥梁建设施工交通行业重点实验室,湖北 武汉 430040; 3.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心,湖北 武汉 430040;4.中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司,北京 100120)

0 引言

深切峡谷地形工程一般是“两隧一桥”,即通过隧道工程穿过两边山脉,然后通过桥梁结构连接两隧。深切峡谷地带是川藏地区典型地貌,其工程建设最大的不利因素是施工场地受限,难以在施工作业点位建设大型物料场地,而施工中常用混凝土等有典型的时效性,难以采用传统长距离爬山挂壁公路运输。

轨道运输在煤炭开采工程中应用较广泛,郭良姊等[1]研究了无极绳连续牵引车在矿井中的应用,其适用于长距离、大倾角、多变坡工况下的矿井采区直达运输。刘军[2]认为现阶段煤矿斜巷提升内齿轮绞车方案存在较大隐患,而SQ无极绳连续牵引绞车能很好地替代传统小绞车接力、对拉运输方式,是实现斜巷煤炭运输的理想装备。解庆典等[3]针对徐矿集团生产矿井采区运输巷道现状,在不改变矿井轨道矿车辅助运输系统和现有巷道工况下,研发了一种在大倾角弯曲起伏巷道下无极绳连续牵引车辅助运输系统。赵海兴[4]针对倾角23°斜井,研究了有轨、无轨混合运输方式及胶轮车入井、升井工艺等。赵军业[5]针对矿井中孤岛长臂工作面轨道斜巷的超大倾角、多转弯、长运距的工程条件,提出一种采用无极绳牵引车连续运输系统,以循环钢丝绳梭车牵引列车的辅助运输设备,代替多部串联调度绞车,实现了长距离上、下坡和多转弯变向的运输。李文宇[6]开发了适用于煤矿井下长距离、大倾角、多变坡、大吨位工况条件下的工作面顺槽、采区上(下)山及人员设备不经转载的直达运输,研究表明钢丝绳牵引卡轨车操作容易、容绳量大、运行费用低、安全系数高,更适合现代化煤矿井下开采。

深切峡谷桥隧工程建设中,大量混凝土、钢材及隧道掘进产生的渣土等需要运输,受地形限制,难以在施工作业点位设置混凝土站等,而施工过程中相关大宗材料运输有时效性要求,远距离车辆运输亦不适用,因此有必要开展大倾角、长距离轨道运输技术研究工作。

1 工程概况

1.1 项目概况

项目依托川藏铁路雅安林芝段工程,主要工程包括“两隧一桥”,隧道为格聂山隧道和孜拉山隧道,桥梁为金沙江特大桥,项目整体效果如图1所示。金沙江特大桥位于V形深切高山峡谷区,地形陡峭,山体无植被覆盖,峡谷两岸自然横坡>50°。在隧道掘进及桥梁施工中需要大量混凝土,同时也会产生大量隧道渣土需要处置,运输需求大,项目拉萨侧桥隧工期及主要工程量如表1所示。受地形限制,混凝土搅拌站及碎石站设置在山顶,标高约为3 712.000m,桥位施工标高为3 048.000m,两地高差达664m。采用传统运输方式一般修筑临时盘山挂壁公路,但物料运输距离长、坡陡弯急,冬季道路有积雪、雨季山体塌方等导致道路中断,且工程造价高、工程量大、安全风险高,运量无法满足工程进度要求。传统临时挂壁公路运输线路如图2所示。

1.2 总体方案设计

为实现工程建设混凝土运输及隧道掘进渣土出运等功能,拟通过在孜拉山口正上方山顶建设搅拌站,山顶搅拌站位置与隧道口距离约为1.4km,高差约为660m,直线坡度约为27.3°,部分地段存在凸点,最大坡度约为40°(见图3,4),超过一般煤矿开采中斜巷坡度。山顶搅拌站与隧道口间铺设轨道,通过卷扬机牵引实现混凝土和渣土在山顶与施工点位的运输需求。该方案运输能力强,不受冬季道路积雪及雨季山体塌方影响,工期有保障;运输路线短,节约能源,低碳环保。

图4 坡面坡度示意

大倾角、长距离轨道运输系统包括牵引系统、车辆系统、轨道及支架系统、上部平台、下部平台及牵引安全系统,共6部分,如图5,6所示。其中,上山、下山均布置4辆车,包括2辆混凝土车与2辆渣土车,共设计4种工况(见表2)。混凝土车自重6t,满载12t;渣土车自重8t,满载11.25t。经过分析,上山段混凝土车与渣土车均空载时,拉力最小;下山段混凝土车满载、渣土车空载时,拉力最大。上山段及下山段受力分解如图7所示。上山段及下山段均需考虑摩擦力,计算表达式如下:

表2 设计工况

图6 牵引系统与安全系统

图7 上山段及下山段受力分解

Fpull=Gsinφ+αGcosφ

(1)

式中:G为重力;φ为坡度;α为摩擦力系数,取值为0.015。

由此计算得到上山段最小拉力为53kN,最大拉力为330kN;下山段最小拉力为44kN,最大拉力为340kN。取6.5倍安全系数,摩擦型卷扬机最大拉力为287kN。

1.3 轨道基础设计

轨道全长约1 400m,为降低成本,轨道设计为3轨运输段与4轨过渡段。整个轨道分为装渣区、卸混凝土区、交汇区、卸渣区、装混凝土区,如图8所示。轨道布设要考虑地形影响,分为7个架空段(JK-1～JK-7)和5个贴地段(TD-1～TD-5),曲率半径最大≤150m(见图9)。架空段跨度设计为9,20m 2个跨度,其基础结构采用模块化设计,通过螺栓连接而成,轨道基础断面如图10所示。

图8 轨道布置(单位:m)

图9 轨道分段(单位:m)

轨道及其立柱基础均采用悬臂门式起重机安装,通过卷扬机牵引门式起重机,自上而下安装。安装过程中,悬臂门式起重机从山顶运输安装构件到目标安装位置,安装完毕后,返回山顶取安装构件,依次往复安装。悬臂门式起重机采用过山车轮系结构,吊臂最大倾角≤15°(见图11)。

图11 悬臂门式起重机40°坡度条件下吊装示意

2 工效及经济性分析

HZS120型搅拌站生产混凝土工效为30m3/h,隧道混凝土需求量及出渣量分别如表3,4所示。由表可知,随着围岩等级增加,单日极限运送次数最大58次,出渣量最小576m3,最大1 625m3。物料装卸时间如表5所示,在山下卸混凝土装渣用时最长为150s,轨道上行驶平均速度≤3m/s,用时≤480s,进而可以计算得到完成一次整个装卸工序≤630s,约为10.5min。

表3 隧道混凝土单日需求量及极限运送次数

表4 隧道出渣量

表5 物料装卸时间

为评判轨道运输经济性,对比传统挂壁公路运输及轨道运输造价,如表6所示。由6表可知,采用轨道运输相比传统挂壁公路运输共节省投入 1 775.2 万元。

表6 传统挂壁公路运输方式与轨道运输方式经济性对比

3 结语

本研究围绕川藏铁路某深切峡谷“两桥一隧”项目,针对施工场地受限及传统运输安全风险高等不利因素,提出一种大倾角长距离轨道运输方案,并给出总体设计方案,包括运输系统构成、运输荷载工况、轨道基础结构等,验证了方案的可行性,并对比分析了大倾角长距离轨道运输工效及其经济性,相比较于传统挂壁公路运输方案,大倾角长距离轨道运输方案能节省投资1 775.2万元,且运输连续,不受冬季道路封闭影响,具有极高的推广应用价值。