高速鐵路隧道高瓦斯工區施工無軌運輸方案探討

林 斌

(中國中鐵二院工程集團有限責任公司工程經濟院， 四川成都 610031)

高速鐵路隧道高瓦斯工區施工無軌運輸方案探討

林 斌

(中國中鐵二院工程集團有限責任公司工程經濟院， 四川成都 610031)

成貴鐵路貓魯寺雙線隧道為國內川南地區典型的天然氣高瓦斯隧道，瓦斯濃度高，爆炸風險大，施工運輸方式是隧道施工組織設計的難點。有軌運輸專用設備投入大，組織困難，無軌運輸需設備防爆改裝、強化通風、輔助坑道斷面加大。文章結合現場施工，對瓦斯防爆原理、高瓦斯工區對運輸設備的要求、兩種運輸方式的工況要求及技術經濟、優缺點等進行闡述和比較論證。

高速鐵路； 隧道； 高瓦斯； 工區； 運輸

1 工程及地質概況

新建成都至貴陽鐵路貓魯寺隧道位于四川省興文縣蓮花鎮境內，隧道全長4 295 m。出口工區長2 625 m，為高瓦斯工區。出口設平導，平導長2 102 m，平導承擔正洞施工259 m。貓魯寺隧道為川南地區典型的天然氣高瓦斯隧道。

隧區地層為含煤或炭質頁巖地層，線路中心右側120～170 m即為宜賓興文縣大灣煤礦礦權區，右側1 300 m即為大灣煤礦開采區邊界。根據隧區深鉆有害氣體測試結果，結合隧道埋深和巖性綜合分析，隧道里程D1K215+100～D1K216+900段為高瓦斯段落，地質縱斷面示意見圖1。

圖1 貓魯寺隧道地質縱斷面示意

2 輔助坑道及工區劃分

為滿足高瓦斯工區巷道式通風及超前探明地質需要，于出口線路前進方向左側30 m設置平行導坑，全長2 102 m，按有軌單車道設計。設計出口(含平導)工區采用有軌運輸模式組織施工，進口工區采用無軌運輸模式組織施工，見圖2。

圖2 貓魯寺隧道輔助坑道及工區劃分示意

3 高瓦斯工區施工運輸方案選擇

3．1 瓦斯特性簡介

(1)爆炸性。

瓦斯本身是不會自燃和爆炸的，但當和空氣(氧氣)以一定比例混合均勻并達到一定濃度后，遇到火源，就會燃燒和發生爆炸。

(2)滲透性。

瓦斯的滲透性極高，擴散速度快，其擴散性較空氣高1.6倍，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。

(3)不穩定性。

瓦斯在煤體和圍巖中以游離狀態和吸附狀態存在。兩種狀態的瓦斯是處在不斷變化的動態平衡中，當溫度、壓力等外界條件變化時，平衡就被打破。壓力升高溫度降低時，部分瓦斯將由游離狀態轉化為吸附狀態，反之，壓力降低溫度升高時，又會有部分瓦斯由吸附狀態轉化為游離狀態。

(4)窒息性。

瓦斯無毒、無色、無味，但不適合呼吸。瓦斯濃度升高，空氣中氧氣濃度急劇下降，會引起人員窒息。

(5)瓦斯爆炸的必要條件。

瓦斯爆炸必須具備三個條件：一定的瓦斯濃度，一定溫度的引火源和足夠的氧氣[1]。

3.2 瓦斯防爆基本原則

一是控制瓦斯這個危險物質，關鍵是通過瓦斯探測、瓦斯監測、施工通風降低瓦斯濃度。

二是防止點火源的出現。

3.3 高瓦斯隧道對運輸設備的要求

現行鐵路瓦斯隧道施工技術規范、隧道施工指南和安全技術規程規定：隧道內高瓦斯工區必須采用安全防爆型機電設備。有軌、無軌運輸設備從本質上應具備消除電氣、動力火花和控制高溫的防爆性能，應選擇有資質的單位進行有軌、無軌設備防爆改裝。

(1)有軌運輸設備產生的火花和高溫均是由電力提供，消除電氣火花主要采取與環境隔絕的措施；無軌運輸采用柴油機為牽引動力，其防爆主要應消除柴油機電火花及柴油燃燒產生的火花。

(2)運輸設備應設置自動保護裝置，在監控參數出現異常情況時能及時發出警報信號并能使無軌運輸設備動力系統停止運行。

(3)運輸設備應配備車載瓦斯自動監測報警閉鎖系統，在防爆改裝無軌運輸設備本質上具備防爆性能的基礎上，再給設備配備車載瓦斯自動監測報警閉鎖系統，作為多重保險。

3.4 有軌運輸與無軌運輸的防爆原理

有軌運輸與無軌運輸防爆主要是消除動力火花和設備產生的高溫，以及預防電氣火花；兩種運輸方式不可消除的是都可能產生機械摩擦和撞擊火花等。

無論有軌運輸和無軌運輸防爆設備消除產生的火花和產生高溫是相對的，無論采用那種運輸方式都不可能徹底杜絕摩擦和撞擊火花產生，只要施工中通風良好、瓦斯不發生積聚，將瓦斯濃度控制在安全濃度范圍以內，就不會出現瓦斯爆炸事故。從防爆原理上來說，兩種運輸方式均能滿足高瓦斯隧道施工要求。

3.5 兩種運輸方式的技術經濟比較

隧道洞內運輸方式是隧道施工組織設計必須首要解決的問題，作為高瓦斯隧道的高瓦斯工區采用有軌運輸也是為了消除動力火花和動力產生的高溫，以及預防電氣火花。洞內敷設鋼軌，利用軌道式液壓立爪裝巖機、軌道式電瓶車、梭式礦車及硅整流充電機等專用設備進行出砟運輸，加上軌道式混凝土攪拌輸送車、軌道平車實現混凝土及洞內材料的運輸。為保證每個掌子面裝砟后隨時有梭式礦車跟進，裝砟不停，運輸不斷作業，需設匯車道。有軌運輸配套設備相對專業化，配備生產及調度管理人員多。設備投入較大，工程完工后，一旦沒有相類似的工程項目施工，勢必造成機械設備的大量閑置，資源浪費。有軌運輸通道有效凈空斷面要求小，適宜單線隧道，獨頭掘進越長越適宜，輔助坑道斷面小，節省投資，對于高瓦斯隧道無洞內柴油運輸設備的改裝費用。有軌運輸減少了大量內燃機進洞所產生的有害氣體，改善了洞內作業人員的作業環境。目前長大單線隧道及高瓦斯工區基本上采用有軌運輸設計及施工[2-3]。

高速鐵路隧道大斷面開挖，適宜隧道無軌運輸及大型裝砟、運輸設備的推廣使用，尤其是目前推行的“長隧短打”、獨頭掘進短工效高。專用設備投入少，挖掘機、裝載機、自卸汽車、混凝土罐車均為常用設備，無軌運輸施工組織相對簡單，人力成本較低，是目前隧道施工最常用的運輸方式。但由于柴油機械較多，所產生的有害氣體對洞內作業人環境污染大，需加強通風，進行通風專項設計，使用雙電源，尤其是高瓦斯工區，不間斷通風尤為重要。目前鐵路高瓦斯隧道無軌運輸無規范可供參考，有高瓦斯隧道施工經驗的施工單位均認為無軌運輸較有軌運輸施工效率高、工期有保障。

有軌運輸與無軌運輸對通道的有效凈空斷面要求不同，單線隧道多采用有軌運輸方式，尤其是單洞掘進大于3 000 m的，工效更高。鐵路隧道對輔助坑道設計斷面一般是有軌單車道為3.5 m(寬)×4.9 m(高)，無軌單車道為5.0 m(寬)×6.0 m(高)。

比如一天中午，我本來興高采烈的，可媽媽說：“方舟，今天我發了八十八塊錢，和你考的一樣。”說完，又裝作天真無邪的樣子捂住嘴，好像說漏了嘴一樣。我警惕地看了爸爸一眼，爸爸正在做飯，不知他聽見沒有。

針對有軌、無軌運輸方式的以上設備配置、施工組織等技術不同，對成貴鐵路貓魯寺高瓦斯隧道出口高瓦斯工區進行了經濟比較。結合現場實際和高瓦斯無軌運輸作業特點，以及原鐵道部《鐵路隧道施工機械配置的指導意見》(鐵建〔2008〕777號)相關要求，按正洞+平導工區考慮機械設備的配置數量，并根據當前防爆設備改裝市場行情，洞內設備防爆改裝費用需336萬元。2 102 m長的出口平導無軌單車道造價高于有軌單車道425.76萬元，通過對貓魯寺隧道出口高瓦斯工區按有軌運輸和無軌運輸方式選配的機械設備進行施工費用測算，其中有軌運輸成本每1m3為65.23元，無軌運輸成本每1m3為43.18元，無軌運輸考慮設備改裝費及輔助坑道斷面加大的投入，成本每1m3為64.64元,兩種運輸方式成本投入相差無幾。但無軌運輸卻沒有有軌運輸成套專用設備購置的一次性大量資金投入，以及完工后可能的設備閑置，資源浪費等，無軌運輸在技術經濟上優勢明顯。

3.6 有軌運輸、無軌運輸方式優缺點比較

表1 有軌運輸與無軌運輸優缺點比較

從表1可以看出無軌運輸從根本上克服了傳統有軌運輸方式所存在的用人多、專用設備多、效率低、費用高等弊端，為高效、高產提供了較有力的運輸保證。

3.7 部分高瓦斯隧道施工運輸方式對比

對20世紀90年代至當前一段時期的國內施工的部分公路、鐵路高瓦斯隧道施工運輸方式進行了統計，列如表2：

從表2可以看出，高瓦斯隧道現場實際施工中，有軌、無軌運輸方式均有使用，并有大量成功的實例。只要施工中通風良好、瓦斯不發生積聚，將瓦斯濃度控制在安全濃度范圍以內，就不會出現瓦斯燃燒爆炸事故，兩種運輸方式均能滿足高瓦斯隧道施工要求。根據國內瓦斯隧道的施工經驗，不論是無軌運輸還是有軌運輸，其施工技術都是成熟的。

3.8 采用無軌運輸方式應采取的安全措施

(1)洞內施工機械設備須采用柴油防爆型(車輛、挖裝設備等)，防爆柴油動力設備必須嚴格按照相關規定執行。

(2)柴油動力設備防爆改裝須有防爆盒煤礦安標資質的單位進行設計、改造，并出具相關部門的檢驗報告、產品合格證等。

表2 國內部分高瓦斯隧道運輸方式對比

(3)加強防爆柴油動力設備的日常管理，建立管理制度，確保設備完好。

(4)隧道施工通風應根據隧道開挖斷面、地質及工況變化進行專項設計，采用機械通風，通風設備應采用雙電源，因故停止通風后應在10 min內恢復通風。

(5)所有電氣設備必須采用防爆型，并做到“三專兩閉鎖”。

(6)施工期間應加強對瓦斯的超前探查，建立完善的瓦斯監控體系，制定瓦斯隧道專項管理制度。各級分別成立瓦斯隧道安全管理機構。

(7)細化瓦斯突出地段施工方案。

(8)加強瓦斯隧道施工期間的管理和研究，實行動態管理。

3.9 結論

通過有軌運輸、無軌運輸方式比較可以看出，采用無軌運輸方式是目前高瓦斯隧道運輸方式的發展趨勢，這是因為通過設備防爆改造的實施以及技術、管理的進步，無軌運輸方式既能滿足高瓦斯隧道機電設備防爆安全要求，還能較大地提高運輸效率、降低運輸成本，為隧道施工高效、高產提供強有力的運輸保證。

鑒于山區鐵路地形條件差，有軌運輸車場布置困難；成貴鐵路為客運專線鐵路，隧道斷面大，臺階法開挖掌子面仍無法避免無軌機械作業等問題。經以上論證，高瓦斯隧道在采取一定安全措施下，采用無軌運輸是可行的。結合貓魯寺隧道地形條件、工期等具體情況及目前施工單位在高瓦斯隧道方面積累的施工經驗，貓魯寺隧道出口高瓦斯工區擬變更設計采用無軌運輸方式進行施工，并通過采取一系列行之成效的技術保證措施、安全保證措施、嚴格的安全管理措施，確保安全、高效、快速完成隧道建設。

[1] 鄒福林.高瓦斯隧道無軌運輸通風關鍵技術研究[J].建材與裝飾，2013，(4)：250-251

[2] 楊永榮.淺談長大隧道有軌運輸機械設備配套管理技術[J].科技視界，2012，(17)：270-271

[3] 劉永迅.有軌運輸隧道施工設備配置及調度技術[J].西部探礦工程，2004，(11)

林斌(1970～),男,工程師,研究方向：鐵路施工組織設計與工程概預算。

[定稿日期]2014-11-25