高速铁路隧道高瓦斯工区施工无轨运输方案探讨

林 斌

(中国中铁二院工程集团有限责任公司工程经济院， 四川成都 610031)

高速铁路隧道高瓦斯工区施工无轨运输方案探讨

林 斌

(中国中铁二院工程集团有限责任公司工程经济院， 四川成都 610031)

成贵铁路猫鲁寺双线隧道为国内川南地区典型的天然气高瓦斯隧道，瓦斯浓度高，爆炸风险大，施工运输方式是隧道施工组织设计的难点。有轨运输专用设备投入大，组织困难，无轨运输需设备防爆改装、强化通风、辅助坑道断面加大。文章结合现场施工，对瓦斯防爆原理、高瓦斯工区对运输设备的要求、两种运输方式的工况要求及技术经济、优缺点等进行阐述和比较论证。

高速铁路； 隧道； 高瓦斯； 工区； 运输

1 工程及地质概况

新建成都至贵阳铁路猫鲁寺隧道位于四川省兴文县莲花镇境内，隧道全长4 295 m。出口工区长2 625 m，为高瓦斯工区。出口设平导，平导长2 102 m，平导承担正洞施工259 m。猫鲁寺隧道为川南地区典型的天然气高瓦斯隧道。

隧区地层为含煤或炭质页岩地层，线路中心右侧120～170 m即为宜宾兴文县大湾煤矿矿权区，右侧1 300 m即为大湾煤矿开采区边界。根据隧区深钻有害气体测试结果，结合隧道埋深和岩性综合分析，隧道里程D1K215+100～D1K216+900段为高瓦斯段落，地质纵断面示意见图1。

图1 猫鲁寺隧道地质纵断面示意

2 辅助坑道及工区划分

为满足高瓦斯工区巷道式通风及超前探明地质需要，于出口线路前进方向左侧30 m设置平行导坑，全长2 102 m，按有轨单车道设计。设计出口(含平导)工区采用有轨运输模式组织施工，进口工区采用无轨运输模式组织施工，见图2。

图2 猫鲁寺隧道辅助坑道及工区划分示意

3 高瓦斯工区施工运输方案选择

3．1 瓦斯特性简介

(1)爆炸性。

瓦斯本身是不会自燃和爆炸的，但当和空气(氧气)以一定比例混合均匀并达到一定浓度后，遇到火源，就会燃烧和发生爆炸。

(2)渗透性。

瓦斯的渗透性极高，扩散速度快，其扩散性较空气高1.6倍，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。

(3)不稳定性。

瓦斯在煤体和围岩中以游离状态和吸附状态存在。两种状态的瓦斯是处在不断变化的动态平衡中，当温度、压力等外界条件变化时，平衡就被打破。压力升高温度降低时，部分瓦斯将由游离状态转化为吸附状态，反之，压力降低温度升高时，又会有部分瓦斯由吸附状态转化为游离状态。

(4)窒息性。

瓦斯无毒、无色、无味，但不适合呼吸。瓦斯浓度升高，空气中氧气浓度急剧下降，会引起人员窒息。

(5)瓦斯爆炸的必要条件。

瓦斯爆炸必须具备三个条件：一定的瓦斯浓度，一定温度的引火源和足够的氧气[1]。

3.2 瓦斯防爆基本原则

一是控制瓦斯这个危险物质，关键是通过瓦斯探测、瓦斯监测、施工通风降低瓦斯浓度。

二是防止点火源的出现。

3.3 高瓦斯隧道对运输设备的要求

现行铁路瓦斯隧道施工技术规范、隧道施工指南和安全技术规程规定：隧道内高瓦斯工区必须采用安全防爆型机电设备。有轨、无轨运输设备从本质上应具备消除电气、动力火花和控制高温的防爆性能，应选择有资质的单位进行有轨、无轨设备防爆改装。

(1)有轨运输设备产生的火花和高温均是由电力提供，消除电气火花主要采取与环境隔绝的措施；无轨运输采用柴油机为牵引动力，其防爆主要应消除柴油机电火花及柴油燃烧产生的火花。

(2)运输设备应设置自动保护装置，在监控参数出现异常情况时能及时发出警报信号并能使无轨运输设备动力系统停止运行。

(3)运输设备应配备车载瓦斯自动监测报警闭锁系统，在防爆改装无轨运输设备本质上具备防爆性能的基础上，再给设备配备车载瓦斯自动监测报警闭锁系统，作为多重保险。

3.4 有轨运输与无轨运输的防爆原理

有轨运输与无轨运输防爆主要是消除动力火花和设备产生的高温，以及预防电气火花；两种运输方式不可消除的是都可能产生机械摩擦和撞击火花等。

无论有轨运输和无轨运输防爆设备消除产生的火花和产生高温是相对的，无论采用那种运输方式都不可能彻底杜绝摩擦和撞击火花产生，只要施工中通风良好、瓦斯不发生积聚，将瓦斯浓度控制在安全浓度范围以内，就不会出现瓦斯爆炸事故。从防爆原理上来说，两种运输方式均能满足高瓦斯隧道施工要求。

3.5 两种运输方式的技术经济比较

隧道洞内运输方式是隧道施工组织设计必须首要解决的问题，作为高瓦斯隧道的高瓦斯工区采用有轨运输也是为了消除动力火花和动力产生的高温，以及预防电气火花。洞内敷设钢轨，利用轨道式液压立爪装岩机、轨道式电瓶车、梭式矿车及硅整流充电机等专用设备进行出砟运输，加上轨道式混凝土搅拌输送车、轨道平车实现混凝土及洞内材料的运输。为保证每个掌子面装砟后随时有梭式矿车跟进，装砟不停，运输不断作业，需设汇车道。有轨运输配套设备相对专业化，配备生产及调度管理人员多。设备投入较大，工程完工后，一旦没有相类似的工程项目施工，势必造成机械设备的大量闲置，资源浪费。有轨运输通道有效净空断面要求小，适宜单线隧道，独头掘进越长越适宜，辅助坑道断面小，节省投资，对于高瓦斯隧道无洞内柴油运输设备的改装费用。有轨运输减少了大量内燃机进洞所产生的有害气体，改善了洞内作业人员的作业环境。目前长大单线隧道及高瓦斯工区基本上采用有轨运输设计及施工[2-3]。

高速铁路隧道大断面开挖，适宜隧道无轨运输及大型装砟、运输设备的推广使用，尤其是目前推行的“长隧短打”、独头掘进短工效高。专用设备投入少，挖掘机、装载机、自卸汽车、混凝土罐车均为常用设备，无轨运输施工组织相对简单，人力成本较低，是目前隧道施工最常用的运输方式。但由于柴油机械较多，所产生的有害气体对洞内作业人环境污染大，需加强通风，进行通风专项设计，使用双电源，尤其是高瓦斯工区，不间断通风尤为重要。目前铁路高瓦斯隧道无轨运输无规范可供参考，有高瓦斯隧道施工经验的施工单位均认为无轨运输较有轨运输施工效率高、工期有保障。

有轨运输与无轨运输对通道的有效净空断面要求不同，单线隧道多采用有轨运输方式，尤其是单洞掘进大于3 000 m的，工效更高。铁路隧道对辅助坑道设计断面一般是有轨单车道为3.5 m(宽)×4.9 m(高)，无轨单车道为5.0 m(宽)×6.0 m(高)。

比如一天中午，我本来兴高采烈的，可妈妈说：“方舟，今天我发了八十八块钱，和你考的一样。”说完，又装作天真无邪的样子捂住嘴，好像说漏了嘴一样。我警惕地看了爸爸一眼，爸爸正在做饭，不知他听见没有。

针对有轨、无轨运输方式的以上设备配置、施工组织等技术不同，对成贵铁路猫鲁寺高瓦斯隧道出口高瓦斯工区进行了经济比较。结合现场实际和高瓦斯无轨运输作业特点，以及原铁道部《铁路隧道施工机械配置的指导意见》(铁建〔2008〕777号)相关要求，按正洞+平导工区考虑机械设备的配置数量，并根据当前防爆设备改装市场行情，洞内设备防爆改装费用需336万元。2 102 m长的出口平导无轨单车道造价高于有轨单车道425.76万元，通过对猫鲁寺隧道出口高瓦斯工区按有轨运输和无轨运输方式选配的机械设备进行施工费用测算，其中有轨运输成本每1m3为65.23元，无轨运输成本每1m3为43.18元，无轨运输考虑设备改装费及辅助坑道断面加大的投入，成本每1m3为64.64元,两种运输方式成本投入相差无几。但无轨运输却没有有轨运输成套专用设备购置的一次性大量资金投入，以及完工后可能的设备闲置，资源浪费等，无轨运输在技术经济上优势明显。

3.6 有轨运输、无轨运输方式优缺点比较

表1 有轨运输与无轨运输优缺点比较

从表1可以看出无轨运输从根本上克服了传统有轨运输方式所存在的用人多、专用设备多、效率低、费用高等弊端，为高效、高产提供了较有力的运输保证。

3.7 部分高瓦斯隧道施工运输方式对比

对20世纪90年代至当前一段时期的国内施工的部分公路、铁路高瓦斯隧道施工运输方式进行了统计，列如表2：

从表2可以看出，高瓦斯隧道现场实际施工中，有轨、无轨运输方式均有使用，并有大量成功的实例。只要施工中通风良好、瓦斯不发生积聚，将瓦斯浓度控制在安全浓度范围以内，就不会出现瓦斯燃烧爆炸事故，两种运输方式均能满足高瓦斯隧道施工要求。根据国内瓦斯隧道的施工经验，不论是无轨运输还是有轨运输，其施工技术都是成熟的。

3.8 采用无轨运输方式应采取的安全措施

(1)洞内施工机械设备须采用柴油防爆型(车辆、挖装设备等)，防爆柴油动力设备必须严格按照相关规定执行。

(2)柴油动力设备防爆改装须有防爆盒煤矿安标资质的单位进行设计、改造，并出具相关部门的检验报告、产品合格证等。

表2 国内部分高瓦斯隧道运输方式对比

(3)加强防爆柴油动力设备的日常管理，建立管理制度，确保设备完好。

(4)隧道施工通风应根据隧道开挖断面、地质及工况变化进行专项设计，采用机械通风，通风设备应采用双电源，因故停止通风后应在10 min内恢复通风。

(5)所有电气设备必须采用防爆型，并做到“三专两闭锁”。

(6)施工期间应加强对瓦斯的超前探查，建立完善的瓦斯监控体系，制定瓦斯隧道专项管理制度。各级分别成立瓦斯隧道安全管理机构。

(7)细化瓦斯突出地段施工方案。

(8)加强瓦斯隧道施工期间的管理和研究，实行动态管理。

3.9 结论

通过有轨运输、无轨运输方式比较可以看出，采用无轨运输方式是目前高瓦斯隧道运输方式的发展趋势，这是因为通过设备防爆改造的实施以及技术、管理的进步，无轨运输方式既能满足高瓦斯隧道机电设备防爆安全要求，还能较大地提高运输效率、降低运输成本，为隧道施工高效、高产提供强有力的运输保证。

鉴于山区铁路地形条件差，有轨运输车场布置困难；成贵铁路为客运专线铁路，隧道断面大，台阶法开挖掌子面仍无法避免无轨机械作业等问题。经以上论证，高瓦斯隧道在采取一定安全措施下，采用无轨运输是可行的。结合猫鲁寺隧道地形条件、工期等具体情况及目前施工单位在高瓦斯隧道方面积累的施工经验，猫鲁寺隧道出口高瓦斯工区拟变更设计采用无轨运输方式进行施工，并通过采取一系列行之成效的技术保证措施、安全保证措施、严格的安全管理措施，确保安全、高效、快速完成隧道建设。

[1] 邹福林.高瓦斯隧道无轨运输通风关键技术研究[J].建材与装饰，2013，(4)：250-251

[2] 杨永荣.浅谈长大隧道有轨运输机械设备配套管理技术[J].科技视界，2012，(17)：270-271

[3] 刘永迅.有轨运输隧道施工设备配置及调度技术[J].西部探矿工程，2004，(11)

林斌(1970～),男,工程师,研究方向：铁路施工组织设计与工程概预算。

[定稿日期]2014-11-25