装渣和运输是钻爆法施工工序的重要环节，装运方案是否合理高效直接影响着钻爆法施工效率。高原铁路隧道修建过程中，对于装运渣设备配套，与一般地区相比，要求能适应高原缺氧环境，产能要有一定的富余量，技术要相对先进等。本篇文章以高原铁路为例，结合其特殊的自然地理环境，提出选择适应高寒缺氧环境的无轨装渣运输合理配套方案，以有效提高高原铁路隧道钻爆法施工效率。
(1)正洞、平导、斜井装渣设备首选高原型大功率的装载机及挖掘机，断面较小时亦可采用电力驱动的挖装机装渣。由于正洞断面宽度较大，施工时可采用2台装载机同时对1台自卸汽车进行装渣。1台挖掘机配合，确保装得快、装得好。平导、斜井断面宽度较小，可使用1台装载机对1台自卸汽车进行装渣。
(2)正洞、平导掘进时采用大吨位自卸汽车无轨运输方案，亦可采用集装箱运输方案，但应加强通风。
(3)斜井井身掘进采用无轨运输。井身长度在3000m以内时，正洞掘进仍采用无轨运输方案;井身长度在3000m以上时，可在井身内采用皮带运输机运输方案，正洞掘进仍采用无轨运输，在斜井底设转渣及破碎洞室。
(4)竖井井身采用抓岩机装渣，吊桶提升至地面后无轨运输;竖井施工正洞时采用无轨运输，至井底车场时转换成箕斗或罐笼垂直提升，至地面后无轨运输。
隧道施工中，因隧道内作业空间限制，装载机仅能采用侧卸方式卸渣。装载机采用侧卸时，装载机与自卸汽车平行排列，对作业场地宽度要求不高，仅要求装载机侧卸时渣斗与侧壁、装载机与隧道侧壁、装载机与自卸汽车、自卸汽车与隧道另一侧壁的间距达到0.5m即可。
隧道断面宽度达到10m以上时，可采用2台高原型装载机及大型自卸汽车进行装渣运输，其作业方式如图1所示。
平导、斜井及单线断面宽度一般为
6~10m，可采用
1台高原型装载机及大型自卸汽车进行装渣运输，其作业方式如图
2所示。
装载机装渣作业时铲斗举升的最大高度应小于隧道高度，同时装载机的卸料高度必须高于自卸汽车的货厢高度。因此，选择装载机时应考虑隧道高度和运渣设备高度。
装载机的选型必须考虑隧道总宽度，隧道总宽度必须大于装运渣设备宽度与必要作业间隔宽度的总和。装运渣设备宽度包含装载机的宽度、自卸汽车的宽度。必要作业间隔宽度包含装载机与自卸汽车作业间隔宽度、装运设备与隧道侧壁间隔宽度。
双线隧道装载机选型时，装载机剩余工作空间可按式（1）计算确定。
若隧道设计开挖断面宽度为12.8m，按式(1)计算，W装载机=8.3m，根据装载机的技术参数可选择2台50型或60型装载机并行装渣。
斜井、平导及单线隧道装载机选型时，装载机剩余工作空间可按式(2)计算确定。
若平导、斜井、单线隧道设计开挖断面宽度为7m，按式(2)计算，W装载机=3m，根据装载机的技术参数可选择50型装载机(铲斗宽2.976m)。
若进度指标为A(m/月)，一个月有效施工时间按t天计算，则每天需完成
A/t
(m)开挖任务。按每循环平均进尺R(m)计算，则需要完成A/(tR)(个)
循环，每个工序循环时间为24/(A/(tR))=24Rt/A (h)。
在工序循环时间为10.4h的情况下，根据Ⅱ、Ⅲ级围岩施工的经验数据，双线隧道开挖装药时间为4h，支护时间为2h，工序衔接及其他时间1.4h，因此出渣时间为10.4-4-2-1.4=3h。
在工序循环时间已知的情况下，按开挖装药耗时约为T1h，支护时间约为T2h，工序衔接及其他时间T3h，因此出渣时间为
24Tt
/
A
-
T
1
-
T
2
-
T
3(
h)。
若双线隧道循环进尺按3.5m计算，延米洞渣方量根据设计断面确定，双线隧道暂取为120m
3
/延米，松散系数为1.4，双线隧道
A
n
=(3.5×120×1.4)/3/2=98m
3
/h。
若单线隧道循环进尺按3m计算，延米洞渣方量根据设计断面确定，单线隧道暂取为80m3/延米，松散系数为1.4，单线隧道An=(3×80×1.4)/2.5/1=134.4m3/h。
将计算得出的小时装渣能力与50型装载机经验数据(表1)进行对比，当50型装载机经验装渣能力大于计算装渣能力时，则说明50型装载机可满足施工进度需求。如进度指标需进一步提高，则需进一步提高装渣效率，可经过计算验证后酌情选用60型装载机。
平导、斜井及单线隧道断面较小，大型挖掘机在隧道内工作空间受限，导致挖掘动作拘束，容易发生碰撞，挖掘能力不能够充分发挥，挖掘效率较低。因此，挖掘机选型应选择10t级斗容0.5m3左右的挖掘机。
对于双线大断面隧道，空间较大，中型挖机在里面工作基本不受限制，为提高施工效率可选用20t级斗容1m3左右的挖掘机。
挖掘机一般在隧道内施工强度不大，对单工作面配置1台即可。
隧道围岩主要为花岗岩、石灰岩等坚硬的山石时，要选用挖掘力大且配套加强型工作装置的挖掘机，可选配斗容略小的岩石斗。隧道围岩主要为软弱围岩时，可选配斗容较大的普通铲斗，以提高装渣效率。对于高原铁路隧道，应采用加强型的挖掘机，并选择斗容略小的岩石斗。
在高寒缺氧等环境条件下，需要定制设备，以克服环境对设备的不利影响，满足施工要求，如水箱加压、大风扇及皮带轮、适当减少供油、进气及机油预热等。
根据每日施工进度指标及循环出渣时间，计算理论小时出渣能力，选择挖装机装渣能力应为理论小时出渣能力的1.2~1.5倍。
对于挖装机，只要隧道空间略大于设备的宽度和高度，即可采用挖装机出渣。故在宽度极小的隧道(断面宽度不大于5m且不能采用装载机装渣时)可选用挖装机出渣。
采用电力驱动装渣，在隧道内施工时可实现几乎零排放，对隧道内造成的污染远小于装载机装渣，可降低长大隧道开挖作业面空气污染程度，降低隧道通风难度。因此，在隧道独头掘进距离长、通风困难的情况下，可以考虑采用挖装机出渣。
挖装机灵活性不如装载机，在隧道内作业时需要设置直径较大的供电线路，移动不方便，设备就位准备时间长。在掌子面发生故障不能移动时，可能导致隧道较长时间停工。故对于高原铁路隧道施工，关键线路上的作业面应慎重选择使用挖装机装渣。
由于双线隧道断面较大，自卸汽车运输过程中不存在错车而影响运输时间，故无轨出渣方案以双线隧道施工运输为例进行说明。
影响隧道出渣时间的主要因素为每一循环开挖进尺、开挖断面大小、装载机平均装一车渣所用时间、运输车辆的装渣能力、洞内外运距等。无轨运输出渣计算参数见表2。
考虑洞内施工干扰计算总的出渣时间，按装渣设备的装渣能力配置车辆，如果洞内平均运距L1，洞外运距L2，洞内运行速度v内，洞外运行速度v外，洞外调头卸渣时间为H，则运一车渣土总用时
自卸车容量为V，装载机装渣效率为S，运输车辆洞内就位时间为D，装一车渣土用时为Q1=V/2S+D，运渣车辆数量n=Q总/Q1 。
按表2中参数计算洞内外不同运距时需要配备的自卸车数量，见表3。
表3 双线隧道不同运距时需要配备的自卸车数量(取整数)
如洞内、洞外运距均为3km时，双线隧道出渣应配备约11台20m
3
自卸汽车。另一方面，隧道爆破岩渣总量约为120×3.5×1.5=630m
3
，共需要运输630/20=31.5车，每车往返运输一次需要约0.70h，11台车时共需要运输31.5/11=2.9(次)，取3次，总出渣时间可控制在3×0.70=2.1h左右。
故对于6k
m运距(洞内外各3km)时，单个双线隧道掌子面共需要配备11~12辆20m
3
大型自卸汽车才能满足运输要求。
正洞独头掘进可采用一条皮带运输机出渣;斜井施工正洞时可在正洞与斜井内分别布置一条皮带运输机连续出渣，或在正洞内采用自卸汽车出渣，斜井内布置皮带运输机转载运输方式。采用进斜井转渣方式，即用自卸汽车将掌子面爆渣运送至斜井连接处，然后破碎后转由斜井固定皮带运输机输送至洞外。
针对高原铁路双线隧道断面，若要求在2h左右完成一个循环的出渣任务(循环进尺按3.5m计)，则皮带运输机的额定运输能力至少要达到378m3/h(或680t/h)，其最大运输能力按400m3/h(或720t/h)进行设计。
正洞皮带运输机包括前方移动式皮带运输机与后方连续式皮带运输机。移动式皮带运输机由具有与掌子面同步跟进功能的皮带运输机和具有接长延伸功能的皮带运输机等系列设备组成，可同步跟进隧道掘进，将掌子面爆渣连续、快捷地运离工作面。由挖装机或装载机将掌子面岩渣装到移动破碎站上，直径小于300mm的石渣漏入其下部的移动皮带运输机上，大于300mm的石渣向下输送到破碎机内进行破碎，达到要求粒径后进入排料机，由排料机转到移动皮带运输机。移动皮带运输机穿过仰拱施工区、二次衬砌施工区到达后方连续皮带运输机，由连续皮带运输机将渣土直接输送至洞外转运站或弃渣场。正洞皮带运输机出渣工作流程如图3所示。
移动破碎站主要由破碎机组成。破碎机的目的是破碎块径较大的石渣，使其能够达到皮带运输机运输的要求。要求洞内破碎机有如下特点:体积小，重量轻，便于在洞内移动;破碎能力强，保证与皮带运输机出渣能力相互匹配;进料、出料口径应较大，以满足爆破块度及皮带运输要求。
目前市场上普遍使用的破碎机主要分为锤式、圆锥式、颚式和复合式等。通过对比筛选，颚式破碎机效能较高;与常规腔型相比，其V形破碎腔结构通过能力提高了20%~30%;排料口采用液压调整结构，出口间隙大小可调，活动颚板及肘板均带有横向防偏功能，质量为15~18t。
移动破碎站由棒条振动喂料机、颚式破碎机、排料机、机架等组成。破碎机与喂料机、排料机做成一体机，如图4所示，安装在一个液压驱动的轨道自行式工作平台上，驱动液压马达具有停车制动功能。工作平台设四个液压支腿，行走时将支腿收起，操纵液压马达使平台行走，工作时将支腿放下撑于地面。
破碎站的石渣破碎能力应达到700t/h左右(仅破碎块度大于300mm的岩渣)，一般单台600mm×900mm颚式破碎机的破碎能力为80~350t/h，可以并列2台以满足施工要求。但考虑到故障、维修、卡料等因素，需备用一台。
皮带运输机出渣技术的关键是掌子面到二次衬砌台车约200m范围内的移动皮带运输机设计。
移动皮带运输机是把前面破碎机破碎好的岩渣运送到二次衬砌台车后面的连续皮带运输机上，确定移动皮带运输机长度的因素包括仰拱距离掌子面长度、仰拱宽度、防水板台架长、修补台架长、模板台车长、二次衬砌台车作业区和搭接长度等，一般该距离应控制在200m以内。
移动皮带运输机走行方式为地面轨行式，只要把底板清理平整，铺上道轨就可以让皮带运输机在上边移动，当掌子面需要放炮时，移动皮带运输机在轨道上自行向后移动到仰拱作业区。其次，把破碎机和滚筒输送机、挖装机等向后移动到爆破安全区以外。等爆破后，再次将上述设备移动至原来的位置，进行出渣作业。
也可移动至连续皮带运输机的机尾平齐，为掌子面的材料运输让出空间和通道。仰拱栈桥上的钢轨做成卡槽式的移动轨道，根据需要可以前后移动位置，确保与栈桥前后轨道相连。
履带式破碎站可根据掌子面具体情况设置在距离渣堆位置14~50m处。履带式破碎站出口连接移动皮带运输机，移动皮带运输机的长度一般约为70m，以便将掌子面履带破碎站的石渣输送至隧道已衬砌段，再通过连续皮带运输机运输至洞口弃渣场。皮带运输出渣掌子面布置如图5所示。
图5 皮带运输出渣掌子面布置示意图(尺寸单位:m)
移动式皮带运输机前端的导向滚筒锚于地面，每36m，向前延伸一次。延伸皮带运输机架时应将皮带张紧松开，用10t(厂家提供5km长连续皮带运输机的驱动力的30%)的卷扬机将导向滚筒装置向前拖，拖到位后，再用地锚固定。由于移动皮带运输机与连续皮带运输机重叠36m，因此，每开挖36m后，重叠的皮带已经使用完，此时需要延伸皮带运输机机架，用卷扬机将连续皮带运输机的机尾向前拖动36m，皮带储存仓就放出72m皮带，在延伸的皮带中安装皮带运输机机架及支撑滚筒，完成后把固定装置与预埋好的地锚相连。
皮带运输机尾部、皮带存储及张紧机构、皮带运输机驱动装置、助力驱动装置、皮带托滚及支架、调心轮、皮带运输机卸载机构、输送带、变频控制系统、拉索、皮带硫化机等，其详细构造见图6。
皮带输送机尾部的功能:一是装渣功能，石渣破碎后由移动皮带机转载到连续皮带运输机上;二是延伸功能，皮带运输机尾部通过油缸固定在硫化皮带运输机上并由其拖拉供修补皮带时使用，调整油缸可保证皮带运输机的对中，皮带运输机安装机架和托轮采用一次安装完成，支撑皮带。
皮带运输机是由被称为“边轨”的钢结构支承的。边轨和平托辊在皮带运输机尾部前面加入，当皮带运输机尾部被拉向前越过边轨后，再通过皮带运输机尾部上的窗口安装槽形托辊，在皮带运输机尾部就可以看到边轨和槽形托辊，由破碎后转载来的渣石下载到连续皮带运输机上。
皮带存储及张紧机构:经过张拉的皮带穿过存储装置，这个装置使皮带前后进行搭接。可以存放的皮带量与整个存储装置长度成正比。电动张拉小车经由绳索和皮带轮系统使皮带处于恒定张紧状态。设计的皮带储存机构可以在皮带启动期间提高至要求的张紧度，在皮带达到一定速度时再降低张紧自动开关，使皮带张紧度降低以减小皮带磨损。
皮带运输机驱动装置是皮带运输机的动力机构，靠近皮带卸料端，功率为315kW。
皮带运输机助力装置设置于中部，目的是减少皮带张力，功率为315kW。
皮带运输机控制系统是为了在启动时与驱动装置相协调，并自动调节皮带的张紧，由连续运输机系统PLC控制，PLC位于皮带运输机驱动装置内。皮带为抗磨损皮带，宽度为800mm。
皮带硫化设备:皮带因磨损断裂，需要在皮带储存机构内装入新的皮带，此时，须把原有皮带切开，加入新皮带，在新皮带的两端与旧皮带进行硫化连接，保证皮带运输机继续延伸。
连续皮带运输机按额定运输能力680t/h，最大运输能力720t/h进行设计，分别考虑3km和5km的长度进行动力设计。皮带采用钢丝皮带，皮带宽选择1m，皮带运行速度有为2m/s，即可满足要求。
连续皮带运输机使用支架安装于隧道左右侧地面上(图7)。
为了克服高海拔条件下汽车运输出渣效率降低难题，当斜井长度大于3000m时，即可考虑在斜井中布置连续皮带运输代替自卸车进行出渣。
为了保证斜井正洞掌子面出渣灵活性，可在正洞内进行自卸汽车运输，而在斜井底设转载洞室，将岩渣转载至斜井内设置的连续皮带运输机上，再在井口采用自卸汽车倒运至洞外渣场。
斜井皮带输送机安装在斜井左侧底部，占用断面宽度1.7m(含安全距离50cm)，高度120cm左右。斜井井身皮带运输机布置见图8。
由于爆破后岩石块石粒径较大，对输送能力、安全及皮带寿命影响较大，因此在斜井底设置破碎站，将块石粒径破碎到30cm以下。破碎站采用颚式破碎机，要求最大进料粒度为500mm×700mm×1000mm，破碎能力为350t/h(出料尺寸为18cm)，安装要适应皮带运输机运输角度和空间。皮带运输机运输能力与破碎站匹配。同时，破碎站内再设一台固定梭式矿车，由梭式矿车对破碎机进行均匀喂料，以保证破碎效果。
图9 斜井底破碎站与皮带运输机布置示意图(尺寸单位:mm)
以高原铁路隧道双线断面出渣为例，计算集装箱的台数与出渣循环时间。
隧道一次爆破岩渣总量约为120×3.5×1.5=630m3，集装箱的容积为22m3，则共需要运输约630/22=28.6车，即装运29箱次。叉车车头带集装箱在洞内行驶平均速度为8km/h，洞外平均行驶速度为15km/h，双装载机装渣，装满集装箱的时间约为2min，在隧道前端一次叉上空箱到工作面后又回到排放位置时间为2min，则清理工作面的全部岩渣但不将集装箱送到洞外需要的时间约为(2+2)×29=116min。以上计算只考虑在掌子面放一台叉车车头的情况。若投入2台叉车车头，则可在一台叉车头拖放满箱时，另一台可叉放空箱至工作面，以便节约出渣循环时间。
投入的集装箱台数的计算方法与自卸汽车一样。在第二台叉车工作时，第一台叉车与满载的集装箱已向洞外运输，其卸空后返回洞内集装箱停放处又开始下一个循环。以洞外运距均为3km计算，此段时间约为2×(2.8/8)+2×(3/15)=1.1h，则共需要1.1×60/4=16.5(台)，约17台集装箱。
投入的叉车车头理论上仅2台即可，但满载的29只集装箱最迟需要在下一循环的钻眼装药工序完成后，该时间预计为2h的出渣时间、2h的支护时间、2h的钻眼时间，即共约6h完成。但由于运距过长，一台叉车在6h内只能运输5~6只满载的集装箱，29只满载的集装箱共需要约5台叉车投入外运才能满足要求。
在相同条件下，与自卸汽车运输方案相比，集装箱运输方案多投入了集装箱6只，但叉车车头少投入了6台。运输车辆污染是隧道污染的主要来源。自卸汽车运输方案中同时进入隧道的车辆数量多，需要在较短时间内将岩渣外运，造成污染集中，这对通风系统提出了更高的要求，也会相应增加投资;而集装箱运输方案中岩渣外运工作几乎在所有工序时间段内均匀分布，从而消除了运输车辆造成的集中污染。
采用集装箱运输方案，对于通风质量要求更高的高原铁路隧道施工更为必要。
考虑高原铁路的施工环境及隧道断面等实际情况，结合上述各装运渣设备的性能特点，针对隧道装运渣设备选型配套给出如下建议。
单线隧道、横通道、斜井断面比较小，常规隧道均采用一台装载机配合自卸汽车装渣运输作业，自卸车配置数量随运距动态调整，以满足掌子面装载机连续装渣不等待自卸汽车为宜。
挖装机因其为履带结构，灵活性不如装载机，在国内隧道施工领域普及性较差，川藏铁路隧道几乎均处于偏远地区，设备出现故障时难以及时修复，维修成本高。在施工一线，因维修力量不足，容易出现挖装机设备故障导致整个掌子面停工的一系列问题，宜选择性使用。单线铁路隧道及辅助坑道装运渣设备配置见表5。
双线铁路隧道断面比较大，常规隧道均采用两台装载机同时配合自卸汽车装渣运输作业，自卸车配置数量随运距动态调整，以满足掌子面装载机连续装渣不等待自卸汽车为宜。
集装箱运输方式虽可提高运渣设备的利用率，且可以将出渣时采用自卸汽车的数量峰值大幅降低，有利于降低隧道污染，为通风系统减轻负担，但集装箱斗及集装箱专用叉车头(特别是连接件)尚需与国内制造厂家共同研发生产，可在特殊情况下使用。双线铁路隧道装运渣设备配置见表6。
当斜井长度超过3000m时，斜井正洞施工时采用自卸汽车无轨运输，在斜井底部转载皮带运输机出渣。具体设备配置情况见表7。
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知识点：高寒缺氧环境隧道装渣运输方案及配套建议
