隧洞施工斜井有軌運(yùn)輸出渣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 霞 ，潘志鋼 ，楊 勝

（1.遼寧省遼陽市水利局，遼寧 遼陽 111000；2.遼寧水利土木工程咨詢有限公司，遼寧 沈陽 110003）

1 工程概況

某在建跨流域輸水隧洞一斜井支洞所處位置洞臉山體較陡，自然坡度約20°，植被較發(fā)育，多為山林。斜井支洞施工長(zhǎng)度1 084.42 m，進(jìn)口底板高程467.5 m，與主洞交叉點(diǎn)樁號(hào)52+258.5 m，交叉點(diǎn)底板高程244.73 m，斜井井身段坡度21.76%，洞走向NE63°。斜井支洞成洞斷面尺寸為5.5 m×5.5 m（寬×高），直墻高3.0 m，弧頂高2.5 m。

2 斜井有軌運(yùn)輸出渣設(shè)備的選型與配套

斜井出渣效率的高低是制約長(zhǎng)大隧洞施工速度的關(guān)鍵，如何進(jìn)行軌道布置、選擇配套斜井提升出渣設(shè)備是實(shí)現(xiàn)快速出渣運(yùn)輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)。通過對(duì)各種斜井施工的機(jī)械設(shè)備的比選，并結(jié)合該工程施工特點(diǎn)和以往的施工經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)提升機(jī)提升箕斗出渣的方式進(jìn)行斜井有軌運(yùn)輸出渣系統(tǒng)的配置。

3 提升系統(tǒng)主要性能參數(shù)的選定

3.1 鋼絲繩

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》，以磨損為主要損壞原因時(shí)，斜井提升應(yīng)選用外層鋼絲較粗的鋼絲繩?，F(xiàn)選用6×7+FC-φ31 mm鋼絲繩，鋼絲繩公稱抗拉強(qiáng)度為1 770 MPa，參考重量為3.48 kg/m，最小破斷拉力為572 kN。

該斜井長(zhǎng)1 084.12 m，洞外長(zhǎng)度按50 m計(jì)，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》要求，卷揚(yáng)機(jī)上要留存不少于3圈的鋼絲繩，同時(shí)應(yīng)有提升鋼絲繩試驗(yàn)長(zhǎng)度，規(guī)定每半年剁繩頭一次，每次剁掉5 m，按提升鋼絲繩的使用壽命為3年計(jì)，則試驗(yàn)長(zhǎng)度為30 m。則：

鋼絲繩凈長(zhǎng)=1 084.12+50+3.14×2.5×3+30=1 187.67 m。

3.2 滾筒直徑

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：提升裝置的滾筒的最小直徑與鋼絲繩直徑之比值不得小于80，且圍抱角大于90°。則：滾筒直徑D=80×31=2 480 mm。選擇滾筒直徑為2 500 mm，且必須設(shè)有帶繩槽的襯墊。一個(gè)滾筒即可滿足本斜井運(yùn)輸需要。

3.3 容繩量

1）平均纏繞直徑

式中：D——滾筒直徑，為2.5 m；Nz——纏繞層數(shù)，取值為3；d——鋼絲繩直徑，為31 mm；ε——繩圈之間的間隙，取值為3。

將上述數(shù)值代入公式中得Dp=2.552 m。

2）三層纏繞繩長(zhǎng)

式中：B——滾筒寬度，該斜井取值為2.0 m；b——穿繩孔直徑，為d+5；nm——摩擦圈，取值為3；ng——多層纏繞時(shí)供移動(dòng)用的繩圈，取值為4；Ls——試驗(yàn)繩長(zhǎng)度，取值為30 m。

將上述數(shù)值代入公式中，該斜井H3=1 302 m。再綜合考慮其它損耗，選擇容繩量為1 320 m。

3.4 箕斗

式中：v1——斜井每天出渣量；T——斜井出渣時(shí)間按每天出渣二班，每班6 h，每天出渣時(shí)間12 h；k1——容器裝滿系數(shù)，取0.85；k2——提升不均勻系數(shù)，取1.25；af——提升能力寬裕系數(shù)，取1.15；T——一次出渣時(shí)間（根據(jù)

經(jīng)計(jì)算并考慮后期主洞施工因素，該斜井采用8 m3側(cè)卸式箕斗。箕斗相關(guān)特性：容量8 m3、自重6.3 t、載重20 t、最小轉(zhuǎn)彎半徑18 m、軌距900 mm、軸距2 600 mm、運(yùn)行速度8 m/s。

3.5 最大靜張力

提升機(jī)受力最大狀態(tài)為箕斗滿載且鋼絲繩最長(zhǎng)時(shí)：

式中：n——一次提升車數(shù)，取1；m0——提升容器及連接裝置的自重，為6 300 kg；m——提升容器的有效載重，為12 800 kg；α——井筒傾角，13°；f1——礦車運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力系數(shù),取0.015；f2——鋼絲繩運(yùn)動(dòng)阻力系數(shù),鋼絲繩全部支承在地滾上時(shí)取f2=0.15～0.20，鋼絲繩局部支承在地滾上時(shí)取f2=0.25～0.40，鋼絲繩全部支承在底板或枕木上拖動(dòng)時(shí)取f2=0.4～0.6，根據(jù)該工程實(shí)際情況取值為0.35；mp——為鋼絲繩每米重量，取值3.48 kg/m；L——為提升斜長(zhǎng),1 150 m；g——重力加速度，取10 m/s。計(jì)算得Fjmax=68.4 kN，考慮施工期不可預(yù)見因素，再加上一定的安全系數(shù)，F(xiàn)jmax取值90 kN。

3.6 提升速度

為滿足工地現(xiàn)場(chǎng)的供電條件，經(jīng)咨詢相關(guān)廠家，選擇提升電動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)為：額定功率320 kW，額定電壓380 V，轉(zhuǎn)速730 r/mim。則提升速度＝（電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)÷速比÷60）×3.14×滾筒直徑＝（730÷30÷60）×3.14×2.5＝3.19 m/s。

3.7 提升機(jī)布置相對(duì)位置計(jì)算

1）天輪。根據(jù)實(shí)際情況，選用直徑1.2 m、游動(dòng)距離100 cm、輪槽深度為80 mm的游動(dòng)天輪，可以滿足施工需要。

2）天輪安裝高度。結(jié)合該斜井實(shí)際地形，天輪中心高度定為3.706 m，相應(yīng)的卸車曲軌高程以天輪中心線來確定。

3）提升機(jī)距天輪的距離。為了防止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)鋼絲繩跳出天輪輪緣，將弦長(zhǎng)Lx限制在60 m以內(nèi)。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，內(nèi)外偏角均應(yīng)小于1°30′，則：

式中：B——滾筒寬度2 000 mm；y——游動(dòng)距離，為1 000 mm；α——最大偏角，取值為1°30′。

代入式中計(jì)算，Lx=19.09 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地的實(shí)際情況，Lx取20.034 m。

3.8 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)選擇PLC電控。PLC電控具有深度指示器失效保護(hù)、超速保護(hù)、松繩保護(hù)、故障報(bào)警記錄、提升運(yùn)行記錄、斷電記憶功能、后備過卷保護(hù)、井口自動(dòng)停車、自動(dòng)換向閉鎖等多項(xiàng)后備保護(hù)，能夠達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)安全施工的需要。

4 軌道的鋪設(shè)

軌道設(shè)計(jì)為四軌雙線形式（備用一線），均采用43 kg/m鋼軌，軌距90 cm。軌枕采用木枕形式，設(shè)置間距不超過0.7 m，每10 m間距設(shè)置固定軌距的拉桿一個(gè)，保證軌道穩(wěn)定性。軌節(jié)之間錯(cuò)開距離不小于200 cm，隨著工作面向前延伸。為了防止掌子面爆破飛石炸壞鋼軌，靠近掌子面的30 m長(zhǎng)的鋼軌做成拆卸方便的短軌。

為確保運(yùn)行安全，在軌道中間，每隔30 m設(shè)一道阻滑器，在緊急情況下可以勾住箕斗，阻滑器采用I16工字鋼制作。軌道中線處每10～15 m間距設(shè)橡膠型地滾輪一個(gè)，用于承托鋼絲繩。軌道縱向間距每20 m設(shè)置一處防溜鋼絲繩，與箕斗阻滑器形成聯(lián)合安全防溜體系。軌道布設(shè)順直，軌距誤差控制在+1 cm內(nèi)。軌道運(yùn)行期間設(shè)巡道人員定期進(jìn)行軌道維護(hù)。在上部平洞與斜坡交接處，設(shè)活動(dòng)門式封閉欄桿，停止施工時(shí)應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)，以防止出現(xiàn)意外。

5 裝渣設(shè)備選型

由于該斜井?dāng)嗝鏋?.5 m×5.5 m，斷面較小，為了能夠保證裝碴速度和安全，開工前期，對(duì)斜井井身施工的3種裝渣設(shè)備進(jìn)行了比選：

1）采用P—60B型耙斗機(jī)裝渣，需要每一次開挖爆破后立即在掌子面的巖壁上安設(shè)固定主、副鋼絲繩錨索，通過主、副鋼絲繩的牽引，才能保證耙斗機(jī)通過軌道行駛至掌子面裝渣，每次出渣后必須將耙斗機(jī)牽引到足夠的安全距離。在施工過程中，由于主、副鋼絲繩磨損嚴(yán)重，需要頻繁的更換，且耙斗機(jī)裝渣靈活性差、清底不到位、需要大量的人工進(jìn)行處理，不僅浪費(fèi)人力、物力，裝渣效率底，將嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。

2）采用ZLC50裝載機(jī)裝渣，在坡度較陡的斜坡上裝渣會(huì)由于操作困難而造成機(jī)械滑移等安全事故，并且機(jī)械運(yùn)行將產(chǎn)生大量有害氣體,從而增加通風(fēng)排煙的時(shí)間和成本，將對(duì)施工產(chǎn)生諸多不利因素。

3）采用PC60小型挖掘機(jī)裝渣，具有行駛速度快，回轉(zhuǎn)靈活，清底徹底，不必采用軌道行走等許多優(yōu)點(diǎn)。裝渣之余可進(jìn)行欠挖處理、錨噴支護(hù)、拱架支護(hù)等其它工序施工的輔助工作。

經(jīng)比較，選用的裝渣設(shè)備是操作靈活、工作效率高的PC60小型挖掘機(jī)。

6 井內(nèi)輔助設(shè)施布置

井內(nèi)人行道設(shè)計(jì)寬度為50 cm，并設(shè)人行踏步，采用混凝土臺(tái)階式。并在行車線側(cè)安裝1.2 m高的活動(dòng)防護(hù)欄，為方便安拆采用插管式，豎桿和橫桿用φ50～φ80鋼管在行車道外側(cè)邊預(yù)埋φ80鋼管。

為便于礦井提升機(jī)操作人員了解軌道及礦車情況，采用有線電話、對(duì)講機(jī)及電視監(jiān)控系統(tǒng)觀察，及時(shí)與井內(nèi)作業(yè)人員聯(lián)系。在進(jìn)洞方向右側(cè)邊墻，每隔100 m左右向外擴(kuò)挖設(shè)置集水井和避車洞。在掌子面處設(shè)置擋車器，防止箕斗發(fā)生溜車造成事故。

7 井外棧橋布置

該斜井外部軌道線路根據(jù)井外場(chǎng)地空間、棧橋卸渣量多少、提升機(jī)拉力要求等綜合因素進(jìn)行布置?；烦鲈饕揽刻嵘龣C(jī)牽引，利用棧橋上曲軌的變化，達(dá)到自動(dòng)卸渣。棧橋基礎(chǔ)采用C20混凝土墩，棧橋立柱采用I20工字鋼制作。之后進(jìn)行曲軌安裝施工，曲軌與工字鋼應(yīng)焊接牢固，并側(cè)向焊接斜支撐，整體呈“W”狀。兩條曲軌之間利用10 cm槽鋼連接加固，槽鋼間距不大于100 cm。

8 有軌運(yùn)輸出渣時(shí)間計(jì)算

1）一次提升最長(zhǎng)時(shí)間的計(jì)算。

式中：Ld——最長(zhǎng)提升長(zhǎng)度，m；Vpj——速度修正系數(shù)，當(dāng)提升長(zhǎng)度超過600 m時(shí)取0.9；Vmax——提升速度，取3.19 m/s；θ——提升休止時(shí)間，取12 s。

2）井內(nèi)裝渣時(shí)間?；费b渣量為8 m3，挖掘機(jī)每斗裝渣量按0.4 m3考慮，每裝一斗用時(shí)為20 s，裝一箕斗最長(zhǎng)用時(shí)為8÷0.4×20=400 s。

3）洞外卸渣時(shí)間為60 s。

4）則斜井支洞段箕斗最長(zhǎng)一次提升時(shí)間為（767+400+60）/60=20.45 min。

5）III類圍巖每循環(huán)出渣次數(shù)為96 m3÷8 m3/斗=12次，則斜井支洞段III類圍巖每循環(huán)最長(zhǎng)出渣時(shí)間為 12×20.45÷60=4 h。

9 運(yùn)行效果分析

1）斜井施工采用選定的有軌運(yùn)輸設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了“以人為本、安全施工”的目標(biāo)，減少了施工干擾，提高了出渣效率，節(jié)約了一定的施工成本。

2）斜井提升系統(tǒng)每日最大出渣能力可達(dá)近600 m3，足以滿足目前施工進(jìn)度的需要，使斜井運(yùn)輸不再成為制約隧洞工程施工進(jìn)度的因素。

10 結(jié)語

此次設(shè)計(jì)的有軌運(yùn)輸箕斗出渣系統(tǒng)具有技術(shù)先進(jìn)、機(jī)械自動(dòng)化程度高、操作方便、安全可靠、出渣效率高、運(yùn)行成本低、經(jīng)濟(jì)效益好的特點(diǎn)。在施工場(chǎng)地狹窄的長(zhǎng)大隧洞施工中，尤其是具有斜井支洞的隧洞施工中，采用有軌運(yùn)輸箕斗出渣系統(tǒng)大大提高了施工安全程度，增加了經(jīng)濟(jì)效益，在類似工程施工中，具有一定的借鑒意義和推廣價(jià)值。

［1］魏永慶，杜士斌.大斷面超長(zhǎng)輸水隧洞的施工特點(diǎn)［J］.水利水電技術(shù)，2006（3）：8-11.

［2］姚志國(guó)，杜士斌.超長(zhǎng)隧洞TBM施工段設(shè)置中間施工支洞的必要性［J］.水利水電技術(shù)，2006（4）：30-31.

［3］楊勝，黃志文，陳霞.TBM施工隧洞塑性變形圍巖的處理與監(jiān)測(cè)分析［J］.東北水利水電，2010（9）：7-9.