特長(zhǎng)公路隧道大直徑豎井提升設(shè)備的選型與布置

吳永建，羅 剛，李文權(quán)，魏富貴，李 鰲，劉 暢

(1.四川攀大高速公路開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 攀枝花 617000； 2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；3.四川川交路橋有限責(zé)任公司，四川 廣漢 618300)

0 引 言

隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的推進(jìn)，特長(zhǎng)深埋公路隧道日益增多。為輔助施工和運(yùn)營(yíng)通風(fēng)，越來越多的特長(zhǎng)公路隧道通風(fēng)井選擇了豎井[1]。豎井施工具有空間小、難度大、交叉作業(yè)等特點(diǎn)，其安全風(fēng)險(xiǎn)大、施工工期長(zhǎng)、設(shè)備投入多[2]。所以，對(duì)特長(zhǎng)公路隧道通風(fēng)豎井提升設(shè)備選型與布置進(jìn)行研究，有利于積累公路隧道豎井施工經(jīng)驗(yàn)，提高施工效率。

在國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)豎井的研究中，采礦行業(yè)占較大比例[3]。張鋒[4]介紹了黃玉川礦井副立井提升系統(tǒng)的裝備特點(diǎn)；李永強(qiáng)等[5]對(duì)副井雙罐籠同時(shí)提升時(shí)的過渡套架及提升設(shè)備進(jìn)行了選型分析；毛春雷[6]研究了尖山鐵礦主井的提升設(shè)備及電控方案，確保了提升系統(tǒng)的安全以及高效；李德臣等[7]對(duì)紅慶梁煤礦特大直徑副立井提升設(shè)備進(jìn)行了選型，提高了工作效率，節(jié)約了成本。

交通行業(yè)也對(duì)豎井進(jìn)行了一定研究：韓瑀萱等[8]以米倉山特長(zhǎng)隧道豎井為工程依托，對(duì)環(huán)保區(qū)深大豎井的施工技術(shù)、施工配套設(shè)備和施工管理等方面進(jìn)行了探討；冷希喬等[9]對(duì)國(guó)內(nèi)外不同行業(yè)豎井的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，提出了米倉山隧道通風(fēng)豎井設(shè)計(jì)布置原則和施工方法；仝金璞[10]結(jié)合烏鞘嶺隧道大臺(tái)豎井設(shè)備配套及管理經(jīng)驗(yàn)，介紹了高原、高寒軟弱地質(zhì)區(qū)域深豎井施工的設(shè)備配套技術(shù)。目前公路交通行業(yè)關(guān)于豎井的建設(shè)大多借鑒采礦行業(yè)，對(duì)于超大直徑通風(fēng)豎井的研究仍然不全面[11-12]。本文以寶鼎2號(hào)隧道通風(fēng)豎井為工程依托，對(duì)豎井的提升設(shè)備選型和現(xiàn)場(chǎng)布置進(jìn)行研究，旨在提供新的公路隧道超大直徑豎井設(shè)計(jì)思路，提高效率，研究結(jié)果亦可為其他同類工程提供參考。

1 工程概況

寶鼎2號(hào)隧道是攀枝花至大理(四川境)高速公路的控制性工程，為雙向四車道分離式隧道，全長(zhǎng)8.7 km。隧道設(shè)計(jì)采用豎井集中送排式縱向通風(fēng)方式，通風(fēng)豎井深228 m，襯砌后凈直徑9.6 m，通過聯(lián)絡(luò)風(fēng)道與左右線主洞連接，豎井中間設(shè)置“十”字中隔墻將其分為2個(gè)送風(fēng)道和2個(gè)排風(fēng)道。送風(fēng)和排風(fēng)道的截面積均為16.49 m2，如圖1所示。

圖1 豎井平面布置

豎井采用正井法自上而下開挖，聯(lián)絡(luò)風(fēng)道采用新奧法施工。井身段和聯(lián)絡(luò)風(fēng)道均采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，襯砌方式為現(xiàn)澆鋼筋混凝土。豎井圍巖綜合分級(jí)為井口62.5 m內(nèi)為Ⅴ級(jí)圍巖，其余為Ⅳ級(jí)圍巖。

2 提升設(shè)備選型

豎井的提升系統(tǒng)包括鋼絲繩、絞車、天輪、井架和吊桶，下面將對(duì)其選型進(jìn)行介紹。

2.1 鋼絲繩的選型計(jì)算

鋼絲繩的選型是豎井提升設(shè)備選型的關(guān)鍵[13]。鋼絲繩的選型首先要計(jì)算出鋼絲繩的繩端荷載和單位質(zhì)量，依據(jù)單位質(zhì)量計(jì)算結(jié)果，參考《鋼絲繩通用技術(shù)條件》(GB/T 20118—2017)，可確定鋼絲繩的型號(hào)，并進(jìn)行安全系數(shù)校核。鋼絲繩的選型步驟如圖2所示，選型計(jì)算公式如表1所示，選配的鋼絲繩型號(hào)見表2。

表2 鋼絲繩選型

圖2 鋼絲繩選型步驟

表1 鋼絲繩的選型計(jì)算

2.2 絞車的選型計(jì)算

絞車是依托鋼絲繩來升降和牽引人員、物料的器械，其選型與鋼絲繩密切相關(guān)[14]。豎井絞車包括主、副提升機(jī)各1臺(tái)和若干穩(wěn)車，主、副提升絞車用于運(yùn)輸材料和人員，穩(wěn)車用于懸吊設(shè)備，包括吊盤、風(fēng)水管、溜灰管、抓巖機(jī)、模板和安全梯。提升絞車的選型計(jì)算步驟如圖3所示。

提升絞車卷筒直徑D參照式(1)進(jìn)行計(jì)算。

D≥60ds；D≥900δmax

(1)

式中：ds、δmax分別為鋼絲繩直徑和最粗鋼絲直徑。

按照卷筒直徑DT≥D，并參考《鑿井工程圖冊(cè)》(QB/JZ TC09—2016)的絞車型號(hào)，選取直徑最接近計(jì)算結(jié)果的提升絞車。主、副提升機(jī)均選擇卷筒直徑為3.0 m的JK-3/20A型絞車，如圖4所示。采用主、副2套提升絞車系統(tǒng)，不僅使鑿井施工速度大大提高，而且主、副提升機(jī)還可互為備用，在各種復(fù)雜情況下都可以保證整個(gè)井筒正常施工[15]。絞車的參數(shù)見表3。通過表4的驗(yàn)算證明，絞車選型符合要求。

表3 提升絞車的參數(shù)

表4 提升絞車驗(yàn)算

2.3 穩(wěn)車選型驗(yàn)算

穩(wěn)車懸吊能力主要根據(jù)提升機(jī)牽引力和提升高度來標(biāo)定，其選型計(jì)算公式為

Fj≥Qs

(2)

S≥H0

(3)

式中：Fj為穩(wěn)車最大靜張力；Qs為鋼絲繩懸吊的終端荷載與鋼絲繩自重之和；S為穩(wěn)車卷筒容繩量；H0為穩(wěn)車的懸吊深度。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工需求，穩(wěn)車容繩量需超過300 m，鋼絲繩速度控制在3～6 m·min-1，參照表2，懸吊吊盤絞車的總牽引力應(yīng)超過132.1 kN，模板絞車牽引力應(yīng)超過94.0 kN，抓巖機(jī)絞車牽引力應(yīng)超過90.0 kN，安全梯絞車牽引力應(yīng)超過34.0 kN，風(fēng)水管絞車牽引力應(yīng)超過62.2 kN，溜灰管絞車牽引力應(yīng)超過173.4 kN。根據(jù)《鑿井工程圖冊(cè)》，所選穩(wěn)車型號(hào)參數(shù)見表5?，F(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)車安裝如圖5所示。

表5 穩(wěn)車型號(hào)與參數(shù)

圖5 JZ-16/800A型穩(wěn)車

2.4 其他提升設(shè)備的選型

2.4.1 天輪的選型

天輪是安裝于天輪平臺(tái)，支撐和導(dǎo)向鋼絲繩的器械。參照《煤礦安全規(guī)程》，提升天輪的直徑Rt需滿足

式中：ds、δmax分別為鋼絲繩直徑和最粗鋼絲直徑。計(jì)算結(jié)果選取最大值，參考《鑿井工程圖冊(cè)》中的天輪型號(hào)表進(jìn)行選擇，考慮到天輪平臺(tái)空間有限，選取直徑最接近計(jì)算結(jié)果的天輪。

按照穩(wěn)車的性能，懸吊天輪分為單槽懸吊天輪和雙槽懸吊天輪2種。單槽懸吊天輪主要用于懸吊吊盤和穩(wěn)繩，雙槽懸吊天輪多用于懸吊施工管線、風(fēng)筒及穩(wěn)繩。參照《煤礦安全規(guī)程》，懸吊天輪的直徑Dw需滿足

Dw≥20ds

(6)

式中：Dw為天輪直徑；ds為鋼絲繩直徑。根據(jù)《鑿井工程圖冊(cè)》選擇對(duì)應(yīng)直徑的天輪，豎井天輪選配見表6。

表6 豎井天輪選配

2.4.2 井架的選型

豎井井架是一種固定布置于豎井頂部，承擔(dān)所有施工荷載的裝置。井架選型必須結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際，綜合考慮豎井深度、直徑、施工方法、出碴方式等因素，選出的井架還需進(jìn)行承載能力驗(yàn)算。豎井深228 m，直徑9.6 m，參考《鑿井工程圖冊(cè)》，選取V形井架(圖6)，具有一定的安全儲(chǔ)備，主要尺寸和質(zhì)量如表7所示。

表7 井架參數(shù)

圖6 V形井架

井架承載能力參照式(7)進(jìn)行驗(yàn)算。

Qz=Qh+Q0

(7)

式中：Qz為井架承擔(dān)總荷載；Qh為井架承擔(dān)恒載，即天輪平臺(tái)重量與天輪軸承座總重，依據(jù)工程實(shí)際，取398.5 kN；Q0為鋼絲繩繩端荷載之和，參照表2進(jìn)行計(jì)算，取585.7 kN。因此，Qz=984.2 kN，小于井架允許最大荷載值，所選井架符合要求。

2.4.3 吊桶的選型

吊桶是運(yùn)輸豎井施工人員及物料的主要工具，選擇合適的吊桶大小，可以提升排碴能力，滿足裝巖和提升能力的要求，不影響裝巖提升工作的連續(xù)進(jìn)行[16-17]。根據(jù)《簡(jiǎn)明建井工程手冊(cè)》，在確保豎井施工提升能力的基礎(chǔ)上，對(duì)吊桶進(jìn)行選型，其選型計(jì)算步驟如表8所示。

表8 吊桶選型計(jì)算

所選吊桶還需進(jìn)行提升絞車強(qiáng)度驗(yàn)算，即

Fj≥Q+Qz+PSBH0

(8)

式中：Fj為提升絞車最大靜張力，參照表4；Q為提升物料荷載，取104.1 kN；Qz為吊桶荷載，取27.3 kN；PSB為鋼絲繩單位荷載(kg·m-1)；H0為鋼絲繩長(zhǎng)度，取300 m。

3 設(shè)備布置

豎井設(shè)備布置是否合理，直接影響到工程進(jìn)度、施工安全及經(jīng)濟(jì)效益。在有限的面積和空間內(nèi)，要布置大量的鑿井設(shè)備，且這些設(shè)備將長(zhǎng)期處于運(yùn)行狀態(tài)，起落移動(dòng)頻繁。因此，所有的移動(dòng)設(shè)備之間，以及它們與固定設(shè)備、設(shè)施之間，必須保持一定的安全間隙。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》，鑿井期間井筒內(nèi)各設(shè)施的安全間隙見表9，井口的設(shè)備布置見圖7。地面設(shè)備布置見圖8，地面設(shè)備立面布置見圖9。

圖9 設(shè)備立面布置

圖8 地面設(shè)備布置

表9 鑿井期間井筒內(nèi)各設(shè)施之間的間隙

圖7 井口設(shè)備布置

4 結(jié) 語

本文對(duì)寶鼎2號(hào)隧道超大直徑通風(fēng)豎井提升系統(tǒng)的選型與驗(yàn)算進(jìn)行了探討，得出以下結(jié)論。

(1)大直徑通風(fēng)豎井的提升設(shè)備選型可按照鋼絲繩、絞車、天輪、井架與吊桶選型的步驟進(jìn)行，選擇合適的鋼絲繩型號(hào)是豎井提升設(shè)備選型的基礎(chǔ)。

(2)絞車、天輪、吊桶等提升設(shè)備選型可參考常規(guī)豎井，但井架的選型不同，對(duì)于大直徑通風(fēng)豎井，井架選型要充分考慮豎井幾何尺寸、施工出碴需求、專業(yè)機(jī)械設(shè)備配套、場(chǎng)地限制等因素。

(3)超大直徑通風(fēng)豎井的研究對(duì)于特長(zhǎng)公路隧道尤為重要。完成了提升設(shè)備選型之后，還可以從豎井設(shè)備地面布置、井架受力驗(yàn)算、井下設(shè)備配套技術(shù)等方面展開進(jìn)一步的研究。