小斷面大陡坡長斜井有軌運輸施工技術(shù)研究

于 雷，趙鵬強

（1.內(nèi)蒙古引綽濟遼供水有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 興安盟137400；2.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林長春130021）

1 概況

引綽濟遼工程是國務(wù)院確定的“十三五”期間實施的172項節(jié)水供水重大水利工程之一，也是內(nèi)蒙古自治區(qū)一號工程，設(shè)計最大年調(diào)水量4.88×108m3。由文得根水利樞紐和輸水工程組成，其中輸水工程自北向南，沿途經(jīng)過興安盟、通遼市等9個旗縣區(qū)，采用重力流力式輸水，線路總長390.263km。

輸水工程隧洞七標(biāo)工期56個月，由4條施工支洞承擔(dān)主洞全長16.515km施工任務(wù)，施工支洞均為城門洞型，其中6-7號支洞位于突泉縣小林家屯，主要負(fù)責(zé)T99+466.91～T102+740.79段主洞開挖、支護工程的出渣及物料運輸任務(wù)，開挖斷面為6.2m×5.7m，投影全長484.06m，坡度為20.08%，與主洞夾角80°[1]。支洞處于基巖全～強風(fēng)化層中，受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)重，全風(fēng)化層巖芯多呈散體泥化物夾風(fēng)化碎石，泥化物多呈軟塑～可塑狀，強風(fēng)化層巖芯多破碎～極破碎，裂隙節(jié)理發(fā)育，洞身段為富水地帶，極易造成掉塊、塌方，局部可能出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，屬不良地質(zhì)淺埋洞段，該洞段開挖支護物料運輸施工重、難點問題主要有以下2點。

1）安全風(fēng)險高。斜井負(fù)坡進洞坡度較大，物料運輸及通風(fēng)困難，采用自卸車出渣難度較大且安全風(fēng)險高。

2）施工工期緊。6-7號施工支洞控制主洞為標(biāo)段關(guān)鍵線路，如何快速、安全、高效地完成洞挖支護施工是一大難點。

2 總體技術(shù)思路

2.1 方案簡述

在6-7號斜井施工期間，通過有軌運輸能力驗算，布設(shè)1套由1臺JTP1.6×1.2型單滾筒提升機、φ0.8m的游動輪和φ21.5mm的鋼絲繩組成的提升系統(tǒng)，同時在洞內(nèi)隨著斜井開挖進度鋪設(shè)1條軌距為0.6m的22kg/m型軌道，斜井施工期間洞渣外運采用2輛YCC2.0-6型礦車串聯(lián)，挖機裝渣，經(jīng)提升系統(tǒng)提升至地表后由1.6t電瓶車牽引至渣場排放。

在斜井施工期間，為減少施工機械及洞內(nèi)爆破對運輸系統(tǒng)的影響，采用臨時鋪軌形式施工，軌道鋪設(shè)隨開挖面進行，距掌子面15～20m。斜井施工完畢進入主洞后，分上、下游2個工作面，再新增1套同型號的有軌運輸系統(tǒng)，2套有軌運輸系統(tǒng)共同擔(dān)負(fù)主洞施工期間廢渣及物料運輸工作，主洞的棄渣由輪式自卸車運輸至主、支交叉擴大洞室后裝入YCC2.0-6型礦車，由提升機提升至地表，運至渣場。

2.2 施工工藝

小斷面大陡坡長斜井不良地質(zhì)隧洞有軌運輸施工工藝流程：施工準(zhǔn)備→超前地質(zhì)預(yù)報→斜井爆破開挖支護，軌道隨開挖延長→斜井施工完畢，于主洞交叉口設(shè)渣場，再新增1套同型號有軌運輸系統(tǒng)，2套運輸系統(tǒng)共同承擔(dān)主洞施工期間物料運輸→主洞爆破開挖支護，掌子面配置ZWY-180型礦用挖掘式裝載機→采用定制的雙向行駛出渣車→運至主、支交叉口渣場后經(jīng)有軌運輸系統(tǒng)外運至洞外渣場。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 設(shè)計計算依據(jù)

1）支洞施工期間：施工進度按3m/d計算，同時考慮1.4倍的富余系數(shù)，6-7號施工支洞施工每日運輸量為128m3。

2）主洞施工期間：6-7號支洞施工完畢后，分別向主洞上、下游開挖施工，上游工程量為石方洞挖61407m3，下游工程量為石方洞挖40938m3，施工進度按5m/d計算，同時考慮1.5倍的富余系數(shù)，主洞施工每日上、下游運輸量為石方307m3。

3.2 運輸形式及能力分析

1）6-7號施工支洞每日運輸量為石方148m3；主洞施工期間每日運輸量為石方307m3。

2）運輸方式為斜井串車提升。

3）材料運輸：每循環(huán)所用的鋼拱架及網(wǎng)片利用出渣空閑時間通過斜井用平板車運輸，洞內(nèi)200m處設(shè)15m×4m×4m擴大洞室1處，用于支洞施工期間噴漿機的放置和少量材料臨時堆放點（單循環(huán)所用的鋼拱架和鋼筋網(wǎng)片），材料運輸不占用直線施工時間。

3.3 支洞施工期間運輸系統(tǒng)分析

支洞施工期間，地表線路為臨時線路，支洞內(nèi)廢渣由挖機裝入YCC1.2-6型側(cè)卸式礦車，經(jīng)絞車提升至地表后，由1.6t電瓶車牽引至渣場排放。洞口距渣場最大運距150m，每臺電機車最多可牽引4臺YCC1.2-6型側(cè)卸式礦車，外形尺寸為1900 mm×1050mm×1200mm。

根據(jù)地表廢渣運量和運距，確定運輸設(shè)備,計算所采用的參數(shù)，施工支洞運輸系統(tǒng)選型參數(shù)：運輸任務(wù)為420t/d，電機車規(guī)格為CTY1.6-6，不均系數(shù)為1.2，廢渣體重為1.75t/m3，松散系數(shù)為1.56，裝滿系數(shù)為0.9。YCC1.2-6側(cè)卸式礦車參數(shù)：自重為1000kg，容積為1.2m3，最大載重為2076.92kg，有效載重為1869.23kg，每列車礦車數(shù)為2個。施工支洞電動機車選型：每列車有效載重為3738.46kg，運輸最大距離為500m，列車運行速度為2.5m/s，所需循環(huán)次數(shù)為113次，選用機車臺數(shù)為1臺。

經(jīng)計算分析，施工支洞期間配備2臺1.6t電機車用于地面牽引，1主1備。

3.4 輸水主洞運輸系統(tǒng)設(shè)計

當(dāng)施工至主洞支洞交叉處時，考慮擴大洞室開挖面積較大，在主支洞交叉處設(shè)置臨時渣場，進入主洞施工后，分別向上、下游施工，主洞廢渣由無軌設(shè)備運輸至主支洞交叉處渣場，裝入礦車后由提升機提升至地表，改為電動機車牽引排至渣場。同樣，根據(jù)主洞的運量和運距，結(jié)合輸水主洞設(shè)備和YCC2.0-6型礦車參數(shù)選擇合適的運輸設(shè)備。輸水主洞設(shè)備參數(shù)：單線運輸任務(wù)為150m3/d（斜井）和160m3/d（主洞），電瓶車為CTY1.6-6，不均系數(shù)為1.2，廢渣體重為1.75t/m3，松散系數(shù)為1.56，裝滿系數(shù)為0.9，運輸最大距離為500m，列車運行速度為2.5m/s，單線所需循環(huán)次數(shù)為41次（斜井）和45次（主洞）。YCC2.0-6型礦車參數(shù)：自重為1700kg，容積為2m3，提升系統(tǒng)最大提升能力為2076.92kg，每次提升礦車數(shù)為2個，每次提升載重為9700kg。

3.5 軌道鋪設(shè)及要求

軌道鋪設(shè)采用22kg/m型軌道，軌道間距為600mm，鋪設(shè)平直，且具有一定的強度和彈性。在斜井施工期間，采用簡易整體道床，其鋪設(shè)方法：按一般方法鋪石渣道床，再用水泥砂漿澆灌石渣表面，用鐵锨拍打平整，使石渣縫隙盡量多地充滿砂漿，以使砂漿與石渣結(jié)合，砂漿標(biāo)號M10。沿支洞設(shè)置軌道防滑裝置，間距40m。

因主洞施工工期較長，支洞施工完畢后對斜井軌道進行重新整理，采用混凝土軌枕，鋪設(shè)縱向間距為800mm，軌道內(nèi)設(shè)置托輥，托輥軸和輥子側(cè)端的螺母均不得突出在外，以免鋼絲繩跳出托輥后被卡死，托輥直徑為150mm，間距為15～20m。

3.6 斜井提升系統(tǒng)選擇及設(shè)計

臨時出渣期間采用單線方式，輸水主洞施工期間改為雙線形式，斜井提升系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)支洞與主洞施工期間廢渣的提升及材料的下放，核算按單線提升2臺礦車進行。

洞口提升機房高程377.67m，井口高程377.17m，井底高程284.51m，提升機為JTP1.6×1.2型單滾筒纏繞式提升機，配套交流電機，電壓380V，功率132kW，每次可提升2臺YCC1.2-6型側(cè)卸式礦車或2臺YPC3（6）型平板車（自重0.53t，載重3t）。

鋼絲繩長度計算：

式中：Lsb——上車場長度,15m；Lx——下車場長度,15m；Lj——支洞斜長，486m。

計算得出L繩=516m,選用鋼絲繩6×19S+FC-φ21.5-1770型，最粗鋼絲直徑δ=1.4mm，繩徑ds=21.5mm，單重Ps=1.65kg/m，破斷力總和Qp=292kN。

3.6.1 提升機選擇

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》，鑿井提升機的滾筒最小直徑Dj≥60ds=1290mm；絞車滾筒直徑Dj≥900δ=1260mm，JTP1.6×1.2型提升機標(biāo)準(zhǔn)直徑Dj=1600mm，滿足要求。

3.6.2 滾筒寬度B的驗算

多層纏繞時，按下式計算：

式中：Lt——提升長度，m；Ls——實驗長度，m；n0——錯繩圈數(shù)；π——圓周率；ε——鋼繩圈間隙，m；nc——鋼絲繩纏繞層數(shù)；Dp——鋼絲繩的平均纏繞直徑，m。

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定，nc取3層，n0取4，Lt=Lx+Lj=501m，Ls=10m，鋼繩圈間隙ε=0.002m，鋼絲繩的平均纏繞直徑按下式計算：

計算得B=0.851m＜1.2m，寬度滿足要求。

3.6.3 提升能力核算

1）隨著支洞掘進，提升高度不斷增加，以最大高度核算提升能力，最大提升高度H=93m。

2）支洞傾角：設(shè)計坡度20.08%,換算為支洞傾角后α=11°。

3）鋼絲繩長度L繩=Lsb+Lx+Lj=516m。

4）YCC1.2-6礦車自重Qz=1000kg，容積V=1.2m3。

5）有效載荷廢渣按下式計算：m

式中：Cm——裝滿系數(shù)，取0.9；γ——廢渣松散體重，t/m3；V——容積，m3。

計算得出Q=0.9×1.75×1.2=1890kg。

6）繩端荷重按下式計算：

式中：Gz——YPC3（6）型平板車自重，kg；n——礦車數(shù)量，2臺；Q材——載重，kg。

計算得G渣=5780kg，G材=4060kg。

7）鋼絲繩每米質(zhì)量按下式計算：

式中：f1——礦車組運行阻力系數(shù)，取0.01；f2——鋼絲繩拖行阻力系數(shù)，取0.4；σ——鋼絲繩抗拉強度，MPa；m——鋼絲繩安全系數(shù)，取7.5。

計算得P礦=0.48kg/m，P平板車=0.35kg/m。

平板車提升時，重量小于棄渣運輸，只對棄渣提升能力進行驗算：提升機選用JTP-1.6X1.2型單滾筒纏繞式提升機，卷筒直徑φ1.6m，設(shè)置游動輪直徑D=800mm，游動距離1100mm，絞車最大靜拉力載物時為42kN。

提升系統(tǒng)最大靜張力按下式計算：

計算得F=16.17kN。

8）鋼絲繩安全系數(shù)驗證：m渣=Qp/F=18.05＞7.5。

以上安全系數(shù)均滿足《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》6.3.4.3要求。

輸水主洞施工期間，施工支洞軌道采用雙線布置，詳見圖1所示。

圖1 雙線布置示意圖（單位：mm）

4 其他輔助系統(tǒng)

4.1 防跑（溜）裝置

斜井開挖至200m以上時，采用符合要求的ZDC30-2.2型常閉式防跑車裝置。防跑車裝置安裝在提升機上的霍爾傳感器隨時檢測提升機動態(tài)，配合從提升機電控取得的提升機旋轉(zhuǎn)方向信號，電控箱處理得出礦車位置及運動方向，并通過顯示器指示出來。防跑車裝置在工作狀態(tài)時，當(dāng)電控箱檢測出礦車正常到達(dá)擋車欄提升位置后，電控箱發(fā)出信號提升擋車欄，礦車順利通過后，電控箱發(fā)出信號下放擋車欄，平時處于常閉狀態(tài)，符合煤礦安全規(guī)程第370條的安全要求。電控箱安裝在提升機房，具有報警、手動、自動轉(zhuǎn)換等功能。提升機司機應(yīng)注意信號顯示，當(dāng)發(fā)生報警時應(yīng)盡快停車，以防止誤操作造成損失。在井口、洞內(nèi)工作面附近及斜坡段各設(shè)置1臺阻車器，防止人員操作不當(dāng)發(fā)生溜車事故。

4.2 通訊系統(tǒng)

該有軌運輸系統(tǒng)根據(jù)煤礦用提升信號裝置通用技術(shù)條件的要求，采用聲光雙控信號傳輸，在井口設(shè)置信號房，信號工將井下和操控室的信號按照操作規(guī)程“一停、二上、三下”的要求統(tǒng)一指揮。此外，為了確保信號準(zhǔn)確和便于溝通，并安裝有線電話，確保有軌運輸系統(tǒng)運行的安全?，F(xiàn)場指揮設(shè)置1處總信號站，信號工只與信號站聯(lián)系，由信號站統(tǒng)一指揮提升設(shè)備。

4.3 監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)

出渣過程為了確保礦車運行和卸渣的安全，在井口沿井下軌道運行方向，場地朝井口變坡位置，朝卸渣場，卷揚機房朝操作臺，各設(shè)置一攝像頭，視頻監(jiān)控終端放置于操作臺。卷揚機操作手可清晰地查看礦車運行和卸渣環(huán)境，確保安全操作。在井口變坡處安裝限速器，控制礦車在經(jīng)過變坡點時減小速度，并在棧橋卸渣位置安裝限位器，防止礦車?yán)^卷。

4.4 有毒有害氣體檢測儀

隧洞穿越地層巖性十分復(fù)雜，沿線施工中可能遇到有毒有害氣體，因此洞內(nèi)配備具備聲學(xué)、光學(xué)、震動報警功能的便攜式有毒有害氣體檢測儀，施工人員或班組長隨身攜帶，一旦有毒有害氣體溢出時能及時發(fā)現(xiàn)險情，以便采取相應(yīng)的應(yīng)急措施[2]。

4.5 鋼絲繩電腦探傷儀

采用鋼絲繩電腦探傷儀，每月對鋼絲繩進行1次檢測。通過采集到的數(shù)據(jù)解壓分析，可以明確地定量數(shù)值顯示鋼絲繩內(nèi)外斷絲、金屬截面積變化，使用游標(biāo)卡尺進行日檢，按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)提出鋼絲繩的安全性，鋼絲繩及連接扣件半年進行更換。

5 結(jié)語

通過在不良地質(zhì)條件下完成小斷面大陡坡長斜井開挖支護施工實踐證明，采用支洞有軌運輸結(jié)合主洞無軌運輸?shù)姆绞?，高效快捷地進行物料輸送，在較短時間內(nèi)順利完成了開挖支護施工任務(wù)，克服了不良地質(zhì)條件下小斷面隧洞施工難以實現(xiàn)開挖與襯砌平行作業(yè)和出渣難度較大的難題，同時又減少了避車洞的施作，節(jié)約了施工成本，可為同類工程提供借鑒意義。