天山勝利隧道4#豎井主要配套設(shè)備方案研究

田 浩

（中交二公局東萌工程有限公司，陜西 西安 710119）

1 工程概況

天山勝利隧道4#豎井位于省道301 烏斯特火車站以北8km 處，4-1 井里程樁號為ZK93+016.5；4-2 井里程樁號為ZK93+093，距主洞出口距離為4.704km，豎井高程3444.2m，設(shè)計直徑為9.0m，豎井深度為514.2m，豎井各類聯(lián)絡(luò)通道距主洞總長度為680.765m。采用正井法施工方案。4號豎井為構(gòu)造剝蝕中山地貌區(qū)的山地地貌，位于山腰，海拔3425.085m，斜坡坡度約5°，地形相對平坦，植被較發(fā)育，主要以低矮牧草為主，西側(cè)20m 處發(fā)育季節(jié)性流水，整體地勢北東高，西南低。4#豎井設(shè)計數(shù)據(jù)見表1。

2 工程項目的重點與難點

工程項目的重點與難點如下。1）隧道豎井施工不得生搬硬套，應(yīng)當(dāng)根據(jù)工程項目的實際情況，綜合考慮施工過程中可能發(fā)生的各項影響因素，合理選擇配套設(shè)備。2）豎井提升系統(tǒng)、懸吊系統(tǒng)一旦發(fā)生安全事故，就是重大事故。為此，各技術(shù)人員、機(jī)械設(shè)備操作人員應(yīng)當(dāng)全面熟悉操作流程，其他部門及人員應(yīng)當(dāng)默契配合，恪守盡責(zé)，持證上崗，通過共同努力，杜絕安全事故發(fā)生，保證工程項目順利、有序進(jìn)行。3）天山勝利隧道4#豎井是新疆重要的隧道工程項目之一，采取何種施工方法，對應(yīng)需要配置何種設(shè)備是企業(yè)需要解決的難題之一。

3 總體施工方案確定及設(shè)備配置

3.1 總體施工方案確定

為保證工程項目順利進(jìn)行，需要對項目主要設(shè)備進(jìn)行選型和驗算，從而制定出總體施工方案。使用VI 型臨時井架鑿井，井身開挖時通過傘鉆打眼，中深孔直眼掏槽爆破，中心回轉(zhuǎn)抓巖機(jī)配合小型挖掘機(jī)出渣清底，利用2 臺提升機(jī)來提升吊桶出渣，并設(shè)置2 個座鉤式自動翻渣渣石溜槽裝置，并以鏟車為主、汽車為輔將落地之后的渣石裝運(yùn)出渣，將渣石運(yùn)輸?shù)綏壴鼒?。爆破結(jié)束后出渣段高在4.8m 時，應(yīng)盡快開展模筑混凝土作業(yè)，初期支護(hù)作業(yè)完畢后，由井底自下而上使用滑模法進(jìn)行豎井二襯和中隔板施工。采用液壓整體滑升模板，自動調(diào)平液壓控制臺作為滑升動力裝置，配套10t千斤頂?；炷镣ㄟ^井口吊桶下放至吊盤岔管緩沖器，通過滑模平臺的溜槽入模。

該項目施工方案如下。豎井井筒設(shè)計為初期支護(hù)＋二次襯砌，根據(jù)豎井施工組織方案，為保障豎井施工的安全性，模板應(yīng)使用液壓整體滑升模板，滑升動力裝置應(yīng)為自動調(diào)平液壓控制臺，并配套選用10t 千斤頂。

3.2 設(shè)備配置

隧道主要配套設(shè)備與豎井施工、開挖深度息息相關(guān)。即開挖階段不同，所使用的設(shè)備不同。同時，隨著深度的不斷增加，小門架提升能力與工程項目施工進(jìn)度之間的矛盾越來越大，綜合考慮到爆破對井口不會造成影響，并具備安裝大型門架的條件，二襯模板、吊盤需要使用大型井架配合懸吊完成，小門架自身的承受能力無法滿足施工負(fù)荷，此時需要安裝大型鑿井井架，保證提升和懸吊系統(tǒng)的穩(wěn)定性。提升系統(tǒng)。提升系統(tǒng)主要由大型鑿井井架、提升機(jī)、提升鋼絲繩及提升容器組成。

懸吊系統(tǒng)。懸吊系統(tǒng)主要由穩(wěn)車、懸吊鋼絲繩、封口盤、吊盤、模板、風(fēng)水管、溜灰管等組成。

3.3 信號與通信系統(tǒng)

井口的翻渣臺和井下吊吊臺各委派信號工作人員與通信工作人員1 名，主要負(fù)責(zé)聲光系統(tǒng)的操作。因為，吊桶的起、降、停全部需要通過聲光系統(tǒng)傳送于提升泵房。同時，井上和井下安裝1 臺對講機(jī)，實現(xiàn)井上與井下的聯(lián)系。

3.4 視頻系統(tǒng)

在井口、上層吊盤和下層吊盤部位各安裝1 個攝像頭，顯示器安裝于提升泵房內(nèi)，供提升機(jī)操作人員觀察井口、吊盤和井底的實際情況，并配合使用聲光系統(tǒng)，保障施工作業(yè)的安全性。

4 隧道豎井主要配套設(shè)備方案策略

在該工程項目中，豎井主要配套設(shè)備方案需要綜合考慮以下4 個方面的問題。1）設(shè)備的選擇應(yīng)當(dāng)根據(jù)工程項目所在區(qū)域內(nèi)的地形地質(zhì)條件確定。2）設(shè)備的配套能力應(yīng)當(dāng)與生產(chǎn)能力相呼應(yīng)。3）設(shè)備選型應(yīng)當(dāng)與施工現(xiàn)場、水電基本設(shè)施相配套。4）設(shè)備附屬連接件的選擇與配置應(yīng)當(dāng)保證安全、可靠。

表1 4#豎井設(shè)計概況

5 提升系統(tǒng)選型與驗算

在該工程項目中，地表水主要為夏季融雪地表徑流和出露泉水；地下水為基巖裂隙水，隧道內(nèi)涌水量較小，施工過程中很有可能出現(xiàn)滴水狀出水現(xiàn)象。所以，根據(jù)工程項目實際情況，應(yīng)當(dāng)選擇以下型號設(shè)備。

5.1 提升絞車

JK-3.0×2.2/20 型提升絞車1 臺、JKZ-2.8×2.2/15.5 型提升絞車1 臺，形成二套單鉤提升。

5.2 主提升機(jī)JKZ-2.8×2.2/15.5型絞車選型

選型如下。1）計算提升高度H取550m。2）鋼絲繩終端載荷（Q）。5m吊桶提矸，Q=11501kg；3m底卸式吊桶，Q=8389kg；提XFJD8.12 型傘鉆，Q=12000kg；5m吊桶提人，Q=3250kg（限乘10 人）。3）鋼絲繩懸吊總重。試選鋼絲繩，18×7+FC-φ43-1870，性能參數(shù)見表2。所以，提傘鉆時鋼絲繩懸吊總重Q=16598.5kg；提人時鋼絲繩懸吊總重Q=7237.5kg。安全系數(shù)校核按式（1）計算：

式中：Q為拉力總和。則M=131500/16598.5=7.92 ＞7，（XFJD8.12 下放至井底質(zhì)量）；M=131500/7237.5=18.16 ＞9.0（5m吊桶提人至井底時）。

4）電機(jī)功率驗算。

式中：Q為終端最大負(fù)荷（kg）；P為每米鋼絲繩質(zhì)量（kg/m）；V為提升機(jī)最大速度（m/s）；η為傳動效率，取值為0.96。

則：P=16598.5×5.8/（102×0.96）=983kW ＜P=1250kW（P為實際使用設(shè)備的電機(jī)功率）。

5）提升能力計算。當(dāng)加減速度相等時，提升一次循環(huán)時間T：

則T=235.53s。

進(jìn)行提升能力計算：

式中：K為吊桶裝滿系數(shù)，取0.9；V為標(biāo)準(zhǔn)吊桶容積，m；K 為提升不均勻系數(shù)，取1.25。

則：A=55.024m/h。

表2 鋼絲繩性能參數(shù)

5.3 副提JK-3×2.2/20型絞車選型

選型如下。1）計算提升高度H取550m。2）提升容器自重。11t 鉤頭，提4m矸石吊桶時Q=1461kg；提2.4m底卸式吊桶時Q=1518kg。3）鋼絲繩懸吊總重。試選鋼絲繩18×7+FC-φ43-1870，所以，提4m矸石吊桶時鋼絲繩懸吊總重Q=12968.5kg；提人時鋼絲繩懸吊總重Q=7863.1kg。安全系數(shù)校核，按式（1）計算，可得M=131500/12968.5.5=10.13>7；M=131500/7863.1=16.72>9。4）電機(jī)功率驗算。P=741.66kW

5.4 綜合確定主提、副提設(shè)備

主提升機(jī)JKZ-2.8×2.2/15.5 型絞車A=55.024m/h，副提升機(jī)JK-3×2.2/20 型絞車A=31.00m/h，井筒施工布置主副提2套單鉤提升，凈井徑φ9.0m，井壁厚850mm，開挖直徑10.9m，根據(jù)鉆眼放炮→出渣→澆筑混凝土→清底→鉆放炮的循環(huán)作業(yè)步驟，計劃進(jìn)尺100m/月，出矸量為13989.88m（松散系數(shù)取1.5），每天一抹灰，出渣和清底加起來需要12h，即1 個月的出渣總量為30745.73m，大于13989.88m，能夠滿足一個月進(jìn)尺100m 的需要（每月按26 天正規(guī)循環(huán)時間推算）。

所以主提設(shè)備選擇JKZ-2.8×2.2/15.5 型絞車，副提設(shè)備選擇JK-3×2.2/20 型絞車。

6 其他生產(chǎn)輔助系統(tǒng)的選型及驗算

6.1 懸吊吊盤穩(wěn)車、穩(wěn)繩

懸吊吊盤穩(wěn)車、穩(wěn)繩如下。1）吊盤鋼絲繩的端荷重。穩(wěn)繩按每百米一噸可計算出每根鋼絲繩的端荷總重為4600.00kg。出矸時總吊重最大，六繩懸吊，所以單根鋼絲繩的最大端荷總重為11181.94kg。單根吊盤繩附電纜重，每根鋼絲繩的端荷總重為12119.94kg。吊盤上荷載見表3，不同工作時總吊重見表4。2）單根鋼絲繩懸吊總重。試選鋼絲繩為18×7+FC-φ43-1870；安全系數(shù)校核為m=Q/Q，m=8.16 ＞6.00。3）鑿井天輪和穩(wěn)車。天輪直徑，據(jù)D 為860.00mm，根據(jù)計算選擇天輪直徑為φ1050.00mm 的鑿井天輪MZS2.1-0-1×1.05。鑿井穩(wěn)車，根據(jù)計算，選擇JZ-25/1300 型功率55kW鑿井穩(wěn)車坐穩(wěn)繩，數(shù)量為4 臺；JZ-25/1300 型功率55kW 鑿井穩(wěn)車懸吊吊盤，數(shù)量為2 臺。

表3 吊盤上荷載

表4 不同工作時總吊重

6.2 懸吊排水管穩(wěn)車選型計算

6.2.1 鋼絲繩的端荷重

從表5 可以看出，兩繩懸吊，單繩受力Q=17342.86×1.1/2=9538.573kg。

6.2.2 鋼絲繩懸吊重

單根鋼絲繩懸吊總重，試選鋼絲繩為18×7+FC-φ38-1770，性能參數(shù)見表6，所以，單根鋼絲繩懸吊總重Q=12635.07kg；安全系數(shù)校核為m=Q/Q，m=6.4 ＞6.00。

表5 鋼絲繩端荷載

表6 鋼絲繩性能參數(shù)

6.2.3 鑿井天輪和穩(wěn)車

鑿井天輪直徑，因D=760mm，所以應(yīng)用的是天輪為φ800mm 的鑿井天輪MZS2.2-0-2×0.8；鑿井穩(wěn)車，按照實際情況選用1 臺2JZ-16/1000 型功率為90kW 的鑿井穩(wěn)車。

6.3 懸吊安全梯穩(wěn)車選型計算

6.3.1 鑿井天輪和穩(wěn)車單根鋼絲繩懸吊總重

試選鋼絲繩為18×7+FC-φ24-1670，性能參數(shù)見表7，所以，單根鋼絲繩懸吊總重Q=3738.3kg；單根鋼絲繩懸吊總重Q 安全系數(shù)校核為m=Q/Q，m=11.08 ＞9.00。

表7 鋼絲繩性能參數(shù)

6.3.2 鑿井天輪和穩(wěn)車

鑿井天輪直徑，據(jù)D=480.00mm，根據(jù)計算，選擇天輪為φ650mm 的鑿井天輪MZS2.1-0-1×0.65；鑿井穩(wěn)車，根據(jù)計算，選用1 臺JZA-5/1000 型功率為22kW 的鑿井穩(wěn)車。

6.4 懸吊壓風(fēng)、供水管路穩(wěn)車選型計算

鋼絲繩端荷重，見表8。

表8 鋼絲繩端荷載

兩繩懸吊，所以單繩受力Q=8708.15kg。單根鋼絲繩懸吊總重。試選鋼絲繩為18×7+FC-φ32-1870，性能參數(shù)如表9 所示，所以，單根鋼絲繩懸吊總重Q=10902.65kg；安全系數(shù)校核為m=Q/Q，m=5.55 ＞5.00。

表9 鋼絲繩性能參數(shù)

鑿井天輪和穩(wěn)車的選擇。鑿井天輪直徑的選擇為據(jù)D=20×32=640.00mm，根據(jù)實際需要選擇天輪為φ650mm 的鑿井天輪MZS2.2-0-2×0.65；鑿井穩(wěn)車，根據(jù)計算，選用1臺2JZ-16/1000 型功率55kW 的型鑿井穩(wěn)車。

6.5 懸吊中心回轉(zhuǎn)式抓巖機(jī)穩(wěn)車選型計算

單根鋼絲繩懸吊總重。試選鋼絲繩為18×7+FC-φ32-1670，性能參數(shù)見表10。所以，單根鋼絲繩懸吊總重Q=7938.5kg；安全系數(shù)校核為m=Q/Q，m=6.81 ＞6.00。

表10 鋼絲繩性能參數(shù)

鑿井天輪和穩(wěn)車的選擇。鑿井天輪直徑的選擇，據(jù)D=20×32=640.00mm，根據(jù)計算，選擇天輪為φ650mm 的鑿井天輪MZS2.1-0-1×0.65；鑿井穩(wěn)車，根據(jù)計算，選用2 臺JZ-10/800 型功率22kW 的型鑿井穩(wěn)車。

7 最終設(shè)備確定

經(jīng)過選型及驗算，最終確定4#豎井每個井口主要設(shè)備配置，見表11。

表11 4#豎井每個井口主要設(shè)備配置

8 豎井主要配套設(shè)備方案綜合評價

施工實踐證明，天山勝利隧道4#豎井主要配套設(shè)備合理，施工效率高且安全可靠，降低了施工人員的勞動強(qiáng)度，開挖深度達(dá)到了514.2m，且二襯表面平整，無蜂窩、麻面等質(zhì)量通病，接茬平順，并在計劃的時間內(nèi)完成了施工任務(wù)，經(jīng)濟(jì)效益與社會效益明顯，可供同類工程項目參考。

9 結(jié)語

目前，國內(nèi)隧道豎井主要配套設(shè)備方案依然處于研發(fā)階段，相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)尚未成熟。豎井施工環(huán)境復(fù)雜、工作面小、立體作業(yè)及機(jī)械設(shè)備投入多，如何科學(xué)合理配置各項設(shè)備，是企業(yè)降低生產(chǎn)成本、提高設(shè)備使用效率和保障施工安全的關(guān)鍵。該文根據(jù)豎井的直徑、深度，經(jīng)過各方面選型和驗算，最終確定出項目隧道豎井施工最合理的主要設(shè)備配置，提前對豎井施工場地布置及施工進(jìn)行籌劃和布局，保證工程項目安全順利進(jìn)行，對同類項目的施工有指導(dǎo)意義。