天台山特长隧道通风竖井提升设备选型与验算

索贵文 方罗 王晓川

摘要：随着我国特长公路隧道的大量出现，隧道通风竖井的数目也随之增多，隧道通风竖井施工采用正井法施工在国内依然是主要的方法。针对隧道工程通风用大断面深竖井施工技术复杂、提升过程中安全隐患集中等问题，本文秦岭天台山特长隧道2#通风竖井施工为例，开展了系列提升设备选型与安全验算工作，具体包括凿井井架选型及验算、提升钢丝绳选择与安全计算、吊盘悬吊钢丝绳选择与验算、钢丝绳偏角验算、吊桶验算、天轮平台梁验算等。本文工作确保了天台山隧道2#通风竖井的安全高效施工，可供类似工程借鉴。

Abstract： With the emergence of a large number of extra long highway tunnels in China， the number of tunnel ventilation shafts has also increased. The construction of tunnel ventilation shafts mainly adopts the positive well method in China. In view of the complicated construction technology of large-section deep shafts for tunnel engineering ventilation and the concentration of safety hazards during the lifting process， this paper takes the construction of 2# ventilation shaft of Tiantaishan Extra-long Tunnel in Qinling as an example， and carried out a series of lifting equipment selection and safety checking， including drilling derrick selection and checking， hoisting wire rope selection and safety calculation， hanging wire suspension wire rope selection and check calculation， wire rope yaw angle check， bucket check calculation， sky wheel platform beam check calculation， etc. The work of this paper ensures the safe and efficient construction of the 2# ventilation shaft of the Tiantaishan Tunnel， which can be used for similar projects.

关键词：公路隧道;通风竖井;提升设备;选型;验算

Key words： highway tunnel;ventilation shaft;lifting equipment;selection;check calculation

中图分类号：U455.8                                     文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）31-0168-03

1  概述

宝坪高速公路秦岭天台山隧道左线长15483m、右线长15560m，为特长公路隧道，隧道总体走向近南北向。根据施工图设计阶段通风计算以及初步设计咨询意见，同时结合国内外超过10km特长隧道通风斜竖井布设情况，采用三井四段式竖井送排式通风方案，其中秦岭天台山隧道2号竖井K159+445（ZK159+321）设排、送风竖井各1座， 2#送风竖井深度为554.68m，2#排风竖井深度为560.81m，直径均为8.5m，两井口间距34.28m。竖井暗洞衬砌按新奥法原理设计和施工，支护体系结构整体为复合式衬砌，即以锚杆、喷射混凝土、钢拱架等为初期支护;二次衬砌采用模筑混凝土或钢筋混凝土，在两次衬砌之间敷设土工布及防水板;此外，对竖井井口段较为破碎的段落考虑采用一定超前注浆方案以增强竖井施工的安全性。施工中需作好现场监控量测及超前地质预报，根据实际地质情况及时调整支护参数，实现“动态设计，信息化施工”的设计理念。秦岭天台山隧道2#通风竖井工期紧、任务重，因此选择合适的竖井提升设备，并对其进行安全验算，对提高该通风竖井施工工效、降低施工安全风险，确保工程按期完工有着重要的作用。本文以秦岭天台山特长隧道2#通风竖井施工为例，拟对该竖井施工中提升设备选型与安全验算进行分析，分析结果对公路隧道大断面深竖井安全施工具有重要意义。

2  鑿井井架选型

根据本工程的实际情况，选择IVG型井架，井架是由各种钢管、工字钢经法兰盘连接而成的空间框架结构，井架金属结构质量58.541吨，最大承载能力400吨，具有承载力较高，完全满足工程要求。井架基础顶面到天轮平台顶面高度26.4m，满足井架所需最小高度23.625m的空间要求，底部跨度15.3×15.3m，天轮平台尺寸7.0×7.0m。

2.1 井架稳定性验算

当提升小挖机时，井架的倾覆力矩最大，此时主提升钢丝绳拉力为：

式中：Q—提升挖机重量，5500kg;QZ—提升容器及连接装置重量，465kg;Ho—钢丝绳最大悬垂高度，577m;PSB—钢丝绳单位长度重量，4.07kg/m。代入上述参数，计算得Fj=8313kg。

钢丝绳水平方向力：

钢丝绳垂直方向力：

井架自重58.541t，翻矸平台均布荷载500kg/m2，井架、翻矸平台总重：

一个基础的重力：;L1=8.5m;图1中所示的各高度为：L1=8.5m、L2=9.85m、L3=17.5m、L4=2.2m、h1=26.4m。

垂直力和另一边基础对井架产生的抵抗力矩：

在主提升方向产生的钢丝绳的水平力和风荷载对井架产生的倾覆力矩为：

式中：ΣV—钢丝绳垂直拉力合力，141912N;Q—井架、翻矸平台的重力，1017860N;G—一个基础的重力，402000N;L1、L2、L3、L4—ΣV、Q、G距倾覆中心A的距离;ΣH—钢丝绳水平拉力合力，58782N;h1—ΣH距点A的距离，26.4m。将上述各参数代入式（3）和式（4），可得抵抗力矩MW（27070973N·m）和倾覆力矩MQ（1551845N·m），进一步计算井架抗倾覆安全系数为：

由式（5）的计算结果可知，所选井架稳定性满足要求。

2.2 井架基础强度验算

当竖井吊盘和2个吊桶同时悬吊时，井架承受竖向最不利荷载。井架自重58.541吨，翻矸平台均布荷载500kg/m2，井架、翻矸平台总重：

吊盘自重约20噸，采用6根钢丝绳悬吊，钢丝绳单位重量3.383kg/m，吊盘上小型机具等重量取1.5吨，每个吊桶装渣时重量按6吨计算，吊桶钢丝绳单位重量4.07kg/m，所有钢丝绳长度均取577m，钢丝绳与地面夹角取45°。吊盘、吊桶等钢丝绳拉力为：

井架基础所受的竖向荷载为：

将Q、FJ值代入式（7）得FH=1869801.953N。每个基础所受竖向荷载为：

基础受压面积为1m2，采用C40混凝土浇筑，基础受压面应力为：

混凝土基础强度满足要求。

3  提升钢丝绳选择与安全计算

3.1 安全系数选择的依据

根据《煤矿安全规程》第四百零八条规定，对于提升钢丝绳安全系数规定如下：提升挖掘机时安全系数K≥6.5、悬挂风管的钢丝绳安全系数K≥5，悬挂吊盘的钢丝绳安全系数K≥6，悬挂输料管的钢丝绳安全系数K≥5，悬挂安全梯的钢丝绳安全系数K≥6。

3.2 提升重量的计算

根据工程实际，提升机主要用于人员、和物料上下的提升，载重量最大物重为挖掘机提升时为5500kg。

3.3 提升钢丝绳的选择

根据式（1）的计算结果，知钢丝绳的最大提升荷载为8313kg，提升钢丝绳选择18×7-Φ31-170特型不旋转钢丝绳。提升钢丝绳安全系数按下式计算：

式中：m—计算安全系数;Qp—钢丝绳最大破断力总和，60650kg;Fj—提升物料的最大静张力，8313kg。

将择18×7-Φ31-170特型不旋转钢丝绳最大破断力总和Qp及提升物料的最大静张力Fj代入公式（9），得提升钢丝绳的安全系数为7.3，《煤矿安全规程》第四百零八条规定m取6.5。因此，所选18×7-Φ31-170特型不旋转钢丝绳满足要求。

4  吊盘悬吊钢丝绳选择与验算

吊盘自重约20000kg。考虑在吊盘上的负荷因素（人员、机械设备等），计算时预留3吨的富余量。每根钢丝绳承担的荷载为：

式中：F为吊盘悬吊钢丝绳终端荷重。每根钢丝绳的最大静张力为：

将钢丝绳单位长度重量PSB（3.383kg/m）和长度代入式（10），计算每根钢丝绳的最大静张力为7950kg。根据上述计算结果，吊盘悬吊钢丝绳选择6根6×19-23-170型钢丝绳悬吊，其中2根吊盘悬吊绳兼作稳绳。

按公式（9）验算吊盘悬吊钢丝绳的安全性，其中6×19-23-170型钢丝绳的破断力总和为60850kg，将之连同每根钢丝绳的最大静张力代入公式（9），计算得到吊盘悬吊钢丝绳的安全系数为7.65，大于（《煤矿安全规程》规定的6.0。因此，所选6×19-23-170型钢丝绳满足要求。

5  结束语

本文以秦岭天台山特长隧道2#通风竖井施工为例，开展了凿井井架选型及井架稳定性与井架基础强度验算、提升钢丝绳选择与安全计算、吊盘悬吊钢丝绳选择与验算、钢丝绳偏角验算、吊桶验算、天轮平台梁验算等工作。主要结论如下：①天台山隧道2#通风竖井选择IVG型井架，井架抗倾覆稳定性及井架基础强度均满足要求。②提升钢丝绳经计算选择18×7-Φ31-170特型不旋转钢丝绳，其安全系数为7.3，满足（《煤矿安全规程》要求。③吊盘悬吊钢丝绳选择6根6×19-23-170型钢丝绳悬吊，其中2根吊盘悬吊绳兼作稳绳;吊盘悬吊钢丝绳的安全系数为7.65，大于（《煤矿安全规程》规定的6.0，可满足要求。

参考文献：

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