小断面大陡坡长斜井有轨运输施工技术研究

于 雷，赵鹏强

（1.内蒙古引绰济辽供水有限责任公司，内蒙古 兴安盟137400；2.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021）

1 概况

引绰济辽工程是国务院确定的“十三五”期间实施的172项节水供水重大水利工程之一，也是内蒙古自治区一号工程，设计最大年调水量4.88×108m3。由文得根水利枢纽和输水工程组成，其中输水工程自北向南，沿途经过兴安盟、通辽市等9个旗县区，采用重力流力式输水，线路总长390.263km。

输水工程隧洞七标工期56个月，由4条施工支洞承担主洞全长16.515km施工任务，施工支洞均为城门洞型，其中6-7号支洞位于突泉县小林家屯，主要负责T99+466.91～T102+740.79段主洞开挖、支护工程的出渣及物料运输任务，开挖断面为6.2m×5.7m，投影全长484.06m，坡度为20.08%，与主洞夹角80°[1]。支洞处于基岩全～强风化层中，受地质构造影响严重，全风化层岩芯多呈散体泥化物夹风化碎石，泥化物多呈软塑～可塑状，强风化层岩芯多破碎～极破碎，裂隙节理发育，洞身段为富水地带，极易造成掉块、塌方，局部可能出现涌水现象，属不良地质浅埋洞段，该洞段开挖支护物料运输施工重、难点问题主要有以下2点。

1）安全风险高。斜井负坡进洞坡度较大，物料运输及通风困难，采用自卸车出渣难度较大且安全风险高。

2）施工工期紧。6-7号施工支洞控制主洞为标段关键线路，如何快速、安全、高效地完成洞挖支护施工是一大难点。

2 总体技术思路

2.1 方案简述

在6-7号斜井施工期间，通过有轨运输能力验算，布设1套由1台JTP1.6×1.2型单滚筒提升机、φ0.8m的游动轮和φ21.5mm的钢丝绳组成的提升系统，同时在洞内随着斜井开挖进度铺设1条轨距为0.6m的22kg/m型轨道，斜井施工期间洞渣外运采用2辆YCC2.0-6型矿车串联，挖机装渣，经提升系统提升至地表后由1.6t电瓶车牵引至渣场排放。

在斜井施工期间，为减少施工机械及洞内爆破对运输系统的影响，采用临时铺轨形式施工，轨道铺设随开挖面进行，距掌子面15～20m。斜井施工完毕进入主洞后，分上、下游2个工作面，再新增1套同型号的有轨运输系统，2套有轨运输系统共同担负主洞施工期间废渣及物料运输工作，主洞的弃渣由轮式自卸车运输至主、支交叉扩大洞室后装入YCC2.0-6型矿车，由提升机提升至地表，运至渣场。

2.2 施工工艺

小断面大陡坡长斜井不良地质隧洞有轨运输施工工艺流程：施工准备→超前地质预报→斜井爆破开挖支护，轨道随开挖延长→斜井施工完毕，于主洞交叉口设渣场，再新增1套同型号有轨运输系统，2套运输系统共同承担主洞施工期间物料运输→主洞爆破开挖支护，掌子面配置ZWY-180型矿用挖掘式装载机→采用定制的双向行驶出渣车→运至主、支交叉口渣场后经有轨运输系统外运至洞外渣场。

3 系统设计

3.1 设计计算依据

1）支洞施工期间：施工进度按3m/d计算，同时考虑1.4倍的富余系数，6-7号施工支洞施工每日运输量为128m3。

2）主洞施工期间：6-7号支洞施工完毕后，分别向主洞上、下游开挖施工，上游工程量为石方洞挖61407m3，下游工程量为石方洞挖40938m3，施工进度按5m/d计算，同时考虑1.5倍的富余系数，主洞施工每日上、下游运输量为石方307m3。

3.2 运输形式及能力分析

1）6-7号施工支洞每日运输量为石方148m3；主洞施工期间每日运输量为石方307m3。

2）运输方式为斜井串车提升。

3）材料运输：每循环所用的钢拱架及网片利用出渣空闲时间通过斜井用平板车运输，洞内200m处设15m×4m×4m扩大洞室1处，用于支洞施工期间喷浆机的放置和少量材料临时堆放点（单循环所用的钢拱架和钢筋网片），材料运输不占用直线施工时间。

3.3 支洞施工期间运输系统分析

支洞施工期间，地表线路为临时线路，支洞内废渣由挖机装入YCC1.2-6型侧卸式矿车，经绞车提升至地表后，由1.6t电瓶车牵引至渣场排放。洞口距渣场最大运距150m，每台电机车最多可牵引4台YCC1.2-6型侧卸式矿车，外形尺寸为1900 mm×1050mm×1200mm。

根据地表废渣运量和运距，确定运输设备,计算所采用的参数，施工支洞运输系统选型参数：运输任务为420t/d，电机车规格为CTY1.6-6，不均系数为1.2，废渣体重为1.75t/m3，松散系数为1.56，装满系数为0.9。YCC1.2-6侧卸式矿车参数：自重为1000kg，容积为1.2m3，最大载重为2076.92kg，有效载重为1869.23kg，每列车矿车数为2个。施工支洞电动机车选型：每列车有效载重为3738.46kg，运输最大距离为500m，列车运行速度为2.5m/s，所需循环次数为113次，选用机车台数为1台。

经计算分析，施工支洞期间配备2台1.6t电机车用于地面牵引，1主1备。

3.4 输水主洞运输系统设计

当施工至主洞支洞交叉处时，考虑扩大洞室开挖面积较大，在主支洞交叉处设置临时渣场，进入主洞施工后，分别向上、下游施工，主洞废渣由无轨设备运输至主支洞交叉处渣场，装入矿车后由提升机提升至地表，改为电动机车牵引排至渣场。同样，根据主洞的运量和运距，结合输水主洞设备和YCC2.0-6型矿车参数选择合适的运输设备。输水主洞设备参数：单线运输任务为150m3/d（斜井）和160m3/d（主洞），电瓶车为CTY1.6-6，不均系数为1.2，废渣体重为1.75t/m3，松散系数为1.56，装满系数为0.9，运输最大距离为500m，列车运行速度为2.5m/s，单线所需循环次数为41次（斜井）和45次（主洞）。YCC2.0-6型矿车参数：自重为1700kg，容积为2m3，提升系统最大提升能力为2076.92kg，每次提升矿车数为2个，每次提升载重为9700kg。

3.5 轨道铺设及要求

轨道铺设采用22kg/m型轨道，轨道间距为600mm，铺设平直，且具有一定的强度和弹性。在斜井施工期间，采用简易整体道床，其铺设方法：按一般方法铺石渣道床，再用水泥砂浆浇灌石渣表面，用铁锨拍打平整，使石渣缝隙尽量多地充满砂浆，以使砂浆与石渣结合，砂浆标号M10。沿支洞设置轨道防滑装置，间距40m。

因主洞施工工期较长，支洞施工完毕后对斜井轨道进行重新整理，采用混凝土轨枕，铺设纵向间距为800mm，轨道内设置托辊，托辊轴和辊子侧端的螺母均不得突出在外，以免钢丝绳跳出托辊后被卡死，托辊直径为150mm，间距为15～20m。

3.6 斜井提升系统选择及设计

临时出渣期间采用单线方式，输水主洞施工期间改为双线形式，斜井提升系统主要负责支洞与主洞施工期间废渣的提升及材料的下放，核算按单线提升2台矿车进行。

洞口提升机房高程377.67m，井口高程377.17m，井底高程284.51m，提升机为JTP1.6×1.2型单滚筒缠绕式提升机，配套交流电机，电压380V，功率132kW，每次可提升2台YCC1.2-6型侧卸式矿车或2台YPC3（6）型平板车（自重0.53t，载重3t）。

钢丝绳长度计算：

式中：Lsb——上车场长度,15m；Lx——下车场长度,15m；Lj——支洞斜长，486m。

计算得出L绳=516m,选用钢丝绳6×19S+FC-φ21.5-1770型，最粗钢丝直径δ=1.4mm，绳径ds=21.5mm，单重Ps=1.65kg/m，破断力总和Qp=292kN。

3.6.1 提升机选择

根据《煤矿安全规程》，凿井提升机的滚筒最小直径Dj≥60ds=1290mm；绞车滚筒直径Dj≥900δ=1260mm，JTP1.6×1.2型提升机标准直径Dj=1600mm，满足要求。

3.6.2 滚筒宽度B的验算

多层缠绕时，按下式计算：

式中：Lt——提升长度，m；Ls——实验长度，m；n0——错绳圈数；π——圆周率；ε——钢绳圈间隙，m；nc——钢丝绳缠绕层数；Dp——钢丝绳的平均缠绕直径，m。

根据《煤矿安全规程》的规定，nc取3层，n0取4，Lt=Lx+Lj=501m，Ls=10m，钢绳圈间隙ε=0.002m，钢丝绳的平均缠绕直径按下式计算：

计算得B=0.851m＜1.2m，宽度满足要求。

3.6.3 提升能力核算

1）随着支洞掘进，提升高度不断增加，以最大高度核算提升能力，最大提升高度H=93m。

2）支洞倾角：设计坡度20.08%,换算为支洞倾角后α=11°。

3）钢丝绳长度L绳=Lsb+Lx+Lj=516m。

4）YCC1.2-6矿车自重Qz=1000kg，容积V=1.2m3。

5）有效载荷废渣按下式计算：m

式中：Cm——装满系数，取0.9；γ——废渣松散体重，t/m3；V——容积，m3。

计算得出Q=0.9×1.75×1.2=1890kg。

6）绳端荷重按下式计算：

式中：Gz——YPC3（6）型平板车自重，kg；n——矿车数量，2台；Q材——载重，kg。

计算得G渣=5780kg，G材=4060kg。

7）钢丝绳每米质量按下式计算：

式中：f1——矿车组运行阻力系数，取0.01；f2——钢丝绳拖行阻力系数，取0.4；σ——钢丝绳抗拉强度，MPa；m——钢丝绳安全系数，取7.5。

计算得P矿=0.48kg/m，P平板车=0.35kg/m。

平板车提升时，重量小于弃渣运输，只对弃渣提升能力进行验算：提升机选用JTP-1.6X1.2型单滚筒缠绕式提升机，卷筒直径φ1.6m，设置游动轮直径D=800mm，游动距离1100mm，绞车最大静拉力载物时为42kN。

提升系统最大静张力按下式计算：

计算得F=16.17kN。

8）钢丝绳安全系数验证：m渣=Qp/F=18.05＞7.5。

以上安全系数均满足《金属非金属矿山安全规程》6.3.4.3要求。

输水主洞施工期间，施工支洞轨道采用双线布置，详见图1所示。

图1 双线布置示意图（单位：mm）

4 其他辅助系统

4.1 防跑（溜）装置

斜井开挖至200m以上时，采用符合要求的ZDC30-2.2型常闭式防跑车装置。防跑车装置安装在提升机上的霍尔传感器随时检测提升机动态，配合从提升机电控取得的提升机旋转方向信号，电控箱处理得出矿车位置及运动方向，并通过显示器指示出来。防跑车装置在工作状态时，当电控箱检测出矿车正常到达挡车栏提升位置后，电控箱发出信号提升挡车栏，矿车顺利通过后，电控箱发出信号下放挡车栏，平时处于常闭状态，符合煤矿安全规程第370条的安全要求。电控箱安装在提升机房，具有报警、手动、自动转换等功能。提升机司机应注意信号显示，当发生报警时应尽快停车，以防止误操作造成损失。在井口、洞内工作面附近及斜坡段各设置1台阻车器，防止人员操作不当发生溜车事故。

4.2 通讯系统

该有轨运输系统根据煤矿用提升信号装置通用技术条件的要求，采用声光双控信号传输，在井口设置信号房，信号工将井下和操控室的信号按照操作规程“一停、二上、三下”的要求统一指挥。此外，为了确保信号准确和便于沟通，并安装有线电话，确保有轨运输系统运行的安全。现场指挥设置1处总信号站，信号工只与信号站联系，由信号站统一指挥提升设备。

4.3 监测监控系统

出渣过程为了确保矿车运行和卸渣的安全，在井口沿井下轨道运行方向，场地朝井口变坡位置，朝卸渣场，卷扬机房朝操作台，各设置一摄像头，视频监控终端放置于操作台。卷扬机操作手可清晰地查看矿车运行和卸渣环境，确保安全操作。在井口变坡处安装限速器，控制矿车在经过变坡点时减小速度，并在栈桥卸渣位置安装限位器，防止矿车拉过卷。

4.4 有毒有害气体检测仪

隧洞穿越地层岩性十分复杂，沿线施工中可能遇到有毒有害气体，因此洞内配备具备声学、光学、震动报警功能的便携式有毒有害气体检测仪，施工人员或班组长随身携带，一旦有毒有害气体溢出时能及时发现险情，以便采取相应的应急措施[2]。

4.5 钢丝绳电脑探伤仪

采用钢丝绳电脑探伤仪，每月对钢丝绳进行1次检测。通过采集到的数据解压分析，可以明确地定量数值显示钢丝绳内外断丝、金属截面积变化，使用游标卡尺进行日检，按现行标准提出钢丝绳的安全性，钢丝绳及连接扣件半年进行更换。

5 结语

通过在不良地质条件下完成小断面大陡坡长斜井开挖支护施工实践证明，采用支洞有轨运输结合主洞无轨运输的方式，高效快捷地进行物料输送，在较短时间内顺利完成了开挖支护施工任务，克服了不良地质条件下小断面隧洞施工难以实现开挖与衬砌平行作业和出渣难度较大的难题，同时又减少了避车洞的施作，节约了施工成本，可为同类工程提供借鉴意义。