大坡度深长斜井提升系统设计及安装

林宗辉LIN Zong-hui

（中铁十四局集团第三工程有限公司，济南 250300）

1 工程概况

滇中引水工程建设，是云南省可持续发展的重大战略性基础建设工程，工程完成投资及运营后可从水量较为丰富的金砂江干流引水至滇中区域，从根本上有效缓解了滇中地区的水资源紧张问题，改变区域河流和湖水生态与水环的现状，将有力推动云南省经济可持续发展。

云南省丽江市滇中引水工程香炉山隧洞1-1#施工斜井为斜井，地处丽江市石鼓镇大厂村附近，是香炉山隧洞DL15+454～DL19+167段的施工运输通道。香炉山1-1#施工斜井K0+000～K0+812.32段是斜井段，K0+812.32～K0+862.32为水平段，总长862.32m，坡度24.33°，二衬浇筑完成后，断面净空尺寸（宽×高）为6.5×6.0m，斜井进洞口高标为2354m，斜井底标高为2025m，主洞与斜井相交处设置一50m水平段作为车场段落。香炉山隧洞1-1#施工斜井进口段纵断面见图1，香炉山隧洞1-1#施工斜井车场段纵断面见图2。

图1 香炉山隧洞1-1#施工斜井进口段纵断面图

图2 香炉山隧洞1-1#施工斜井车场段纵断面图

2 斜井运输方案的确定

由于香炉山隧洞1-1#施工斜井坡度极大，如何保证人员、工器具、设备设施、物料的运输效率和安全，确保施工进度及质量是本工程的重点。香炉山隧洞1-1#施工斜井斜井运输系统方案比选表见表1。

表1 1-1#施工斜井斜井运输系统方案比选表

经过对斜井运输系统方案的比选，以及对施工现场及相邻标段多方考察，根据香炉山隧洞1-1#施工斜井工程情况，综合国内现有施工工艺，综合考虑价格、运营成本、运行稳定性等多项因素，本项目决定采用绞车提升系统，设置3m单滚筒矿车进行出渣、2m单滚筒人车进行人员输送。本文主要对3m单滚筒矿车提升系统设备选型进行分析研究。

工程施工过程中，开挖洞渣、混凝土、钢材等采用“无轨运输与有轨运输相结合”的方案进行运输。绞车系统主要用于洞内出渣、材料运进、人员进出等使用工具。主洞内采用自卸车与装载机配套的无轨运输系统，将洞渣从掌子面运输至井底车场段后卸渣至矿车内，再经绞车系统运输至洞口卸渣到储渣池内，最后由装载机装渣至自卸车运输到箐口南弃渣场。

3 提升系统设备的选型

3.1 绞车与钢丝绳型号的选择

①单次提升最大重量的确定。

根据本工程实际情况，选用KZ—10侧卸式翻斗矿车（10m3曲轨液压式），矿渣单位重按1.7t/m3（松散容量）计算，矿车自重7.0t（最值）。

单次最大提升总重量为：M总=M渣+M自=10×1.7+7.0=24.0t=24000kg。

②提升钢丝绳的选择。

式中：Pc—最大钢丝绳长度单位体重，kg/M；n1—最大上升容器总量，台；M—单件最大总上升体重，kg；Lc—钢丝绳受力的最大尺寸，m；σ—钢丝绳受力公称抗拉强度，155~196kgf/mm2；f1—提高容器移动位置摩擦力系数，当运行轮为滑动支座时为0.01，为滑动轴承时为0.015；f2—流动阻力系数，为0.25~0.40；α—斜井倾角；m—安全系数，在提升物料时为6.5，提升人时为9.0。

本斜井的设计容量规模为1座；单次最高总上升重量约为24000kg；钢筋绳最大长度为约953m；钢筋绳承载力的公称抗拉强度，约取170N/mm2；上升材料的移动阻力系数，取0.015；流动阻力系数，取0.3；斜井倾角为24.33°；提升物料安全系数，取6.5；将以上各值代入式（1）中，计算得：Pc=4.6kg/m。

根据所得Pc值，选取6×19S+Fcφ36的圆股钢丝绳。其相关参数为：d=36mm，Pc=4.66kg/m，公称抗拉强度σ=1670MPa。

钢丝绳破断力Qp=K·d2·σ·0.33=1.214×362×1670×0.33=867069N。

③钢丝绳安全系数校核。

式中：ma—钢丝绳安全系数；Qp—钢丝绳破断力；g—重力加速度，取9.8N/kg。将以上各值代入式（2）中，计算得：ma=6.67＞6.5，符合安全规程要求。

3.2 提升机的选择

①滚筒直径的确定。

按照“滚轮的最小直径与钢丝绳直径的比值不得小于80”的设计规则，Dg=80d=80×36=2880mm<3000mm，采用外径为3m的单滚筒提升机，其有关工艺技术设计参数为:型号JK-3×1.5P，外径Dg=3000mm，宽度B=1500mm，最高静张力Fjmax=135kN，最大静张力差Fjmin=105kN，最大提升速度4.6m/s。

②滚筒宽度的校验。

式中：Lm—钢丝绳长度，取30m；ε—测试钢线绳绳圈之间的空隙，取3mm；Kc—钢丝绳在滚筒上的环绕层数，取3层；Dp—在滚筒上环绕的钢丝绳的平均直径，Dp=Dg+（Kc-1）d=3000+（3-1）×36=3072mm，取3.072m；Π取3.14。将以上各值代入式（3）中，计算得：Bmin=1413.62mm<<1500mm，滚筒宽度符合要求。

③提升机的最大实际静张力。

式中：Fjmax—提升机的最大实际静张力。将以上各值代入式（4）中，计算得：Fjmax=129.942kN＜135kN，符 合要求。

④提升机的最大实际静张力差。

式中：Fjmin—提升机的最大实际静张力差，将以上各值代 入 式（5）中，计 算 得：Fjmin=100.74kN＜105kN，符 合要求。

3.3 轨道规格的选择

整体式提升系统中采用P43规格轨道，轨距选择行业标准轨距0.9m宽，矿车之间、矿车与结构物之间距离不小于0.3m。

3.4 提升天轮的选择

对地面设备来说，当钢丝绳受力对天轮围抱角等于60°时天轮直径尺寸为D≥60d；而采用天轮的时候钢丝绳受力方向应该低于天轮的边缘。当采用提升时用天轮必须大于钢丝绳外径的1.5倍；当采用悬吊系统时，天轮必须大于钢丝绳外径的1倍。钢丝绳口径为d=36mm，根据规范要求，游动天轮的直径需大于等于60d，即D≥2160mm。选用直径为2.5m的游动天轮，其绳槽半径为20mm，承受能力为1088.5kN，天轮最大游动距离为1.35m。

4 提升系统的布置及施工

4.1 提升系统布置

①洞口临时储渣池布局：洞口临时储渣池应符合临时存放渣料、装载机装料、斗车缓冲距离、斗车自动下滑倾角等规定。洞口临时储渣池轨道底部采用C20素混凝土浇筑，顶面角度7.6°，长10m，最高5.3m。

②洞底车场段设置：根据现场情况，为满足施工需求自卸车直接卸料至矿斗内，将支洞井底平洞段净空断面尺寸扩大为6.5m×10.0m（宽×高），下部开挖净空断面尺寸为2.1m×2.3m（宽×高）的集料堆积槽，采用型钢加工下料斗。同时在车场段设置行吊1台，对施工过程中所需的各种材料进行装卸倒运。

③游动天轮布置：游动天轮布置在距离洞口53m的位置，天轮顶部高程为2361.9m。

④绞盘房布置：按照国家标准要求，卷扬机与天轮之间的运动距离应当保持钢丝绳平面偏角小于1.5°，根据游动天轮的最大游动间距为1.35m，算得卷扬机与天轮的最小距离Lmin=（1.35÷2）÷（tan1.5°）=25.78m。绞盘房整体布置在斜坡道上的延长线上，卷扬机滚筒圆心与天轮的距离约为30m，滚轮中心点与铁轨中心点重合，因此绞盘房内部地板高度约为2359m。绞车房基础侧墙采用C20钢筋混凝土结构，绞车房内场地硬化采用厚15cm的C15素混凝土。

⑤轨道的布设：为方便支洞内挖掘装渣和孔底停靠站段的布设，将运渣矿车钢轨中心线布设在距支洞中心线左边0.3m处，人车钢轨中心线布设在距支洞中心线右侧1.8m处，钢轨间隔与矿车轮距一致为0.9m，经卸渣平台后一直延长至支洞内离施工作业面约20m左右位置，每完成2~3个开挖及支护的施工循环就需要再延伸布设一个轨道，以防因挖掘爆破而损伤钢轨。

香炉山隧洞1-1#施工斜井斜井断面布置图见图3。

图3 香炉山隧洞1-1#施工斜井断面布置图

4.2 提升系统施工

①游动天轮支撑架的制造与安装施工：在测量定位出天轮的具体布置情况后，通过工字钢焊接制造游动天轮支撑架，支撑架制造时应当保证游动速度天轮的顶部高度达到设计要求。

②洞口轨道支撑基础平台的浇筑：为达到在洞口内侧卸翻斗矿车卸渣的高度，轨道基础和卸渣平台均用C20混凝土浇筑起来。

③附属构件安装与施工：轨道枕木，按照实际的施工状况可采用木质枕木或槽钢板，但枕木须放置在稳固并平整的轨道。

5 结束语

隧洞运输方式也是制约主洞建设的关键因素，在大斜井和小截面的主洞工程建设过程中，常常由于其条件制约而为工程建设造成了诸多不便。香炉山隧洞1-1号#施工斜井采用的主洞无轨运输和斜井有轨运输结合的办法,极大节省了施工成本，也大大提高了出渣的效率，缩短工期，提升系统最大出渣能力。通过该项目的实践经验，证明采该运输方法操作性较强，且经济效益比较合理，安全可靠，为类似工程提供了参考。