滇中引水工程大坡度长斜井提升运输能力研究

刘波 梅争贵 朱学贤 帖熠

摘要：由于隧洞埋深、地形、地质、投资等众多因素限制了深埋长隧洞建设，大坡度长斜井在“长隧短打”的工程中得到了越来越多的应用，其提升运输能力决定了斜井方案的设计。以滇中引水工程香炉山隧洞2号施工斜井为例，对大坡度长斜井的提升运输能力进行了详细分析并提出了具体施工措施方案。实践证明，该措施可以满足施工要求。研究成果可为类似工程提供参考。

关键词：大坡度長斜井; 提升能力; 滇中引水工程; 香炉山隧洞

中图法分类号：TV53 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.06.009

文章编号：1006 - 0081（2022）06 - 0049 - 04

0 引 言

为加快深埋长隧洞施工进度，通过增设斜井、平洞等辅助支洞另辟工作面以实现“长隧短打”是常用的有效措施[1-2]。由于受隧道埋深、地形、地质、投资等条件的限制，辅助支洞往往坡度较陡、距离较长，并且不适合汽车运输，需要采用适合大坡度长斜井有轨运输的设备和方案[3-6]。斜井有轨运输需要承担出渣、进料（钢筋、混凝土等）、行人的繁重任务，大坡度长斜井有轨运输的能力决定了斜井前期优选方案和合理设计，尤其是斜井横断面尺寸、提升设备配置、井口施工场地布置等，一旦建成将难以调整[7-10]。本文以滇中引水工程香炉山隧洞2号施工斜井为例，对大坡度长斜井的提升运输能力进行分析，并提供了具体的措施方案。

1 工程概况

滇中引水工程香炉山隧洞2号施工斜井进口高程2 372.00 m，洞底高程2 023.00 m，高差349.00 m，长约1 173 m;斜井纵断面由水平段、井身段及井底车场段3部分组成，井身段纵坡-17.63°。斜井水平段及井身段除需满足出渣、进料任务外，还需满足三臂台车、3 m3装载机、20 t自卸车进入主洞内施工的需求，以及风、水、电管线和人行道的布置要求。因此，水平段和井身斜井段净断面设计尺寸为6.5 m×6.0 m（宽×高），横断面示意如图1所示。井底车场段（水平段）与井身段宽度一致，还需满足通风管、主洞自卸车卸料高度要求等，因此车场段净断面设计尺寸为6.5 m×10.0 m（宽×高）。

香炉山隧洞2号斜井穿越地层的岩性可分为3段：洞口段为残坡积的碎砾石土，厚3～5 m，碎砾石含量20%～30%，粒径为1～3 cm，亚圆状;井身段隧洞围岩主要为三叠系中统（T2 a）绿帘石（石英）片岩、绿泥石片岩夹少量变质长石石英砂岩，局部地段含黄铜矿物质，呈结核状或斑点状，粒度0.3～1.0 cm，岩体以弱-微风化为主，岩层走向NE，倾向NW，倾角30°～36°;井底段为龙蟠-乔后断裂主断带（F10-1），构造岩为角砾岩夹碎粒岩及碎粉岩，胶结较好，岩质较疏松-较坚硬状，局部段构造强烈，岩体较破碎。Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ类围岩长度占比分别为30.7%， 50.0%和19.3%。采用“双轨单线”的运输方式进行斜井施工，即采用1套矿井提升机和1套10 m3箕斗出渣。

香炉山隧洞2号斜井承担主洞上游2.34 km和下游2.06 km的钻爆施工任务。主洞最大开挖直径约11 m，埋深360～650 m，最大埋深693 m，所穿越地层的岩性主要为三叠系中统（T2 a）绿帘石（石英）片岩、板岩夹绿泥石片岩及少量灰岩、变质石英砂岩等。2号施工斜井承担的主洞施工段以Ⅳ， Ⅴ类围岩为主，Ⅲ类围岩洞段较少，如表1所示。由于主洞施工时存在两个工作面同时施工的情况，因此主洞内采用自卸汽车运输至与支洞交叉部位附近后在支洞内“四轨双线”运输的方式，即采用2套矿井提升机和2套10 m3箕斗出渣。

2 斜井矿车最大提升速度分析

GB 20181-2006《矿井提升机和矿用提升绞车安全要求》第4.4.3条规定：斜井用矿车升降物料时速度不应超过5 m/s;用箕斗升降物料时速度不应超过7 m/s，当铺设固定道床并采用大于或等于38 kg/m钢轨时速度不应超过9 m/s;斜井升降人员时的加速度或减速度不应超过0.5 m/s2。

GB 50511-2010《煤矿井巷工程施工规范》第10.3.3条规定：斜井宜采用箕斗提升;提升的加速度或减速度应不超过0.5 m/s2;提升的最大速度应符合《煤矿安全规程（2016）》的有关规定。

GB 16423-2006《金属非金属矿山安全规程》第6.3.2.7条规定：斜井长度不大于300 m时，用箕斗运输物料的速度应不超过5 m/s;斜井长度大于300 m时则应不超过7 m/s;斜井运输人员时的加速度或减速度应不超过0.5 m/s2。

根据上述规程、规范要求，并结合该工程实际，对香炉山隧洞2号施工斜井按提升速度4 m/s（尚有一定提升余地）、加（减）速度0.5 m/s2进行提升运输能力分析。

3 每循环提升时间分析

该施工斜井箕斗每循环提升（下降）时间的计算式为

提升（下降）时间=启动时间+加速时间+正常运行时间+减速时间+低速运行时间

式中：启动时间取5 s，加（减）速度取0.5 m/s2，正常运行速度取4 m/s，加速、减速和低速运行距离均取20 m。计算得到箕斗每循环提升（下降）时间为317 s，约5.3 min。斜井提升时间计算见表2。

4 斜井提升运输能力分析

4.1 提升机能力

（1） 出渣。装渣时间取10 min，卸料时间取1 min，则每次提升系统出渣时间=2×提升（下降）时间+装渣时间+卸料时间=（2×5.3+10+1） min=21.6 min。

箕斗容积为10 m3，则单卷筒提升系统单机出渣能力=10 m3/21.6 min×60=27.8 m3/h。

（2） 混凝土运输。装卸混凝土时间取6 min，则每次提升系统运输混凝土时间=2×提升（下降）时间+装料时间+卸料时间=（2×5.3+6）min=16.6 min。

每次下两节3 m3混凝土罐车，则单卷筒提升系统单机下混凝土运输能力=6 m3/16.6 min×60=21.7 m3/h。

4.2 提升系统运行台时

4.2.1 出 渣

该施工斜井提升系统出渣时间分析见表3。

4.2.2 混凝土运输

该施工斜井提升系统混凝土运输时间分析见表4。

4.2.3 日总运行台时

该施工斜井在考慮提升系统其他运输任务后的总运行时间分析见表5。

根据表5分析得出以下结论。

（1） 两台提升机在总计48台时内可满足每天的运输任务。

（2） 对于上下游双工作面均为Ⅲ类围岩工况时，斜井运输能力基本饱和（机动时间仅1.2台时）。

（3） 单机平均出渣时间为8.5～13.7 h，为使斜井出渣不制约掌子面各工序的连续性，宜在井底附近设置临时转渣仓，以保证掌子面爆渣不因滞留而延误下一工序。

（4） Ⅲ类围岩双工作面最大开挖渣量为763 m3/d，如控制每天单掌子面出渣时间在10 h以内，则按一机10 h+另一机10 h×30%=13台时计算直接出渣量，剩余27.4-13.0=14.4台时为出转存渣时间，得转存渣量=27.8 m3/h×14.4 h=400 m3。由此分析得出，临时转渣仓容量400 m3可以满足要求。

5 实例验证

香炉山隧洞2号施工斜井自2020年7月19日正式进入主洞掘进以来，斜井内采用“四轨双线”的运输方式，即采用2套矿井提升机和2套10 m3箕斗出渣，并辅以皮带机运送混凝土骨料拌和料。提升机主要技术参数见表6。皮带机带宽0.8 m，带速2 m/s，拌和料运输量400 t/h，驱动功率90 kW。提升系统（表6）与皮带机系统配合使用（图2～3），能够满足斜井上下游主洞同时施工两个工作面出渣、进料的运输要求和人员通行要求。

6 结 论

（1） 滇中引水工程香炉山隧洞2号施工斜井井身段净断面设计尺寸为6.5 m×6.0 m（宽×高），采用了提升机“四轨双线”的运输方式，同时井底车场段附近设置容量约为400 m3的临时转渣仓，可以满足支洞承担的主洞上下游工作面同时施工的需求。

（2） 临时转渣仓应日存日清，运输系统需做好日常维护与保养，以保证提升系统的有效运行工时。

（3） 在上述基础上，若再增设皮带机系统辅助出渣进料，可以有效增加斜井的运输能力。

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Research on lifting capacity of long inclined shafts with large slope at Central Yunnan Water Diversion Project

LIU Bo1， MEI Zhenggui2， ZHU Xuexian1， TIE Yi1

（1. Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China; 2. Water Diversion Project Construction Administration of Central Yunnan Province， Kunming 650000， China）

Abstract： Due to the limitation of many factors in construction of deep buried long tunnels， such as tunnel depth， topography， geology， investment， etc.， long inclined shafts with large slope have been used widely in the process of "long tunnel and short drilling". The lifting capacity of transportation determines the design of inclined shaft scheme. No. 2 construction inclined shaft of Xianglushan Tunnel for Central Yunnan Water Diversion Project is taken as an example to carry out a specific analysis for lifting and transportation capacity of long inclined shafts with the large slope， and construction measures are put forward in this paper. The case shows that the proposed measures can meet the construction requirements. This research results can provide a reference for similar projects.

Key words： long inclined shafts with large slope; lifting capacity; Central Yunnan Water Diversion Project; Xianglushan tunnel