天臺山特長隧道通風豎井提升設備選型與驗算

索貴文 方羅 王曉川

摘要：隨著我國特長公路隧道的大量出現，隧道通風豎井的數目也隨之增多，隧道通風豎井施工采用正井法施工在國內依然是主要的方法。針對隧道工程通風用大斷面深豎井施工技術復雜、提升過程中安全隱患集中等問題，本文秦嶺天臺山特長隧道2#通風豎井施工為例，開展了系列提升設備選型與安全驗算工作，具體包括鑿井井架選型及驗算、提升鋼絲繩選擇與安全計算、吊盤懸吊鋼絲繩選擇與驗算、鋼絲繩偏角驗算、吊桶驗算、天輪平臺梁驗算等。本文工作確保了天臺山隧道2#通風豎井的安全高效施工，可供類似工程借鑒。

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.

關鍵詞：公路隧道;通風豎井;提升設備;選型;驗算

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

中圖分類號：U455.8? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）31-0168-03

1? 概述

寶坪高速公路秦嶺天臺山隧道左線長15483m、右線長15560m，為特長公路隧道，隧道總體走向近南北向。根據施工圖設計階段通風計算以及初步設計咨詢意見，同時結合國內外超過10km特長隧道通風斜豎井布設情況，采用三井四段式豎井送排式通風方案，其中秦嶺天臺山隧道2號豎井K159+445（ZK159+321）設排、送風豎井各1座， 2#送風豎井深度為554.68m，2#排風豎井深度為560.81m，直徑均為8.5m，兩井口間距34.28m。豎井暗洞襯砌按新奧法原理設計和施工，支護體系結構整體為復合式襯砌，即以錨桿、噴射混凝土、鋼拱架等為初期支護;二次襯砌采用模筑混凝土或鋼筋混凝土，在兩次襯砌之間敷設土工布及防水板;此外，對豎井井口段較為破碎的段落考慮采用一定超前注漿方案以增強豎井施工的安全性。施工中需作好現場監控量測及超前地質預報，根據實際地質情況及時調整支護參數，實現“動態設計，信息化施工”的設計理念。秦嶺天臺山隧道2#通風豎井工期緊、任務重，因此選擇合適的豎井提升設備，并對其進行安全驗算，對提高該通風豎井施工工效、降低施工安全風險，確保工程按期完工有著重要的作用。本文以秦嶺天臺山特長隧道2#通風豎井施工為例，擬對該豎井施工中提升設備選型與安全驗算進行分析，分析結果對公路隧道大斷面深豎井安全施工具有重要意義。

2? 鑿井井架選型

根據本工程的實際情況，選擇IVG型井架，井架是由各種鋼管、工字鋼經法蘭盤連接而成的空間框架結構，井架金屬結構質量58.541噸，最大承載能力400噸，具有承載力較高，完全滿足工程要求。井架基礎頂面到天輪平臺頂面高度26.4m，滿足井架所需最小高度23.625m的空間要求，底部跨度15.3×15.3m，天輪平臺尺寸7.0×7.0m。

2.1 井架穩定性驗算

當提升小挖機時，井架的傾覆力矩最大，此時主提升鋼絲繩拉力為：

式中：Q—提升挖機重量，5500kg;QZ—提升容器及連接裝置重量，465kg;Ho—鋼絲繩最大懸垂高度，577m;PSB—鋼絲繩單位長度重量，4.07kg/m。代入上述參數，計算得Fj=8313kg。

鋼絲繩水平方向力：

鋼絲繩垂直方向力：

井架自重58.541t，翻矸平臺均布荷載500kg/m2，井架、翻矸平臺總重：

一個基礎的重力：;L1=8.5m;圖1中所示的各高度為：L1=8.5m、L2=9.85m、L3=17.5m、L4=2.2m、h1=26.4m。

垂直力和另一邊基礎對井架產生的抵抗力矩：

在主提升方向產生的鋼絲繩的水平力和風荷載對井架產生的傾覆力矩為：

式中：ΣV—鋼絲繩垂直拉力合力，141912N;Q—井架、翻矸平臺的重力，1017860N;G—一個基礎的重力，402000N;L1、L2、L3、L4—ΣV、Q、G距傾覆中心A的距離;ΣH—鋼絲繩水平拉力合力，58782N;h1—ΣH距點A的距離，26.4m。將上述各參數代入式（3）和式（4），可得抵抗力矩MW（27070973N·m）和傾覆力矩MQ（1551845N·m），進一步計算井架抗傾覆安全系數為：

由式（5）的計算結果可知，所選井架穩定性滿足要求。

2.2 井架基礎強度驗算

當豎井吊盤和2個吊桶同時懸吊時，井架承受豎向最不利荷載。井架自重58.541噸，翻矸平臺均布荷載500kg/m2，井架、翻矸平臺總重：

吊盤自重約20噸，采用6根鋼絲繩懸吊，鋼絲繩單位重量3.383kg/m，吊盤上小型機具等重量取1.5噸，每個吊桶裝渣時重量按6噸計算，吊桶鋼絲繩單位重量4.07kg/m，所有鋼絲繩長度均取577m，鋼絲繩與地面夾角取45°。吊盤、吊桶等鋼絲繩拉力為：

井架基礎所受的豎向荷載為：

將Q、FJ值代入式（7）得FH=1869801.953N。每個基礎所受豎向荷載為：

基礎受壓面積為1m2，采用C40混凝土澆筑，基礎受壓面應力為：

混凝土基礎強度滿足要求。

3? 提升鋼絲繩選擇與安全計算

3.1 安全系數選擇的依據

根據《煤礦安全規程》第四百零八條規定，對于提升鋼絲繩安全系數規定如下：提升挖掘機時安全系數K≥6.5、懸掛風管的鋼絲繩安全系數K≥5，懸掛吊盤的鋼絲繩安全系數K≥6，懸掛輸料管的鋼絲繩安全系數K≥5，懸掛安全梯的鋼絲繩安全系數K≥6。

3.2 提升重量的計算

根據工程實際，提升機主要用于人員、和物料上下的提升，載重量最大物重為挖掘機提升時為5500kg。

3.3 提升鋼絲繩的選擇

根據式（1）的計算結果，知鋼絲繩的最大提升荷載為8313kg，提升鋼絲繩選擇18×7-Φ31-170特型不旋轉鋼絲繩。提升鋼絲繩安全系數按下式計算：

式中：m—計算安全系數;Qp—鋼絲繩最大破斷力總和，60650kg;Fj—提升物料的最大靜張力，8313kg。

將擇18×7-Φ31-170特型不旋轉鋼絲繩最大破斷力總和Qp及提升物料的最大靜張力Fj代入公式（9），得提升鋼絲繩的安全系數為7.3，《煤礦安全規程》第四百零八條規定m取6.5。因此，所選18×7-Φ31-170特型不旋轉鋼絲繩滿足要求。

4? 吊盤懸吊鋼絲繩選擇與驗算

吊盤自重約20000kg。考慮在吊盤上的負荷因素（人員、機械設備等），計算時預留3噸的富余量。每根鋼絲繩承擔的荷載為：

式中：F為吊盤懸吊鋼絲繩終端荷重。每根鋼絲繩的最大靜張力為：

將鋼絲繩單位長度重量PSB（3.383kg/m）和長度代入式（10），計算每根鋼絲繩的最大靜張力為7950kg。根據上述計算結果，吊盤懸吊鋼絲繩選擇6根6×19-23-170型鋼絲繩懸吊，其中2根吊盤懸吊繩兼作穩繩。

按公式（9）驗算吊盤懸吊鋼絲繩的安全性，其中6×19-23-170型鋼絲繩的破斷力總和為60850kg，將之連同每根鋼絲繩的最大靜張力代入公式（9），計算得到吊盤懸吊鋼絲繩的安全系數為7.65，大于（《煤礦安全規程》規定的6.0。因此，所選6×19-23-170型鋼絲繩滿足要求。

5? 結束語

本文以秦嶺天臺山特長隧道2#通風豎井施工為例，開展了鑿井井架選型及井架穩定性與井架基礎強度驗算、提升鋼絲繩選擇與安全計算、吊盤懸吊鋼絲繩選擇與驗算、鋼絲繩偏角驗算、吊桶驗算、天輪平臺梁驗算等工作。主要結論如下：①天臺山隧道2#通風豎井選擇IVG型井架，井架抗傾覆穩定性及井架基礎強度均滿足要求。②提升鋼絲繩經計算選擇18×7-Φ31-170特型不旋轉鋼絲繩，其安全系數為7.3，滿足（《煤礦安全規程》要求。③吊盤懸吊鋼絲繩選擇6根6×19-23-170型鋼絲繩懸吊，其中2根吊盤懸吊繩兼作穩繩;吊盤懸吊鋼絲繩的安全系數為7.65，大于（《煤礦安全規程》規定的6.0，可滿足要求。

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