特長公路隧道大直徑豎井提升設備的選型與布置

吳永建，羅 剛，李文權，魏富貴，李 鰲，劉 暢

(1.四川攀大高速公路開發有限責任公司，四川 攀枝花 617000； 2.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064；3.四川川交路橋有限責任公司，四川 廣漢 618300)

0 引 言

隨著“一帶一路”戰略的推進，特長深埋公路隧道日益增多。為輔助施工和運營通風，越來越多的特長公路隧道通風井選擇了豎井[1]。豎井施工具有空間小、難度大、交叉作業等特點，其安全風險大、施工工期長、設備投入多[2]。所以，對特長公路隧道通風豎井提升設備選型與布置進行研究，有利于積累公路隧道豎井施工經驗，提高施工效率。

在國內學者對豎井的研究中，采礦行業占較大比例[3]。張鋒[4]介紹了黃玉川礦井副立井提升系統的裝備特點；李永強等[5]對副井雙罐籠同時提升時的過渡套架及提升設備進行了選型分析；毛春雷[6]研究了尖山鐵礦主井的提升設備及電控方案，確保了提升系統的安全以及高效；李德臣等[7]對紅慶梁煤礦特大直徑副立井提升設備進行了選型，提高了工作效率，節約了成本。

交通行業也對豎井進行了一定研究：韓瑀萱等[8]以米倉山特長隧道豎井為工程依托，對環保區深大豎井的施工技術、施工配套設備和施工管理等方面進行了探討；冷希喬等[9]對國內外不同行業豎井的設計和施工技術進行總結，提出了米倉山隧道通風豎井設計布置原則和施工方法；仝金璞[10]結合烏鞘嶺隧道大臺豎井設備配套及管理經驗，介紹了高原、高寒軟弱地質區域深豎井施工的設備配套技術。目前公路交通行業關于豎井的建設大多借鑒采礦行業，對于超大直徑通風豎井的研究仍然不全面[11-12]。本文以寶鼎2號隧道通風豎井為工程依托，對豎井的提升設備選型和現場布置進行研究，旨在提供新的公路隧道超大直徑豎井設計思路，提高效率，研究結果亦可為其他同類工程提供參考。

1 工程概況

寶鼎2號隧道是攀枝花至大理(四川境)高速公路的控制性工程，為雙向四車道分離式隧道，全長8.7 km。隧道設計采用豎井集中送排式縱向通風方式，通風豎井深228 m，襯砌后凈直徑9.6 m，通過聯絡風道與左右線主洞連接，豎井中間設置“十”字中隔墻將其分為2個送風道和2個排風道。送風和排風道的截面積均為16.49 m2，如圖1所示。

圖1 豎井平面布置

豎井采用正井法自上而下開挖，聯絡風道采用新奧法施工。井身段和聯絡風道均采用復合式襯砌結構，襯砌方式為現澆鋼筋混凝土。豎井圍巖綜合分級為井口62.5 m內為Ⅴ級圍巖，其余為Ⅳ級圍巖。

2 提升設備選型

豎井的提升系統包括鋼絲繩、絞車、天輪、井架和吊桶，下面將對其選型進行介紹。

2.1 鋼絲繩的選型計算

鋼絲繩的選型是豎井提升設備選型的關鍵[13]。鋼絲繩的選型首先要計算出鋼絲繩的繩端荷載和單位質量，依據單位質量計算結果，參考《鋼絲繩通用技術條件》(GB/T 20118—2017)，可確定鋼絲繩的型號，并進行安全系數校核。鋼絲繩的選型步驟如圖2所示，選型計算公式如表1所示，選配的鋼絲繩型號見表2。

表2 鋼絲繩選型

圖2 鋼絲繩選型步驟

表1 鋼絲繩的選型計算

2.2 絞車的選型計算

絞車是依托鋼絲繩來升降和牽引人員、物料的器械，其選型與鋼絲繩密切相關[14]。豎井絞車包括主、副提升機各1臺和若干穩車，主、副提升絞車用于運輸材料和人員，穩車用于懸吊設備，包括吊盤、風水管、溜灰管、抓巖機、模板和安全梯。提升絞車的選型計算步驟如圖3所示。

提升絞車卷筒直徑D參照式(1)進行計算。

D≥60ds；D≥900δmax

(1)

式中：ds、δmax分別為鋼絲繩直徑和最粗鋼絲直徑。

按照卷筒直徑DT≥D，并參考《鑿井工程圖冊》(QB/JZ TC09—2016)的絞車型號，選取直徑最接近計算結果的提升絞車。主、副提升機均選擇卷筒直徑為3.0 m的JK-3/20A型絞車，如圖4所示。采用主、副2套提升絞車系統，不僅使鑿井施工速度大大提高，而且主、副提升機還可互為備用，在各種復雜情況下都可以保證整個井筒正常施工[15]。絞車的參數見表3。通過表4的驗算證明，絞車選型符合要求。

表3 提升絞車的參數

表4 提升絞車驗算

2.3 穩車選型驗算

穩車懸吊能力主要根據提升機牽引力和提升高度來標定，其選型計算公式為

Fj≥Qs

(2)

S≥H0

(3)

式中：Fj為穩車最大靜張力；Qs為鋼絲繩懸吊的終端荷載與鋼絲繩自重之和；S為穩車卷筒容繩量；H0為穩車的懸吊深度。

根據現場施工需求，穩車容繩量需超過300 m，鋼絲繩速度控制在3～6 m·min-1，參照表2，懸吊吊盤絞車的總牽引力應超過132.1 kN，模板絞車牽引力應超過94.0 kN，抓巖機絞車牽引力應超過90.0 kN，安全梯絞車牽引力應超過34.0 kN，風水管絞車牽引力應超過62.2 kN，溜灰管絞車牽引力應超過173.4 kN。根據《鑿井工程圖冊》，所選穩車型號參數見表5。現場穩車安裝如圖5所示。

表5 穩車型號與參數

圖5 JZ-16/800A型穩車

2.4 其他提升設備的選型

2.4.1 天輪的選型

天輪是安裝于天輪平臺，支撐和導向鋼絲繩的器械。參照《煤礦安全規程》，提升天輪的直徑Rt需滿足

式中：ds、δmax分別為鋼絲繩直徑和最粗鋼絲直徑。計算結果選取最大值，參考《鑿井工程圖冊》中的天輪型號表進行選擇，考慮到天輪平臺空間有限，選取直徑最接近計算結果的天輪。

按照穩車的性能，懸吊天輪分為單槽懸吊天輪和雙槽懸吊天輪2種。單槽懸吊天輪主要用于懸吊吊盤和穩繩，雙槽懸吊天輪多用于懸吊施工管線、風筒及穩繩。參照《煤礦安全規程》，懸吊天輪的直徑Dw需滿足

Dw≥20ds

(6)

式中：Dw為天輪直徑；ds為鋼絲繩直徑。根據《鑿井工程圖冊》選擇對應直徑的天輪，豎井天輪選配見表6。

表6 豎井天輪選配

2.4.2 井架的選型

豎井井架是一種固定布置于豎井頂部，承擔所有施工荷載的裝置。井架選型必須結合現場工程實際，綜合考慮豎井深度、直徑、施工方法、出碴方式等因素，選出的井架還需進行承載能力驗算。豎井深228 m，直徑9.6 m，參考《鑿井工程圖冊》，選取V形井架(圖6)，具有一定的安全儲備，主要尺寸和質量如表7所示。

表7 井架參數

圖6 V形井架

井架承載能力參照式(7)進行驗算。

Qz=Qh+Q0

(7)

式中：Qz為井架承擔總荷載；Qh為井架承擔恒載，即天輪平臺重量與天輪軸承座總重，依據工程實際，取398.5 kN；Q0為鋼絲繩繩端荷載之和，參照表2進行計算，取585.7 kN。因此，Qz=984.2 kN，小于井架允許最大荷載值，所選井架符合要求。

2.4.3 吊桶的選型

吊桶是運輸豎井施工人員及物料的主要工具，選擇合適的吊桶大小，可以提升排碴能力，滿足裝巖和提升能力的要求，不影響裝巖提升工作的連續進行[16-17]。根據《簡明建井工程手冊》，在確保豎井施工提升能力的基礎上，對吊桶進行選型，其選型計算步驟如表8所示。

表8 吊桶選型計算

所選吊桶還需進行提升絞車強度驗算，即

Fj≥Q+Qz+PSBH0

(8)

式中：Fj為提升絞車最大靜張力，參照表4；Q為提升物料荷載，取104.1 kN；Qz為吊桶荷載，取27.3 kN；PSB為鋼絲繩單位荷載(kg·m-1)；H0為鋼絲繩長度，取300 m。

3 設備布置

豎井設備布置是否合理，直接影響到工程進度、施工安全及經濟效益。在有限的面積和空間內，要布置大量的鑿井設備，且這些設備將長期處于運行狀態，起落移動頻繁。因此，所有的移動設備之間，以及它們與固定設備、設施之間，必須保持一定的安全間隙。根據《煤礦安全規程》，鑿井期間井筒內各設施的安全間隙見表9，井口的設備布置見圖7。地面設備布置見圖8，地面設備立面布置見圖9。

圖9 設備立面布置

圖8 地面設備布置

表9 鑿井期間井筒內各設施之間的間隙

圖7 井口設備布置

4 結 語

本文對寶鼎2號隧道超大直徑通風豎井提升系統的選型與驗算進行了探討，得出以下結論。

(1)大直徑通風豎井的提升設備選型可按照鋼絲繩、絞車、天輪、井架與吊桶選型的步驟進行，選擇合適的鋼絲繩型號是豎井提升設備選型的基礎。

(2)絞車、天輪、吊桶等提升設備選型可參考常規豎井，但井架的選型不同，對于大直徑通風豎井，井架選型要充分考慮豎井幾何尺寸、施工出碴需求、專業機械設備配套、場地限制等因素。

(3)超大直徑通風豎井的研究對于特長公路隧道尤為重要。完成了提升設備選型之后，還可以從豎井設備地面布置、井架受力驗算、井下設備配套技術等方面展開進一步的研究。