滇中引水工程大坡度長斜井提升運輸能力研究

劉波 梅爭貴 朱學(xué)賢 帖熠

摘要：由于隧洞埋深、地形、地質(zhì)、投資等眾多因素限制了深埋長隧洞建設(shè)，大坡度長斜井在“長隧短打”的工程中得到了越來越多的應(yīng)用，其提升運輸能力決定了斜井方案的設(shè)計。以滇中引水工程香爐山隧洞2號施工斜井為例，對大坡度長斜井的提升運輸能力進行了詳細分析并提出了具體施工措施方案。實踐證明，該措施可以滿足施工要求。研究成果可為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：大坡度長斜井; 提升能力; 滇中引水工程; 香爐山隧洞

中圖法分類號：TV53 文獻標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.06.009

文章編號：1006 - 0081（2022）06 - 0049 - 04

0 引 言

為加快深埋長隧洞施工進度，通過增設(shè)斜井、平洞等輔助支洞另辟工作面以實現(xiàn)“長隧短打”是常用的有效措施[1-2]。由于受隧道埋深、地形、地質(zhì)、投資等條件的限制，輔助支洞往往坡度較陡、距離較長，并且不適合汽車運輸，需要采用適合大坡度長斜井有軌運輸?shù)脑O(shè)備和方案[3-6]。斜井有軌運輸需要承擔(dān)出渣、進料（鋼筋、混凝土等）、行人的繁重任務(wù)，大坡度長斜井有軌運輸?shù)哪芰Q定了斜井前期優(yōu)選方案和合理設(shè)計，尤其是斜井橫斷面尺寸、提升設(shè)備配置、井口施工場地布置等，一旦建成將難以調(diào)整[7-10]。本文以滇中引水工程香爐山隧洞2號施工斜井為例，對大坡度長斜井的提升運輸能力進行分析，并提供了具體的措施方案。

1 工程概況

滇中引水工程香爐山隧洞2號施工斜井進口高程2 372.00 m，洞底高程2 023.00 m，高差349.00 m，長約1 173 m;斜井縱斷面由水平段、井身段及井底車場段3部分組成，井身段縱坡-17.63°。斜井水平段及井身段除需滿足出渣、進料任務(wù)外，還需滿足三臂臺車、3 m3裝載機、20 t自卸車進入主洞內(nèi)施工的需求，以及風(fēng)、水、電管線和人行道的布置要求。因此，水平段和井身斜井段凈斷面設(shè)計尺寸為6.5 m×6.0 m（寬×高），橫斷面示意如圖1所示。井底車場段（水平段）與井身段寬度一致，還需滿足通風(fēng)管、主洞自卸車卸料高度要求等，因此車場段凈斷面設(shè)計尺寸為6.5 m×10.0 m（寬×高）。

香爐山隧洞2號斜井穿越地層的巖性可分為3段：洞口段為殘坡積的碎礫石土，厚3～5 m，碎礫石含量20%～30%，粒徑為1～3 cm，亞圓狀;井身段隧洞圍巖主要為三疊系中統(tǒng)（T2 a）綠簾石（石英）片巖、綠泥石片巖夾少量變質(zhì)長石石英砂巖，局部地段含黃銅礦物質(zhì)，呈結(jié)核狀或斑點狀，粒度0.3～1.0 cm，巖體以弱-微風(fēng)化為主，巖層走向NE，傾向NW，傾角30°～36°;井底段為龍蟠-喬后斷裂主斷帶（F10-1），構(gòu)造巖為角礫巖夾碎粒巖及碎粉巖，膠結(jié)較好，巖質(zhì)較疏松-較堅硬狀，局部段構(gòu)造強烈，巖體較破碎。Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ類圍巖長度占比分別為30.7%， 50.0%和19.3%。采用“雙軌單線”的運輸方式進行斜井施工，即采用1套礦井提升機和1套10 m3箕斗出渣。

香爐山隧洞2號斜井承擔(dān)主洞上游2.34 km和下游2.06 km的鉆爆施工任務(wù)。主洞最大開挖直徑約11 m，埋深360～650 m，最大埋深693 m，所穿越地層的巖性主要為三疊系中統(tǒng)（T2 a）綠簾石（石英）片巖、板巖夾綠泥石片巖及少量灰?guī)r、變質(zhì)石英砂巖等。2號施工斜井承擔(dān)的主洞施工段以Ⅳ， Ⅴ類圍巖為主，Ⅲ類圍巖洞段較少，如表1所示。由于主洞施工時存在兩個工作面同時施工的情況，因此主洞內(nèi)采用自卸汽車運輸至與支洞交叉部位附近后在支洞內(nèi)“四軌雙線”運輸?shù)姆绞剑床捎?套礦井提升機和2套10 m3箕斗出渣。

2 斜井礦車最大提升速度分析

GB 20181-2006《礦井提升機和礦用提升絞車安全要求》第4.4.3條規(guī)定：斜井用礦車升降物料時速度不應(yīng)超過5 m/s;用箕斗升降物料時速度不應(yīng)超過7 m/s，當(dāng)鋪設(shè)固定道床并采用大于或等于38 kg/m鋼軌時速度不應(yīng)超過9 m/s;斜井升降人員時的加速度或減速度不應(yīng)超過0.5 m/s2。

GB 50511-2010《煤礦井巷工程施工規(guī)范》第10.3.3條規(guī)定：斜井宜采用箕斗提升;提升的加速度或減速度應(yīng)不超過0.5 m/s2;提升的最大速度應(yīng)符合《煤礦安全規(guī)程（2016）》的有關(guān)規(guī)定。

GB 16423-2006《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》第6.3.2.7條規(guī)定：斜井長度不大于300 m時，用箕斗運輸物料的速度應(yīng)不超過5 m/s;斜井長度大于300 m時則應(yīng)不超過7 m/s;斜井運輸人員時的加速度或減速度應(yīng)不超過0.5 m/s2。

根據(jù)上述規(guī)程、規(guī)范要求，并結(jié)合該工程實際，對香爐山隧洞2號施工斜井按提升速度4 m/s（尚有一定提升余地）、加（減）速度0.5 m/s2進行提升運輸能力分析。

3 每循環(huán)提升時間分析

該施工斜井箕斗每循環(huán)提升（下降）時間的計算式為

提升（下降）時間=啟動時間+加速時間+正常運行時間+減速時間+低速運行時間

式中：啟動時間取5 s，加（減）速度取0.5 m/s2，正常運行速度取4 m/s，加速、減速和低速運行距離均取20 m。計算得到箕斗每循環(huán)提升（下降）時間為317 s，約5.3 min。斜井提升時間計算見表2。

4 斜井提升運輸能力分析

4.1 提升機能力

（1） 出渣。裝渣時間取10 min，卸料時間取1 min，則每次提升系統(tǒng)出渣時間=2×提升（下降）時間+裝渣時間+卸料時間=（2×5.3+10+1） min=21.6 min。

箕斗容積為10 m3，則單卷筒提升系統(tǒng)單機出渣能力=10 m3/21.6 min×60=27.8 m3/h。

（2） 混凝土運輸。裝卸混凝土?xí)r間取6 min，則每次提升系統(tǒng)運輸混凝土?xí)r間=2×提升（下降）時間+裝料時間+卸料時間=（2×5.3+6）min=16.6 min。

每次下兩節(jié)3 m3混凝土罐車，則單卷筒提升系統(tǒng)單機下混凝土運輸能力=6 m3/16.6 min×60=21.7 m3/h。

4.2 提升系統(tǒng)運行臺時

4.2.1 出 渣

該施工斜井提升系統(tǒng)出渣時間分析見表3。

4.2.2 混凝土運輸

該施工斜井提升系統(tǒng)混凝土運輸時間分析見表4。

4.2.3 日總運行臺時

該施工斜井在考慮提升系統(tǒng)其他運輸任務(wù)后的總運行時間分析見表5。

根據(jù)表5分析得出以下結(jié)論。

（1） 兩臺提升機在總計48臺時內(nèi)可滿足每天的運輸任務(wù)。

（2） 對于上下游雙工作面均為Ⅲ類圍巖工況時，斜井運輸能力基本飽和（機動時間僅1.2臺時）。

（3） 單機平均出渣時間為8.5～13.7 h，為使斜井出渣不制約掌子面各工序的連續(xù)性，宜在井底附近設(shè)置臨時轉(zhuǎn)渣倉，以保證掌子面爆渣不因滯留而延誤下一工序。

（4） Ⅲ類圍巖雙工作面最大開挖渣量為763 m3/d，如控制每天單掌子面出渣時間在10 h以內(nèi)，則按一機10 h+另一機10 h×30%=13臺時計算直接出渣量，剩余27.4-13.0=14.4臺時為出轉(zhuǎn)存渣時間，得轉(zhuǎn)存渣量=27.8 m3/h×14.4 h=400 m3。由此分析得出，臨時轉(zhuǎn)渣倉容量400 m3可以滿足要求。

5 實例驗證

香爐山隧洞2號施工斜井自2020年7月19日正式進入主洞掘進以來，斜井內(nèi)采用“四軌雙線”的運輸方式，即采用2套礦井提升機和2套10 m3箕斗出渣，并輔以皮帶機運送混凝土骨料拌和料。提升機主要技術(shù)參數(shù)見表6。皮帶機帶寬0.8 m，帶速2 m/s，拌和料運輸量400 t/h，驅(qū)動功率90 kW。提升系統(tǒng)（表6）與皮帶機系統(tǒng)配合使用（圖2～3），能夠滿足斜井上下游主洞同時施工兩個工作面出渣、進料的運輸要求和人員通行要求。

6 結(jié) 論

（1） 滇中引水工程香爐山隧洞2號施工斜井井身段凈斷面設(shè)計尺寸為6.5 m×6.0 m（寬×高），采用了提升機“四軌雙線”的運輸方式，同時井底車場段附近設(shè)置容量約為400 m3的臨時轉(zhuǎn)渣倉，可以滿足支洞承擔(dān)的主洞上下游工作面同時施工的需求。

（2） 臨時轉(zhuǎn)渣倉應(yīng)日存日清，運輸系統(tǒng)需做好日常維護與保養(yǎng)，以保證提升系統(tǒng)的有效運行工時。

（3） 在上述基礎(chǔ)上，若再增設(shè)皮帶機系統(tǒng)輔助出渣進料，可以有效增加斜井的運輸能力。

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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