不同提升方式下豎井運輸能力和井徑分析

摘要：為滿足隧洞出渣和進料的運輸要求，以滇中引水工程香爐山隧洞為例，對隧洞施工過程中豎井的運輸能力進行分析，研究豎井采用不同提升方式下的出渣和進料運輸能力。分析了吊桶、箕斗和罐籠的提升運輸速度和單循環運行時間及隧洞的出渣強度和進料強度，比較了豎井采用3種不同提升方式下的出渣運輸能力和進料運輸能力，并給出不同提升方式下的提升容器配置，最后根據豎井斷面布置得出最優井徑。研究結果表明：豎井井徑主要由隧洞出渣工況控制，隧洞采用鉆爆法施工所需豎井運輸能力最小，采用吊桶提升方式所需井徑最小。研究成果可為類似豎井工程設計提供參考。

關鍵詞：豎井運輸能力； 輸水隧洞； 吊桶； 箕斗； 罐籠； 滇中引水工程

中圖法分類號：TV52；TD53 文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.04.016 文章編號：1006-0081（2025）04-0084-06

0 引 言

豎井作為物料運輸、人員運輸的重要通道，同時兼做通風和排水使用，近年來被廣泛運用于隧洞工程建設中［1］。例如，引洮供水某段工程采用豎井作為運輸通道［2］；北疆供水二期工程某標段采用豎井作為主洞的人員和物料運輸通道［3］；泉州市惠女—菱溪黃塘引調水工程將豎井作為輸水隧洞上下游開挖的出渣運輸通道［4］；寶鼎2號隧道采用豎井作為通風通道，并對提升設備進行了選型設計研究［5］。豎井具有運輸距離短、運輸效率高的優點，在輸水隧洞上方設置豎井，可以開辟工作面，實現長洞短打，并縮短工期，在長距離輸水隧洞中具有良好的應用前景［6］。隧洞工程中，豎井主要用于開挖過程中的出渣和進料運輸，同時承擔著運送人員、吊運設備、滿足井下施工通風和排水等需求。這些需求與豎井斷面大小及井徑的確定相關。豎井常用的提升運輸容器有箕斗、罐籠和吊桶［7］，根據施工強度，分析不同提升方式下的豎井運輸能力，比較分析豎井斷面布置形式，得出最優井徑，可使工程施工更加高效和經濟［8］。

本文以滇中引水工程香爐山隧洞為例，參考香爐山隧洞斜井出渣進料運輸能力和斷面尺寸進行分析，研究香爐山隧洞在不同施工方案下，豎井采用不同提升方式的出渣和進料運輸能力以及井徑大小。

1 工程概況

滇中引水工程位于云南省境內，其中香爐山隧洞長度超60 km，最大埋深超1 400 m。該輸水隧洞擬采用鉆爆施工、TBM施工和懸臂式掘進機施工的方法進行開挖。隧洞設計斷面為圓形，采用鉆爆法和懸臂式掘進機開挖襯后凈斷面直徑8.3 m，采用TBM法開挖Ⅲ類圍巖襯后凈斷面直徑8.5 m，開挖Ⅳ，Ⅴ類圍巖襯后凈斷面直徑8.4 m。

該輸水線路地質條件具有“地應力高、外水壓力高、地震烈度高、地下水環境活躍、地質構造活躍”的特點，局部洞段地質條件復雜。主要巖性有灰巖類、砂泥巖類、玄武巖類和片巖類等，隧洞穿越多個區域性大斷裂（帶），整體圍巖條件較破碎，Ⅳ，Ⅴ類圍巖占比較多。在施工過程中曾發生掌子面突泥涌水、軟巖大變形等工程問題，造成一定的經濟損失，延誤工期。因此，決定采用增加多座豎井的方式新增多個隧洞施工工作面，以實現輸水隧洞的長洞短打，保障工期并盡快發揮其經濟效益。豎井采用圓形斷面，井徑大小應滿足井下施工工作面出渣和進料提升運輸能力需要。

2 施工與運輸方案

根據輸水隧洞施工進度安排和工程區地質條件分析，在隧洞軸線上某樁號增加2號豎井，主要承擔井底隧洞上下游控制段開挖支護的出渣和進料以及其他輔助運輸功能。該豎井井深約907 m，現擬對豎井上下游隧洞控制段采用3種不同的施工方案，具體如下。

（1） 方案1。2號豎井上游隧洞控制段、下游隧洞控制段各1 400 m段采用鉆爆法開挖，雙工作面同時施工，出渣和支護進料都從2號豎井運輸，見圖1。

（2） 方案2。2號豎井上游隧洞控制段1 400 m段采用鉆爆法開挖、下游隧洞控制段2 500 m段長采用懸臂式掘進機開挖，雙工作面同時施工，出渣和支護進料都從2號豎井運輸，如圖2所示。

（3） 方案3。2號豎井下游隧洞控制段2 500 m段采用敞開式TBM掘進施工。由于TBM施工進尺快，所需出渣和進料運輸強度較大，為減小2號豎井運輸壓力，2號豎井僅作為TBM掘進出渣通道，TBM支護進料采用其他通道。方案3施工如圖3所示，2號豎井運行期承擔的運輸功能如表1所示。

豎井常采用的提升方式主要有3種：吊桶、箕斗和罐籠［9-10］。吊桶可用于出渣提升、下放混凝土和鋼拱架等支護材料以及運送人員；箕斗專用于出渣提升運輸；罐籠主要通過配備不同型號的礦車用于出渣提升、下放材料，2號豎井擬定3種提升運輸方式，見表2。

3 提升運輸速度分析

根據2022版《煤礦安全規程》相關規定：吊桶升降時的加速度和減速度不得超過0.5 m/s2，吊桶沿鋼絲繩罐道運送人員的最大速度不應超過0.25H（H為提升高度），且計算后數值同時滿足最大不得超過7 m/s、無罐道繩段不得超過1 m/s。吊桶沿鋼絲繩罐道運送物料的最大速度不應超過0.4H（H為提升高度），且計算后數值同時滿足最大不得超過8 m/s，無罐道繩段不得超過2 m/s。2號豎井深度為907 m，提升高度H近似與井深一致，計算吊桶運行速度取值為最大運行速度6 m/s，主加速度0.5 m/s2，主減速度0.5 m/s2，無穩繩低速運行速度1 m/s。

罐籠升降人員時的加速度和減速度不得超過0.75 m/s2，最大速度不應超過0.5H，且計算后數值同時滿足最大不應超過12 m/s；罐籠和箕斗升降物料時最大速度不得超過0.6H。2號豎井深度為 907 m，提升高度H近似與井深一致，計算箕斗、罐籠運行速度取值為最大運行速度12 m/s，主加速度0.7 m/s2，主減速度0.7 m/s2。

4 豎井提升單循環運行時間分析

4.1 吊桶提升單循環運行時間

吊桶單循環出渣運行過程分為以下4個階段：

① 空載下行：加速運行→勻速運行→減速運行→無穩繩低速運行；② 落桶裝渣；③ 裝渣上行：無穩繩低速度運行→加速運行→勻速運行→減速運行；④ 地面卸渣。

吊桶單循環出渣運行時間=空載下行時間+落桶裝渣時間+裝渣上行時間+地面卸渣時間。其中空載下行和裝渣上行互為倒序，運行時間一致。落桶裝渣時長按300 s計算，地面卸渣時長按150 s計算。按照上述工序計算分析得到吊桶單循環出渣運輸時間見表3，吊桶出渣單循環運輸時間約840 s。

吊桶單循環進料運輸過程與出渣運輸一致，吊桶單循環運料運行時間=地面裝料時間+運料下行時間+卸放材料時間+空載上行時間。其中，運料下行和空載上行互為倒序，運行時間一致，可參考表3數據。進料運輸時，地面裝料時長按照120 s計算，卸放材料時長按照60 s計算。經分析，吊桶單循環運料運行時間約570 s。

4.2 罐籠提升單循環運行時間

罐籠單循環出渣運行過程分為以下4個階段：① 空載下行：加速運行→勻速運行→減速運行；② 落罐裝渣；③ 裝渣上行：加速運行→勻速運行→減速運行；④ 地面卸渣。

罐籠單循環出渣運行時間=空載下行時間+落罐裝渣時間+裝渣上行時間+地面卸渣時間。其中，空載下行和裝渣上行互為倒序，運行時間一致。由于罐籠運輸采用礦車裝渣，礦車進出罐籠效率很高，落罐裝渣時長按15 s計算，地面卸渣時長按15 s計算。按照上述運輸工序計算分析得到罐籠單循環出渣運輸時間見表4，罐籠出渣單循環運行時間約214 s。

罐籠單循環進料運輸過程與出渣運輸一致，罐籠單循環進料運行時間=地面裝料時間+運料下行時間+卸放材料時間+空載上行時間。各工序時長與罐籠出渣工況一致，罐籠進料單循環運行時間約214 s。

4.3 箕斗單循環運行時間

箕斗出渣工況單循環運行工序與罐籠出渣工況一致，箕斗裝渣時長按150 s計算，卸渣時長按150 s計算，其他工序時長按照表4計算，箕斗出渣單循環運行時長約484 s。

5 豎井運輸能力分析

隧洞開挖和支護作業月工作時長25 d、日工作時長20 h，豎井提升和下放作業也按照月工作時長25 d、日工作時長按照最大不超過20 h考慮。

5.1 出渣運輸能力分析

5.1.1 隧洞出渣強度分析

隧洞開挖日出渣量計算公式為

式中：AT為隧洞開挖日出渣量，m3；S為隧洞開挖斷面面積（凈斷面+初支+襯砌+預留變形量），m2；L為隧洞開挖月進尺，m；km為豎井出渣不均勻系數，取1.2；kc為出渣松散系數，鉆爆法和懸臂式掘進機開挖取1.53，TBM開挖取1.3。分別使用鉆爆法施工、懸臂式掘進機施工、TBM施工開挖Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ類圍巖單工作面月進尺和開挖斷面尺寸以及日出渣量見表5～7。

據表可知，方案1中上下游同時鉆爆法施工Ⅲ類圍巖的出渣量最大；方案2中上游鉆爆法施工Ⅲ類圍巖、下游懸臂式掘進機施工Ⅳ類圍巖的出渣量最大；方案3中下游TBM法施工Ⅲ類圍巖的出渣量最大。隧洞采用不同施工方案下的最大出渣強度見表8，可見隧洞下游采用方案3（TBM施工）的出渣強度最大，上下游采用方案1（鉆爆法施工）的出渣強度最小。

5.1.2 隧洞出渣運輸能力分析

（1） 吊桶出渣。吊桶單日最大運行時間為20 h，單循環出渣運行時長為840 s，則單日吊桶運輸次數=20×3 600/840=86（次）。出渣選取座鉤式吊桶，型號為TZ-7型，最大容積7 m3，吊桶運輸滿載系數取0.9，則單吊桶單日出渣運輸能力為542 m3。

（2） 箕斗出渣。箕斗單日最大運行時長為20 h，單循環出渣運輸時長為214 s，則單日箕斗運輸次數=20×3 600/484=149（次）。出渣選用立井多繩提煤箕斗，型號為JDG12-110×4型，滿載重量為12 t，箕斗滿載系數取0.9，石渣松散密度約1.63 t/m3，則單箕斗單日出渣運輸能力為987 m3。

（3） 罐籠出渣。罐籠單日最大運行時長20 h，單循環出渣運行時長214 s，則單日罐籠運輸次數=20×3 600/214=337（次）。

出渣選用3 t礦車單層罐籠，型號為JDG3/9/1/1型，罐籠滿載系數取0.9，石渣松散密度約1.63 t/m3，則單罐籠單日出渣運輸能力為558 m3。

根據上述結果分析可知，箕斗出渣運輸能力最大，吊桶出渣運輸能力最小。3種施工方案最大出渣工況下運輸所需的吊桶、箕斗、罐籠個數統計見表9。

5.2 支護進料運輸能力分析

5.2.1 隧洞支護進料強度分析

隧洞支護措施采用初期支護+襯砌的形式，初期支護采用掛網噴混凝土+系統錨桿的方式，Ⅳ，Ⅴ類圍巖增加鋼拱架支護措施，襯砌采用鋼筋混凝土的形式。因此，支護材料的運輸類型分為初支混凝土、襯砌混凝土、噴護鋼筋、襯砌鋼筋、鋼拱架、錨桿以及其他材料等，每種材料需要分開運輸，不可混裝。

隧洞開挖日支護進料強度計算方法：日用料量=每延米支護用料量×日進尺。鉆爆法開挖、懸臂式掘進機開挖支護Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ類圍巖單日單工作面支護進料工程量見表10～11。由于TBM法施工時，2號豎井只承擔出渣運輸功能，故無需分析TBM法施工支護進料強度。

經初步分析，按照方案1，隧洞上下游鉆爆法施工時支護Ⅴ類圍巖，2號豎井進料量最大；按照方案2，隧洞上游鉆爆法施工時支護Ⅴ類圍巖，下游懸臂式掘進機施工時支護Ⅴ類圍巖，2號豎井的進料量最大。

5.2.2 隧洞支護進料運輸能力分析

（1） 吊桶進料運輸。吊桶單日最大運行時間為20 h，單循環進料運行時長為570 s，則單日吊桶運輸次數=20×3 600/570=126（次）。混凝土采用底卸式吊桶（TD-4型，容積4 m3）運輸，鋼材以及其他材料采用座鉤式吊桶（T2-7型，容積7 m3）運輸［11］，運輸鋼材時，每桶運輸量以5 t計。底卸式吊桶運輸混凝土結束后，可更換為座鉤式吊桶繼續運輸鋼材等物料［12］。運輸滿載系數以0.9計，若運輸混凝土，則單吊桶單日運輸能力為453 m3；若運輸鋼材，單吊桶單日運輸能力為630 t。

（2） 罐籠進料運輸。罐籠單日最大運行時長20 h，單循環進料運行時長214 s，則單日罐籠運輸次數=20×3 600/214=337（次）。罐籠選用3 t礦車單層罐籠，型號為JDG3/9/1/1型，運輸滿載系數以0.9計，混凝土密度取2.5 t/m3。若運輸混凝土，則單罐籠單日運輸能力為364 m3；若運輸鋼材，單罐籠單日運輸能力為910 t。則罐籠運輸鋼材的能力強于吊桶，吊桶運輸混凝土的能力強于罐籠。

（3） 進料容器數量統計。隧洞采用3種施工方案下的支護進料運輸所需提升容器數量不受隧洞施工方案和豎井提升方式的影響，所需容器數量均為1。

5.3 豎井綜合運輸能力分析

豎井運輸作業時，為避免出渣和進料工序的干擾，出渣和進料容器應分開使用。使用吊桶運輸時，可采用單繩纏繞式提升機提升，吊桶可為單數。使用箕斗和罐籠運輸時，采用多繩摩擦式提升機提升，箕斗或罐籠應成對出現，若容器數量無法成對，應配備平衡錘。根據上述出渣運輸能力分析和支護進料運輸能力分析的結果，統計不同施工方案下和不同運輸工況下的運輸鉤數統計見表12。

6 豎井斷面布置

比較分析上述成果可知，隧洞采用方案1（上下游鉆爆法施工）時，2號豎井承擔的提升運輸負擔最小，所需運輸容器數量最少。因此，隧洞采用方案1（上下游鉆爆法施工）所需井徑最小。以下僅對方案1的井筒斷面布置進行分析。

井筒斷面尺寸要滿足出渣、進料、通風、排水等所有功能，根據隧洞施工要求，豎井需配備提升容器、排水管、風筒和梯子間等，同時井筒內部布置有罐道和罐道梁，用于保障提升容器的安全穩定運行［13-14］。同時豎井斷面的尺寸應符合2022版《煤礦安全規程》立井提升容器之間以及提升容器最突出部分和井壁之間最小間隙的相關要求［15］。采用方案1在不同運輸工況下的2號豎井橫斷面布置如圖4～6所示。

由圖4～6可知，隧洞采用方案1施工時，吊桶運輸工況所需井徑為7.8 m，罐籠運輸工況所需井徑為9.6 m，箕斗+罐籠運輸工況所需井徑為8.6 m。吊桶運輸所需井徑最小，且與其他改絞方案相比，吊桶改絞方案花費時間短、改絞費用低，即豎井施工到隧洞施工之間工序轉換占用的時間和投資最少［16］。因此，方案1隧洞上下游鉆爆法施工時，從經濟角度分析，出渣和支護進料采用吊桶運輸更合理，2個吊桶出渣、1個吊桶進料，可滿足運輸需求，所需井徑為7.8 m。

7 結論與建議

（1） 豎井采用吊桶提升時，單循環運行時長最長；采用罐籠提升時，單循環運行時長最短。

（2） 隧洞采用方案1（上下游鉆爆法）施工時，豎井出渣強度最小；隧洞采用方案3（下游TBM法）施工時，豎井出渣強度最大。

（3） 箕斗出渣運輸能力最大，吊桶出渣運輸能力最小；罐籠運輸鋼材的能力強于吊桶，吊桶運輸混凝土的能力強于罐籠。

（4） 豎井井徑主要由隧洞出渣工況控制，支護進料量對提升容器數量和井徑影響不大。隧洞采用方案1（上下游鉆爆法）施工時，吊桶運輸所需井徑為7.8 m，罐籠運輸所需井徑為9.6 m，箕斗+罐籠運輸所需井徑為8.6 m。考慮最優井徑，采用吊桶作為輸水隧洞出渣和進料運輸方式更加合理。

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（編輯：張 爽）

Analysis of shaft transport capacity and shaft diameter under different lifting methods

YIN Qinghua1，LIU Bo1，MA Hongjun2，WANG Kang2

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；

2.POWERCHINA Sinohydro Engineering Bureau 14 Co.，Ltd.，Kunming 650206，China）

Abstract： To meet the transportation requirements for slagging and material feeding in the tunnel，taking the Xianglushan Tunnel of Central Yunnan Water Diversion Project as an example，the lifting and transportation capacity of the shaft during the tunnel construction process was analyzed，and the slagging and material feeding transportation capacity of the shaft under different lifting methods was studied.The lifting velocity，single-cycle transportation time of the bucket，skip and cage，as well as the slagging strength and feeding strength of the tunnel were analyzed.The slagging capacity and feeding capacity of the shaft under three different lifting methods were compared，and the configurations of lifting containers under different lifting methods were given.Finally，the optimal shaft diameter was obtained according to the shaft section arrangement.The study results show the shaft diameter was mainly controlled by the slagging conditions of the tunnel.The smallest transport capacity of the shaft was required for tunnel construction using the drilling and blasting method，and the smallest diameter of the shaft was required for the bucket lifting method.The research results can provide a reference for similar shaft projects.

Key words： shaft transportation capacity； water conveyance tunnel； bucket； skip； cage； Central Yunnan Water Diversion Project

收稿日期：2024-04-29

作者簡介：尹清華，男，碩士，主要從事水利水電工程設計與研究工作。E-mail：3164086470@qq.com

作者簡介：劉 波，男，高級工程師，博士，主要從事水利水電工程設計與研究工作。E-mail：4894542@qq.com

引用格式：尹清華，劉波，馬紅鈞，等.不同提升方式下豎井運輸能力和井徑分析［J］.水利水電快報，2025，46（4）：84-89，97.