譚祥國/TAN Xiang-guo

(中鐵二局第四工程有限公司，四川 成都 610300）

隨著國家經濟和科技的飛速發(fā)展，隧道工程的規(guī)模及設計長度不斷刷新,出現了許多特長山嶺隧道。為加快隧道施工進度，特長隧道施工常常通過增設豎井、斜井、橫洞等輔助導洞多開工作面。而輔助導洞也往往因為地形等原因出現較陡的坡度，礦斗車有軌運輸具有難以替代的優(yōu)勢。因此，斜井提升系統(tǒng)設備選型配套對整個工程施工的成敗顯得尤其重要。

1 工程概述

山西省中部引黃工程是山西省“十二五”規(guī)劃大水網建設中一項重要的工程。工程干線自天橋水電站庫區(qū)取水，供水范圍包括4市16個縣。工程包括取水工程和輸水工程。為加快隧道施工進度，引水隧道沿線基本設置斜井。山西中部引黃工程引水隧道各斜井斜距長、斷面小、坡度大，對保證正線隧道施工發(fā)揮著重要作用。施工前合理確定施工方案、做好提升系統(tǒng)設備選型與配套，對各斜井安全、經濟、快速施工具有重要的指導作用。

我公司標段總長約15.2km，引水隧道共設5個直線斜井，斜井獨頭掘進，由斜井進入正洞后向兩邊共分10個作業(yè)面進行施工。各斜井隧洞凈空斷面?。▋艨?.6×5m)，局部洞段埋深較大（400m），除51#斜井外其余斜井縱坡在28.35%～40.83%之間，傾角在15.83°～22.208°之間,長度在593.92～752m之間。幾個斜井所承擔的主洞施工任務繁重，出碴、材料及人員運輸困難，施工效率很低。本文以傾角最大的50#斜井為例重點介紹該類大傾角直線斜井提升系統(tǒng)設備選型配套技術。

2 斜井提升系統(tǒng)設計

2.1 總體運輸施工方案確定

緩坡斜井低于13°(i=0.23)以下可采用汽車運輸,陡坡斜井坡度在16°～24°(i=0.3～0.45)只能用絞車提升運輸。50#斜井為直線斜井，與正洞垂直相交，坡角22.208°，有效長度593m。根據該斜井的設計及工期目標計劃，經過方案研究比選，決定在斜井洞口設置單卷筒絞車,采用WY-120/55L履帶挖掘式裝載機（扒碴機）裝碴，絞車配合曲軌側卸式礦車有軌運輸出碴。正洞采用小型電動自卸貨車無軌運碴，在斜井與正洞交叉處經過無軌與有軌轉換系統(tǒng)。設置斜井絞車提升曲軌側卸式礦車運碴至井外卸碴棧橋，然后通過自卸汽車倒運至棄碴場的斜井提升系統(tǒng)(圖1)。

2.2 礦斗車容積計算

圖1 提升系統(tǒng)縱斷面示意圖

曲軌側卸式礦車容積是由斜井工區(qū)的工期推算確定的。斗車容量選擇要堅持合理、經濟、有效并留有一定富余系數的原則。根據斜井施工組織安排，洞身段全斷面開挖IV、V類圍巖循環(huán)進尺控制在1.5m左右，Ⅲ類圍巖循環(huán)進尺控制在2.5m左右。整個施工環(huán)節(jié)開挖出碴是關鍵的控制因素，以此作為礦車容積的計算依據。按照斜井Ⅲ級圍巖設計圖紙，開挖斷面為20.7m2，松散系數取1.4。計算得Ⅲ類圍巖每工作循環(huán)最大碴土量 Vmax=2.5×20.7×1.4=72.45m3。

按照每個循環(huán)安排的出碴時間不超過3.5h，則每小時的出碴量V小時=Vmax/3=20.7m3/h。

當絞車提升速度v選取2.7m/s時，每車提升循環(huán)時間T=井底裝碴時間+線路運行時間(593+40m 計 算 )=300+2×(593+40）/2.7=769s，即每小時提升4.7車，可得曲軌側卸式礦車容積V=V小時T=20.7/4.7=4.4m3。

曲軌側卸式礦車幾何尺寸要綜合考慮扒碴機尾部尺寸、軌距、物料裝載等因素確定。最后確定容積為5m3（長×寬×高＝4 200mm×1 500mm×1 550mm)，裝載碴土時不得超過4.5m3，同時便于其他松散物件的裝載。

2.3 絞車提升速度

曲軌側卸式礦車的運行速度要綜合考慮提升絞車的提升能力、軌道安裝質量、軌距、行車平穩(wěn)性等因素。根據進度安排，考慮絞車提升系統(tǒng)的起、制動、曲軌等耗損時間，絞車的最大提升運行速度

其中η為折合系數，一般為0.75～0.9之間，取0.85，則vmax=2.7/0.85=3.14m3/s。

2.4 絞車提升能力

選用5m3側卸式礦車時（碴土裝載容積≤4.5m3），單卷筒絞車最大靜拉力

式中 Q— 礦車一次提升的碴土重量，取4.5 m3×17.5kN/m3=78.8kN；

Q—曲軌側卸式礦車的自重,取45kN;

p—鋼絲繩每米重量，取0.0211kN/m;

H— 提升的距離（由絞車卷筒到井底的有效鋼絲繩長度)，H=793m；

α— 斜井中產生最大拉力處的傾角，α=22.208°；

f1—礦車滾動摩擦系數，f1=0.015；

f2—— 鋼絲繩與支托間摩擦系數，f2＝0.15～0.20，取最大值f2=0.2。

則Fj=57.9kN。

2.5 絞車提升鋼絲繩的選擇[3]

絞車鋼絲繩的選取與絞車卷筒的卷繞形式、使用工況、用途等因素有關。

Fb——絞車最大靜張力，Fj=57.9kN

S——安全系數，與用途有關，取S=6；

φ——鋼絲繩破斷拉力換算系數，取0.85；

依據鋼絲繩的破斷拉力，查表選用鋼絲繩6×37-24.5-170，其最大破斷拉力總和381 kN，單位長度重量0.0211kN/100m，可滿足使用要求。

2.6 絞車卷筒的選擇

對于多層纏繞，滾筒的寬度B按照下式計算：

式中 H— 提升長度(m），考慮整個項目其他井口絞車通用性，按5個井口中最大提升長度選取752m；

30—鋼絲繩試驗的備用長度，（m）；

n′—錯繩圈數2～4圈，取4圈；

ε—繩圈間隙2～3mm，取2mm；

k—纏繞層數，取3層；

d—鋼絲繩直徑，24.5mm；

D— 查表選用標準卷筒直徑，卷筒直徑

查表選用標準卷筒，卷筒寬度取1 800mm；

2.7 提升絞車電動機功率計算

提升絞車的電機功率

式中 Fj——絞車最大靜張力Fj=57.9kN；

vmax—— 提 升 絞 車 最 大 繩 速，vmax=3.14 m/s；

η——提升絞車傳動效率,取η=0.9；

P——電動機容量備用系數，取P=1.1；

根據以上參數的計算最終選定JK2.0×1.8單卷筒提升絞車。主要技術參數如下。

1）單卷筒：直徑×寬度＝2 000×1 800mm（鋼絲繩直徑24.5mm，繩容量1 294m）；

2）最大靜張力：60kN；

3）電機：250kW（380V、8極）;

4）最大提升速度：3.14m/s;

5）L630行星輪減速機，速比：25。

3 洞外有軌棧橋設計

3.1 洞外有軌棧橋設計原則

洞外有軌運輸棧橋設計需要遵從以下幾點：①斜井與洞外軌道平面中心線必須控制在一條直線上；②提升絞車與天輪位置水平距設置需充分考慮鋼絲繩與水平線夾角大小要求，除考慮場地因素外，宜選擇較小角，以減小天輪受力對軸承的要求；③斜井與軌道除出洞口段與棧橋連接處設變坡點外，其它位置不宜再設置變坡點，以增加礦斗運行的平穩(wěn)性，變坡點需設置豎曲線以保證斜井的運行安全。

3.2 天輪直徑的選擇

50#斜井洞外場地狹窄，設施布置難度大。為減少提升絞車與井口的距離，又保證鋼絲繩的內、外偏角不超過1°30′，因此在使用中采用游動天輪。

為了使游動天輪容易游動，當鋼絲繩在天輪上圍包角小于60°時，天輪直徑按Dt≥40d確定。選用直徑1.6m、游距為1.35m的游動天輪。

3.3 洞外有軌棧橋設計計算

1）井架的距離Lj確定井架高度之前，先結合洞口場地布置，計算井口至天輪中心的水平距離為 Lj=L1′+L2′+L3′。

式中 L1′—— 由井口至卸車點的長度，根據場地的實際情況取22m；

L2′—— 礦車卸渣點至托繩架中心線距離，一般為6.5～8m，本處取6.5m；

L3′—— 托繩架中心線至天輪中心線間距離，一般為8～12m，本處取8m。

井口至天輪中心的水平距離=22+6.5+8=36.5m。

2）井架高度Hj斜井井架高度計算按下式

式中 β1— 鋼絲繩在礦車停車點處的牽引角，通常β1=9°～10°，角度過大可能導致礦井前輪被提起而產生“掉道”事故，影響提升系統(tǒng)的正常運行，取 9°；

Rt——所選天輪半徑，Rt=0.8m。

井 架 的 高 度 Hj=L′tgβ1-Rt=36.5×tg9°-0.8=6.6m

3.4 滾筒軸中心至天輪中心的水平距離

由于50#斜井井口場地的限制，絞車滾筒中心與天輪中心水平距離LX′確定為15m。由此須按照規(guī)范要求對鋼絲繩繩偏角進行驗算。為了保證鋼絲繩在滾筒上的有序排列，保證鋼絲繩不會從天輪繩槽脫落，減少鋼絲繩對天輪的摩擦與磨損，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：雙鉤提升的外偏角α1和內偏角α2均不得大于1°30′；多層纏繞時，內偏角α2不應大于1°15′[1]。本系統(tǒng)采用游動天輪導向、單鉤、多層卷繞提升時鋼絲繩偏角

式中 LX'— 由于50#斜井井口場地的限制，絞車滾筒中心與天輪中心水平距離LX′確定為 15m;

B—滾筒寬度，取1.8m；

Y—活動天輪的允許游動距離，取1.35m。

滾筒中心至斜井井口距離:L=LX′+L1′

LX′——滾筒中心至天輪中心的水平距離；

L1′——由井口至卸車點的長度，根據場地的實際情況取22m；

則滾筒中心至斜井井口距離

L=LX′+L1′=37m

4 軌道線路及相關設施

1）軌道采用單軌線，采用鋼軌P28，軌距762mm，每10m間距設置固定軌距的拉桿。

2）軌道軸線處每10～15m間距設鋼托輥和軌道防滑裝置一個，用于承托鋼絲繩，防止鋼絲繩拖床、跳顫，減小運行阻力，延長鋼絲繩使用壽命。

3）井底開挖面設置阻車器，并保持曲軌側卸式礦車與工作面始終在一定距離范圍內。

4）洞口及開挖面設置監(jiān)視器，實施對隧道地質情況、圍巖類別、各種機械及作業(yè)人員的工作狀態(tài)監(jiān)控。

5 結束語

斜井有軌運輸系統(tǒng)配套設計關鍵是要根據正洞的產碴量及其他材料的運輸，選擇配套的提升系統(tǒng)設備，然后根據洞口的場地狀況合理設計有軌棧橋，并重點做好洞口碴場、運輸軌道布置、井底立體轉載場布置、混凝土運送方式等課題的相關研究。通過該方案的優(yōu)化實施，達到了安全、經濟、穩(wěn)定、可靠的施工效果。

[1] 國家煤礦安全監(jiān)察局．煤礦安全規(guī)程[M]．北京:人民出版社，2005．

[2] 孫玉蓉，周法孔．礦井提升設備[M]．北京:煤炭工業(yè)出版社，1995．

[3] 東北工學院．機械零件設計手冊[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，1986．

[4] 周西榮，嚴萬生．礦山固定機械手冊[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，1986．