羅 剛， 潘少康， 2， *， 楊磐石， 周 佳， 劉 暢

(1. 長安大學(xué)公路學(xué)院， 陜西 西安 710064； 2. 廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司， 廣西 南寧 530029；3. 中交二公局第三工程有限公司， 陜西 西安 710016)

0 引言

在特長隧道的修建和運(yùn)營過程中，斜井可增加工作面提高施工速度、分段通風(fēng)降低運(yùn)營成本而扮演著重要的角色[1]，但陡坡斜井使得無軌運(yùn)輸難以實(shí)現(xiàn)，而需設(shè)置一套有軌運(yùn)輸系統(tǒng)輔助施工。

鐵路隧道方面，張海超等[2]以木寨嶺隧道3號(hào)和4號(hào)斜井為研究對(duì)象，從斷面優(yōu)化和設(shè)備選配2方面進(jìn)行探討，提出主副井?dāng)嗝孢x擇方法； 李昌[3]對(duì)象山隧道的井底車場布置進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)置的抽排系統(tǒng)解決了反坡排水的問題； 郭得福等[4]從緩坡斜井和陡坡斜井2方面對(duì)斜井的快速施工做了論述； 鐘有信等[5]則對(duì)井底渣艙的施工、井底轉(zhuǎn)載系統(tǒng)和安全技術(shù)措施進(jìn)行了研究。然而，關(guān)于特長大斷面公路隧道斜井的有軌運(yùn)輸研究仍然缺乏，在實(shí)際建設(shè)過程中需要參考煤礦和鐵路隧道斜井的研究成果。

天臺(tái)山特長隧道1號(hào)斜井左右線坡度分別為22°和20°，按照J(rèn)TG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊(cè) 土建工程》[6]的規(guī)定： 當(dāng)斜井的傾角在7°～25°時(shí)，不宜采用無軌運(yùn)輸，可用軌道礦車提升。本文依托該工程，探討長距離陡坡雙斜井的有軌運(yùn)輸設(shè)備選型和校核、斜井場地布置、運(yùn)輸方案優(yōu)化等，旨在豐富公路隧道斜井的設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)，以期為同類工程提供借鑒。

1 工程概況

寶坪高速秦嶺天臺(tái)山特長隧道全長15.5 km，為雙向6車道隧道，開挖斷面127 m2，屬于特大斷面隧道[7]。主洞采用鉆爆法施工，以1號(hào)斜井為施工通道承擔(dān)主洞3.2 km的施工任務(wù)，采用斜井有軌運(yùn)輸系統(tǒng)與主洞無軌運(yùn)輸相結(jié)合，運(yùn)送棄渣、施工材料和人員。主洞與斜井的位置關(guān)系見圖1。

圖1 主洞與斜井的位置關(guān)系

1號(hào)斜井分為送風(fēng)井(主井)和排風(fēng)井(副井)，井口和井底均設(shè)置渣艙便于快速裝卸渣，斜井概況如表1所示。主井設(shè)置1#、2#軌道配備雙滾筒絞車用于棄渣運(yùn)輸； 副井設(shè)置3#、4#軌道配備雙滾筒絞車主要作為材料通道，絞車類型均為地面纏繞式，天輪為固定天輪。由于建設(shè)規(guī)模大且工期緊，材料通道空閑時(shí)也用于出渣，以提高生產(chǎn)效率。5#軌道配備單滾筒絞車作為人車專用通道。除5#軌道所需提升功率較小外，其他軌道設(shè)備基本一致。軌道為P50鋼軌，軌距為0.9 m，軌枕采用Ⅰ類木枕，縱向間距0.7 m，井身每隔15 m設(shè)直徑為120 mm的地輥，井口變坡點(diǎn)每隔8 m設(shè)直徑為320 mm的大地輥。

表1 斜井概況

2 設(shè)備配置

有軌運(yùn)輸系統(tǒng)的提升設(shè)備主要包括礦車、鋼絲繩、絞車以及天輪等。

2.1 礦車、罐車

2.1.1 礦車選型

提升礦車主要用于出渣和材料運(yùn)輸，而材料運(yùn)輸方量遠(yuǎn)小于出渣量，因此礦車容量的選用主要取決于主洞棄渣運(yùn)量。為便于卸渣，選用曲軌側(cè)卸式礦車(見圖2)，常用規(guī)格參數(shù)見表2。通過表3的計(jì)算，選用10 m3的礦車可滿足運(yùn)輸要求。

圖2 現(xiàn)場曲軌側(cè)卸式礦車

表2 曲軌側(cè)卸式礦車參數(shù)[2]

2.1.2 罐車選型

副井中混凝土的運(yùn)輸方式是軌行式罐車運(yùn)輸，大型機(jī)具由礦用板車運(yùn)至井下組裝。罐車選型計(jì)算依據(jù)為： 主洞開挖段按設(shè)計(jì)Ⅴ級(jí)圍巖，二次襯砌混凝土按15 m3/m計(jì)算，據(jù)經(jīng)驗(yàn)，雙洞二次襯砌澆筑12 m/d，共耗混凝土180 m3，澆筑時(shí)間為10 h，平均澆筑18 m3/h; 設(shè)計(jì)仰拱混凝土8.9 m3/m，施工速度10 m/d，共計(jì)89 m3，3 h澆筑完成，平均澆筑29.6 m3/h。因此，副井混凝土最大運(yùn)量為： 18+29.6=47.6 m3/h。通過表4的計(jì)算，應(yīng)選用6 m3罐車。

表3 礦車選型計(jì)算

表4 副井運(yùn)輸量計(jì)算

2.2 鋼絲繩

首先，擬選鋼絲繩型號(hào)并計(jì)算其單位長度質(zhì)量是否滿足要求。因鋼絲繩在使用過程中受拉應(yīng)力、擠壓應(yīng)力和彎曲應(yīng)力等的綜合作用，所以需依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》[8]對(duì)提升鋼絲繩進(jìn)行安全系數(shù)校核，具體按最大靜載荷計(jì)算，提升人員和物體時(shí)，安全系數(shù)分別不小于9.0和6.5。鋼絲繩相關(guān)參數(shù)參考GB/T 20118—2017《鋼絲繩通用技術(shù)條件》[9]，人車(20人)自身質(zhì)量3.6 t，單人質(zhì)量按100 kg計(jì)。校核參數(shù)見表5，通過表6的驗(yàn)算，主、副井所用鋼絲繩均滿足要求。

2.3 絞車

絞車是斜井有軌運(yùn)輸系統(tǒng)的核心設(shè)備，必須具備足夠的負(fù)載能力和驅(qū)動(dòng)能力才能保障施工的順利進(jìn)行。本項(xiàng)目共設(shè)5條軌道，配置2臺(tái)雙滾筒絞車和1臺(tái)單滾筒絞車。絞車校核流程如圖3所示。

表5 鋼絲繩校核參數(shù)

表6 鋼絲繩驗(yàn)算

2.3.1 擬定絞車型號(hào)

運(yùn)輸量已在2.1節(jié)中確定。主井1#、2#軌道1次運(yùn)輸只提升1輛礦車，擬選2JK-3.5×1.7型雙滾筒礦用絞車。副井3#、4#軌道擬選用與主井相同的絞車。5#人員運(yùn)輸線擬選用JK-2.5×2型單滾筒絞車。2種絞車部分參數(shù)見表7。

2.3.2 絞車校核

進(jìn)行副井絞車最大靜張力差驗(yàn)算時(shí)，軌行式混凝土罐車自身質(zhì)量取m0=11.5 t，混凝土及罐車總質(zhì)量取m0+m=26.5 t。K1為電動(dòng)機(jī)容量備用系數(shù)，取1.1，η為機(jī)械傳動(dòng)效率，取0.9[11]。人車為單滾筒絞車，不進(jìn)行最大靜張力差驗(yàn)算。經(jīng)表8的驗(yàn)算，所選絞車均滿足要求。

圖3 絞車校核流程

表7 絞車參數(shù)

2.4 天輪

天輪的作用是支撐和引導(dǎo)鋼絲繩，分為固定天輪和游動(dòng)天輪。固定天輪固定于井架，只作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，主要適合豎井和斜井礦車運(yùn)輸。游動(dòng)天輪除旋轉(zhuǎn)外還沿中心軸橫向移動(dòng)，主要適合斜井串車運(yùn)輸。本案例中絞車位于地面，屬地面纏繞式提升，同時(shí)1次運(yùn)輸1輛車，非串車運(yùn)輸。絞車可距天輪較遠(yuǎn)以滿足鋼絲繩偏角的要求，且固定天輪具有安全可靠、后期維護(hù)簡便的優(yōu)點(diǎn)，故5條軌道均采用固定天輪。其中，物料軌道天輪直徑均為2.5 m，人車軌道天輪直徑為2.0 m，鋼絲繩直徑分別為40 mm和28 mm。地面纏繞式提升裝置圍抱角的大小不同，天輪最小直徑的驗(yàn)算公式也不同[8]。D為天輪最小直徑，d為鋼絲繩直徑。本項(xiàng)目圍抱角小于90°，經(jīng)表9的驗(yàn)算，滿足要求。

表8 絞車驗(yàn)算

表9 天輪驗(yàn)算

3 運(yùn)輸系統(tǒng)布置

3.1 斷面布置

由于要考慮多種工況和不同設(shè)備，有軌運(yùn)輸?shù)臄嗝嬖O(shè)計(jì)較無軌運(yùn)輸更復(fù)雜。決定斜井?dāng)嗝娉叽绲囊蛩刂饕卸嘬壍赖淖钚〗缦?、礦車的高寬、軌距、礦車間距、人行通道寬、通風(fēng)管直徑、高壓風(fēng)水管直徑等。2輛礦車相向運(yùn)行時(shí)，礦車凈距不小于0.2 m，巷道側(cè)寬度不小于0.3 m； 在巷道渣面起1.6 m高度內(nèi)，須有0.8 m寬的人行通道[6,8]。經(jīng)設(shè)計(jì)，主、副井的斷面布置分別見圖4和圖5。

3.2 井口設(shè)備布置

井口平面見圖6。先將主井洞口基巖整平，確定絞車預(yù)埋件孔位后澆筑基礎(chǔ)混凝土。機(jī)房為2層鋼結(jié)構(gòu)，絞車及電控裝置分別在1層和2層。井口卸渣棧橋下設(shè)棄渣區(qū)，深5.8 m、寬15 m、墩高6.5～9.5 m。主、副井井口棄渣區(qū)見圖7。1#、2#軌道的棄渣通過裝載機(jī)和自卸車轉(zhuǎn)運(yùn)。主井井口設(shè)備布置見圖8。

圖4 主井橫斷面布置(單位： m)

副井絞車和天輪的基礎(chǔ)設(shè)于加固后的填渣上。3#、5#軌道旁側(cè)設(shè)站臺(tái)供罐車和人員上下。井口設(shè)25 t龍門吊，吊裝罐車和施工材料。由于場地狹窄和5#軌道限制，井口4#軌道長于3#軌道13 m而錯(cuò)開設(shè)2個(gè)棄渣區(qū)。副井井口設(shè)備布置見圖9。

圖5 副井橫斷面布置(單位： m)

圖6 井口平面圖

(a) 主井井口棄渣區(qū)

(b) 副井井口棄渣區(qū)

圖8 主井井口設(shè)備布置(單位： m)

圖9 副井井口設(shè)備布置(單位： m)

3.3 井底轉(zhuǎn)載

將主洞無軌運(yùn)輸和斜井有軌運(yùn)輸相結(jié)合，可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢[12]，井底車場見圖10。到達(dá)井底的物資借助井底吊車轉(zhuǎn)運(yùn)至自卸車，然后進(jìn)行正洞無軌運(yùn)輸。主井在渣艙處雙軌變單軌，1#、2#軌道共用渣艙。副井裝渣點(diǎn)前后錯(cuò)開以實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)渣，即自卸車停在4#軌道上卸渣至3#礦車，停在5#軌道上卸渣至4#礦車。

井底轉(zhuǎn)渣艙使得井下無軌與有軌快速銜接，提高效率[13]。轉(zhuǎn)渣艙通過開挖矩形凹槽使礦車行至渣艙底部后，主洞自卸車通過漏斗卸下棄渣，直接倒入礦車實(shí)現(xiàn)快速裝渣。爆破開挖渣艙，并錨噴支護(hù)側(cè)壁，渣艙兩側(cè)采用漿砌片石或鋼筋混凝土砌筑。漏斗為20 mm厚鋼板與插入側(cè)壁的工字鋼焊接而成。主井井底渣艙見圖11。

圖10 井底車場

圖11 主井井底渣艙(單位： m)

4 混凝土運(yùn)輸方案優(yōu)化

原方案考慮到大斷面隧道對(duì)混凝土質(zhì)量要求高，采用龍門吊配合可換裝式混凝土罐車，但實(shí)際推行后，弊端凸顯： 裝卸罐車耗時(shí)過長、人工裝卸操作復(fù)雜而危險(xiǎn)、混凝土運(yùn)輸與出渣等工序沖突，所以亟需優(yōu)化。

因副井布置3條軌道，設(shè)備較密集，而主井只有2條軌道，留有較大的可操作空間，經(jīng)實(shí)地考察和可行性論證后，將原方案優(yōu)化為主井混凝土溜槽運(yùn)輸。溜槽初步架設(shè)方案見圖12。

溜槽總長為714 m。第1段： 地面鋪設(shè)溜槽，長611 m，其緊貼于地面并與地面預(yù)留鋼筋焊接。第2段： 高度低于2 m的懸空段溜槽，長43.5 m，型鋼作支架，支架底部與地面預(yù)留鋼筋焊接。第3段： 溜槽高度為2～4.1 m，長59.5 m，雙排鋼管腳手架作支架。溜槽片間搭接長度不小于20 cm。

溜槽運(yùn)輸?shù)淖畲箅y點(diǎn)是保持混凝土良好的和易性，避免離析； 同時(shí)，溜槽支架強(qiáng)度也需前期驗(yàn)算。為更好地保證混凝土的和易性，從運(yùn)輸方面，在井口及井底設(shè)置料斗，防止混凝土過振，井底料斗有開閉閘門可儲(chǔ)存一定量的混凝土；在材料方面，控制集料級(jí)配和含水率，加入適量的粉煤灰并正確使用外加劑。

圖12 溜槽方案示意圖(單位： m)

4.1 鋼管支架力學(xué)驗(yàn)算

4.1.1 支架基本參數(shù)

鋼管支架為雙排鋼管腳手架，未懸挑，總長59.5 m，最大高度4.1 m。材料為Q235鋼，驗(yàn)算所需參數(shù)和比較標(biāo)準(zhǔn)參考GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[14]。

4.1.2 荷載計(jì)算

混凝土容重取為25 kN/m3，人員及機(jī)械活載取為1 kN/m，溜槽自身質(zhì)量為0.29 kN/m，鋼管支架自身質(zhì)量由軟件自動(dòng)計(jì)算，根據(jù)試驗(yàn)中混凝土截面積(見圖13)計(jì)算其單位長度體積，恒載系數(shù)和活載系數(shù)分別取為1.2和1.4。

圖13 溜槽橫截面(單位： m)

單位長度荷載為：

Q=1.2×0.29+1.4×(25×0.062×1+1)=3.91 kN/m。

4.1.3 驗(yàn)算結(jié)果

支架經(jīng)有限元軟件Midas Civil計(jì)算后，結(jié)果見表10，各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)均小于安全值，鋼管支架滿足要求。

表10 支架驗(yàn)算

4.2 溜槽運(yùn)輸試驗(yàn)

混凝土經(jīng)過長距離的溜槽運(yùn)輸后，其質(zhì)量是此方案能否順利實(shí)施的主導(dǎo)因素，需進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

先用噴淋系統(tǒng)潤濕溜槽，后用足量砂漿(不少于1.5 m3)潤和溜槽內(nèi)壁[15]，最后逐漸倒入25 m3混凝土?？紤]到運(yùn)輸過程的損耗，應(yīng)適當(dāng)補(bǔ)充混凝土直到能夠進(jìn)行井底混凝土試驗(yàn)。溜槽尾端水、砂漿和混凝土的流速分別為0.92、1.39、0.30 m/s，混凝土到達(dá)井底用時(shí)26 min。1 h可運(yùn)輸?shù)幕炷练搅繛?.30×0.062×3 600=66.96 m3>47.6 m3，滿足運(yùn)輸量要求?，F(xiàn)場試驗(yàn)見圖14。對(duì)井底混凝土進(jìn)行檢測后，其質(zhì)量達(dá)標(biāo)，試驗(yàn)成功。

圖14 溜槽現(xiàn)場試驗(yàn)

溜槽運(yùn)輸?shù)淖⒁馐马?xiàng)有：

1)溜槽運(yùn)輸時(shí)應(yīng)派專人沿線巡查，特別注意各連接位置，防止發(fā)生意外；

2)完成后，清洗溜槽，防止殘留物凝固而降低溜槽光滑度，使用前，用砂漿將零星碎石沖走并潤和溜槽；

3)井底接收的混凝土應(yīng)進(jìn)行和易性檢測，澆筑前由罐車二次攪拌；

4)最先到達(dá)井底的是超徑的骨料和部分發(fā)生離析的混凝土，現(xiàn)場應(yīng)盡量剔除這部分物質(zhì)。

5 結(jié)論與建議

本文對(duì)天臺(tái)山隧道1號(hào)斜井有軌運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化進(jìn)行了探討，有以下結(jié)論與建議。

1)礦車、罐車等運(yùn)輸車輛的選型控制指標(biāo)是隧道正洞的出渣量、二次襯砌和仰拱混凝土消耗量，大斷面3車道隧道施工時(shí)，斜井有軌運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)量略顯不足，需全天候運(yùn)行才能保證基本的施工要求，對(duì)施工設(shè)備的正常運(yùn)行帶來隱患。因此，在運(yùn)輸量較大的輔助斜井運(yùn)輸方式選擇中，建議采用無軌運(yùn)輸。

2)當(dāng)斜井長度大于800 m、坡度大于20°時(shí)，混凝土溜槽運(yùn)輸方式較軌行式罐車運(yùn)輸效率高，在滿足混凝土品質(zhì)的條件下，建議采用溜槽運(yùn)輸方式。

3)可從長大陡坡斜井施工、提升系統(tǒng)設(shè)備配置、井口地面場地布置及井底車場布置、有軌運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)行安全措施等方面展開進(jìn)一步的研究工作。