于 雷，趙鵬強

（1.內蒙古引綽濟遼供水有限責任公司，內蒙古 興安盟137400；2.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春130021）

1 概況

引綽濟遼工程是國務院確定的“十三五”期間實施的172項節(jié)水供水重大水利工程之一，也是內蒙古自治區(qū)一號工程，設計最大年調水量4.88×108m3。由文得根水利樞紐和輸水工程組成，其中輸水工程自北向南，沿途經(jīng)過興安盟、通遼市等9個旗縣區(qū)，采用重力流力式輸水，線路總長390.263km。

輸水工程隧洞七標工期56個月，由4條施工支洞承擔主洞全長16.515km施工任務，施工支洞均為城門洞型，其中6-7號支洞位于突泉縣小林家屯，主要負責T99+466.91～T102+740.79段主洞開挖、支護工程的出渣及物料運輸任務，開挖斷面為6.2m×5.7m，投影全長484.06m，坡度為20.08%，與主洞夾角80°[1]。支洞處于基巖全～強風化層中，受地質構造影響嚴重，全風化層巖芯多呈散體泥化物夾風化碎石，泥化物多呈軟塑～可塑狀，強風化層巖芯多破碎～極破碎，裂隙節(jié)理發(fā)育，洞身段為富水地帶，極易造成掉塊、塌方，局部可能出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，屬不良地質淺埋洞段，該洞段開挖支護物料運輸施工重、難點問題主要有以下2點。

1）安全風險高。斜井負坡進洞坡度較大，物料運輸及通風困難，采用自卸車出渣難度較大且安全風險高。

2）施工工期緊。6-7號施工支洞控制主洞為標段關鍵線路，如何快速、安全、高效地完成洞挖支護施工是一大難點。

2 總體技術思路

2.1 方案簡述

在6-7號斜井施工期間，通過有軌運輸能力驗算，布設1套由1臺JTP1.6×1.2型單滾筒提升機、φ0.8m的游動輪和φ21.5mm的鋼絲繩組成的提升系統(tǒng)，同時在洞內隨著斜井開挖進度鋪設1條軌距為0.6m的22kg/m型軌道，斜井施工期間洞渣外運采用2輛YCC2.0-6型礦車串聯(lián)，挖機裝渣，經(jīng)提升系統(tǒng)提升至地表后由1.6t電瓶車牽引至渣場排放。

在斜井施工期間，為減少施工機械及洞內爆破對運輸系統(tǒng)的影響，采用臨時鋪軌形式施工，軌道鋪設隨開挖面進行，距掌子面15～20m。斜井施工完畢進入主洞后，分上、下游2個工作面，再新增1套同型號的有軌運輸系統(tǒng)，2套有軌運輸系統(tǒng)共同擔負主洞施工期間廢渣及物料運輸工作，主洞的棄渣由輪式自卸車運輸至主、支交叉擴大洞室后裝入YCC2.0-6型礦車，由提升機提升至地表，運至渣場。

2.2 施工工藝

小斷面大陡坡長斜井不良地質隧洞有軌運輸施工工藝流程：施工準備→超前地質預報→斜井爆破開挖支護，軌道隨開挖延長→斜井施工完畢，于主洞交叉口設渣場，再新增1套同型號有軌運輸系統(tǒng)，2套運輸系統(tǒng)共同承擔主洞施工期間物料運輸→主洞爆破開挖支護，掌子面配置ZWY-180型礦用挖掘式裝載機→采用定制的雙向行駛出渣車→運至主、支交叉口渣場后經(jīng)有軌運輸系統(tǒng)外運至洞外渣場。

3 系統(tǒng)設計

3.1 設計計算依據(jù)

1）支洞施工期間：施工進度按3m/d計算，同時考慮1.4倍的富余系數(shù)，6-7號施工支洞施工每日運輸量為128m3。

2）主洞施工期間：6-7號支洞施工完畢后，分別向主洞上、下游開挖施工，上游工程量為石方洞挖61407m3，下游工程量為石方洞挖40938m3，施工進度按5m/d計算，同時考慮1.5倍的富余系數(shù)，主洞施工每日上、下游運輸量為石方307m3。

3.2 運輸形式及能力分析

1）6-7號施工支洞每日運輸量為石方148m3；主洞施工期間每日運輸量為石方307m3。

2）運輸方式為斜井串車提升。

3）材料運輸：每循環(huán)所用的鋼拱架及網(wǎng)片利用出渣空閑時間通過斜井用平板車運輸，洞內200m處設15m×4m×4m擴大洞室1處，用于支洞施工期間噴漿機的放置和少量材料臨時堆放點（單循環(huán)所用的鋼拱架和鋼筋網(wǎng)片），材料運輸不占用直線施工時間。

3.3 支洞施工期間運輸系統(tǒng)分析

支洞施工期間，地表線路為臨時線路，支洞內廢渣由挖機裝入YCC1.2-6型側卸式礦車，經(jīng)絞車提升至地表后，由1.6t電瓶車牽引至渣場排放。洞口距渣場最大運距150m，每臺電機車最多可牽引4臺YCC1.2-6型側卸式礦車，外形尺寸為1900 mm×1050mm×1200mm。

根據(jù)地表廢渣運量和運距，確定運輸設備,計算所采用的參數(shù)，施工支洞運輸系統(tǒng)選型參數(shù)：運輸任務為420t/d，電機車規(guī)格為CTY1.6-6，不均系數(shù)為1.2，廢渣體重為1.75t/m3，松散系數(shù)為1.56，裝滿系數(shù)為0.9。YCC1.2-6側卸式礦車參數(shù)：自重為1000kg，容積為1.2m3，最大載重為2076.92kg，有效載重為1869.23kg，每列車礦車數(shù)為2個。施工支洞電動機車選型：每列車有效載重為3738.46kg，運輸最大距離為500m，列車運行速度為2.5m/s，所需循環(huán)次數(shù)為113次，選用機車臺數(shù)為1臺。

經(jīng)計算分析，施工支洞期間配備2臺1.6t電機車用于地面牽引，1主1備。

3.4 輸水主洞運輸系統(tǒng)設計

當施工至主洞支洞交叉處時，考慮擴大洞室開挖面積較大，在主支洞交叉處設置臨時渣場，進入主洞施工后，分別向上、下游施工，主洞廢渣由無軌設備運輸至主支洞交叉處渣場，裝入礦車后由提升機提升至地表，改為電動機車牽引排至渣場。同樣，根據(jù)主洞的運量和運距，結合輸水主洞設備和YCC2.0-6型礦車參數(shù)選擇合適的運輸設備。輸水主洞設備參數(shù)：單線運輸任務為150m3/d（斜井）和160m3/d（主洞），電瓶車為CTY1.6-6，不均系數(shù)為1.2，廢渣體重為1.75t/m3，松散系數(shù)為1.56，裝滿系數(shù)為0.9，運輸最大距離為500m，列車運行速度為2.5m/s，單線所需循環(huán)次數(shù)為41次（斜井）和45次（主洞）。YCC2.0-6型礦車參數(shù)：自重為1700kg，容積為2m3，提升系統(tǒng)最大提升能力為2076.92kg，每次提升礦車數(shù)為2個，每次提升載重為9700kg。

3.5 軌道鋪設及要求

軌道鋪設采用22kg/m型軌道，軌道間距為600mm，鋪設平直，且具有一定的強度和彈性。在斜井施工期間，采用簡易整體道床，其鋪設方法：按一般方法鋪石渣道床，再用水泥砂漿澆灌石渣表面，用鐵锨拍打平整，使石渣縫隙盡量多地充滿砂漿，以使砂漿與石渣結合，砂漿標號M10。沿支洞設置軌道防滑裝置，間距40m。

因主洞施工工期較長，支洞施工完畢后對斜井軌道進行重新整理，采用混凝土軌枕，鋪設縱向間距為800mm，軌道內設置托輥，托輥軸和輥子側端的螺母均不得突出在外，以免鋼絲繩跳出托輥后被卡死，托輥直徑為150mm，間距為15～20m。

3.6 斜井提升系統(tǒng)選擇及設計

臨時出渣期間采用單線方式，輸水主洞施工期間改為雙線形式，斜井提升系統(tǒng)主要負責支洞與主洞施工期間廢渣的提升及材料的下放，核算按單線提升2臺礦車進行。

洞口提升機房高程377.67m，井口高程377.17m，井底高程284.51m，提升機為JTP1.6×1.2型單滾筒纏繞式提升機，配套交流電機，電壓380V，功率132kW，每次可提升2臺YCC1.2-6型側卸式礦車或2臺YPC3（6）型平板車（自重0.53t，載重3t）。

鋼絲繩長度計算：

式中：Lsb——上車場長度,15m；Lx——下車場長度,15m；Lj——支洞斜長，486m。

計算得出L繩=516m,選用鋼絲繩6×19S+FC-φ21.5-1770型，最粗鋼絲直徑δ=1.4mm，繩徑ds=21.5mm，單重Ps=1.65kg/m，破斷力總和Qp=292kN。

3.6.1 提升機選擇

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》，鑿井提升機的滾筒最小直徑Dj≥60ds=1290mm；絞車滾筒直徑Dj≥900δ=1260mm，JTP1.6×1.2型提升機標準直徑Dj=1600mm，滿足要求。

3.6.2 滾筒寬度B的驗算

多層纏繞時，按下式計算：

式中：Lt——提升長度，m；Ls——實驗長度，m；n0——錯繩圈數(shù)；π——圓周率；ε——鋼繩圈間隙，m；nc——鋼絲繩纏繞層數(shù)；Dp——鋼絲繩的平均纏繞直徑，m。

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定，nc取3層，n0取4，Lt=Lx+Lj=501m，Ls=10m，鋼繩圈間隙ε=0.002m，鋼絲繩的平均纏繞直徑按下式計算：

計算得B=0.851m＜1.2m，寬度滿足要求。

3.6.3 提升能力核算

1）隨著支洞掘進，提升高度不斷增加，以最大高度核算提升能力，最大提升高度H=93m。

2）支洞傾角：設計坡度20.08%,換算為支洞傾角后α=11°。

3）鋼絲繩長度L繩=Lsb+Lx+Lj=516m。

4）YCC1.2-6礦車自重Qz=1000kg，容積V=1.2m3。

5）有效載荷廢渣按下式計算：m

式中：Cm——裝滿系數(shù)，取0.9；γ——廢渣松散體重，t/m3；V——容積，m3。

計算得出Q=0.9×1.75×1.2=1890kg。

6）繩端荷重按下式計算：

式中：Gz——YPC3（6）型平板車自重，kg；n——礦車數(shù)量，2臺；Q材——載重，kg。

計算得G渣=5780kg，G材=4060kg。

7）鋼絲繩每米質量按下式計算：

式中：f1——礦車組運行阻力系數(shù)，取0.01；f2——鋼絲繩拖行阻力系數(shù)，取0.4；σ——鋼絲繩抗拉強度，MPa；m——鋼絲繩安全系數(shù)，取7.5。

計算得P礦=0.48kg/m，P平板車=0.35kg/m。

平板車提升時，重量小于棄渣運輸，只對棄渣提升能力進行驗算：提升機選用JTP-1.6X1.2型單滾筒纏繞式提升機，卷筒直徑φ1.6m，設置游動輪直徑D=800mm，游動距離1100mm，絞車最大靜拉力載物時為42kN。

提升系統(tǒng)最大靜張力按下式計算：

計算得F=16.17kN。

8）鋼絲繩安全系數(shù)驗證：m渣=Qp/F=18.05＞7.5。

以上安全系數(shù)均滿足《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》6.3.4.3要求。

輸水主洞施工期間，施工支洞軌道采用雙線布置，詳見圖1所示。

圖1 雙線布置示意圖（單位：mm）

4 其他輔助系統(tǒng)

4.1 防跑（溜）裝置

斜井開挖至200m以上時，采用符合要求的ZDC30-2.2型常閉式防跑車裝置。防跑車裝置安裝在提升機上的霍爾傳感器隨時檢測提升機動態(tài)，配合從提升機電控取得的提升機旋轉方向信號，電控箱處理得出礦車位置及運動方向，并通過顯示器指示出來。防跑車裝置在工作狀態(tài)時，當電控箱檢測出礦車正常到達擋車欄提升位置后，電控箱發(fā)出信號提升擋車欄，礦車順利通過后，電控箱發(fā)出信號下放擋車欄，平時處于常閉狀態(tài)，符合煤礦安全規(guī)程第370條的安全要求。電控箱安裝在提升機房，具有報警、手動、自動轉換等功能。提升機司機應注意信號顯示，當發(fā)生報警時應盡快停車，以防止誤操作造成損失。在井口、洞內工作面附近及斜坡段各設置1臺阻車器，防止人員操作不當發(fā)生溜車事故。

4.2 通訊系統(tǒng)

該有軌運輸系統(tǒng)根據(jù)煤礦用提升信號裝置通用技術條件的要求，采用聲光雙控信號傳輸，在井口設置信號房，信號工將井下和操控室的信號按照操作規(guī)程“一停、二上、三下”的要求統(tǒng)一指揮。此外，為了確保信號準確和便于溝通，并安裝有線電話，確保有軌運輸系統(tǒng)運行的安全?，F(xiàn)場指揮設置1處總信號站，信號工只與信號站聯(lián)系，由信號站統(tǒng)一指揮提升設備。

4.3 監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)

出渣過程為了確保礦車運行和卸渣的安全，在井口沿井下軌道運行方向，場地朝井口變坡位置，朝卸渣場，卷揚機房朝操作臺，各設置一攝像頭，視頻監(jiān)控終端放置于操作臺。卷揚機操作手可清晰地查看礦車運行和卸渣環(huán)境，確保安全操作。在井口變坡處安裝限速器，控制礦車在經(jīng)過變坡點時減小速度，并在棧橋卸渣位置安裝限位器，防止礦車拉過卷。

4.4 有毒有害氣體檢測儀

隧洞穿越地層巖性十分復雜，沿線施工中可能遇到有毒有害氣體，因此洞內配備具備聲學、光學、震動報警功能的便攜式有毒有害氣體檢測儀，施工人員或班組長隨身攜帶，一旦有毒有害氣體溢出時能及時發(fā)現(xiàn)險情，以便采取相應的應急措施[2]。

4.5 鋼絲繩電腦探傷儀

采用鋼絲繩電腦探傷儀，每月對鋼絲繩進行1次檢測。通過采集到的數(shù)據(jù)解壓分析，可以明確地定量數(shù)值顯示鋼絲繩內外斷絲、金屬截面積變化，使用游標卡尺進行日檢，按現(xiàn)行標準提出鋼絲繩的安全性，鋼絲繩及連接扣件半年進行更換。

5 結語

通過在不良地質條件下完成小斷面大陡坡長斜井開挖支護施工實踐證明，采用支洞有軌運輸結合主洞無軌運輸?shù)姆绞?，高效快捷地進行物料輸送，在較短時間內順利完成了開挖支護施工任務，克服了不良地質條件下小斷面隧洞施工難以實現(xiàn)開挖與襯砌平行作業(yè)和出渣難度較大的難題，同時又減少了避車洞的施作，節(jié)約了施工成本，可為同類工程提供借鑒意義。