天山勝利隧道4#豎井主要配套設備方案研究

田 浩

（中交二公局東萌工程有限公司，陜西 西安 710119）

1 工程概況

天山勝利隧道4#豎井位于省道301 烏斯特火車站以北8km 處，4-1 井里程樁號為ZK93+016.5；4-2 井里程樁號為ZK93+093，距主洞出口距離為4.704km，豎井高程3444.2m，設計直徑為9.0m，豎井深度為514.2m，豎井各類聯絡通道距主洞總長度為680.765m。采用正井法施工方案。4號豎井為構造剝蝕中山地貌區的山地地貌，位于山腰，海拔3425.085m，斜坡坡度約5°，地形相對平坦，植被較發育，主要以低矮牧草為主，西側20m 處發育季節性流水，整體地勢北東高，西南低。4#豎井設計數據見表1。

2 工程項目的重點與難點

工程項目的重點與難點如下。1）隧道豎井施工不得生搬硬套，應當根據工程項目的實際情況，綜合考慮施工過程中可能發生的各項影響因素，合理選擇配套設備。2）豎井提升系統、懸吊系統一旦發生安全事故，就是重大事故。為此，各技術人員、機械設備操作人員應當全面熟悉操作流程，其他部門及人員應當默契配合，恪守盡責，持證上崗，通過共同努力，杜絕安全事故發生，保證工程項目順利、有序進行。3）天山勝利隧道4#豎井是新疆重要的隧道工程項目之一，采取何種施工方法，對應需要配置何種設備是企業需要解決的難題之一。

3 總體施工方案確定及設備配置

3.1 總體施工方案確定

為保證工程項目順利進行，需要對項目主要設備進行選型和驗算，從而制定出總體施工方案。使用VI 型臨時井架鑿井，井身開挖時通過傘鉆打眼，中深孔直眼掏槽爆破，中心回轉抓巖機配合小型挖掘機出渣清底，利用2 臺提升機來提升吊桶出渣，并設置2 個座鉤式自動翻渣渣石溜槽裝置，并以鏟車為主、汽車為輔將落地之后的渣石裝運出渣，將渣石運輸到棄渣場。爆破結束后出渣段高在4.8m 時，應盡快開展模筑混凝土作業，初期支護作業完畢后，由井底自下而上使用滑模法進行豎井二襯和中隔板施工。采用液壓整體滑升模板，自動調平液壓控制臺作為滑升動力裝置，配套10t千斤頂?；炷镣ㄟ^井口吊桶下放至吊盤岔管緩沖器，通過滑模平臺的溜槽入模。

該項目施工方案如下。豎井井筒設計為初期支護＋二次襯砌，根據豎井施工組織方案，為保障豎井施工的安全性，模板應使用液壓整體滑升模板，滑升動力裝置應為自動調平液壓控制臺，并配套選用10t 千斤頂。

3.2 設備配置

隧道主要配套設備與豎井施工、開挖深度息息相關。即開挖階段不同，所使用的設備不同。同時，隨著深度的不斷增加，小門架提升能力與工程項目施工進度之間的矛盾越來越大，綜合考慮到爆破對井口不會造成影響，并具備安裝大型門架的條件，二襯模板、吊盤需要使用大型井架配合懸吊完成，小門架自身的承受能力無法滿足施工負荷，此時需要安裝大型鑿井井架，保證提升和懸吊系統的穩定性。提升系統。提升系統主要由大型鑿井井架、提升機、提升鋼絲繩及提升容器組成。

懸吊系統。懸吊系統主要由穩車、懸吊鋼絲繩、封口盤、吊盤、模板、風水管、溜灰管等組成。

3.3 信號與通信系統

井口的翻渣臺和井下吊吊臺各委派信號工作人員與通信工作人員1 名，主要負責聲光系統的操作。因為，吊桶的起、降、停全部需要通過聲光系統傳送于提升泵房。同時，井上和井下安裝1 臺對講機，實現井上與井下的聯系。

3.4 視頻系統

在井口、上層吊盤和下層吊盤部位各安裝1 個攝像頭，顯示器安裝于提升泵房內，供提升機操作人員觀察井口、吊盤和井底的實際情況，并配合使用聲光系統，保障施工作業的安全性。

4 隧道豎井主要配套設備方案策略

在該工程項目中，豎井主要配套設備方案需要綜合考慮以下4 個方面的問題。1）設備的選擇應當根據工程項目所在區域內的地形地質條件確定。2）設備的配套能力應當與生產能力相呼應。3）設備選型應當與施工現場、水電基本設施相配套。4）設備附屬連接件的選擇與配置應當保證安全、可靠。

表1 4#豎井設計概況

5 提升系統選型與驗算

在該工程項目中，地表水主要為夏季融雪地表徑流和出露泉水；地下水為基巖裂隙水，隧道內涌水量較小，施工過程中很有可能出現滴水狀出水現象。所以，根據工程項目實際情況，應當選擇以下型號設備。

5.1 提升絞車

JK-3.0×2.2/20 型提升絞車1 臺、JKZ-2.8×2.2/15.5 型提升絞車1 臺，形成二套單鉤提升。

5.2 主提升機JKZ-2.8×2.2/15.5型絞車選型

選型如下。1）計算提升高度H取550m。2）鋼絲繩終端載荷（Q）。5m吊桶提矸，Q=11501kg；3m底卸式吊桶，Q=8389kg；提XFJD8.12 型傘鉆，Q=12000kg；5m吊桶提人，Q=3250kg（限乘10 人）。3）鋼絲繩懸吊總重。試選鋼絲繩，18×7+FC-φ43-1870，性能參數見表2。所以，提傘鉆時鋼絲繩懸吊總重Q=16598.5kg；提人時鋼絲繩懸吊總重Q=7237.5kg。安全系數校核按式（1）計算：

式中：Q為拉力總和。則M=131500/16598.5=7.92 ＞7，（XFJD8.12 下放至井底質量）；M=131500/7237.5=18.16 ＞9.0（5m吊桶提人至井底時）。

4）電機功率驗算。

式中：Q為終端最大負荷（kg）；P為每米鋼絲繩質量（kg/m）；V為提升機最大速度（m/s）；η為傳動效率，取值為0.96。

則：P=16598.5×5.8/（102×0.96）=983kW ＜P=1250kW（P為實際使用設備的電機功率）。

5）提升能力計算。當加減速度相等時，提升一次循環時間T：

則T=235.53s。

進行提升能力計算：

式中：K為吊桶裝滿系數，取0.9；V為標準吊桶容積，m；K 為提升不均勻系數，取1.25。

則：A=55.024m/h。

表2 鋼絲繩性能參數

5.3 副提JK-3×2.2/20型絞車選型

選型如下。1）計算提升高度H取550m。2）提升容器自重。11t 鉤頭，提4m矸石吊桶時Q=1461kg；提2.4m底卸式吊桶時Q=1518kg。3）鋼絲繩懸吊總重。試選鋼絲繩18×7+FC-φ43-1870，所以，提4m矸石吊桶時鋼絲繩懸吊總重Q=12968.5kg；提人時鋼絲繩懸吊總重Q=7863.1kg。安全系數校核，按式（1）計算，可得M=131500/12968.5.5=10.13>7；M=131500/7863.1=16.72>9。4）電機功率驗算。P=741.66kW

5.4 綜合確定主提、副提設備

主提升機JKZ-2.8×2.2/15.5 型絞車A=55.024m/h，副提升機JK-3×2.2/20 型絞車A=31.00m/h，井筒施工布置主副提2套單鉤提升，凈井徑φ9.0m，井壁厚850mm，開挖直徑10.9m，根據鉆眼放炮→出渣→澆筑混凝土→清底→鉆放炮的循環作業步驟，計劃進尺100m/月，出矸量為13989.88m（松散系數取1.5），每天一抹灰，出渣和清底加起來需要12h，即1 個月的出渣總量為30745.73m，大于13989.88m，能夠滿足一個月進尺100m 的需要（每月按26 天正規循環時間推算）。

所以主提設備選擇JKZ-2.8×2.2/15.5 型絞車，副提設備選擇JK-3×2.2/20 型絞車。

6 其他生產輔助系統的選型及驗算

6.1 懸吊吊盤穩車、穩繩

懸吊吊盤穩車、穩繩如下。1）吊盤鋼絲繩的端荷重。穩繩按每百米一噸可計算出每根鋼絲繩的端荷總重為4600.00kg。出矸時總吊重最大，六繩懸吊，所以單根鋼絲繩的最大端荷總重為11181.94kg。單根吊盤繩附電纜重，每根鋼絲繩的端荷總重為12119.94kg。吊盤上荷載見表3，不同工作時總吊重見表4。2）單根鋼絲繩懸吊總重。試選鋼絲繩為18×7+FC-φ43-1870；安全系數校核為m=Q/Q，m=8.16 ＞6.00。3）鑿井天輪和穩車。天輪直徑，據D 為860.00mm，根據計算選擇天輪直徑為φ1050.00mm 的鑿井天輪MZS2.1-0-1×1.05。鑿井穩車，根據計算，選擇JZ-25/1300 型功率55kW鑿井穩車坐穩繩，數量為4 臺；JZ-25/1300 型功率55kW 鑿井穩車懸吊吊盤，數量為2 臺。

表3 吊盤上荷載

表4 不同工作時總吊重

6.2 懸吊排水管穩車選型計算

6.2.1 鋼絲繩的端荷重

從表5 可以看出，兩繩懸吊，單繩受力Q=17342.86×1.1/2=9538.573kg。

6.2.2 鋼絲繩懸吊重

單根鋼絲繩懸吊總重，試選鋼絲繩為18×7+FC-φ38-1770，性能參數見表6，所以，單根鋼絲繩懸吊總重Q=12635.07kg；安全系數校核為m=Q/Q，m=6.4 ＞6.00。

表5 鋼絲繩端荷載

表6 鋼絲繩性能參數

6.2.3 鑿井天輪和穩車

鑿井天輪直徑，因D=760mm，所以應用的是天輪為φ800mm 的鑿井天輪MZS2.2-0-2×0.8；鑿井穩車，按照實際情況選用1 臺2JZ-16/1000 型功率為90kW 的鑿井穩車。

6.3 懸吊安全梯穩車選型計算

6.3.1 鑿井天輪和穩車單根鋼絲繩懸吊總重

試選鋼絲繩為18×7+FC-φ24-1670，性能參數見表7，所以，單根鋼絲繩懸吊總重Q=3738.3kg；單根鋼絲繩懸吊總重Q 安全系數校核為m=Q/Q，m=11.08 ＞9.00。

表7 鋼絲繩性能參數

6.3.2 鑿井天輪和穩車

鑿井天輪直徑，據D=480.00mm，根據計算，選擇天輪為φ650mm 的鑿井天輪MZS2.1-0-1×0.65；鑿井穩車，根據計算，選用1 臺JZA-5/1000 型功率為22kW 的鑿井穩車。

6.4 懸吊壓風、供水管路穩車選型計算

鋼絲繩端荷重，見表8。

表8 鋼絲繩端荷載

兩繩懸吊，所以單繩受力Q=8708.15kg。單根鋼絲繩懸吊總重。試選鋼絲繩為18×7+FC-φ32-1870，性能參數如表9 所示，所以，單根鋼絲繩懸吊總重Q=10902.65kg；安全系數校核為m=Q/Q，m=5.55 ＞5.00。

表9 鋼絲繩性能參數

鑿井天輪和穩車的選擇。鑿井天輪直徑的選擇為據D=20×32=640.00mm，根據實際需要選擇天輪為φ650mm 的鑿井天輪MZS2.2-0-2×0.65；鑿井穩車，根據計算，選用1臺2JZ-16/1000 型功率55kW 的型鑿井穩車。

6.5 懸吊中心回轉式抓巖機穩車選型計算

單根鋼絲繩懸吊總重。試選鋼絲繩為18×7+FC-φ32-1670，性能參數見表10。所以，單根鋼絲繩懸吊總重Q=7938.5kg；安全系數校核為m=Q/Q，m=6.81 ＞6.00。

表10 鋼絲繩性能參數

鑿井天輪和穩車的選擇。鑿井天輪直徑的選擇，據D=20×32=640.00mm，根據計算，選擇天輪為φ650mm 的鑿井天輪MZS2.1-0-1×0.65；鑿井穩車，根據計算，選用2 臺JZ-10/800 型功率22kW 的型鑿井穩車。

7 最終設備確定

經過選型及驗算，最終確定4#豎井每個井口主要設備配置，見表11。

表11 4#豎井每個井口主要設備配置

8 豎井主要配套設備方案綜合評價

施工實踐證明，天山勝利隧道4#豎井主要配套設備合理，施工效率高且安全可靠，降低了施工人員的勞動強度，開挖深度達到了514.2m，且二襯表面平整，無蜂窩、麻面等質量通病，接茬平順，并在計劃的時間內完成了施工任務，經濟效益與社會效益明顯，可供同類工程項目參考。

9 結語

目前，國內隧道豎井主要配套設備方案依然處于研發階段，相關的規范和標準尚未成熟。豎井施工環境復雜、工作面小、立體作業及機械設備投入多，如何科學合理配置各項設備，是企業降低生產成本、提高設備使用效率和保障施工安全的關鍵。該文根據豎井的直徑、深度，經過各方面選型和驗算，最終確定出項目隧道豎井施工最合理的主要設備配置，提前對豎井施工場地布置及施工進行籌劃和布局，保證工程項目安全順利進行，對同類項目的施工有指導意義。