超深豎井作為主隧洞施工通道運(yùn)輸方案的研究

林 偉 明， 袁 赟， 謝 劍 波， 張 維

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

新疆KS9勘探試驗洞的豎井井口高程約為1 229 m，設(shè)計井深687.613 m，豎井開挖后的成型凈直徑為7.2 m。豎井施工完成后將作為主洞控制段(樁號為245+153～253+193，全長8.04 km)的施工通道，其中上游控制段的長度為3 647 m，下游控制段的長度為4 393 m。主洞隧洞縱坡坡比為1/2 583，接應(yīng)洞的起點(diǎn)底板頂高程為543.299 m，末點(diǎn)底板頂高程為540.186 m，隧洞襯砌斷面為馬蹄形，錨噴斷面為頂拱圓心角180°、底寬7.5 m、直墻高度為3.3 m的城門洞形，主洞開挖方量為376 885.92 m3。

從地質(zhì)情況看，KS9豎井上游主洞控制段的圍巖為Ⅱ類，巖性為華力西期花崗巖夾黑云母花崗巖；下游控制段除樁號252+183～252+437段連續(xù)的254 m為Ⅳ、Ⅴ類圍巖外，其余均為Ⅲ類圍巖，且Ⅲ類圍巖仍以華力西期花崗巖為主，而Ⅳ、Ⅴ類圍巖則以糜棱巖及破碎巖為主，巖體穩(wěn)定性差。地勘資料顯示，上游控制段預(yù)計總涌水量為60 m3/h，下游控制段預(yù)計總涌水量為115 m3/h，主洞預(yù)計總涌水量為175 m3/h。KS9勘探試驗洞的工程剖面見圖1。

2 豎井垂直運(yùn)輸方案的選擇

豎井垂直方案主要包括：提升系統(tǒng)、罐籠系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、供風(fēng)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等，主要備選方案為吊桶[1]和箕斗方案[2]。在主要備選方案中，僅在提升系統(tǒng)、罐籠系統(tǒng)方面有所區(qū)別，其它系統(tǒng)布置方案則基本相同，因此，筆者僅對備選方案簡述中的差異部分進(jìn)行描述。

圖1 KS9勘探試驗洞工程剖面展示圖

2.1 吊桶方案

(1)提升系統(tǒng)：利用2JKZ-3.6/12.97型礦井提升機(jī)[3]雙鉤提升一對5 m3吊桶，用于隧洞石渣的提升出井。提升系統(tǒng)除主要用于排渣外，還兼顧物料(混凝土、噴錨料等)運(yùn)輸，物料運(yùn)輸前，先在井口摘除5 m3吊桶，換3 m3底卸式吊罐吊運(yùn)物料至豎井底部，人工輔以溜槽將物料輸送至井底物料運(yùn)輸設(shè)備之上，物料垂直運(yùn)輸期間排渣作業(yè)暫停；

(2)罐籠系統(tǒng)：利用JKZ-3.2×3型礦井提升機(jī)[4]提升一臺GSL2/9/1/1型罐籠(標(biāo)準(zhǔn)件)[5]，主要承擔(dān)施工人員上下及施工期間小型設(shè)備、材料的運(yùn)送任務(wù)。

2.2 箕斗方案

(1)提升系統(tǒng)：利用2JKZ-3.6/12.97型礦井提升機(jī)雙鉤提升一對5 m3翻轉(zhuǎn)式箕斗，用于隧洞石渣的提升出井?；诽嵘桨赣捎诰谔幓凡鹧b不便，故提升系統(tǒng)只能用于排渣，而不能兼顧物料運(yùn)輸；

(2)罐籠系統(tǒng)：箕斗提升方案由于物料無法采用箕斗運(yùn)輸，因此，罐籠系統(tǒng)除需滿足正常人員上下及小型設(shè)備運(yùn)輸外，還需兼顧物料(混凝土、噴錨料等)運(yùn)輸。根據(jù)該工程特點(diǎn)，為滿足施工需要，罐籠采用自制的一層一車帶防墜器非標(biāo)鋼罐籠，罐籠尺寸為長×寬×高(2 700 mm×1 350 mm×5 000 mm)、自重1.5 t，利用JK-3.2×3型礦山提升機(jī)提升。

2.3 備選方案的比較

2.3.1 提升能力的比較

提升能力主要采用以下公式進(jìn)行理論計算：

AT=(3 600×Z×0.9×Vch)÷(K×T1)

式中Vch為箕斗容積，備選方案中的箕斗、吊桶容積均為5 m3，故Vch=5 m3；Z為提升箕斗數(shù)，備選方案中的箕斗、吊桶均配置兩個，故Z=2；K為提升不均勻系數(shù)。根據(jù)設(shè)備配置特點(diǎn)，吊桶或箕斗均采用單根鋼絲繩兩段懸掛，故K取2；T1為一次提升循環(huán)時間(s)。因方案不同，提升休止時間θ：吊桶取120 s，箕斗取100 s。

(1)吊桶方案。將以上參數(shù)帶入公式，則：

T1=2[vmB/a+(H-80)/vmB]+θ

=2×[4/0.3+(687-80)/4]+120

=450(s)

AT=(3 600×Z×0.9Vch)/(K×T1)

=(3 600×5×0.9×2)/(2×450)

=36(m3/h)

每天按16 h排渣時間計算，則正常施工期間的日排渣量為16×36=576(m3/d)。根據(jù)排渣能力計算進(jìn)尺，則：576 m3/d÷1.5(松散系數(shù))÷48 m2(主洞平均斷面面積)=8 m。因此，按施工2個工作面考慮，吊桶方案能滿足日進(jìn)尺8 m、月進(jìn)尺240 m的開挖要求。

(2)箕斗方案。將以上參數(shù)帶入公式，則：

T1=2[vmB/a+(H-80)/vmB]+θ

=2×[5.22/0.5+(687-80)/5.22]+100=353(s)

AT=3 600×Z×0.9Vch/KT1

=3 600×5×0.9×2/(2×353)

=45(m3/h)

每天按16 h排渣時間計算，則正常施工期間的日排渣量為16×45=720(m3/d)，根據(jù)排渣能力計算進(jìn)尺，則：720 m3/d÷1.5(松散系數(shù))÷48 m2(主洞平均斷面面積)=10 m。因此，按施工2個工作面考慮，箕斗方案能滿足日進(jìn)尺10 m、月進(jìn)尺300 m的開挖要求。

通過理論計算，在不考慮其它外界因素影響的情況下，箕斗方案的排渣能力將大于吊桶方案。

2.3.2 經(jīng)濟(jì)性比較

(1)提升設(shè)備及材料成本。根據(jù)相應(yīng)的提升方案進(jìn)行設(shè)備配置，箕斗方案非標(biāo)準(zhǔn)件采購及加工預(yù)計將發(fā)生費(fèi)用304萬元，標(biāo)準(zhǔn)件及設(shè)備采購預(yù)計將發(fā)生費(fèi)用529萬元，兩項合計后箕斗提升方案中的設(shè)備費(fèi)用約需833萬元；而吊桶方案非標(biāo)準(zhǔn)件采購及加工預(yù)計將發(fā)生費(fèi)用251萬元，標(biāo)準(zhǔn)件及設(shè)備采購預(yù)計將發(fā)生費(fèi)用416萬元，兩項合計后吊桶方案的提升設(shè)備費(fèi)用約為667萬元。經(jīng)比較，吊桶方案較為經(jīng)濟(jì)，預(yù)計將節(jié)約成本166萬元。

(2)人工成本。根據(jù)施工方案安排，箕斗方案實(shí)施時間約為92 d，吊桶方案實(shí)施時間約為60 d，吊桶方案將節(jié)約人工成本50萬元。

(3)施工成本。該工程主洞開挖的總方量約為37萬m3，在其它施工條件相同的情況下，根據(jù)出渣效率計算工期，采用箕斗方案將比吊桶方案提前4.3個月完成。按照已實(shí)施的實(shí)際施工成本每月150萬元預(yù)計，工期提前后采用箕斗方案將節(jié)約施工成本約645萬元。

綜合以上分析得知：雖然箕斗方案在施工期間施工成本相對于吊桶方案有所增加，但出渣效率提高后，主洞施工工期將得到一定程度的提前，工期的提前將大幅度降低主洞的施工成本，因此，從總體上分析箕斗方案較為經(jīng)濟(jì)。

2.4 方案的選擇

根據(jù)工程實(shí)際情況并經(jīng)專家論證、分析后該工程最終選擇采用“雙箕斗+單罐籠”的提升方案組織施工，其方案具有的優(yōu)點(diǎn)主要為：

(1)出渣效率有所提高。按照現(xiàn)有配置的提升機(jī)進(jìn)行理論計算得知：原投標(biāo)吊桶方案能滿足主洞開挖240 m/月的出渣要求，而箕斗方案經(jīng)計算后在提升機(jī)工況相同的情況下，能滿足主洞開挖300 m/月的出渣要求，箕斗方案較吊桶方案出渣效率提高25%。

(2)施工成本降低。根據(jù)經(jīng)濟(jì)性分析，箕斗方案在安裝施工期間相對于吊桶方案將增加施工成本約166+50=216(萬元)，但由于出渣效率較高，主洞施工工期的提前將節(jié)約施工成本約645萬元，因此，從總體分析箕斗方案仍將節(jié)約施工成本約429萬元，故采用箕斗方案有利于降低施工成本。

(3)更加穩(wěn)定可靠。原吊桶方案全部采用鋼絲繩穩(wěn)繩系統(tǒng)，每個吊桶配置穩(wěn)繩2根。而箕斗方案在井筒內(nèi)仍然采用鋼絲繩穩(wěn)繩系統(tǒng)，但每個箕斗穩(wěn)繩數(shù)量將增加至4根，同時，井口上下平臺處均采用鋼桁架罐道。因此，就運(yùn)行安全性而言，箕斗方案較吊桶方案更加穩(wěn)定可靠，而且對于工期較長的項目其優(yōu)勢將更加明顯。

3 豎井提升設(shè)備的選擇

主提升機(jī)型號為2JKZ-3.6/12.97，卷筒直徑為3.6 m，卷筒寬1.85 m；鋼絲繩最大靜張力為20 t，最大靜張力差為18 t。最大提升高度(以直徑39 mm鋼絲繩計算)：一層：454 m，二層925 m，三層1 396 m，減速機(jī)型號為ZLYQ-1810，傳動比為12.97，電動機(jī)型號為YR800-12/1430-800。

副提升機(jī)采用JKZ-3.2×3絞車，卷筒直徑為3.2 m，卷筒寬3 m，鋼絲繩最大靜張力為18 t，最大靜張力差為18 t。最大提升高度(以直徑43 mm鋼絲繩計算)：一層為641 m，二層為1 295 m，減速機(jī)型號為ZZL1120D，傳動比為18.4，電動機(jī)型號為 YR630-10 1 250 kW 6 kV。主、副提升機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 主、副提升機(jī)主要技術(shù)參數(shù)表

4 結(jié) 語

新疆KS9勘探試驗洞工程豎井設(shè)計深度約687 m，豎井施工完成后將繼續(xù)利用豎井作為唯一的施工通道進(jìn)行8.04 km長的主洞施工。由于目前國內(nèi)水利行業(yè)尚無成熟的經(jīng)驗可以借鑒，因此，項目部以該工程為依托，針對豎井開挖深度深、主洞開挖斷面大、巖石堅硬、工期緊的特點(diǎn)，合理地選擇了“雙箕斗+單罐籠”的箕斗提升方案并組織施工。筆者希望通過該工程提升方案的應(yīng)用、歸納、總結(jié)，能夠為今后類似水利工程建設(shè)提供參考，以便創(chuàng)造出更大的社會價值。