超深竖井作为主隧洞施工通道运输方案的研究

林 伟 明， 袁 赟， 谢 剑 波， 张 维

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

新疆KS9勘探试验洞的竖井井口高程约为1 229 m，设计井深687.613 m，竖井开挖后的成型净直径为7.2 m。竖井施工完成后将作为主洞控制段(桩号为245+153～253+193，全长8.04 km)的施工通道，其中上游控制段的长度为3 647 m，下游控制段的长度为4 393 m。主洞隧洞纵坡坡比为1/2 583，接应洞的起点底板顶高程为543.299 m，末点底板顶高程为540.186 m，隧洞衬砌断面为马蹄形，锚喷断面为顶拱圆心角180°、底宽7.5 m、直墙高度为3.3 m的城门洞形，主洞开挖方量为376 885.92 m3。

从地质情况看，KS9竖井上游主洞控制段的围岩为Ⅱ类，岩性为华力西期花岗岩夹黑云母花岗岩；下游控制段除桩号252+183～252+437段连续的254 m为Ⅳ、Ⅴ类围岩外，其余均为Ⅲ类围岩，且Ⅲ类围岩仍以华力西期花岗岩为主，而Ⅳ、Ⅴ类围岩则以糜棱岩及破碎岩为主，岩体稳定性差。地勘资料显示，上游控制段预计总涌水量为60 m3/h，下游控制段预计总涌水量为115 m3/h，主洞预计总涌水量为175 m3/h。KS9勘探试验洞的工程剖面见图1。

2 竖井垂直运输方案的选择

竖井垂直方案主要包括：提升系统、罐笼系统、通风系统、排水系统、供风系统、供电系统、通讯系统、人员定位系统、视频监控系统等，主要备选方案为吊桶[1]和箕斗方案[2]。在主要备选方案中，仅在提升系统、罐笼系统方面有所区别，其它系统布置方案则基本相同，因此，笔者仅对备选方案简述中的差异部分进行描述。

图1 KS9勘探试验洞工程剖面展示图

2.1 吊桶方案

(1)提升系统：利用2JKZ-3.6/12.97型矿井提升机[3]双钩提升一对5 m3吊桶，用于隧洞石渣的提升出井。提升系统除主要用于排渣外，还兼顾物料(混凝土、喷锚料等)运输，物料运输前，先在井口摘除5 m3吊桶，换3 m3底卸式吊罐吊运物料至竖井底部，人工辅以溜槽将物料输送至井底物料运输设备之上，物料垂直运输期间排渣作业暂停；

(2)罐笼系统：利用JKZ-3.2×3型矿井提升机[4]提升一台GSL2/9/1/1型罐笼(标准件)[5]，主要承担施工人员上下及施工期间小型设备、材料的运送任务。

2.2 箕斗方案

(1)提升系统：利用2JKZ-3.6/12.97型矿井提升机双钩提升一对5 m3翻转式箕斗，用于隧洞石渣的提升出井。箕斗提升方案由于井口处箕斗拆装不便，故提升系统只能用于排渣，而不能兼顾物料运输；

(2)罐笼系统：箕斗提升方案由于物料无法采用箕斗运输，因此，罐笼系统除需满足正常人员上下及小型设备运输外，还需兼顾物料(混凝土、喷锚料等)运输。根据该工程特点，为满足施工需要，罐笼采用自制的一层一车带防坠器非标钢罐笼，罐笼尺寸为长×宽×高(2 700 mm×1 350 mm×5 000 mm)、自重1.5 t，利用JK-3.2×3型矿山提升机提升。

2.3 备选方案的比较

2.3.1 提升能力的比较

提升能力主要采用以下公式进行理论计算：

AT=(3 600×Z×0.9×Vch)÷(K×T1)

式中Vch为箕斗容积，备选方案中的箕斗、吊桶容积均为5 m3，故Vch=5 m3；Z为提升箕斗数，备选方案中的箕斗、吊桶均配置两个，故Z=2；K为提升不均匀系数。根据设备配置特点，吊桶或箕斗均采用单根钢丝绳两段悬挂，故K取2；T1为一次提升循环时间(s)。因方案不同，提升休止时间θ：吊桶取120 s，箕斗取100 s。

(1)吊桶方案。将以上参数带入公式，则：

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排渣时间计算，则正常施工期间的日排渣量为16×36=576(m3/d)。根据排渣能力计算进尺，则：576 m3/d÷1.5(松散系数)÷48 m2(主洞平均断面面积)=8 m。因此，按施工2个工作面考虑，吊桶方案能满足日进尺8 m、月进尺240 m的开挖要求。

(2)箕斗方案。将以上参数带入公式，则：

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排渣时间计算，则正常施工期间的日排渣量为16×45=720(m3/d)，根据排渣能力计算进尺，则：720 m3/d÷1.5(松散系数)÷48 m2(主洞平均断面面积)=10 m。因此，按施工2个工作面考虑，箕斗方案能满足日进尺10 m、月进尺300 m的开挖要求。

通过理论计算，在不考虑其它外界因素影响的情况下，箕斗方案的排渣能力将大于吊桶方案。

2.3.2 经济性比较

(1)提升设备及材料成本。根据相应的提升方案进行设备配置，箕斗方案非标准件采购及加工预计将发生费用304万元，标准件及设备采购预计将发生费用529万元，两项合计后箕斗提升方案中的设备费用约需833万元；而吊桶方案非标准件采购及加工预计将发生费用251万元，标准件及设备采购预计将发生费用416万元，两项合计后吊桶方案的提升设备费用约为667万元。经比较，吊桶方案较为经济，预计将节约成本166万元。

(2)人工成本。根据施工方案安排，箕斗方案实施时间约为92 d，吊桶方案实施时间约为60 d，吊桶方案将节约人工成本50万元。

(3)施工成本。该工程主洞开挖的总方量约为37万m3，在其它施工条件相同的情况下，根据出渣效率计算工期，采用箕斗方案将比吊桶方案提前4.3个月完成。按照已实施的实际施工成本每月150万元预计，工期提前后采用箕斗方案将节约施工成本约645万元。

综合以上分析得知：虽然箕斗方案在施工期间施工成本相对于吊桶方案有所增加，但出渣效率提高后，主洞施工工期将得到一定程度的提前，工期的提前将大幅度降低主洞的施工成本，因此，从总体上分析箕斗方案较为经济。

2.4 方案的选择

根据工程实际情况并经专家论证、分析后该工程最终选择采用“双箕斗+单罐笼”的提升方案组织施工，其方案具有的优点主要为：

(1)出渣效率有所提高。按照现有配置的提升机进行理论计算得知：原投标吊桶方案能满足主洞开挖240 m/月的出渣要求，而箕斗方案经计算后在提升机工况相同的情况下，能满足主洞开挖300 m/月的出渣要求，箕斗方案较吊桶方案出渣效率提高25%。

(2)施工成本降低。根据经济性分析，箕斗方案在安装施工期间相对于吊桶方案将增加施工成本约166+50=216(万元)，但由于出渣效率较高，主洞施工工期的提前将节约施工成本约645万元，因此，从总体分析箕斗方案仍将节约施工成本约429万元，故采用箕斗方案有利于降低施工成本。

(3)更加稳定可靠。原吊桶方案全部采用钢丝绳稳绳系统，每个吊桶配置稳绳2根。而箕斗方案在井筒内仍然采用钢丝绳稳绳系统，但每个箕斗稳绳数量将增加至4根，同时，井口上下平台处均采用钢桁架罐道。因此，就运行安全性而言，箕斗方案较吊桶方案更加稳定可靠，而且对于工期较长的项目其优势将更加明显。

3 竖井提升设备的选择

主提升机型号为2JKZ-3.6/12.97，卷筒直径为3.6 m，卷筒宽1.85 m；钢丝绳最大静张力为20 t，最大静张力差为18 t。最大提升高度(以直径39 mm钢丝绳计算)：一层：454 m，二层925 m，三层1 396 m，减速机型号为ZLYQ-1810，传动比为12.97，电动机型号为YR800-12/1430-800。

副提升机采用JKZ-3.2×3绞车，卷筒直径为3.2 m，卷筒宽3 m，钢丝绳最大静张力为18 t，最大静张力差为18 t。最大提升高度(以直径43 mm钢丝绳计算)：一层为641 m，二层为1 295 m，减速机型号为ZZL1120D，传动比为18.4，电动机型号为 YR630-10 1 250 kW 6 kV。主、副提升机的主要技术参数见表1。

表1 主、副提升机主要技术参数表

4 结 语

新疆KS9勘探试验洞工程竖井设计深度约687 m，竖井施工完成后将继续利用竖井作为唯一的施工通道进行8.04 km长的主洞施工。由于目前国内水利行业尚无成熟的经验可以借鉴，因此，项目部以该工程为依托，针对竖井开挖深度深、主洞开挖断面大、岩石坚硬、工期紧的特点，合理地选择了“双箕斗+单罐笼”的箕斗提升方案并组织施工。笔者希望通过该工程提升方案的应用、归纳、总结，能够为今后类似水利工程建设提供参考，以便创造出更大的社会价值。