特长公路隧道大直径竖井提升设备的选型与布置

吴永建，罗 刚，李文权，魏富贵，李 鳌，刘 畅

(1.四川攀大高速公路开发有限责任公司，四川 攀枝花 617000； 2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；3.四川川交路桥有限责任公司，四川 广汉 618300)

0 引 言

随着“一带一路”战略的推进，特长深埋公路隧道日益增多。为辅助施工和运营通风，越来越多的特长公路隧道通风井选择了竖井[1]。竖井施工具有空间小、难度大、交叉作业等特点，其安全风险大、施工工期长、设备投入多[2]。所以，对特长公路隧道通风竖井提升设备选型与布置进行研究，有利于积累公路隧道竖井施工经验，提高施工效率。

在国内学者对竖井的研究中，采矿行业占较大比例[3]。张锋[4]介绍了黄玉川矿井副立井提升系统的装备特点；李永强等[5]对副井双罐笼同时提升时的过渡套架及提升设备进行了选型分析；毛春雷[6]研究了尖山铁矿主井的提升设备及电控方案，确保了提升系统的安全以及高效；李德臣等[7]对红庆梁煤矿特大直径副立井提升设备进行了选型，提高了工作效率，节约了成本。

交通行业也对竖井进行了一定研究：韩瑀萱等[8]以米仓山特长隧道竖井为工程依托，对环保区深大竖井的施工技术、施工配套设备和施工管理等方面进行了探讨；冷希乔等[9]对国内外不同行业竖井的设计和施工技术进行总结，提出了米仓山隧道通风竖井设计布置原则和施工方法；仝金璞[10]结合乌鞘岭隧道大台竖井设备配套及管理经验，介绍了高原、高寒软弱地质区域深竖井施工的设备配套技术。目前公路交通行业关于竖井的建设大多借鉴采矿行业，对于超大直径通风竖井的研究仍然不全面[11-12]。本文以宝鼎2号隧道通风竖井为工程依托，对竖井的提升设备选型和现场布置进行研究，旨在提供新的公路隧道超大直径竖井设计思路，提高效率，研究结果亦可为其他同类工程提供参考。

1 工程概况

宝鼎2号隧道是攀枝花至大理(四川境)高速公路的控制性工程，为双向四车道分离式隧道，全长8.7 km。隧道设计采用竖井集中送排式纵向通风方式，通风竖井深228 m，衬砌后净直径9.6 m，通过联络风道与左右线主洞连接，竖井中间设置“十”字中隔墙将其分为2个送风道和2个排风道。送风和排风道的截面积均为16.49 m2，如图1所示。

图1 竖井平面布置

竖井采用正井法自上而下开挖，联络风道采用新奥法施工。井身段和联络风道均采用复合式衬砌结构，衬砌方式为现浇钢筋混凝土。竖井围岩综合分级为井口62.5 m内为Ⅴ级围岩，其余为Ⅳ级围岩。

2 提升设备选型

竖井的提升系统包括钢丝绳、绞车、天轮、井架和吊桶，下面将对其选型进行介绍。

2.1 钢丝绳的选型计算

钢丝绳的选型是竖井提升设备选型的关键[13]。钢丝绳的选型首先要计算出钢丝绳的绳端荷载和单位质量，依据单位质量计算结果，参考《钢丝绳通用技术条件》(GB/T 20118—2017)，可确定钢丝绳的型号，并进行安全系数校核。钢丝绳的选型步骤如图2所示，选型计算公式如表1所示，选配的钢丝绳型号见表2。

表2 钢丝绳选型

图2 钢丝绳选型步骤

表1 钢丝绳的选型计算

2.2 绞车的选型计算

绞车是依托钢丝绳来升降和牵引人员、物料的器械，其选型与钢丝绳密切相关[14]。竖井绞车包括主、副提升机各1台和若干稳车，主、副提升绞车用于运输材料和人员，稳车用于悬吊设备，包括吊盘、风水管、溜灰管、抓岩机、模板和安全梯。提升绞车的选型计算步骤如图3所示。

提升绞车卷筒直径D参照式(1)进行计算。

D≥60ds；D≥900δmax

(1)

式中：ds、δmax分别为钢丝绳直径和最粗钢丝直径。

按照卷筒直径DT≥D，并参考《凿井工程图册》(QB/JZ TC09—2016)的绞车型号，选取直径最接近计算结果的提升绞车。主、副提升机均选择卷筒直径为3.0 m的JK-3/20A型绞车，如图4所示。采用主、副2套提升绞车系统，不仅使凿井施工速度大大提高，而且主、副提升机还可互为备用，在各种复杂情况下都可以保证整个井筒正常施工[15]。绞车的参数见表3。通过表4的验算证明，绞车选型符合要求。

表3 提升绞车的参数

表4 提升绞车验算

2.3 稳车选型验算

稳车悬吊能力主要根据提升机牵引力和提升高度来标定，其选型计算公式为

Fj≥Qs

(2)

S≥H0

(3)

式中：Fj为稳车最大静张力；Qs为钢丝绳悬吊的终端荷载与钢丝绳自重之和；S为稳车卷筒容绳量；H0为稳车的悬吊深度。

根据现场施工需求，稳车容绳量需超过300 m，钢丝绳速度控制在3～6 m·min-1，参照表2，悬吊吊盘绞车的总牵引力应超过132.1 kN，模板绞车牵引力应超过94.0 kN，抓岩机绞车牵引力应超过90.0 kN，安全梯绞车牵引力应超过34.0 kN，风水管绞车牵引力应超过62.2 kN，溜灰管绞车牵引力应超过173.4 kN。根据《凿井工程图册》，所选稳车型号参数见表5。现场稳车安装如图5所示。

表5 稳车型号与参数

图5 JZ-16/800A型稳车

2.4 其他提升设备的选型

2.4.1 天轮的选型

天轮是安装于天轮平台，支撑和导向钢丝绳的器械。参照《煤矿安全规程》，提升天轮的直径Rt需满足

式中：ds、δmax分别为钢丝绳直径和最粗钢丝直径。计算结果选取最大值，参考《凿井工程图册》中的天轮型号表进行选择，考虑到天轮平台空间有限，选取直径最接近计算结果的天轮。

按照稳车的性能，悬吊天轮分为单槽悬吊天轮和双槽悬吊天轮2种。单槽悬吊天轮主要用于悬吊吊盘和稳绳，双槽悬吊天轮多用于悬吊施工管线、风筒及稳绳。参照《煤矿安全规程》，悬吊天轮的直径Dw需满足

Dw≥20ds

(6)

式中：Dw为天轮直径；ds为钢丝绳直径。根据《凿井工程图册》选择对应直径的天轮，竖井天轮选配见表6。

表6 竖井天轮选配

2.4.2 井架的选型

竖井井架是一种固定布置于竖井顶部，承担所有施工荷载的装置。井架选型必须结合现场工程实际，综合考虑竖井深度、直径、施工方法、出碴方式等因素，选出的井架还需进行承载能力验算。竖井深228 m，直径9.6 m，参考《凿井工程图册》，选取V形井架(图6)，具有一定的安全储备，主要尺寸和质量如表7所示。

表7 井架参数

图6 V形井架

井架承载能力参照式(7)进行验算。

Qz=Qh+Q0

(7)

式中：Qz为井架承担总荷载；Qh为井架承担恒载，即天轮平台重量与天轮轴承座总重，依据工程实际，取398.5 kN；Q0为钢丝绳绳端荷载之和，参照表2进行计算，取585.7 kN。因此，Qz=984.2 kN，小于井架允许最大荷载值，所选井架符合要求。

2.4.3 吊桶的选型

吊桶是运输竖井施工人员及物料的主要工具，选择合适的吊桶大小，可以提升排碴能力，满足装岩和提升能力的要求，不影响装岩提升工作的连续进行[16-17]。根据《简明建井工程手册》，在确保竖井施工提升能力的基础上，对吊桶进行选型，其选型计算步骤如表8所示。

表8 吊桶选型计算

所选吊桶还需进行提升绞车强度验算，即

Fj≥Q+Qz+PSBH0

(8)

式中：Fj为提升绞车最大静张力，参照表4；Q为提升物料荷载，取104.1 kN；Qz为吊桶荷载，取27.3 kN；PSB为钢丝绳单位荷载(kg·m-1)；H0为钢丝绳长度，取300 m。

3 设备布置

竖井设备布置是否合理，直接影响到工程进度、施工安全及经济效益。在有限的面积和空间内，要布置大量的凿井设备，且这些设备将长期处于运行状态，起落移动频繁。因此，所有的移动设备之间，以及它们与固定设备、设施之间，必须保持一定的安全间隙。根据《煤矿安全规程》，凿井期间井筒内各设施的安全间隙见表9，井口的设备布置见图7。地面设备布置见图8，地面设备立面布置见图9。

图9 设备立面布置

图8 地面设备布置

表9 凿井期间井筒内各设施之间的间隙

图7 井口设备布置

4 结 语

本文对宝鼎2号隧道超大直径通风竖井提升系统的选型与验算进行了探讨，得出以下结论。

(1)大直径通风竖井的提升设备选型可按照钢丝绳、绞车、天轮、井架与吊桶选型的步骤进行，选择合适的钢丝绳型号是竖井提升设备选型的基础。

(2)绞车、天轮、吊桶等提升设备选型可参考常规竖井，但井架的选型不同，对于大直径通风竖井，井架选型要充分考虑竖井几何尺寸、施工出碴需求、专业机械设备配套、场地限制等因素。

(3)超大直径通风竖井的研究对于特长公路隧道尤为重要。完成了提升设备选型之后，还可以从竖井设备地面布置、井架受力验算、井下设备配套技术等方面展开进一步的研究。