天山胜利隧道4#竖井主要配套设备方案研究

田 浩

（中交二公局东萌工程有限公司，陕西 西安 710119）

1 工程概况

天山胜利隧道4#竖井位于省道301 乌斯特火车站以北8km 处，4-1 井里程桩号为ZK93+016.5；4-2 井里程桩号为ZK93+093，距主洞出口距离为4.704km，竖井高程3444.2m，设计直径为9.0m，竖井深度为514.2m，竖井各类联络通道距主洞总长度为680.765m。采用正井法施工方案。4号竖井为构造剥蚀中山地貌区的山地地貌，位于山腰，海拔3425.085m，斜坡坡度约5°，地形相对平坦，植被较发育，主要以低矮牧草为主，西侧20m 处发育季节性流水，整体地势北东高，西南低。4#竖井设计数据见表1。

2 工程项目的重点与难点

工程项目的重点与难点如下。1）隧道竖井施工不得生搬硬套，应当根据工程项目的实际情况，综合考虑施工过程中可能发生的各项影响因素，合理选择配套设备。2）竖井提升系统、悬吊系统一旦发生安全事故，就是重大事故。为此，各技术人员、机械设备操作人员应当全面熟悉操作流程，其他部门及人员应当默契配合，恪守尽责，持证上岗，通过共同努力，杜绝安全事故发生，保证工程项目顺利、有序进行。3）天山胜利隧道4#竖井是新疆重要的隧道工程项目之一，采取何种施工方法，对应需要配置何种设备是企业需要解决的难题之一。

3 总体施工方案确定及设备配置

3.1 总体施工方案确定

为保证工程项目顺利进行，需要对项目主要设备进行选型和验算，从而制定出总体施工方案。使用VI 型临时井架凿井，井身开挖时通过伞钻打眼，中深孔直眼掏槽爆破，中心回转抓岩机配合小型挖掘机出渣清底，利用2 台提升机来提升吊桶出渣，并设置2 个座钩式自动翻渣渣石溜槽装置，并以铲车为主、汽车为辅将落地之后的渣石装运出渣，将渣石运输到弃渣场。爆破结束后出渣段高在4.8m 时，应尽快开展模筑混凝土作业，初期支护作业完毕后，由井底自下而上使用滑模法进行竖井二衬和中隔板施工。采用液压整体滑升模板，自动调平液压控制台作为滑升动力装置，配套10t千斤顶。混凝土通过井口吊桶下放至吊盘岔管缓冲器，通过滑模平台的溜槽入模。

该项目施工方案如下。竖井井筒设计为初期支护＋二次衬砌，根据竖井施工组织方案，为保障竖井施工的安全性，模板应使用液压整体滑升模板，滑升动力装置应为自动调平液压控制台，并配套选用10t 千斤顶。

3.2 设备配置

隧道主要配套设备与竖井施工、开挖深度息息相关。即开挖阶段不同，所使用的设备不同。同时，随着深度的不断增加，小门架提升能力与工程项目施工进度之间的矛盾越来越大，综合考虑到爆破对井口不会造成影响，并具备安装大型门架的条件，二衬模板、吊盘需要使用大型井架配合悬吊完成，小门架自身的承受能力无法满足施工负荷，此时需要安装大型凿井井架，保证提升和悬吊系统的稳定性。提升系统。提升系统主要由大型凿井井架、提升机、提升钢丝绳及提升容器组成。

悬吊系统。悬吊系统主要由稳车、悬吊钢丝绳、封口盘、吊盘、模板、风水管、溜灰管等组成。

3.3 信号与通信系统

井口的翻渣台和井下吊吊台各委派信号工作人员与通信工作人员1 名，主要负责声光系统的操作。因为，吊桶的起、降、停全部需要通过声光系统传送于提升泵房。同时，井上和井下安装1 台对讲机，实现井上与井下的联系。

3.4 视频系统

在井口、上层吊盘和下层吊盘部位各安装1 个摄像头，显示器安装于提升泵房内，供提升机操作人员观察井口、吊盘和井底的实际情况，并配合使用声光系统，保障施工作业的安全性。

4 隧道竖井主要配套设备方案策略

在该工程项目中，竖井主要配套设备方案需要综合考虑以下4 个方面的问题。1）设备的选择应当根据工程项目所在区域内的地形地质条件确定。2）设备的配套能力应当与生产能力相呼应。3）设备选型应当与施工现场、水电基本设施相配套。4）设备附属连接件的选择与配置应当保证安全、可靠。

表1 4#竖井设计概况

5 提升系统选型与验算

在该工程项目中，地表水主要为夏季融雪地表径流和出露泉水；地下水为基岩裂隙水，隧道内涌水量较小，施工过程中很有可能出现滴水状出水现象。所以，根据工程项目实际情况，应当选择以下型号设备。

5.1 提升绞车

JK-3.0×2.2/20 型提升绞车1 台、JKZ-2.8×2.2/15.5 型提升绞车1 台，形成二套单钩提升。

5.2 主提升机JKZ-2.8×2.2/15.5型绞车选型

选型如下。1）计算提升高度H取550m。2）钢丝绳终端载荷（Q）。5m吊桶提矸，Q=11501kg；3m底卸式吊桶，Q=8389kg；提XFJD8.12 型伞钻，Q=12000kg；5m吊桶提人，Q=3250kg（限乘10 人）。3）钢丝绳悬吊总重。试选钢丝绳，18×7+FC-φ43-1870，性能参数见表2。所以，提伞钻时钢丝绳悬吊总重Q=16598.5kg；提人时钢丝绳悬吊总重Q=7237.5kg。安全系数校核按式（1）计算：

式中：Q为拉力总和。则M=131500/16598.5=7.92 ＞7，（XFJD8.12 下放至井底质量）；M=131500/7237.5=18.16 ＞9.0（5m吊桶提人至井底时）。

4）电机功率验算。

式中：Q为终端最大负荷（kg）；P为每米钢丝绳质量（kg/m）；V为提升机最大速度（m/s）；η为传动效率，取值为0.96。

则：P=16598.5×5.8/（102×0.96）=983kW ＜P=1250kW（P为实际使用设备的电机功率）。

5）提升能力计算。当加减速度相等时，提升一次循环时间T：

则T=235.53s。

进行提升能力计算：

式中：K为吊桶装满系数，取0.9；V为标准吊桶容积，m；K 为提升不均匀系数，取1.25。

则：A=55.024m/h。

表2 钢丝绳性能参数

5.3 副提JK-3×2.2/20型绞车选型

选型如下。1）计算提升高度H取550m。2）提升容器自重。11t 钩头，提4m矸石吊桶时Q=1461kg；提2.4m底卸式吊桶时Q=1518kg。3）钢丝绳悬吊总重。试选钢丝绳18×7+FC-φ43-1870，所以，提4m矸石吊桶时钢丝绳悬吊总重Q=12968.5kg；提人时钢丝绳悬吊总重Q=7863.1kg。安全系数校核，按式（1）计算，可得M=131500/12968.5.5=10.13>7；M=131500/7863.1=16.72>9。4）电机功率验算。P=741.66kW

5.4 综合确定主提、副提设备

主提升机JKZ-2.8×2.2/15.5 型绞车A=55.024m/h，副提升机JK-3×2.2/20 型绞车A=31.00m/h，井筒施工布置主副提2套单钩提升，净井径φ9.0m，井壁厚850mm，开挖直径10.9m，根据钻眼放炮→出渣→浇筑混凝土→清底→钻放炮的循环作业步骤，计划进尺100m/月，出矸量为13989.88m（松散系数取1.5），每天一抹灰，出渣和清底加起来需要12h，即1 个月的出渣总量为30745.73m，大于13989.88m，能够满足一个月进尺100m 的需要（每月按26 天正规循环时间推算）。

所以主提设备选择JKZ-2.8×2.2/15.5 型绞车，副提设备选择JK-3×2.2/20 型绞车。

6 其他生产辅助系统的选型及验算

6.1 悬吊吊盘稳车、稳绳

悬吊吊盘稳车、稳绳如下。1）吊盘钢丝绳的端荷重。稳绳按每百米一吨可计算出每根钢丝绳的端荷总重为4600.00kg。出矸时总吊重最大，六绳悬吊，所以单根钢丝绳的最大端荷总重为11181.94kg。单根吊盘绳附电缆重，每根钢丝绳的端荷总重为12119.94kg。吊盘上荷载见表3，不同工作时总吊重见表4。2）单根钢丝绳悬吊总重。试选钢丝绳为18×7+FC-φ43-1870；安全系数校核为m=Q/Q，m=8.16 ＞6.00。3）凿井天轮和稳车。天轮直径，据D 为860.00mm，根据计算选择天轮直径为φ1050.00mm 的凿井天轮MZS2.1-0-1×1.05。凿井稳车，根据计算，选择JZ-25/1300 型功率55kW凿井稳车坐稳绳，数量为4 台；JZ-25/1300 型功率55kW 凿井稳车悬吊吊盘，数量为2 台。

表3 吊盘上荷载

表4 不同工作时总吊重

6.2 悬吊排水管稳车选型计算

6.2.1 钢丝绳的端荷重

从表5 可以看出，两绳悬吊，单绳受力Q=17342.86×1.1/2=9538.573kg。

6.2.2 钢丝绳悬吊重

单根钢丝绳悬吊总重，试选钢丝绳为18×7+FC-φ38-1770，性能参数见表6，所以，单根钢丝绳悬吊总重Q=12635.07kg；安全系数校核为m=Q/Q，m=6.4 ＞6.00。

表5 钢丝绳端荷载

表6 钢丝绳性能参数

6.2.3 凿井天轮和稳车

凿井天轮直径，因D=760mm，所以应用的是天轮为φ800mm 的凿井天轮MZS2.2-0-2×0.8；凿井稳车，按照实际情况选用1 台2JZ-16/1000 型功率为90kW 的凿井稳车。

6.3 悬吊安全梯稳车选型计算

6.3.1 凿井天轮和稳车单根钢丝绳悬吊总重

试选钢丝绳为18×7+FC-φ24-1670，性能参数见表7，所以，单根钢丝绳悬吊总重Q=3738.3kg；单根钢丝绳悬吊总重Q 安全系数校核为m=Q/Q，m=11.08 ＞9.00。

表7 钢丝绳性能参数

6.3.2 凿井天轮和稳车

凿井天轮直径，据D=480.00mm，根据计算，选择天轮为φ650mm 的凿井天轮MZS2.1-0-1×0.65；凿井稳车，根据计算，选用1 台JZA-5/1000 型功率为22kW 的凿井稳车。

6.4 悬吊压风、供水管路稳车选型计算

钢丝绳端荷重，见表8。

表8 钢丝绳端荷载

两绳悬吊，所以单绳受力Q=8708.15kg。单根钢丝绳悬吊总重。试选钢丝绳为18×7+FC-φ32-1870，性能参数如表9 所示，所以，单根钢丝绳悬吊总重Q=10902.65kg；安全系数校核为m=Q/Q，m=5.55 ＞5.00。

表9 钢丝绳性能参数

凿井天轮和稳车的选择。凿井天轮直径的选择为据D=20×32=640.00mm，根据实际需要选择天轮为φ650mm 的凿井天轮MZS2.2-0-2×0.65；凿井稳车，根据计算，选用1台2JZ-16/1000 型功率55kW 的型凿井稳车。

6.5 悬吊中心回转式抓岩机稳车选型计算

单根钢丝绳悬吊总重。试选钢丝绳为18×7+FC-φ32-1670，性能参数见表10。所以，单根钢丝绳悬吊总重Q=7938.5kg；安全系数校核为m=Q/Q，m=6.81 ＞6.00。

表10 钢丝绳性能参数

凿井天轮和稳车的选择。凿井天轮直径的选择，据D=20×32=640.00mm，根据计算，选择天轮为φ650mm 的凿井天轮MZS2.1-0-1×0.65；凿井稳车，根据计算，选用2 台JZ-10/800 型功率22kW 的型凿井稳车。

7 最终设备确定

经过选型及验算，最终确定4#竖井每个井口主要设备配置，见表11。

表11 4#竖井每个井口主要设备配置

8 竖井主要配套设备方案综合评价

施工实践证明，天山胜利隧道4#竖井主要配套设备合理，施工效率高且安全可靠，降低了施工人员的劳动强度，开挖深度达到了514.2m，且二衬表面平整，无蜂窝、麻面等质量通病，接茬平顺，并在计划的时间内完成了施工任务，经济效益与社会效益明显，可供同类工程项目参考。

9 结语

目前，国内隧道竖井主要配套设备方案依然处于研发阶段，相关的规范和标准尚未成熟。竖井施工环境复杂、工作面小、立体作业及机械设备投入多，如何科学合理配置各项设备，是企业降低生产成本、提高设备使用效率和保障施工安全的关键。该文根据竖井的直径、深度，经过各方面选型和验算，最终确定出项目隧道竖井施工最合理的主要设备配置，提前对竖井施工场地布置及施工进行筹划和布局，保证工程项目安全顺利进行，对同类项目的施工有指导意义。