張理理，何 良，周德彥

(中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，成都 610072)

1 工程概況

出居溝水電站引水線路全長12534.302m，隧洞進口底板高程1794m，調(diào)壓井處底板高程1550m，隧洞穿越區(qū)沿線山體雄厚、地形陡峻、溝谷深切，山頂海拔高度一般3000～3500m，臨谷高差1000～1500m，屬典型的高山峽谷地貌。沿線沖溝發(fā)育，規(guī)模相對較大，溝床坡降一般10%～30%。隧洞圍巖巖質(zhì)類型主要為前、后段板巖、片巖類，中段碳酸鹽巖類，主要斷層、地層走向均與洞線大角度相交。

引水隧洞施工支洞控制段主洞工作面地處沖溝地段，隧洞埋深約78m，隧洞縱坡i=0.00401，開挖斷面為底寬3.6～4.5m、高3.6～4.45m的城門洞形，襯后斷面為圓形，襯后直徑3.3m。過溝段采用鋼板襯砌外包鋼筋混凝土的方式，鋼襯內(nèi)徑為2.4m。根據(jù)地質(zhì)勘探初步判定該洞段圍巖以Ⅳ1類為主 (約占60%)，其次為Ⅳ2和Ⅲ類。該施工支洞緊鄰“蜂桶寨國家級自然保護區(qū)”，為避免施工對該自然保護區(qū)造成影響，支洞洞口的布置受到一定限制，支洞洞口設(shè)計高程1674m，而該支洞控制段主洞底板高程1562.26～1556.40m，垂直高程約111.74～117.6m，施工難度較大。

2 斜坡卷揚道布置

通常，以下兩種情況較常使用斜坡卷揚道進行施工:a當物料運輸起始端與終止端高程相差較大、地形相對陡峭、公路和鐵路的布置較困難;b物料運輸量不大但修建道路工程量較大，修路方案不經(jīng)濟。斜坡卷揚道是通過卷揚機鋼繩牽引礦車組運輸物料的方式，選取的礦車容積一般為0.6m3或1.0m3，軌距參數(shù)600mm，提升速度2～4m/s，斜坡道長度一般小于500m。斜坡卷揚道大部分布置為直線，線路的坡度一般小于25°，如果采用臺車或者斗箕運輸，其坡度可以相應(yīng)提高，但一般不超過40°。

引水隧洞施工支洞口設(shè)計高程1672m，到達主洞高程1560.9m，支洞洞口至主洞交點垂直高差約為111.1m，水平長度僅為478m，縱坡達到14°，起始端與終止端高程相差較大，公路和鐵路的布置也較困難。根據(jù)引水隧洞的洞線布置特點，結(jié)合隧洞沿線地形、地質(zhì)條件及施工總進度計劃要求，經(jīng)比較后，引水隧洞施工支洞設(shè)計最終選取為斜坡卷揚道型式 (洞內(nèi)斜井)(見下圖)。采用斜坡卷揚道方式布置，施工支洞長492m，其中斜坡卷揚道長467m，上部平車場長度考慮15m，下部平車場長度考慮10m。

3 卷揚道設(shè)計參數(shù)選擇

卷揚機的設(shè)計參數(shù)包括運輸強度、荷載能力及運輸尺寸。下面通過卷揚機的運輸內(nèi)容，分項目論證卷揚機的最大設(shè)計參數(shù)值。

施工支洞段斜坡卷揚道主要負責以下項目的運輸:a支洞控制段的開挖出渣;b支洞工作面的混凝土襯砌的鋼筋和混凝土等材料運輸;c支洞工作面襯砌鋼管管節(jié)運輸;d支洞工作面的施工機械運輸。

3.1 出渣

斜坡卷揚道負擔引水隧洞施工支洞上下游工作面開挖的出渣。該控制段圍巖60%洞段為Ⅳ類圍巖，全斷面開挖面積18.08m2，循環(huán)進尺為2.0m，每循環(huán)渣量36.16m3，出渣時間由挖裝設(shè)備控制。支洞工作面采用LZ—100立爪裝巖機裝渣，5t自卸汽車運輸，出渣時間約為2.5h，每小時出渣方量14.5m3，巖石自然容重約2700kg/m3，故隧洞開挖的平均小時出碴強度為39.15t，高峰時每小時出渣強度為57t。支洞上游控制段較短，工期較為寬松，故兩個工作面同時施工時出渣時段可錯開，斜坡卷揚道運輸強度由單工作面控制，故斜坡卷揚道設(shè)計每小時出渣強度為57t。

3.2 材料運輸

永久支護施工包括鋼筋混凝土澆筑及噴錨支護，支洞工作面引水隧洞為鋼筋混凝土襯砌，部分洞段有鋼襯。經(jīng)計算，混凝土襯砌強度為21m3/h。由于混凝土系統(tǒng)設(shè)置在引水隧洞支洞口，故斜坡卷揚道只負責鋼筋、混凝土等材料運輸。由于該工程主要為洞內(nèi)襯砌混凝土，混凝土施工強度不高，同時材料運輸也可分批運輸，比較靈活。

3.3 鋼管管節(jié)運輸

支洞工作面鋼襯內(nèi)徑2.4m，最大壁厚約16mm，管節(jié)長3m，單節(jié)最大運輸重量約2.84t，運輸尺寸φ3.4m×3m(考慮加勁環(huán))。

3.4 施工機械運輸

施工設(shè)備的最重件為LZ—100立爪裝巖機，自重約8.8t;最大件為2.5m3混凝土攪拌車，外形尺寸為7.4m×2.5m×3.8m，自重為8.1t。

綜合以上分析，斜坡卷揚道設(shè)計運輸強度由出渣控制，為57t/h;斜坡卷揚道設(shè)計載荷能力由立爪裝巖機控制，為8.8t;設(shè)計運輸尺寸由鋼襯管節(jié)、自卸汽車控制，為3.4m×3.8m。根據(jù)以上情況，考慮輔助運輸設(shè)備自重等因素，斜坡卷揚道設(shè)計載荷能力10t，并滿足鋼襯管節(jié)、自卸汽車的運輸尺寸要求。

本文中所提到的智慧旅游，是指利用網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，借助移動終端設(shè)備，以APP、微信等移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序為智能平臺，一方面將大別山旅游資源進行整合，滿足游客的不同需求，強調(diào)游客信息獲取的主動性及便利性；另一方面，為大別山景區(qū)的經(jīng)營方面提供了一個方便而又高效的軟件銷售平臺。

4 卷揚道設(shè)備選擇計算

該斜坡卷揚道的設(shè)計參數(shù)為:斜坡長度467m，上部平車場長度15m，下部平車場長度10m。斜坡卷揚道分單鉤斜坡卷揚道和雙鉤斜坡卷揚道兩種，分別計算如下:

4.1 單鉤斜坡卷揚道

單鉤斜坡卷揚道一次牽引循環(huán)時間 (Tjt)由斜坡卷揚道長度 (L)、上部平車場長度 (Lsh)、上部平車場長度 (Lsa)、平車場休止時間 (Qp，可取30～60s)、斜坡道運行平均速度 (vpj，視運輸長度而定，一般取 0.75～0.9vmax;當運距≤300m時，vmax為2.0m/s;當運距＞300m時，vmax為4.0m/s)以及平車場線路的運行速度 (vp)確定，其計算公式為［5］:

按卷揚機運行速度vmax4m/s、平車場線路運行速度0.3m/s(考慮采用人工推)計，取平車場休止時間60s，則一個循環(huán)時間Tjt為552s。每小時可以牽引的次數(shù)為6.52次。

一次需要牽引的礦車數(shù)(n)由小時運輸能力(Qs)、Tjt、礦車有效載重(Gx)確定，而Gx由裝載系數(shù)(Gm，當坡道傾角小于 25°時取 0.9，25°～30°時取0.8)、料物堆積容重 (γ)，以及礦車容積 (Vr)確定，其計算公式如下［5］:

為滿足小時運輸強度57t/h，Gm取0.9，γ為石渣自然方容重1850kg/m3，礦車容積為1.0m3，需斗車容量5.91m3。此時斜坡斜坡卷揚道設(shè)計載荷能力需提高至12t方能滿足要求。

單鉤卷揚機最大靜拉力 (Fmax)由最大載重(Gmax，Gmax=γVr)、礦車自重 (Gt)、礦車運行阻力(f1，一般取0.01)、鋼繩運行阻力系數(shù) (f2，用上部托輥繩時采用0.5～1.0，用下部托輥繩時采用0.15～0.4)以及鋼繩單位長度重 (Ps)確定，其計算公式如下［5］:

按f2取0.75(參照獅子坪工程)，Ps選取為繩6×19型交互捻鋼絲繩，直徑40mm，單位參考重量為5.71kg/m，則單鉤最大靜拉力7100kgf。

則單鉤卷揚機所需電動機提升功率為393.0kW。

4.2 雙鉤斜坡卷揚道

雙鉤斜坡卷揚道一次牽引循環(huán)時間 (Tjt)計算公式如下［5］:

式中，各L、v值及Qp意義與單鉤相同。小時牽引數(shù)、一次牽引礦車數(shù)計算公式與單鉤相同。

雙鉤斜坡卷揚道一個循環(huán)時間為277s，需斗車容量2.96m3，此時斜坡卷揚道設(shè)計載荷能力仍然由最大件控制，為10t。

雙鉤卷揚機最大靜拉力 (Fmax)計算公式如下［5］:

式中，各符號代表意義與單鉤相同。電動機提升功率計算公式與單鉤相同。

則雙鉤靜拉力差為4185.5kgf，計算功率為232.0kW，為單鉤功率的0.58倍。

4.3 設(shè)備選擇

采用單鉤斜坡卷揚機，功率太大，需選用3.5m以上的大直徑卷揚機，加大了設(shè)備的制造、安裝難度，且后期運行也很不經(jīng)濟。采用雙鉤斜坡卷揚機，高峰小時出渣強度為57t，為轉(zhuǎn)料和調(diào)節(jié)出渣強度，在斜坡卷揚道底部需設(shè)一個儲料倉，斷面3.5m×3.5m×4.0m，儲量容量為62t。

比較后，推薦采用雙鉤斜坡卷揚道方案。

結(jié)合上述計算，該水電站 (雙鉤)斜坡卷揚道所選設(shè)備為:

雙滾筒 GKT2×1.5—20卷揚機 1臺 (功率310kW)，電氣控制設(shè)備1套;鋼絲繩采用6×19—40型。自制斗車 (3m3)2臺。自制混凝土罐2個。10t電動葫蘆 (功率13kW，H=12m)2臺。

5 施工方法

出居溝水電站引水隧洞開挖斷面較小，開挖斷面為 (3.6～4.5)m× (3.6～4.45)m的城門洞形，考慮選用5t自卸汽車作為主要的開挖運輸工具，混凝土攪拌車作為混凝土運輸工具。主支洞均考慮單車道運輸，為方便錯車，每隔200m設(shè)會車道。支洞洞口布置一個裝卸料工作平臺，在斜坡卷揚道下部設(shè)置裝卸料工作平臺及一個3.5m×3.5m×4.0m的儲料倉。

5.1 出渣

在施工過程中，隧洞的開挖洞渣由5t自卸汽車運輸自卸入儲料倉，經(jīng)振動給料機給料進入儲料倉旁的底卸式礦車，礦車由人工推運到斜坡卷揚道的自制斗車內(nèi)，由卷揚機牽引自制斗車到支洞出洞口的下平臺 (1672.0m高程，支洞口高程)，在此平臺高程設(shè)有鋼結(jié)構(gòu)排架和10t的電動葫蘆，由電動葫蘆吊運礦車到洞口上平臺 (1674.0m高程)，轉(zhuǎn)5t自卸汽車運輸至渣場。

5.2 物料運輸

向洞內(nèi)運輸?shù)奈锪嫌惺┕ぴO(shè)備、混凝土、錨桿、鋼筋等。施工設(shè)備由卷揚機牽引鋼絲繩直接吊運至斜坡卷揚道底部;錨桿、鋼筋由卷揚機牽引自制斗車吊運至斜坡卷揚道底部;運輸混凝土時由卷揚機牽引自制混凝土罐吊運至斜坡卷揚道底部。平臺均設(shè)有鋼結(jié)構(gòu)排架和10t的電動葫蘆以滿足物料的垂直運輸需要。

物料運輸時，均由裝卸料工作平臺頂層的電動葫蘆吊運至相應(yīng)運輸設(shè)備 (5t自卸汽車及混凝土攪拌車除外)，運輸設(shè)備在貨物自重作用下，由卷揚機牽引下滑到軌道尾部的裝卸料工作平臺，在軌道末端設(shè)卡死裝置，防止臺車沖撞平臺。臺車到達平臺后由人工將運輸設(shè)備沿軌道推到平臺中部，混凝土由自制混凝土罐直接卸入平臺下部的混凝土攪拌車中，錨桿、鋼筋則需用人工進行二次轉(zhuǎn)運。

6 已實施工程

6.1 獅子坪水電站

獅子坪水電站壓力管道中平段支洞至上平段支洞洞口間地形陡峻，根據(jù)其洞口的地形條件，可能的運輸方案有公路、索道、斜坡卷揚道方案，經(jīng)比較后最終采用雙鉤式牽引斜坡卷揚道 (露天)。根據(jù)國內(nèi)斜坡卷揚道的實際運用情況，斜坡卷揚道適合的坡度在45°以下。壓力管道中平段支洞至上平段支洞洞口附近的自然邊坡約37°，在技術(shù)上滿足斜坡卷揚道的使用條件。

該斜坡卷揚道上平臺高程2394m，下平臺高程2226m，垂直高差168m，卷揚機道總長289m。工程開工時間為2005年11月15日，土建、金結(jié)、安裝及調(diào)試于2006年4月完成，2006年5月投入運行，總工期5.5個月。運行期間，根據(jù)開挖出渣運輸測算，運輸小車容積8m3(約15t)，運行速度:重載為1.0m/s，空載為1.9m/s，每循環(huán) (上料、運輸、卸料)運行時間約18min，折合50t/h，基本滿足設(shè)計要求。獅子坪工程斜坡卷揚道采用快速卷揚機，有提升重量大 (20t)、提升速度快 (2.5m/s)等特點，與公路、索道方案相比，更有利于環(huán)保水保，且節(jié)約占地，節(jié)省運輸費用。

6.2 仁宗海水電站

仁宗海水電站場內(nèi)公路布置調(diào)壓井段，原設(shè)計方案為修建施工道路，為了最大限度地減少電站建設(shè)對周圍生態(tài)環(huán)境的影響，通過優(yōu)化研究及專家咨詢、實地考察，最終采用斜坡卷揚道取代了原設(shè)計方案中的4km施工道路。該斜坡卷揚道為洞內(nèi)斜井式，為滿足永久件運輸要求，其斜坡卷揚道斜井洞段典型斷面尺寸為 (8.5～8.6)m×10.4m(寬×高)，斜坡卷揚道垂直高度為270m，斜坡長度為492.0 m，上部平車場長度44 m，下部平車場長度30 m，坡度為33°。該方案雖然增大投入近1000萬元，但減少了林地占用和林木采伐，同時也減少了道路施工帶來的環(huán)境影響。

7 結(jié) 語

目前斜坡卷揚道較多使用于露天礦業(yè)開采，且一般是在小于25°的溝道內(nèi)利用卷揚機同時提升 (或下放)幾個礦車;斜坡卷揚道在水電站施工中使用較少，并不作為常規(guī)運輸方式，主要適用于物料運輸兩地高差大、地形陡峻、公路與鐵路運輸難以到達、或筑路基建工程量過大而運輸量不大的很不經(jīng)濟的地段。斜坡卷揚道提升技術(shù)在煤炭、礦山行業(yè)運用得較多，也比較成熟。從煤炭行業(yè)實際運用的工程實例來看，在坡度小于25°時，均采用現(xiàn)有的國家定型標準產(chǎn)品。在坡度大于25°且小于45°時，運輸設(shè)備基本上為非標準產(chǎn)品，需做專門的設(shè)計，并且在軌道上要加防傾覆的抱軌裝置。坡度大于45°時，目前我國尚無工程實例。

現(xiàn)階段，由于國家對環(huán)保越來越重視，斜坡卷揚道能有效減少基建工程量，減少對施工區(qū)植被的破壞，從環(huán)境保護角度考慮具有一定優(yōu)勢;但其運輸穩(wěn)定性、可靠性較公路運輸方式低，且在地形受限的情況下，采用洞內(nèi)斜坡卷揚道投資相對較高。在場地布置時，是否采用斜坡卷揚道，需要從技術(shù)可靠性、工程投資、環(huán)境影響和運行要求等方面綜合分析。

［1］DL/T 5133—2001水電水利工程施工機械選擇設(shè)計導(dǎo)則［S］.

［2］王建平.獅子坪水電站壓力管道斜坡卷揚道的設(shè)計及施工［J］.水電站設(shè)計，2012(4).

［3］SL 303—2004水利水電工程施工組織設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］DL/T 5099—1999水工建筑物地下開挖工程施工技術(shù)規(guī)范［S］.

［5］水利電力部水利水電建設(shè)總局.水利水電工程施工組織設(shè)計手冊［M］.北京:中國水利水電出版社，1990.

［6］工程機械使用手冊編輯委員會.工程機械使用手冊［M］.北京:中國水利水電出版社，1998.