羅 剛， 潘少康， 2， *， 楊磐石， 周 佳， 劉 暢

(1. 長安大學公路學院， 陜西 西安 710064； 2. 廣西新發(fā)展交通集團有限公司， 廣西 南寧 530029；3. 中交二公局第三工程有限公司， 陜西 西安 710016)

0 引言

在特長隧道的修建和運營過程中，斜井可增加工作面提高施工速度、分段通風降低運營成本而扮演著重要的角色[1]，但陡坡斜井使得無軌運輸難以實現(xiàn)，而需設置一套有軌運輸系統(tǒng)輔助施工。

鐵路隧道方面，張海超等[2]以木寨嶺隧道3號和4號斜井為研究對象，從斷面優(yōu)化和設備選配2方面進行探討，提出主副井斷面選擇方法； 李昌[3]對象山隧道的井底車場布置進行了優(yōu)化，設置的抽排系統(tǒng)解決了反坡排水的問題； 郭得福等[4]從緩坡斜井和陡坡斜井2方面對斜井的快速施工做了論述； 鐘有信等[5]則對井底渣艙的施工、井底轉載系統(tǒng)和安全技術措施進行了研究。然而，關于特長大斷面公路隧道斜井的有軌運輸研究仍然缺乏，在實際建設過程中需要參考煤礦和鐵路隧道斜井的研究成果。

天臺山特長隧道1號斜井左右線坡度分別為22°和20°，按照JTG 3370.1—2018《公路隧道設計規(guī)范 第一冊 土建工程》[6]的規(guī)定： 當斜井的傾角在7°～25°時，不宜采用無軌運輸，可用軌道礦車提升。本文依托該工程，探討長距離陡坡雙斜井的有軌運輸設備選型和校核、斜井場地布置、運輸方案優(yōu)化等，旨在豐富公路隧道斜井的設計、施工經(jīng)驗，以期為同類工程提供借鑒。

1 工程概況

寶坪高速秦嶺天臺山特長隧道全長15.5 km，為雙向6車道隧道，開挖斷面127 m2，屬于特大斷面隧道[7]。主洞采用鉆爆法施工，以1號斜井為施工通道承擔主洞3.2 km的施工任務，采用斜井有軌運輸系統(tǒng)與主洞無軌運輸相結合，運送棄渣、施工材料和人員。主洞與斜井的位置關系見圖1。

圖1 主洞與斜井的位置關系

1號斜井分為送風井(主井)和排風井(副井)，井口和井底均設置渣艙便于快速裝卸渣，斜井概況如表1所示。主井設置1#、2#軌道配備雙滾筒絞車用于棄渣運輸； 副井設置3#、4#軌道配備雙滾筒絞車主要作為材料通道，絞車類型均為地面纏繞式，天輪為固定天輪。由于建設規(guī)模大且工期緊，材料通道空閑時也用于出渣，以提高生產(chǎn)效率。5#軌道配備單滾筒絞車作為人車專用通道。除5#軌道所需提升功率較小外，其他軌道設備基本一致。軌道為P50鋼軌，軌距為0.9 m，軌枕采用Ⅰ類木枕，縱向間距0.7 m，井身每隔15 m設直徑為120 mm的地輥，井口變坡點每隔8 m設直徑為320 mm的大地輥。

表1 斜井概況

2 設備配置

有軌運輸系統(tǒng)的提升設備主要包括礦車、鋼絲繩、絞車以及天輪等。

2.1 礦車、罐車

2.1.1 礦車選型

提升礦車主要用于出渣和材料運輸，而材料運輸方量遠小于出渣量，因此礦車容量的選用主要取決于主洞棄渣運量。為便于卸渣，選用曲軌側卸式礦車(見圖2)，常用規(guī)格參數(shù)見表2。通過表3的計算，選用10 m3的礦車可滿足運輸要求。

圖2 現(xiàn)場曲軌側卸式礦車

表2 曲軌側卸式礦車參數(shù)[2]

2.1.2 罐車選型

副井中混凝土的運輸方式是軌行式罐車運輸，大型機具由礦用板車運至井下組裝。罐車選型計算依據(jù)為： 主洞開挖段按設計Ⅴ級圍巖，二次襯砌混凝土按15 m3/m計算，據(jù)經(jīng)驗，雙洞二次襯砌澆筑12 m/d，共耗混凝土180 m3，澆筑時間為10 h，平均澆筑18 m3/h; 設計仰拱混凝土8.9 m3/m，施工速度10 m/d，共計89 m3，3 h澆筑完成，平均澆筑29.6 m3/h。因此，副井混凝土最大運量為： 18+29.6=47.6 m3/h。通過表4的計算，應選用6 m3罐車。

表3 礦車選型計算

表4 副井運輸量計算

2.2 鋼絲繩

首先，擬選鋼絲繩型號并計算其單位長度質量是否滿足要求。因鋼絲繩在使用過程中受拉應力、擠壓應力和彎曲應力等的綜合作用，所以需依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》[8]對提升鋼絲繩進行安全系數(shù)校核，具體按最大靜載荷計算，提升人員和物體時，安全系數(shù)分別不小于9.0和6.5。鋼絲繩相關參數(shù)參考GB/T 20118—2017《鋼絲繩通用技術條件》[9]，人車(20人)自身質量3.6 t，單人質量按100 kg計。校核參數(shù)見表5，通過表6的驗算，主、副井所用鋼絲繩均滿足要求。

2.3 絞車

絞車是斜井有軌運輸系統(tǒng)的核心設備，必須具備足夠的負載能力和驅動能力才能保障施工的順利進行。本項目共設5條軌道，配置2臺雙滾筒絞車和1臺單滾筒絞車。絞車校核流程如圖3所示。

表5 鋼絲繩校核參數(shù)

表6 鋼絲繩驗算

2.3.1 擬定絞車型號

運輸量已在2.1節(jié)中確定。主井1#、2#軌道1次運輸只提升1輛礦車，擬選2JK-3.5×1.7型雙滾筒礦用絞車。副井3#、4#軌道擬選用與主井相同的絞車。5#人員運輸線擬選用JK-2.5×2型單滾筒絞車。2種絞車部分參數(shù)見表7。

2.3.2 絞車校核

進行副井絞車最大靜張力差驗算時，軌行式混凝土罐車自身質量取m0=11.5 t，混凝土及罐車總質量取m0+m=26.5 t。K1為電動機容量備用系數(shù)，取1.1，η為機械傳動效率，取0.9[11]。人車為單滾筒絞車，不進行最大靜張力差驗算。經(jīng)表8的驗算，所選絞車均滿足要求。

圖3 絞車校核流程

表7 絞車參數(shù)

2.4 天輪

天輪的作用是支撐和引導鋼絲繩，分為固定天輪和游動天輪。固定天輪固定于井架，只作旋轉運動，主要適合豎井和斜井礦車運輸。游動天輪除旋轉外還沿中心軸橫向移動，主要適合斜井串車運輸。本案例中絞車位于地面，屬地面纏繞式提升，同時1次運輸1輛車，非串車運輸。絞車可距天輪較遠以滿足鋼絲繩偏角的要求，且固定天輪具有安全可靠、后期維護簡便的優(yōu)點，故5條軌道均采用固定天輪。其中，物料軌道天輪直徑均為2.5 m，人車軌道天輪直徑為2.0 m，鋼絲繩直徑分別為40 mm和28 mm。地面纏繞式提升裝置圍抱角的大小不同，天輪最小直徑的驗算公式也不同[8]。D為天輪最小直徑，d為鋼絲繩直徑。本項目圍抱角小于90°，經(jīng)表9的驗算，滿足要求。

表8 絞車驗算

表9 天輪驗算

3 運輸系統(tǒng)布置

3.1 斷面布置

由于要考慮多種工況和不同設備，有軌運輸?shù)臄嗝嬖O計較無軌運輸更復雜。決定斜井斷面尺寸的因素主要有多軌道的最小界限、礦車的高寬、軌距、礦車間距、人行通道寬、通風管直徑、高壓風水管直徑等。2輛礦車相向運行時，礦車凈距不小于0.2 m，巷道側寬度不小于0.3 m； 在巷道渣面起1.6 m高度內，須有0.8 m寬的人行通道[6,8]。經(jīng)設計，主、副井的斷面布置分別見圖4和圖5。

3.2 井口設備布置

井口平面見圖6。先將主井洞口基巖整平，確定絞車預埋件孔位后澆筑基礎混凝土。機房為2層鋼結構，絞車及電控裝置分別在1層和2層。井口卸渣棧橋下設棄渣區(qū)，深5.8 m、寬15 m、墩高6.5～9.5 m。主、副井井口棄渣區(qū)見圖7。1#、2#軌道的棄渣通過裝載機和自卸車轉運。主井井口設備布置見圖8。

圖4 主井橫斷面布置(單位： m)

副井絞車和天輪的基礎設于加固后的填渣上。3#、5#軌道旁側設站臺供罐車和人員上下。井口設25 t龍門吊，吊裝罐車和施工材料。由于場地狹窄和5#軌道限制，井口4#軌道長于3#軌道13 m而錯開設2個棄渣區(qū)。副井井口設備布置見圖9。

圖5 副井橫斷面布置(單位： m)

圖6 井口平面圖

(a) 主井井口棄渣區(qū)

(b) 副井井口棄渣區(qū)

圖8 主井井口設備布置(單位： m)

圖9 副井井口設備布置(單位： m)

3.3 井底轉載

將主洞無軌運輸和斜井有軌運輸相結合，可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢[12]，井底車場見圖10。到達井底的物資借助井底吊車轉運至自卸車，然后進行正洞無軌運輸。主井在渣艙處雙軌變單軌，1#、2#軌道共用渣艙。副井裝渣點前后錯開以實現(xiàn)快速轉渣，即自卸車停在4#軌道上卸渣至3#礦車，停在5#軌道上卸渣至4#礦車。

井底轉渣艙使得井下無軌與有軌快速銜接，提高效率[13]。轉渣艙通過開挖矩形凹槽使礦車行至渣艙底部后，主洞自卸車通過漏斗卸下棄渣，直接倒入礦車實現(xiàn)快速裝渣。爆破開挖渣艙，并錨噴支護側壁，渣艙兩側采用漿砌片石或鋼筋混凝土砌筑。漏斗為20 mm厚鋼板與插入側壁的工字鋼焊接而成。主井井底渣艙見圖11。

圖10 井底車場

圖11 主井井底渣艙(單位： m)

4 混凝土運輸方案優(yōu)化

原方案考慮到大斷面隧道對混凝土質量要求高，采用龍門吊配合可換裝式混凝土罐車，但實際推行后，弊端凸顯： 裝卸罐車耗時過長、人工裝卸操作復雜而危險、混凝土運輸與出渣等工序沖突，所以亟需優(yōu)化。

因副井布置3條軌道，設備較密集，而主井只有2條軌道，留有較大的可操作空間，經(jīng)實地考察和可行性論證后，將原方案優(yōu)化為主井混凝土溜槽運輸。溜槽初步架設方案見圖12。

溜槽總長為714 m。第1段： 地面鋪設溜槽，長611 m，其緊貼于地面并與地面預留鋼筋焊接。第2段： 高度低于2 m的懸空段溜槽，長43.5 m，型鋼作支架，支架底部與地面預留鋼筋焊接。第3段： 溜槽高度為2～4.1 m，長59.5 m，雙排鋼管腳手架作支架。溜槽片間搭接長度不小于20 cm。

溜槽運輸?shù)淖畲箅y點是保持混凝土良好的和易性，避免離析； 同時，溜槽支架強度也需前期驗算。為更好地保證混凝土的和易性，從運輸方面，在井口及井底設置料斗，防止混凝土過振，井底料斗有開閉閘門可儲存一定量的混凝土；在材料方面，控制集料級配和含水率，加入適量的粉煤灰并正確使用外加劑。

圖12 溜槽方案示意圖(單位： m)

4.1 鋼管支架力學驗算

4.1.1 支架基本參數(shù)

鋼管支架為雙排鋼管腳手架，未懸挑，總長59.5 m，最大高度4.1 m。材料為Q235鋼，驗算所需參數(shù)和比較標準參考GB 50017—2017《鋼結構設計標準》[14]。

4.1.2 荷載計算

混凝土容重取為25 kN/m3，人員及機械活載取為1 kN/m，溜槽自身質量為0.29 kN/m，鋼管支架自身質量由軟件自動計算，根據(jù)試驗中混凝土截面積(見圖13)計算其單位長度體積，恒載系數(shù)和活載系數(shù)分別取為1.2和1.4。

圖13 溜槽橫截面(單位： m)

單位長度荷載為：

Q=1.2×0.29+1.4×(25×0.062×1+1)=3.91 kN/m。

4.1.3 驗算結果

支架經(jīng)有限元軟件Midas Civil計算后，結果見表10，各項力學指標均小于安全值，鋼管支架滿足要求。

表10 支架驗算

4.2 溜槽運輸試驗

混凝土經(jīng)過長距離的溜槽運輸后，其質量是此方案能否順利實施的主導因素，需進行試驗驗證。

先用噴淋系統(tǒng)潤濕溜槽，后用足量砂漿(不少于1.5 m3)潤和溜槽內壁[15]，最后逐漸倒入25 m3混凝土?？紤]到運輸過程的損耗，應適當補充混凝土直到能夠進行井底混凝土試驗。溜槽尾端水、砂漿和混凝土的流速分別為0.92、1.39、0.30 m/s，混凝土到達井底用時26 min。1 h可運輸?shù)幕炷练搅繛?.30×0.062×3 600=66.96 m3>47.6 m3，滿足運輸量要求?，F(xiàn)場試驗見圖14。對井底混凝土進行檢測后，其質量達標，試驗成功。

圖14 溜槽現(xiàn)場試驗

溜槽運輸?shù)淖⒁馐马椨校?/p>

1)溜槽運輸時應派專人沿線巡查，特別注意各連接位置，防止發(fā)生意外；

2)完成后，清洗溜槽，防止殘留物凝固而降低溜槽光滑度，使用前，用砂漿將零星碎石沖走并潤和溜槽；

3)井底接收的混凝土應進行和易性檢測，澆筑前由罐車二次攪拌；

4)最先到達井底的是超徑的骨料和部分發(fā)生離析的混凝土，現(xiàn)場應盡量剔除這部分物質。

5 結論與建議

本文對天臺山隧道1號斜井有軌運輸系統(tǒng)的設計與優(yōu)化進行了探討，有以下結論與建議。

1)礦車、罐車等運輸車輛的選型控制指標是隧道正洞的出渣量、二次襯砌和仰拱混凝土消耗量，大斷面3車道隧道施工時，斜井有軌運輸?shù)倪\量略顯不足，需全天候運行才能保證基本的施工要求，對施工設備的正常運行帶來隱患。因此，在運輸量較大的輔助斜井運輸方式選擇中，建議采用無軌運輸。

2)當斜井長度大于800 m、坡度大于20°時，混凝土溜槽運輸方式較軌行式罐車運輸效率高，在滿足混凝土品質的條件下，建議采用溜槽運輸方式。

3)可從長大陡坡斜井施工、提升系統(tǒng)設備配置、井口地面場地布置及井底車場布置、有軌運輸系統(tǒng)運行安全措施等方面展開進一步的研究工作。