超深豎井條件下施工的交通運(yùn)輸研究

孟 凡 朋， 張 維

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

新疆KS9勘探試驗(yàn)洞主洞控制段長(zhǎng)度為4 km，以S2豎井為中心分別向上、下游進(jìn)行各2 km的掘進(jìn)，主洞隧洞縱坡為1/2 583。KS9勘探試驗(yàn)洞工程剖面圖見圖1。根據(jù)設(shè)計(jì)下發(fā)的藍(lán)圖，主洞上游地層巖性為華力西期花崗巖夾黑云母花崗巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬、穩(wěn)定，以Ⅱ類圍巖為主；主洞下游地層巖性為泥盆系凝灰?guī)r，結(jié)構(gòu)致密，巖體整體性較好，部分巖體受斷層構(gòu)造帶影響穩(wěn)定性略差，以Ⅲ類圍巖為主。主洞施工洞段的巖體以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，斷面為頂拱圓心角為180°，底寬7.5 m，直墻高3.3 m的城門洞形，斷面積為46.84 m2，邊頂拱采用錨噴支護(hù)，底板澆筑混凝土鋪平。由于主洞平均埋深超過700 m，主洞施工期間僅能利用深度達(dá)687.613 m的S2豎井作為唯一的施工通道進(jìn)行人員上下、物料運(yùn)輸、洞渣外排。該豎井的凈直徑為7.2 m。KS9勘探試驗(yàn)洞工程剖面圖見圖1。

在主洞開挖支護(hù)施工過程中，為減少物料運(yùn)輸和人員上下對(duì)出渣效率的影響，現(xiàn)場(chǎng)單獨(dú)安裝了一套洞渣外排系統(tǒng)，即采用2個(gè)5 m3箕斗配合3.6 m提升絞車(雙滾筒)進(jìn)行洞渣外排工作以滿足洞渣外排需要。在洞渣外排工作得到解決后，其人員上下和物料運(yùn)輸方式的選擇工作就顯得尤為重要。闡述了對(duì)運(yùn)輸方式選擇進(jìn)行的研究。

2 運(yùn)輸方案的確定

由于S2豎井作為主洞的唯一施工通道，且其深度達(dá)687.613 m，加之豎井內(nèi)仍有流量為20 m3/h左右的滲水，且目前國內(nèi)水利行業(yè)利用超深滲水豎井作為人員上下和物料運(yùn)輸?shù)奈ㄒ煌ǖ澜M織現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工作暫無可參照的成熟經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)，考慮到該項(xiàng)目的實(shí)際情況，項(xiàng)目部結(jié)合工程特性，引入了煤礦運(yùn)輸方式進(jìn)行人員上下和物料運(yùn)輸工作并取得了較好的效果。

圖1 KS9勘探試驗(yàn)洞工程剖面圖

2.1 人員上下方式的確定

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第三百九十三條規(guī)定，立井中升降人員應(yīng)當(dāng)使用罐籠[1]。因此，在主洞施工過程中最終采用罐籠作為人員上下的方式。

2.2 物料運(yùn)輸方式的確定

在KS9主洞施工過程中，其物料運(yùn)輸主要包括混凝土、鋼筋網(wǎng)片、錨桿、型鋼拱架等。鋼筋網(wǎng)片、錨桿、型鋼拱架的運(yùn)輸可以與人員運(yùn)輸方式相結(jié)合采用罐籠進(jìn)行運(yùn)輸。而在煤礦開采過程中，混凝土的運(yùn)輸工作采用溜灰管直接運(yùn)送和“提升絞車+底卸式吊桶”運(yùn)送的方式。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第五十五條規(guī)定，混凝土強(qiáng)度等級(jí)大于C40或輸送深度大于400 m時(shí)，嚴(yán)禁采用溜灰管輸送。由于該工程的施工通道S2豎井深度達(dá)687.613 m，遠(yuǎn)超《煤礦安全規(guī)程》的要求，因此，混凝土運(yùn)輸最終采用“提升絞車+底卸式吊桶”的方式。

對(duì)上述情況進(jìn)行分析得知：豎井井筒內(nèi)需要預(yù)留2個(gè)箕斗、1個(gè)罐籠、1個(gè)底卸式吊桶運(yùn)輸通道，但該井筒直徑僅為7.2 m，其空間有限而無法布置。考慮到箕斗作為獨(dú)立出渣通道不能再進(jìn)行調(diào)整，因此，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過程中，從空間和經(jīng)濟(jì)性角度進(jìn)行考慮，將底卸式吊桶和罐籠運(yùn)輸通道進(jìn)行整合，即在底卸式吊桶下部加裝運(yùn)料平板小車，用礦用調(diào)度小絞車牽引運(yùn)料平板小車通過預(yù)先埋設(shè)的軌道進(jìn)入罐籠后利用提升絞車運(yùn)至井底。此外，由于罐籠頂部始終處于封閉狀態(tài)，通過罐籠運(yùn)輸?shù)仔妒降跬翱梢詫⒕矁?nèi)的淋水有效隔開，從而使混凝土在運(yùn)輸過程中不再受到外部來水的干擾，進(jìn)而確保了混凝土的質(zhì)量。

綜上所述，該工程主洞施工最終決定采用罐籠作為人員上下、物料運(yùn)輸?shù)脑O(shè)備，罐籠采用JK-3.2×3型提升絞車進(jìn)行提升。

3 罐籠型式的確定

罐籠尺寸的選擇主要考慮人員上下所占空間大小、物料運(yùn)輸問題以及主洞施工過程中設(shè)備大件下放等因素。

3.1 人員上下所占空間的大小

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第三百九十四條要求，罐籠內(nèi)每人占有的有效面積應(yīng)當(dāng)不小于0.18 m2。同時(shí)，考慮到該工程冬季施工時(shí)溫度長(zhǎng)期處于零下25 ℃以下且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，施工人員身著服裝厚、重以及豎井滲水人員需身著雨衣下井等因素，罐籠內(nèi)人均有效面積按0.5 m2計(jì)算。罐籠運(yùn)送人員時(shí)，每次不超過9人，故將罐籠的有效面積考慮為4.5 m2。

3.2 物料運(yùn)輸問題

KS9主洞的主要巖體以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主。根據(jù)設(shè)計(jì)支護(hù)要求，主要采用錨噴支護(hù)。施工期間，罐籠主要運(yùn)輸錨桿、鋼筋網(wǎng)片、混凝土等物料。在罐籠尺寸大小選擇時(shí)，主要考慮物料運(yùn)輸時(shí)固定設(shè)施的尺寸，即運(yùn)料平板車及底卸式吊桶的最大尺寸。運(yùn)料平板車的尺寸：長(zhǎng)×寬×高為2.4 m×1.34 m×0.4 m，而底卸式吊桶最大直徑為1.65 m，最大高度為3.34 m，故罐籠的最小尺寸：長(zhǎng)×寬×高為2.4 m×1.65 m×3.34 m。

3.3 設(shè)備大件的下放

該工程S2豎井施工完成后，需要進(jìn)行豎井鑿井轉(zhuǎn)主洞水平施工井筒的改絞工作[2]。在進(jìn)行設(shè)備改絞工作前，由于主洞內(nèi)上下游的間距有限，無法將主洞施工所需的設(shè)備全部下放到主洞內(nèi)，因此，主洞施工所需的部分設(shè)備需在主洞施工過程中分階段、分批次下放到主洞內(nèi)。設(shè)備改絞工作完成后，豎井井筒內(nèi)已布置了箕斗、罐籠、風(fēng)筒等設(shè)施設(shè)備，空間被大面積占用，導(dǎo)致主洞施工過程使用的挖掘機(jī)、裝載機(jī)、自卸車、混凝土罐車等施工設(shè)備無法直接下放到井底，需經(jīng)解體后運(yùn)輸至井底再次進(jìn)行組裝，施工設(shè)備拆解后其部件的最大尺寸為1.9 m×3.5 m×4.3 m。

通過對(duì)上述因素進(jìn)行分析，該工程最終選擇了3.65 m(長(zhǎng))×2.05(寬)×4.5 m(高)的鋼質(zhì)罐籠作為主洞施工過程中人員上下、物料運(yùn)輸設(shè)備。

4 罐籠裝備的安裝

罐籠利用JK-3.2×3型提升絞車進(jìn)行提升，罐籠裝備的安裝主要包括鋼絲繩安裝、液壓托罐裝置安裝、鋼套架安裝、過卷過放裝置安裝、安全柵門安裝等。提升機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。S2豎井井口平面布置圖見圖2。

表1 提升機(jī)主要技術(shù)參數(shù)表

4.1 鋼絲繩的安裝

罐籠安裝時(shí)共需安裝7根鋼絲繩，其中包含1根提升鋼絲繩、4根罐道鋼絲繩、2根制動(dòng)繩。

采用1根18×7+FC-42-1870多層股不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩作為提升罐籠的鋼絲繩。該不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩受力均勻，運(yùn)行平穩(wěn)，使用時(shí)不易發(fā)生斷絲，安全，可靠。將提升鋼絲繩一端纏繞在直徑為3.2 m絞車的滾筒上，通過固定在天輪平臺(tái)上方的TXG3000/46型鑿井天輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向，另一端通過XS-150楔形繩環(huán)固定在罐籠上。采用2根6×19S+FC-32-1770型鋼絲繩作為制動(dòng)繩、4根6×19S+FC-36-1770型(左右捻各2根)鋼絲繩作為罐道繩，將其上部固定在天輪平臺(tái)上，下部固定在井下口穩(wěn)繩梁上。采用SGY-20型液壓張緊裝置對(duì)制動(dòng)繩及罐道繩進(jìn)行打壓，確保穩(wěn)繩張緊力度適中，可保持罐籠運(yùn)行平穩(wěn)，進(jìn)而有效杜絕提升過程因罐道繩松弛導(dǎo)致的罐籠出現(xiàn)擺動(dòng)、卡繩現(xiàn)象，防止出現(xiàn)提升事故。同時(shí)，在制動(dòng)繩上裝備BF-152型抓捕器[3]1套，防止罐籠運(yùn)行時(shí)由于提升鋼絲繩、連接裝置斷裂出現(xiàn)罐籠墜落情況，以提高罐籠安全運(yùn)行的保障程度。

4.2 液壓托罐裝置的安裝

平板材料車運(yùn)輸材料進(jìn)出罐籠時(shí)，由調(diào)度絞車通過軌道進(jìn)行牽引。為保證罐籠內(nèi)的軌道與井口軌道齊平以方便平板材料車自由、順利地進(jìn)出罐籠，在上井口及下井口位置各安裝了兩套液壓托罐裝置(采用THT-I型托罐裝置[4])，托罐裝置每年至少進(jìn)行一次檢查和保養(yǎng)。平板材料車進(jìn)出罐籠前，首先將罐籠提升至井口平面以上30 cm，然后通過安裝在井口的液壓集中控制系統(tǒng)打開液壓托罐裝置，再將罐籠下放至托罐裝置上，使罐籠內(nèi)的軌道與井口的軌道齊平，然后利用調(diào)度絞車牽引平板材料車進(jìn)出罐籠。

4.3 鋼套架的安裝

由于上、下井口均為敞口式，若只采用鋼絲繩作為罐道繩，物料運(yùn)輸過程中平板材料車進(jìn)出罐籠時(shí)會(huì)導(dǎo)致鋼絲繩穩(wěn)繩出現(xiàn)晃動(dòng)，罐籠亦會(huì)同時(shí)晃動(dòng)，進(jìn)而直接影響到平板材料車正常進(jìn)出罐籠。為方便罐籠正常運(yùn)行，在上井口及下井口采用16號(hào)方鋼制作成金屬罐道作為罐籠上下井口的穩(wěn)罐導(dǎo)向，防止鋼絲繩及罐籠出現(xiàn)晃動(dòng)以確保平板材料車正常進(jìn)出罐籠。

4.4 過卷過放裝置的安裝

為防止罐籠提升機(jī)司機(jī)操作時(shí)馬虎大意、深度指示器失效或自動(dòng)控制裝置出現(xiàn)故障、提升容器到達(dá)減速位置而未減速、安全保護(hù)裝置失效、制動(dòng)裝置失靈等原因在上井口及下井口出現(xiàn)過卷過放事故[5]影響罐籠的正常運(yùn)行，在上井口及下井口位置各安裝了一套過放過卷裝置。

圖2 S2豎井井口平面布置圖

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第四百零七條規(guī)定，罐籠和箕斗提升的過卷和過放距離不得小于表2所列數(shù)值。立井提升裝置過卷與過放距離表見表2。

表2 立井提升裝置過卷與過放距離表

提升速度為表2中所列速度的中間值時(shí)，采用插值法計(jì)算。

現(xiàn)場(chǎng)采用JKZ-3.2×3型鑿井提升機(jī)進(jìn)行罐籠提升，最大提升速度為5.3 m/s。根據(jù)表2的計(jì)算，將過卷過放裝置安裝在上井口以上、下井口以下5.9 m位置。在上井口平臺(tái)位置以上5.89 m位置安裝一套過卷裝置，并與提升絞車控制系統(tǒng)形成聯(lián)動(dòng)，當(dāng)罐籠運(yùn)行超過過卷裝置時(shí)提升絞車能自動(dòng)斷電，罐籠立即停止運(yùn)行，以防止提升絞車發(fā)生過卷現(xiàn)象而造成天輪、井架損壞，甚至拉斷鋼絲繩導(dǎo)致提升容器墜落、撞壞井筒設(shè)施甚至造成人員傷亡。在下井口平臺(tái)位置以下5.9 m位置安裝一套過放裝置，防止因過放造成蹲罐事故。

4.5 安全柵門的安裝

在上井口及下井口出車平臺(tái)位置分別安設(shè)信號(hào)連鎖液壓對(duì)開式安全柵門，即液壓安全柵門與信號(hào)房?jī)?nèi)的信號(hào)與操車電控裝置形成聯(lián)動(dòng)。罐籠運(yùn)行前安全柵門未關(guān)閉時(shí)，信號(hào)工不能發(fā)出開車信號(hào)，進(jìn)而增加了罐籠安全運(yùn)行保障。

4.6 罐門的安裝

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第三百九十四條相關(guān)要求：罐籠進(jìn)出口必須裝設(shè)罐門或罐簾。由于該罐籠的高度達(dá)到4.5 m，罐簾不便于在現(xiàn)場(chǎng)操作，因此采用罐門進(jìn)行封閉。罐門采用自制鐵門進(jìn)行安裝，高度為4.2 mm，罐門底部邊緣至罐底的距離為150 mm。為防止罐門未及時(shí)關(guān)閉而與井筒的裝備造成刮碰，將罐門向內(nèi)安裝。

5 設(shè)備安全運(yùn)行情況

現(xiàn)場(chǎng)上井口與下井口信號(hào)系統(tǒng)采用集中信號(hào)控制系統(tǒng)，通過安裝各種傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)絞車、操車系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)的連鎖控制，主要傳感器及閉鎖功能包括：

(1)傳感器：液壓托罐裝置、安全門開閉位置傳感器、井口減速點(diǎn)位置傳感器、罐籠井口過卷磁力接近開關(guān)、罐籠井架過卷開關(guān)。

(2)主要信號(hào)閉鎖功能：安全門未關(guān)閉、過卷未恢復(fù)、井上下信號(hào)未回點(diǎn)、井口把鉤工裝車完好情況未回點(diǎn)等均不能發(fā)出絞車運(yùn)行信號(hào)；設(shè)置緊急情況下急停信號(hào)和檢修信號(hào)以及泄露通信信號(hào)功能。

6 結(jié) 語

針對(duì)新疆KS9勘探試驗(yàn)洞工程主洞施工過程中利用豎井(深度達(dá)687.613 m )作為唯一施工通道進(jìn)行人員上下、物料運(yùn)輸工作暫無可以參照的成熟經(jīng)驗(yàn)的具體情況，項(xiàng)目部以該工程為依托，針對(duì)施工通道單一、深度大、滲水量大的特點(diǎn)，合理借鑒煤礦施工技術(shù)，采用“罐籠+提升絞車”的方式進(jìn)行人員上下、物料運(yùn)輸工作，運(yùn)行工況良好，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需要。通過該工程“罐籠+提升絞車”作為人員和物料運(yùn)輸系統(tǒng)的成功應(yīng)用，填補(bǔ)了水利工程超深豎井條件作為唯一施工通道進(jìn)行人員和物料運(yùn)輸系統(tǒng)的空白，為后續(xù)類似水利工程建設(shè)提供了技術(shù)支持和施工經(jīng)驗(yàn)。