摘 要：山西省中部引黄工程07标段斜井支洞施工采用矿井提升机+侧卸式矿车+履带式扒渣机配套方案，有效的解决了小断面陡坡长斜井支洞出渣、材料运输问题。本文介绍和探讨小断面陡坡长斜井有轨运输提升系统设计、设备选型等施工技术，为类似隧道施工提供借鉴。
关键词：小断面；陡坡；长斜井；有轨运输；提升系统；设备配套
1 概述
1.1 工程概况
山西省中部引黄工程是山西省“十二五规划”大水网建设中一项重要的工程，本工程干线自天桥水电站库区取水，供水范围包括四市十六个县，规划年供水6.02亿立方米。
山西省中部引黄工程07标段工期35个月，由四条施工支洞承担主洞全长15.81km施工任务，支洞为城门洞型，宽3.65m，高3.2m，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩开挖断面分别为：11.16m2，16.25m2，17.25m2，为小断面隧洞，且均为长斜井，14#~17#支洞长度分别为491.30m、761.77m、885.44m、672.42m，设计坡比分别为15.40%、24.61%、33.00%、41.97%。
15#~17#支洞口底高程与主支交叉点底高程分别相差176.1m、261.6m、251.4m，受隧道沿线地形、投资等局限，无法找到合适的场面作为支洞口进行坡度变更。14#支洞可采用汽车运输，15#、16#、17#支洞由于隧洞坡度较陡，无法实现汽车无轨运输，参考矿井提升机在煤矿行业上的运用，结合现场实际情况，经过分析比较，采用矿井提升机+侧卸式矿车+履带式扒渣机配套方案。斜井有轨运输承担着出渣、进料（尤其是后期二衬混凝土）的繁重任务。斜井有轨运输的能力决定于有轨运输的前期方案优选和合理设计，尤其是投入设备的先进性、配套性，一旦建成便难以调整和更改。
2 有轨系统总体布置
（1）矿井提升机操作室
矿井提升机操作室布置在施工支洞洞口正对面，距施工支洞洞口约50m位置处。
（2）卸渣平台
卸渣平台布置在操作室与施工支洞之间钢架上，洞外段轨道坡度应不大于支洞坡度，以满足矿井提升机卸渣要求。
（3）天轮
天轮安装在卸渣平台与矿井提升机之间，天轮下部浇筑混凝土基础，天轮的作用是撑起连接提升机卷筒和提升容器的钢丝绳，并引导钢丝绳转向。
（4）轨道和轨枕
侧卸式矿车的轨道采用24kg/m的钢轨，布置在施工支洞轴线两侧，轨道间距0.9m，经卸渣平台一直延伸至洞内工作面，轨枕根据实际施工情况可选用枕木或12的槽钢。
（5）地滚
地滚布置在轨道中间，根据斜井隧洞的坡度、施工要求等按20~30m/个布置，其布置原则为不允许钢丝绳接触底板。
3 机械设备选型及配套
3.1 设备选型考虑因素
机械设备的选型与配套，直接影响隧道施工的工期、质量、安全、成本等。选择机械设备时主要应综合考虑以下因素：
（1）施工方案
机械设备的选型与配套和施工方案密切相关。根据设计、工期要求，通过比选，确定总体施工方案为：采用全断面爆破施工，洞内扒渣机将工作面开挖爆破后的洞渣转到侧卸式矿车内，通过矿井提升机将侧卸式矿车提升至洞外曲轨卸渣平台，采用侧卸的方式将洞渣卸至卸渣平台下方的自卸汽车内，通过自卸汽车将洞渣转运至渣场。选择的机械设备要与此方案相适应 。
（2）工期
一般情况下，施工机械化程度越高，生产效率就越高，施工进度也越快，因此工期要求紧时，应选择性能好、产量高的设备，且数量要能满足要求，各种设备之间互相匹配，防止出现大马拉小车的现象，造成部分设备生产能力得不到充分发挥。根据合同工期要求，III、IV、V类围岩月开挖支护进尺分别为150m、120m、75m，机械设备配备的型号和数量必须满足此要求。
（3）隧道断面形状和尺寸
隧道属地下工程，洞内空间有限，故设备选型时除考虑其性能、互相之间的匹配外，还必须考虑设备本身的外形尺寸。如选型不当，则设备在洞内可能无法正常工作或互相之间形成干扰。15#~17#施工支洞为城门洞型，支洞内最小断面为III类围岩开挖喷护后宽高分别为3.65×3.2m，直墙段高2m。有两个主要问题需考虑：一是扒渣机尺寸，若太小则影响装渣速度；太大设备的性能又得不到充分发挥，甚至可能不能进入III类围岩洞段施工。因风带要随工作面跟进，为便于风带安装，风带安装在侧墙，扒渣机外形尺寸过大还会碰及风带。二是矿车高度，若高度太小，斗容就小，影响出渣速度；矿车高度过高也会碰及风带。
（4）环保、职业健康要求
洞内的空气污染主要来自于爆破后产生的粉尘、有害气体和机械设备产生的废气。对于小断面陡坡长斜井，洞内通风距离长，排烟难度大，因此应尽量选用电动设备（如扒渣机），少用或不用内燃设备，且选用大功率通风设备，以改善洞内工作环境，保证施工人员的身体健康。此外，设备的噪音污染也应适当考虑。
3.2 机械设备配置
3.2.1 提升系统设计
（1）矿车和扒渣机
矿车斗容积和扒渣机装车能力是由斜井支洞合同工期倒算测定的，扒渣机装车能力计算时坚持经济、合理、有效并保留有一定的富余系数。根据我标段合同文件进度计划，出渣强度最大在III类围岩开挖阶段，循环进尺为3m，III类围岩断面面积为11.16m2，堆渣松散系数按1.6计算，即每循环松渣方量为53.57m3，要求出渣时间为90min以内。
式中：
—侧卸式矿车斗容，m3
—扒渣机扒渣装车能力，m3/h
—侧卸式矿车容积系数，取0.9
—扒渣机工作效率，考虑斜井效率较低，取0.5
—矿井提升机牵引牵引距离，按平均出渣距离410m计
—矿井提升机牵引速度，根据施工经验并参考相关规范，按3m/s计
—矿车卸渣时间，按0.5min计
将数值带入公式得：
综合考虑轨道间距、扒渣机外形尺寸、隧洞断面尺寸、扒渣机装渣高度、风带布置等因素，选择斗容为6m3的侧卸式矿车，矿车尺寸为4×1.5×1m（长宽高）。选择型号为WZL-220P的履带式扒渣机，理论装渣能力220m3/h，爬坡能力30°，卸渣高度1900~2600mm，行走速度0.63km/h。
（2）矿井提升机
矿井提升机在选型时应考虑矿车自重、载重、摩擦系数、最大提升速度和提升高度等要求，结合AQ 1035—2007《煤矿用单绳缠绕式矿井提升机 安全检验规范》，并与生产厂家共同商议确定，经比选后采用JK-2×1.5型矿井提升机，相关设计参数如下：
电机功率280kW，卷筒直径2000mm，卷筒宽度1500mm，最大提升速度3.2m/s，容绳量914m（三层），最大静张力61kN。
式中：
—静张力
—洞渣密度，取1600kg/m3
—侧卸式矿车容量，取6m3
—侧卸式矿车自重，取1300kg
—侧卸式矿车车轮与钢轨摩擦系数，取0.015
—钢丝绳摩擦系数，取0.3
—重力加速度，取9.8n/kg
—支洞倾角，以17#支洞最大坡度22.8°为例
—钢丝绳每米重量，2.31kg/m
—钢丝绳提升斜长，按810m计
将数值带入公式得：
电机功率验算：
式中：
—电机功率，kW
—最大静张力，55kN
—矿井提升机牵引速度，按最大提升速度3.2m/s计
—电机效率，取0.9
将数值带入公式得：
（3）钢丝绳
根据AQ 1035—2007《煤矿用单绳缠绕式矿井提升机 安全检验规范》附录表A.1规定， JK-2×1.5提升机配备的钢丝绳最大直径为24mm，我部结合实际情况，选择钢丝绳型号为6×19+FC，直径24mm，破断拉力总和443.79kN。钢丝绳是确保施工安全核心要素，根据AQ 1035—2007《煤矿用单绳缠绕式矿井提升机 安全检验规范》第5.2.9条规定，专为提升物料的钢丝绳安全系数应不小于6.5。
式中：
—钢丝绳安全系数
—钢丝绳破断拉力总和（由相关资质机构出具的检测报告），443.79kN
—钢丝绳静张力，取53.4kN
将数值带入公式得：
，安全系数满足要求。
（4）天轮
天=（60~80）绳
式中：
天—天轮直径
绳—钢丝绳直径
将数值带入公式得：
天=（60~80）×24=1440~1920mm，选用直径为1.65m、游动距离1.3m、轮槽深度为8cm的游动天轮。
3.2.2 风水电保障系统设备配置
（1）通风系统
根据水工建筑物地下开挖工程施工规范（SL 378-2007）及我公司地下工程的施工经验，隧道内通风量需满足：
1）按后期主洞内同时工作的最多人数所需新鲜空气量
式中：—所有施工人员所需风量，m3/min
—洞内每人所需新鲜空气量，取3m3/min
—洞内同时工作的最多人数，按40人计（主洞衬砌时两个工作面人数）
—风量备用系数，取1.3
将数值带入公式得：
2）按冲淡最大一次爆破产生的有害气体所需风量
式中：—爆破散烟所需风量，m3/min
—最大一次爆破的炸药量，按主洞每个掌子面115kg计，共230kg
—通风时间，按30min计
将数值带入公式得：
m3/min
3）按最小允许风速计算所需风量
式中：—保证洞内最小允许风速所需风量，m3/min
—隧洞最大断面积，主洞V类围岩断面积27.111m2
—洞内允许最小风速，取9m/min
将数值带入公式得：
综上，隧洞通风量按488m3/min（29280m3/h）考虑，并考虑主洞长距离漏风等，选择功率2×55kW轴流风机，流量为52000m3/h，工作效率85%。风带选用φ1m的正压风管。
（2）高压供风系统
每个洞口配置1台24m3/min固定式空压机，另备一台应急。高压供风管采用φ125钢管联接到施工作业面，供风管之间采用法兰连接，为手风钻、混凝土喷射等风动机具提供动力。
（3）供水
在各支洞口、支洞内设置水箱（洞内水箱位置、个数根据实际情况而定），水箱尺寸为1.5×1.5×1.5m，用D50钢管引入洞内。
（4）供电
施工用电从发包人在支洞口附近提供的10KV接线点接入，各支洞口安装一台630KVA变压器，利用120mm2低压电缆引入洞内。为防止系统停电对重要工程部位的影响，在各洞口设置一台300kW的柴油发电机组，为其出现停电事故后急需恢复用电的重要工程部位作为事故备用电源，为紧急供电之用。
表1 山西省中部引黄工程07标单个施工支洞主要施工机械设备配置表
4 安全保障措施
4.1 阻车器
为防止断绳、脱钩等突发事故对隧洞内施工人员造成人身伤害，在支洞口、洞内工作面附近以及斜坡段各安装一台全自动阻车器。
4.2 通讯系统
为满足洞外矿井提升机操作人员与洞内施工人员的通讯联系，在矿井提升机操作室和距离掌子面约30m处各安装一台固定电话和电铃。
4.3 监控系统
为确保操作人员全程掌控侧卸式矿车运行情况，需在洞内和洞外安装监控摄像头，洞内摄像头平均按200m/个布置，洞外摄像头布置在洞口附近。
4.4 瓦斯检测仪
隧洞穿越地层岩性十分复杂，沿线施工中可能遇到瓦斯等有毒有害气体，因此洞内配备具备声、光学、震动报警功能的便携式瓦斯检测仪，施工人员施工时随身携带，一旦有瓦斯溢出能够及时发现险情，采取相应措施。
5 总结
我标段采用矿井提升机+侧卸式矿车+履带式扒渣 机配套有轨出渣方案使用已有一年，在这一年的运行过程中，总结出以下经验：
（1）提高有轨出渣速度的关键在于提高矿车斗容和矿井提升机的提升速度，在受到隧洞断面限制无法加大矿车斗容的情况下，应充分发挥设备的性能，加快提升速度。
（2）24kg/m的轻轨在土洞、泥灰岩洞段使用后容易变形，可以通过加密铺设轨枕的方式缓解，但为彻底解决该问题，在支洞贯通至主洞后，底板可浇筑混凝土垫层，并重新铺设43kg/m的重轨，不仅可以彻底解决轨道变形问题，还能提高矿车运行速度。
（3）山西中部引黄工程07标坚持以人为本的成功施工经验：机械设备选配得再合理，都离不开人的执行、调度，所以相应的规章制度、作业标准和安全操作规程是必要的条件，机械设备的操作必须要定人定岗，洞内施工人员与洞外提升机操作员相互配合默契，能有效降低洞内扒渣机装渣时间。
作者简介： 滕良斌（1987—），男，贵州贵阳市人，工程师，从事水利水电工程项目施工管理工作。
作者单位：中国水利水电第九工程局有限公司，邮箱：604685987@qq.com。