超深竖井条件下施工的交通运输研究

孟 凡 朋， 张 维

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

新疆KS9勘探试验洞主洞控制段长度为4 km，以S2竖井为中心分别向上、下游进行各2 km的掘进，主洞隧洞纵坡为1/2 583。KS9勘探试验洞工程剖面图见图1。根据设计下发的蓝图，主洞上游地层岩性为华力西期花岗岩夹黑云母花岗岩，岩质坚硬、稳定，以Ⅱ类围岩为主；主洞下游地层岩性为泥盆系凝灰岩，结构致密，岩体整体性较好，部分岩体受断层构造带影响稳定性略差，以Ⅲ类围岩为主。主洞施工洞段的岩体以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主，断面为顶拱圆心角为180°，底宽7.5 m，直墙高3.3 m的城门洞形，断面积为46.84 m2，边顶拱采用锚喷支护，底板浇筑混凝土铺平。由于主洞平均埋深超过700 m，主洞施工期间仅能利用深度达687.613 m的S2竖井作为唯一的施工通道进行人员上下、物料运输、洞渣外排。该竖井的净直径为7.2 m。KS9勘探试验洞工程剖面图见图1。

在主洞开挖支护施工过程中，为减少物料运输和人员上下对出渣效率的影响，现场单独安装了一套洞渣外排系统，即采用2个5 m3箕斗配合3.6 m提升绞车(双滚筒)进行洞渣外排工作以满足洞渣外排需要。在洞渣外排工作得到解决后，其人员上下和物料运输方式的选择工作就显得尤为重要。阐述了对运输方式选择进行的研究。

2 运输方案的确定

由于S2竖井作为主洞的唯一施工通道，且其深度达687.613 m，加之竖井内仍有流量为20 m3/h左右的渗水，且目前国内水利行业利用超深渗水竖井作为人员上下和物料运输的唯一通道组织现场生产工作暂无可参照的成熟经验，同时，考虑到该项目的实际情况，项目部结合工程特性，引入了煤矿运输方式进行人员上下和物料运输工作并取得了较好的效果。

图1 KS9勘探试验洞工程剖面图

2.1 人员上下方式的确定

根据《煤矿安全规程》第三百九十三条规定，立井中升降人员应当使用罐笼[1]。因此，在主洞施工过程中最终采用罐笼作为人员上下的方式。

2.2 物料运输方式的确定

在KS9主洞施工过程中，其物料运输主要包括混凝土、钢筋网片、锚杆、型钢拱架等。钢筋网片、锚杆、型钢拱架的运输可以与人员运输方式相结合采用罐笼进行运输。而在煤矿开采过程中，混凝土的运输工作采用溜灰管直接运送和“提升绞车+底卸式吊桶”运送的方式。根据《煤矿安全规程》第五十五条规定，混凝土强度等级大于C40或输送深度大于400 m时，严禁采用溜灰管输送。由于该工程的施工通道S2竖井深度达687.613 m，远超《煤矿安全规程》的要求，因此，混凝土运输最终采用“提升绞车+底卸式吊桶”的方式。

对上述情况进行分析得知：竖井井筒内需要预留2个箕斗、1个罐笼、1个底卸式吊桶运输通道，但该井筒直径仅为7.2 m，其空间有限而无法布置。考虑到箕斗作为独立出渣通道不能再进行调整，因此，在现场实施过程中，从空间和经济性角度进行考虑，将底卸式吊桶和罐笼运输通道进行整合，即在底卸式吊桶下部加装运料平板小车，用矿用调度小绞车牵引运料平板小车通过预先埋设的轨道进入罐笼后利用提升绞车运至井底。此外，由于罐笼顶部始终处于封闭状态，通过罐笼运输底卸式吊桶可以将井筒内的淋水有效隔开，从而使混凝土在运输过程中不再受到外部来水的干扰，进而确保了混凝土的质量。

综上所述，该工程主洞施工最终决定采用罐笼作为人员上下、物料运输的设备，罐笼采用JK-3.2×3型提升绞车进行提升。

3 罐笼型式的确定

罐笼尺寸的选择主要考虑人员上下所占空间大小、物料运输问题以及主洞施工过程中设备大件下放等因素。

3.1 人员上下所占空间的大小

根据《煤矿安全规程》第三百九十四条要求，罐笼内每人占有的有效面积应当不小于0.18 m2。同时，考虑到该工程冬季施工时温度长期处于零下25 ℃以下且持续时间长，施工人员身着服装厚、重以及竖井渗水人员需身着雨衣下井等因素，罐笼内人均有效面积按0.5 m2计算。罐笼运送人员时，每次不超过9人，故将罐笼的有效面积考虑为4.5 m2。

3.2 物料运输问题

KS9主洞的主要岩体以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主。根据设计支护要求，主要采用锚喷支护。施工期间，罐笼主要运输锚杆、钢筋网片、混凝土等物料。在罐笼尺寸大小选择时，主要考虑物料运输时固定设施的尺寸，即运料平板车及底卸式吊桶的最大尺寸。运料平板车的尺寸：长×宽×高为2.4 m×1.34 m×0.4 m，而底卸式吊桶最大直径为1.65 m，最大高度为3.34 m，故罐笼的最小尺寸：长×宽×高为2.4 m×1.65 m×3.34 m。

3.3 设备大件的下放

该工程S2竖井施工完成后，需要进行竖井凿井转主洞水平施工井筒的改绞工作[2]。在进行设备改绞工作前，由于主洞内上下游的间距有限，无法将主洞施工所需的设备全部下放到主洞内，因此，主洞施工所需的部分设备需在主洞施工过程中分阶段、分批次下放到主洞内。设备改绞工作完成后，竖井井筒内已布置了箕斗、罐笼、风筒等设施设备，空间被大面积占用，导致主洞施工过程使用的挖掘机、装载机、自卸车、混凝土罐车等施工设备无法直接下放到井底，需经解体后运输至井底再次进行组装，施工设备拆解后其部件的最大尺寸为1.9 m×3.5 m×4.3 m。

通过对上述因素进行分析，该工程最终选择了3.65 m(长)×2.05(宽)×4.5 m(高)的钢质罐笼作为主洞施工过程中人员上下、物料运输设备。

4 罐笼装备的安装

罐笼利用JK-3.2×3型提升绞车进行提升，罐笼装备的安装主要包括钢丝绳安装、液压托罐装置安装、钢套架安装、过卷过放装置安装、安全栅门安装等。提升机主要技术参数见表1。S2竖井井口平面布置图见图2。

表1 提升机主要技术参数表

4.1 钢丝绳的安装

罐笼安装时共需安装7根钢丝绳，其中包含1根提升钢丝绳、4根罐道钢丝绳、2根制动绳。

采用1根18×7+FC-42-1870多层股不旋转钢丝绳作为提升罐笼的钢丝绳。该不旋转钢丝绳受力均匀，运行平稳，使用时不易发生断丝，安全，可靠。将提升钢丝绳一端缠绕在直径为3.2 m绞车的滚筒上，通过固定在天轮平台上方的TXG3000/46型凿井天轮进行转向，另一端通过XS-150楔形绳环固定在罐笼上。采用2根6×19S+FC-32-1770型钢丝绳作为制动绳、4根6×19S+FC-36-1770型(左右捻各2根)钢丝绳作为罐道绳，将其上部固定在天轮平台上，下部固定在井下口稳绳梁上。采用SGY-20型液压张紧装置对制动绳及罐道绳进行打压，确保稳绳张紧力度适中，可保持罐笼运行平稳，进而有效杜绝提升过程因罐道绳松弛导致的罐笼出现摆动、卡绳现象，防止出现提升事故。同时，在制动绳上装备BF-152型抓捕器[3]1套，防止罐笼运行时由于提升钢丝绳、连接装置断裂出现罐笼坠落情况，以提高罐笼安全运行的保障程度。

4.2 液压托罐装置的安装

平板材料车运输材料进出罐笼时，由调度绞车通过轨道进行牵引。为保证罐笼内的轨道与井口轨道齐平以方便平板材料车自由、顺利地进出罐笼，在上井口及下井口位置各安装了两套液压托罐装置(采用THT-I型托罐装置[4])，托罐装置每年至少进行一次检查和保养。平板材料车进出罐笼前，首先将罐笼提升至井口平面以上30 cm，然后通过安装在井口的液压集中控制系统打开液压托罐装置，再将罐笼下放至托罐装置上，使罐笼内的轨道与井口的轨道齐平，然后利用调度绞车牵引平板材料车进出罐笼。

4.3 钢套架的安装

由于上、下井口均为敞口式，若只采用钢丝绳作为罐道绳，物料运输过程中平板材料车进出罐笼时会导致钢丝绳稳绳出现晃动，罐笼亦会同时晃动，进而直接影响到平板材料车正常进出罐笼。为方便罐笼正常运行，在上井口及下井口采用16号方钢制作成金属罐道作为罐笼上下井口的稳罐导向，防止钢丝绳及罐笼出现晃动以确保平板材料车正常进出罐笼。

4.4 过卷过放装置的安装

为防止罐笼提升机司机操作时马虎大意、深度指示器失效或自动控制装置出现故障、提升容器到达减速位置而未减速、安全保护装置失效、制动装置失灵等原因在上井口及下井口出现过卷过放事故[5]影响罐笼的正常运行，在上井口及下井口位置各安装了一套过放过卷装置。

图2 S2竖井井口平面布置图

根据《煤矿安全规程》第四百零七条规定，罐笼和箕斗提升的过卷和过放距离不得小于表2所列数值。立井提升装置过卷与过放距离表见表2。

表2 立井提升装置过卷与过放距离表

提升速度为表2中所列速度的中间值时，采用插值法计算。

现场采用JKZ-3.2×3型凿井提升机进行罐笼提升，最大提升速度为5.3 m/s。根据表2的计算，将过卷过放装置安装在上井口以上、下井口以下5.9 m位置。在上井口平台位置以上5.89 m位置安装一套过卷装置，并与提升绞车控制系统形成联动，当罐笼运行超过过卷装置时提升绞车能自动断电，罐笼立即停止运行，以防止提升绞车发生过卷现象而造成天轮、井架损坏，甚至拉断钢丝绳导致提升容器坠落、撞坏井筒设施甚至造成人员伤亡。在下井口平台位置以下5.9 m位置安装一套过放装置，防止因过放造成蹲罐事故。

4.5 安全栅门的安装

在上井口及下井口出车平台位置分别安设信号连锁液压对开式安全栅门，即液压安全栅门与信号房内的信号与操车电控装置形成联动。罐笼运行前安全栅门未关闭时，信号工不能发出开车信号，进而增加了罐笼安全运行保障。

4.6 罐门的安装

根据《煤矿安全规程》第三百九十四条相关要求：罐笼进出口必须装设罐门或罐帘。由于该罐笼的高度达到4.5 m，罐帘不便于在现场操作，因此采用罐门进行封闭。罐门采用自制铁门进行安装，高度为4.2 mm，罐门底部边缘至罐底的距离为150 mm。为防止罐门未及时关闭而与井筒的装备造成刮碰，将罐门向内安装。

5 设备安全运行情况

现场上井口与下井口信号系统采用集中信号控制系统，通过安装各种传感器实现对绞车、操车系统、信号系统的连锁控制，主要传感器及闭锁功能包括：

(1)传感器：液压托罐装置、安全门开闭位置传感器、井口减速点位置传感器、罐笼井口过卷磁力接近开关、罐笼井架过卷开关。

(2)主要信号闭锁功能：安全门未关闭、过卷未恢复、井上下信号未回点、井口把钩工装车完好情况未回点等均不能发出绞车运行信号；设置紧急情况下急停信号和检修信号以及泄露通信信号功能。

6 结 语

针对新疆KS9勘探试验洞工程主洞施工过程中利用竖井(深度达687.613 m )作为唯一施工通道进行人员上下、物料运输工作暂无可以参照的成熟经验的具体情况，项目部以该工程为依托，针对施工通道单一、深度大、渗水量大的特点，合理借鉴煤矿施工技术，采用“罐笼+提升绞车”的方式进行人员上下、物料运输工作，运行工况良好，能够满足现场施工需要。通过该工程“罐笼+提升绞车”作为人员和物料运输系统的成功应用，填补了水利工程超深竖井条件作为唯一施工通道进行人员和物料运输系统的空白，为后续类似水利工程建设提供了技术支持和施工经验。