铁路长大隧道陡坡长斜井设备配套技术

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1工程概况

新建龙岩—厦门铁路属国家重点工程项目,设计时速200km,客货共线。由中国中铁隧道集团承建的象山隧道是全线最长的双洞单线隧道和最重要的控制性工程,起于福建省龙岩市新罗区曹溪镇三坑村,经过适中镇新祠村、象山村,止于漳州市南靖县和溪镇乐土村。左洞长15898m,右洞长15917m,最大埋深830m。隧道设有5座斜井,1号、5号斜井采用无轨运输,2号、3号、4号斜井采用有轨运输,1号、2号、3号、4号、5号斜井斜长分别为907.15m,508.17m,905.65m,894.28m,546m,坡度分别为9.12%,22°,23.08°,23.04°,9.588%。

象山隧道通过进出口和5个斜井分6个工区施工,共计24个掘进开挖面。施工高峰期平行作业面将达到100个以上,参建人员达5000余人、施工设备达1320余台套。采用辅助坑道和大型机械化配套施工技术,以实现长隧短打、快速施工。象山隧道合同工期从2006年12月30日至2009年10月29日,共34个月计1034日历天,其中右线须在28个月内达到铺架条件。象山隧道(斜井)下穿采空区、水库、河流,穿过煤层、岩溶段、至少10个主要断裂带、地下水发育带、软质岩地层、高地温带、高应力区、岩石放射性异常段等不良地质。地质极其复杂,技术含量高,施工难度大,工期异常紧迫。防突水、涌泥、坍塌、软岩大变形、瓦斯、岩爆、辐射及多作业面施工组织管理是该工程突出的重难点。

3号斜井位于线路前进方向的右侧,地处适中镇象山村。与线路大里程方向夹角17°,斜井井身中线与左线线路交点里程为YDK28+230。3号斜井最小开挖断面(宽-高)为706cm-628cm。斜井与隧道正洞连接方式采用正交双联,采用四车道有轨运输方式。具有斜距长、坡度大的特点,是龙厦铁路的重点控制工程,制约着全线的工期,它的安全优质和如期建成具有重大的意义。

2斜井提升设备选型的原则

有轨斜井提升设备的确定原则主要以施工进度和提升量而决定,为确保龙厦铁路建设工程的顺利进行,按期完成施工任务,有轨斜井的提升能力主要以如下条件所决定:

1)提升速度:斜井提升设备受斜井轨道铺设质量影响,结合行车安全性综合考虑,选择钢丝绳最大绳速在5.0m/s左右为宜。

2)提升能力:提升设备的提升能力是由发动机的功率决定的。在最大绳速一定的情况下,发动机的功率越大,提升能力越大。在设备配备上使机械设备能力大于进度计划指标能力,有足够的设备储备。

3)矿车容量:矿车装碴量越大,需要的提升力越大,对提升系统的要求越高。针对不同的工序施工,按专业化组织流水作业,以性能好、效率高、机况良好的大型设备装配挖、装、运、锚喷、衬砌、辅助作业等主要作业线,实现各机械化作业线的有机配合,用机械化程度的提高来实现隧道施工的稳产、高产。设备选型以电动液压为首选,机械设备配备采用无轨机械化配套技术,合理匹配,使全线形成快速施工能力。机械设备的配备要适应特长隧道的特点。针对龙厦铁路象山隧道3号斜井的施工特点,采用斜井提升设备时,应重点考虑斜井的防溜车措施和防突水、突泥等安全隐患。

3主要设备配置

斜井井身施工中采用PC60挖掘机装碴,采用2.5m直径双滚筒绞车提升10m3侧卸式矿车承担出碴和施工所用材料的运输任务。斜井开挖至正洞,在进行正洞施工时,由3.0m直径双滚筒绞车提升10m3侧卸式矿车承担出碴和初期支护施工用材料运输任务;2.5m直径双滚筒绞车提升4m3轨行式罐车承担衬砌混凝土和施工人员运送任务。井口卸碴采用曲轨自动卸碴,采用可储存一定量碴的敞开式碴仓,避免自卸车与矿车间一对一接碴的配合问题,使井口卸碴不受影响。在碴仓处放一台ZLC50C装载机,将碴装入自卸汽车远运至弃碴场。井底设一漏斗,自卸车利用高差直接将洞碴卸入矿车,在自卸车与矿车不能绝对对应时,可考虑将碴直接卸在漏斗附近,装载机可直接上料给矿车提升出洞外。

为便于初期支护材料和其他物资能快速上到矿车上,在轨道上布置一起重5t的小型门吊。材料等用汽车运至轨道旁后,门吊直接吊入矿车,矿车轨行送至井底,井底同样布置一门吊,再从矿车上吊入汽车运送至作业面。为便于混凝土快速的上到罐车(矿车)上,将搅拌站直接安装在轨道旁,避免混凝土的倒运。为实现搅拌机的连续搅拌,在搅拌喷射混凝土的搅拌机下设一储料4m3左右的料仓,喷浆料从搅拌机出料后暂存在料仓里,在料仓下设一皮带输送机,将喷浆料运送上矿车。井底采用立体转载,将喷浆料矿车侧翻利用高差落入井下汽车,井下汽车再无轨运送至作业面。衬砌混凝土搅拌后,可通过溜槽等直接送上轨行式罐车(金刚车)。考虑在金刚车运行时,搅拌机也能连续搅拌,采用2台金刚车,分别挂在一个车道上,就能实现在一台金刚车运行卸料时,始终有一台在井口上料。井底金刚车采用高差直接将混凝土卸入混凝土运输汽车,由混凝土运输汽车运送至工作面。为实现井底快速的材料、洞碴的转载,根据井底的地形条件,利用高差,用较简单的方法进行转载。转载处要考虑各种材料的卸料位置和汽车的接料通道。

4提升设备检算

4.1提升容器的选择

根据斜井设计断面和井底设备,选用大型矿车提升。采用10m3的大型侧卸式矿车及双钩提升。

1)提升计算。

日提升量Vmax的计算:

Vmax=正洞最高月开挖量-松散系数÷月工作天数=1271m3。

2)一次提升时间t:

选用绳速4.6m/s的提升机,考虑提升启动、停车前后加减速和卸车影响,经计算提升循环时间为290s。提升容器大小的计算:

其中,K1为容器装满系数,取0.9;K2为提升不均匀系数,取1.2;Vmax为最大提升量,m3,取1271;t为一次提升时间,s,取290;T为每日提升小时,取16。

经计算:V双钩=8.53m3,选用10m3矿车,每次提升1辆。

4.2提升机选择

1)最大静张力F最大。

F最大=n(Q1+Q2)(sinα+f1cosα)+PkL(sinα+f2cosα)。其中,n为一次提升车数;Q1为提升容器及连接装置的自重,为5870kg;Q2为提升容器的有效载重,为15000kg;α为斜井倾角,22.86°;f1为提升容器的阻力系数,取0.01;f2为钢丝绳移动的阻力系数,取0.25;Pk为提升钢丝绳的单位长度重量,计算暂选用37钢丝绳,取3.446kg/m;L为钢丝绳提升长度,为900m。经计算:

F最大=1-(5870+15000)-(sin22.86°+0.01-cos22.86°)+3.446-900-(sin22.86°+0.25-cos22.86°)=10219kg。

2)最大静拉力差F差。

F差=F最大-nQ1(sinα-f1cosα)=7329-1-5870-(sin22.86°-0.01-cos22.86°)=7992.7kg。

3)提升机选择。

选用XKT2-3-1.5B-11.5型提升机,配610kW电动机,最大静拉力为13000kg,最大静拉力差8000kg,完全可以满足提升计算。

4.3钢丝绳选择

钢丝绳安全系数按煤矿安全规程用7.5,要求钢丝绳破断拉力总和:7.5-F最大=76642.5kg。选用37钢丝绳,抗拉强度1700MPa,钢丝绳破断拉力总和为82500kg。

4.4天轮直径d选择

采用游动天轮,要求直径为40~60的绳,采用直径2500mm天轮完全可以满足要求。斜井提升系统出碴用双钩,进料用单钩,所以每个井口备8m3矿车4台;3m3混凝土运输车运输混凝土料,4m3矿车2台运送其他材料,人员上下安排使用22座人车;正洞段采用无轨运输,考虑到可能有两个工作同时出碴,井底配置8台自卸汽车,3台装载机。并考虑工期紧、压力大、任务重的特点,在设备配置方面适当加大,主要施工设备有充足的备用。

5目前设备选型的总体评价

有轨斜井设备配置充分考虑了斜井运行速度的影响,结合施工生产的要求,采用大功率、大容量的提升设备,在富水、大坡度、深斜井施工难度极大的情况下,最高月进尺150m,基本能够满足施组对工期的总体要求。