隧道斜井专项施工方案.docx
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隧道斜井专项施工方案
新建龙岩至厦门铁路ZD-Ⅰ标
斜井专项施工方案
中铁隧道集团有限公司
龙厦铁路ZD-1标项目经理部
二○○七年二月十二日
第一章斜井优化设计
前言
2006年12月25日龙厦铁路重点工程开工典礼举行后，项目部及各工区人员即火速进场。
根据招标用施工图，项目部组织各工区相关技术人员对现场进行认真踏勘，结合工期要求、各斜井施工提升运输方案、提升设备的配置等因素对象山隧道5个斜井的洞口位置、井身设置、断面尺寸等设计方案进行了优化。
截止目前，斜井方面的优化工作已基本完成。
现将各斜井的优化变更情况分述如下。
一、1#斜井
1、斜井位置
象山隧道原设计1#斜井井身长945.31米，综合坡度9.13%，井底与正洞右线单联斜交，交点里程为YDK22+555。
井口位于滑坡体处，暗洞口进入山体坡脚40多米，仰坡开挖高度达60多米，暗洞口底板标高高出既有便道约4米。
由于山体地形较陡，造成开挖边坡较高、土石方量较大、边仰坡防护量大，且不利于边仰坡稳定，无法实现早进洞施工。
将暗洞口位置向设计左侧移动41米（避开滑坡体），标高下降2.6米（比既有便道高1.4米）。
在保持原设计坡度总体不变的情况下，井底联接处位置相应发生改变，交点里程为YDK22+452.5。
此方案可避免洞口段的高边坡开挖，实现早进洞。
此外井身长度缩短46.2米，在降低工程造价的同时，可提前进入正洞施工。
附：
象山隧道1#斜井井身位置调整平面图
象山隧道1#斜井井身位置调整纵断面图
（此方案已进入施工图）
2、断面尺寸
象山隧道1#井身断面原设计为单车道加错车道，错车道每200米设一个，共3个。
1#斜井作为对应正洞开挖与衬砌的运输和四个作业面的施工通风通道，承担对应正洞的出碴、混凝土及其他材料的运输任务，施工机械设备和通风设备也要从斜井进入正洞作业。
为了满足工期要求，充分发挥无轨运输“速度快、效率高”的优势，1#斜井承担正洞4个作业面的出碴和衬砌混凝土运输任务，由于正洞采用无轨运输，断面要满足3根Φ180cm通风管的布置，在隧道开挖期间才能满足施工通风要求。
计划在正洞右线1、2#斜井间贯通后，利用1#斜井承担2#斜井对应正洞剩余的部分施工运输和通风任务，为保证工期，最多要开辟5个作业面进行开挖和衬砌，施工运输更加繁忙。
鉴于以上原因，建议将1#斜井井身断面改为双车道，拱部考虑悬挂通风管的位置，在一侧留出人行道位置。
具体尺寸见附图。
附：
象山隧道1#斜井井身断面尺寸调整图
（此方案由于和铁道部鉴定中心对初步设计的意见有冲突，未被采纳，目前设计断面仍为单车道加错车道断面）
二、2#斜井
1、斜井位置
象山隧道原设计2#斜井井身长791.79米，倾角14.75°，与正洞右线双联斜交，交点里程为YDK25+320，与正洞小里程方向夹角为18°24′44″。
斜井围岩以Ⅲ级为主，地下水较发育。
由于地下水较发育，斜井建井开挖难度较大，斜井尽可能缩短长度后，可减少开挖困难；为满足正洞提升运输任务，所配3米绞车提升机功率较大，按原设计倾角14.75°开挖斜井时，不能完全发挥提升机的功效。
洞口位置偏移，井身位置整体向小里程方向旋转，井身倾角由14.75°变为22°，井身长度缩短283.62米，井底联接处为单联斜交，井身与右线小里程方向夹角为39°26′11″，交点里程为YDK25+006。
变更后3米绞车完全能满足倾角22°斜井提升能力的要求；此外井身长度缩短283米，在降低工程造价的同时，可提前近3个月进入正洞施工，对缩短工期意义重大。
附：
象山隧道2#斜井井身位置调整平面图
象山隧道2#斜井井身位置调整纵断面图
（此方案已得到业主、设计、监理三方认可，待正式施工图到位后再进行相应的变更）
2、断面尺寸
原设计斜井采用有轨运输三车道设计，净空宽度为6.3米，高度为4.34米，有轨车道的宽度为1.4米，轨距0.9米，矿车斗容为4立方米。
本工程的施工工期异常紧张，为满足右线28个月达到铺架条件的合同工期要求，现场施工时，要加快斜井井身施工的速度，以便尽快进行正洞的开挖；在斜井开挖至井底后，要同时开辟4个正洞施工作业面，斜井井身要承担正洞施工的运输和通风任务。
①、提高井身施工进度
按原设计断面尺寸，井身开挖采用耙斗装岩机进行装碴作业，装碴速度慢，施工效率较低，如对现有断面尺寸适当加大，以满足PC60小型挖掘机装碴，将明显提高装碴效率，可提前3个多月完成井身开挖任务，开辟正洞施工作业面。
②、提高正洞施工进度
正洞开挖时，通过斜井将洞碴的运出洞外。
如采用斗容为4立方米的矿车，一般实际每天的出碴量约为600立方米，只能保证正洞日开挖进尺6米多，无法保证施工总工期的按时完成。
如采用10m3矿车进行出碴运输，每天的出碴量可达1600立方米，能保证正洞日开挖进尺16米多。
一般10m3矿车的设计宽度达1.65米。
③、改善施工通风
斜井开挖至井底后，计划开辟4个正洞作业面，洞内存在瓦斯等有害气体，为加强通风，井身断面要满足4趟（每个正洞作业面一趟）直径1.7米的通风管的布置位置。
附：
2#斜井井身断面尺寸调整图。
（我方建议净空断面尺寸为宽6.9m,高6.21m,施工图设计净空断面尺寸为宽6.7m,高5.96m）
三、3#斜井
象山隧道原设计3#斜井与线路交点里程为DK28+400，与线路大里程方向夹角为68°，井口里程为X3DK0+820，倾角21.77°，斜长879.92米，采用有轨运输三车道断面。
在进行施工准备期间，据当地老乡反映洞口所在坡体存在滑移现象，之后铁四院对该位置进行补充钻探，钻探资料表明洞口坡体为滑坡体。
为确保施工安全，需对3#斜井位置进行改移。
经过我方和铁四院的共同努力，目前新3#斜井位置已基本确定，其位于线路前进方向右侧，与右线线路交点里程为YDK28+230，与线路大里程方向夹角约17°，采用斜交单联方式，有轨运输三车道断面，斜井倾角23.10°，斜长900.37m，井口里程X3DK0+831。
四、4#斜井
1、斜井位置
象山隧道原设计4#斜井位于线路前进方向的左侧，与线路交点里程为DK29+700，与线路小里程方向夹角为43°，井口里程为X4DK0+828，倾角22.86°，斜长893.18米，采用有轨运输三车道断面。
根据对4#斜井位置实际地形的勘察，原设计洞口位置前有大量的民房，且井口场地十分狭窄，不能满足提升设施的布置，在现有位置进行斜井的施工，将有大量的民房需要拆迁，并对周围居民带来很大的施工干挠。
拟将井口位置往大里程方向平移49m，斜井与正洞的交点里程为DK29＋771.848,斜井与正洞的夹角及长度不变，仍为与小里程方向的夹角为43°，斜长为890.5m。
附：
象山隧道4#斜井井身位置调整平面图
象山隧道4#斜井井身位置调整纵断面图
（此方案已直接进入施工图）
2、断面尺寸
原设计同2#斜井,采用有轨运输三车道设计，净空宽度为6.3米，高度为4.34米，有轨车道的宽度为1.4米，轨距0.9米，矿车斗容为4立方米。
施工图设计净空断面尺寸调整为宽6.7m,高5.96m（和2#斜井相同）。
五、5#斜井
1、斜井位置
象山隧道5#井位于线路前进方向右侧，与右线线路中线交点里程YDK35+200，与线路大里程方向夹角50°，斜井综合坡度7.97%，斜长200.8m，井口里程X5DK0+200。
限于地形地貌之情况，4#井、5#井之间的正洞开挖是象山隧道工期关键线路，4#井、5#井之间正洞长度为5500m，出口与5#井之间正洞长度只有388m，从实施性组织设计角度考虑，进度任务分配极不均衡。
通过现场踏勘，自村间便道经过原5#井上行约300m处，地面高程约在320左右，具备斜井井口布置场地。
建议将5#斜井位置进行改移，改移后5#井井位位于线路前进方向右侧，与右线线路中线交于YDK34+800，与线路大里程方向夹角42°38’35”；投影长度320m，斜长321.41m。
此方案将4#、5#之间正洞距离较原设计减少400米，将5#与出口之间距离较原设计增加400米，有利于正洞施工任务的均衡划分。
（此方案已得到业主、设计、监理三方认可，待正式施工图到位后再进行相应的变更）
附：
象山隧道5#斜井井身位置调整平面图
象山隧道5#斜井井身位置调整纵断面图
2、断面尺寸
象山隧道5#井身断面原设计为单车道加错车道，共设错车道一处。
5#斜井作为对应正洞开挖与衬砌的运输和四个作业面的施工通风通道，承担对应正洞的出碴、混凝土及其他材料的运输任务，施工机械设备和通风设备也要从斜井进入正洞作业。
为了满足工期要求，充分发挥无轨运输“速度快、效率高”的优势，5#斜井承担正洞4个作业面的出碴和衬砌混凝土运输任务，且正洞向小里程的2个作业面为控制总工期的主控作业面；由于正洞采用无轨运输，断面要满足2趟180cm直径通风管的布置，在隧道开挖期间才能满足施工通风要求。
鉴于以上原因，建议将5#斜井井身断面改为双车道，拱部考虑悬挂通风管的位置，在一侧留出人行道位置。
具体尺寸见附图。
附：
象山隧道5#斜井井身断面尺寸调整图
第二章施工平面、立体布置
一、2＃斜井
1、2＃斜井洞口场地布置
2、2＃斜井井底车场布置
4、2＃斜井井底转载布置图一
5、2＃斜井井底转载布置图二
5、2＃斜井井身断面图
二、4＃斜井
1、4＃斜井洞口场地布置
2、4＃斜井洞口纵断面图
3、4＃斜井井底车场布置
4、4＃斜井井身断面图
5、4＃斜井井底转载布置图
三、3＃斜井井底轨道布置图
第三章有轨斜井提升能力计算分析
不同容量提升矿车计算比较
一、比较原则
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。
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。
二、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，能够满足施组对工期的总体要求。
三、有轨提升设备配置及生产能力汇总
有轨斜井生产能力汇总表
型号
电动机（kw）
最大净拉力（kg）
最大净拉力差（kg）
钢丝绳
绳速
（m/s）
矿车容量
（m3）
运行时间（s）
月生产能力（m）
备注
2＃斜井
2JK3×1.5－20
480
13500
9000
（6*19）36
4.6
10
125
480
双滚筒
JK2.5×2.0－31.5
320
9000
9000
31
3.2
单滚筒
3＃斜井
2JK3×1.5－20
517
13000
8000
（6*19）34
5.6
10.5
160
500
双滚筒
4#斜井
2JK3×1.5－20
480
13500
9000
（6*19）37
4.6
10
210
420
双滚筒
2JK2.5×1.5－20
380
9000
6500
（6*19）34
4.7
8
210
380
双滚筒
JK2.5×2.0—20
320
9000
9000
31
3.2
单滚筒
（备选）
2＃有轨斜井提升能力计算
根据优化方案：
2＃斜井坡度变为220，距离缩短为283米，提升能力分析如下。
一、2JK3×1.5—20型提升机配合10m3矿车
一）双筒提升机已知使用条件
矿车能力，10m3（9.8*1.6*1.6）,自重8.7T；矿碴1.7t/m3；提升机绳速4.6m/s；斜井长度500m；斜井倾角22°。
各主要参数：
f1:
矿车（采用滚动轴承）运动时的阻力系数f1=0.015；
f2:
钢丝绳运动阻力系数f2=0.35；T：
提升一次循环时间s；
L：
提升斜长m；Vm：
提升机绳速m/s；Q：
提升一次重量kg；
Qm：
矿车的总重kg；α：
井筒倾角α=22°;
η：
提升机传动效率η=0.90；p：
钢丝绳每米重量kg/m;
N:
提升机电动机功率KW;F：
计算最大静张力kg;
F差：
计算最大静张力差kg;
二）初步选型：
按2JK3×1.5双筒提升机，电动机功率480KW，滚筒直径3m，滚筒宽度1.5m，绳速为4.6m/s，容绳量1000m，最大静张力135kN，最大静张力差90kN，钢丝绳为6×19-φ36，钢丝绳每米为4.8kg
提升机最大静张力验算
F=（Q+Qm）（sinα+f1cosα）+PL（sinα+f2cosα）
F=（17000+8700）×（sin220+0.015cos220）+4.8×500（sin220+0.35cos220）
F=25700×（0.3746+0.015×0.9271）+2400×（0.3746+0.35×0.9271）
F=11662.29kg<135kN（符合最大静张力条件）
提升机最大静张力差验算
F差=F-Qm（sina-f1cosa）
F差=11662.29-8700（sin220－0.015cos220）
F差=11662.29-8700（0.3746-0.015×0.9271）
F差=8524.2kg<90kN（符合最大静张力差条件）。
提升机电动机功率验算
N=F差×Vm÷102÷η
=8524.2×4.6÷102÷0.9
=427KW<500KW（符合电机功率要求）。
提升钢丝绳验算
Pk=（Q1+Q2）（sinα+f1cosα）÷[（110δ÷m）-L（sinα+f2cosα）]
=25700×0.3885÷[2707.69-349.54]
=4.23（kg/m）<4.8（kg/m）（满足已选钢丝绳要求）
Q1—提升容器及连接装置的自重，取8700kg；
Q2—提升容器的有效载重，17000kg；
L—钢丝绳提升长度；取500米；
δ—钢丝绳公称抗拉强度，取160kg/mm21；
f1—提升容器的阻力系数，取0.015；
f2—钢丝绳移动的阻力系数，取0.35；
α—斜井倾角22°；
m—安全系数，取6.5。
提升机提升能力验算
计算提升一次循环时间（双钩斜井侧卸式矿车）：
T=井底装碴时间＋线路运行时间（按500米计算）；
T=300s＋500m÷4m/s（平均速度）＝425s，即：
8.47车/h；
每小时提升量：
Q=10m3/车×8.47车/h＝84.47m3/h；
一天按照工作20小时计，可提升1689.4m3。
隧道开挖平均为105m3/延米（松方），斜井提升能力控制通过斜井运输工作面总的开挖进度为16m/d，考虑一定的系数，2#斜井正洞所有工作面最大生产能力为480m/月。
结论：
经计算分析，本项目选2JK3×1.5双筒提升机，滚筒直径3m，滚筒宽度1.5m，绳速为4.6m/s，容绳量1000m，最大静张力135kN，最大静张力差90kN，钢丝绳6×19-φ36，矿车10m3/车，满足项目施工需要。
二、2JK3×1.5—20型提升机配合12m3矿车
A.提升机选择
选用12m3矿车，每次提升1辆。
最大静张力（Ｆ最大）
Ｆ最大＝n（Q1＋Q2）（Sinα＋f1COSα）＋PkL（Sinα＋f2COSα）
n—一次提升车数；
Q1—提升容器及连接装置的自重，为9000kg；
Q2—提升容器的有效载重，为19200kg；
α—斜井倾角，22°；
f1—提升容器的阻力系数，用0.015；
f2—钢丝绳移动的阻力系数，用0.35；
Pk—提升钢丝绳的单位长度重量，计算暂选用Φ37钢丝绳，取4.871kg/m；
L—钢丝绳提升长度，为500m；
经计算：
Ｆ最大＝1×（9000＋19200）（Sin22°＋0.015COS22°）＋4.871×500（Sin22°＋0.25COS22°）
＝12427.2kg
最大静拉力差（Ｆ差）
Ｆ差＝Ｆ最大－nQ1（Sinα－f1COSα）
＝12427.2－1×9000（Sin22°－0.015COS22°）
＝9182.5kg
提升机选择
按2JK3×1.5—20型双筒提升机，电动机功率500KW，滚筒直径3m，滚筒宽度1.5m，绳速为4.6m/s，容绳量1000m，最大静张力135kN，最大静张力差90kN，钢丝绳为6×19-φ36，钢丝绳每米为4.871kg
综述：
选用2JK3×1.5—20型提升机，配（6×19）Φ37钢丝绳、12m3矿车，不能满足提升要求。
2＃有轨斜井进料提升能力计算
一、JK2.5×2.0—31.5型提升机配合4m3混凝土罐车
按一般较长斜井的施工经验，斜井施工进料采用单钩提升。
①提升容器的选择
根据斜井设计断面和井底设备，采用4m3砼运输车和中小型矿车，每次提升1辆。
人员上下井也乘单钩提升的22座人车。
②提升机选择
最大静张力（Ｆ最大）
Ｆ最大＝n（Q1＋Q2）（Sinα＋f1COSα）＋PkL（Sinα＋f2COSα）
n—一次提升车数；
Q1—提升容器及连接装置的自重，为4000kg；
Q2—提升容器的有效载重，为9000kg；
α—斜井倾角，22.86°；
f1—提升容器的阻力系数，用0.01；
f2—钢丝绳移动的阻力系数，用0.25；
Pk—提升钢丝绳的单位长度重量，计算暂选用Φ31钢丝绳，取2.887kg/m；
L—钢丝绳提升长度，为600m；
经计算：
Ｆ最大＝1×（9000＋4000）（Sin22.86°＋0.01COS22.86°）＋2.887×600（Sin22.86°＋0.25COS22.86°）
＝6241.3kg
提升机选择:
选用KJ2.5×2—31.5型提升机，绳速3.2m/s,配320Kw电动机，最大静拉力为9000kg，完全可以满足提升计算。
③钢丝绳选择
钢丝绳安全系数按煤矿安全规程提升物料时用7.5，升降人员时用9.0，要求钢丝绳破断拉力总和。
当提升物料时：
7.5×Ｆ最大＝47850kg
当升降人员时:
经计算：
Ｆ最大＝1×（1540＋4000）（Sin22.86°＋0.01COS22.86°）＋2.887×900（Sin22.86°＋0.25COS22.86°）
＝3811kg
9.0×Ｆ最大＝34299kg
选用Φ31钢丝绳，抗拉强度1900Mpa，钢丝绳破断拉力总和为57200kg，提升物料、升降人员均满足要求。
④天轮直径（d）选择
采用游动天轮，要求d＝（40～60）Φ绳，采用直径2000mm天轮完全可以满足要求。
4#有轨斜井提升能力计算
一、2JK2.5×1.5—20型提升机配合8m3矿车
选用8m3矿车，每次提升1辆。
最大静张力（Ｆ最大）
Ｆ最大＝n（Q1＋Q2）（Sinα＋f1COSα）＋PkL（Sinα＋f2COSα）
n—一次提升车数；
Q1—提升容器及连接装置的自重，为6000kg；
Q2—提升容器的有效载重，为12000kg；
α—斜井倾角，22°；
f1—提升容器的阻力系数，用0.015；
f2—钢丝绳移动的阻力系数，用0.25；
Pk—提升钢丝绳的单位长度重量，计算暂选用Φ34钢丝绳，取3.423kg/m；
L—钢丝绳提升长度，为950m；
经计算：
Ｆ最大＝1×（6000＋12000）（Sin22°＋0.015COS22°）＋3.423×950（Sin22°＋0.25COS22°）
＝8973kg
最大静拉力差（Ｆ差）
Ｆ差＝Ｆ最大－nQ1（Sinα－f1COSα）
＝8973－1×6000（Sin22°－0.015COS22°）
＝6807kg
提升机选择
选用2JK2.5×1.5—20型提升机，配380Kw电动机，最大静拉力为9000kg，最大静拉力差6500kg，不能满足提升计算。
二、2JK3×1.5—20型提升机配合10m3矿车
A.提升机选择
选用10m3矿车，每次提升1辆。
最大静张力（Ｆ最大）
Ｆ最大＝n（Q1＋Q2）（Sinα＋f1COSα）＋PkL（Sinα＋f2COSα）
n—一次提升车数；
Q1—提升容器及连接装置的自重，为8000kg；
Q2—提升容器的有效载重，为15000kg；
α—斜井倾角，22°；
f1—提升容器的阻力系数，用0.015；
f2—钢丝绳移动的阻力系数，用0.25；
Pk—提升钢丝绳的单位长度重量，计算暂选用Φ37钢丝绳，取3.8kg/m；
L—钢丝绳提升长度，为1000m；
经计算：
Ｆ最大＝1×（8000＋15000）（Sin22°＋0.015COS22°）＋3.8×1000（Sin22°＋0.25COS22°）
＝11250kg
最大静拉力差（Ｆ差）
Ｆ差＝Ｆ最大－nQ1（Sinα－f1COSα）
＝11250－1×8000（Sin22°－0.015COS22°）
＝8313kg
提升机选择
选用2JK3×1.5—20型提升机，配480Kw电动机，钢丝绳额定速度为4.6m/s，最大静拉力为13500kg，最大静拉力差9000kg，可以满足提升计算。
B.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＝7.5×11250=84735kg
选用（6×19）Φ37钢丝绳，钢丝绳破断拉力总和为87600kg，大于84735Kg，Φ37钢丝绳满足要求。
C.天轮直径（d）选择
采用游动天轮，要求d＝（40～60）Φ绳。
综述：
选用2JK3×1.5—20型提升机，配（6×19）Φ37钢丝绳、10m3矿车，能满足提升要求。
斜井主提升为3.0m卷扬机提升10.0m3矿车，最大提升速度4.6m/s，井底至卸碴栈桥总长考虑900m，考虑起止加减速时间，提升时间为210s，装车时间考虑为90s，合计为300s，每小时可提升12车。
实际按照提升能力为每车提升9.2m3，每小时提升8车，提升能力为73.6m3/h，一天按照工作20小时计，可提升1472m3。
隧道开挖平均为105m3/延米（松方），斜井提升能力控制通过斜井运输工作面总的开挖进度为14m/d，考虑一定的系数，4#斜井正洞所有工作面最大生产能力为420m/月。
4＃有轨斜井进料提升能力计算
一、JK2.0×1.5—30型提升机配合4m3混凝土罐车
按一般较长斜井的施工经验，斜井施工进料采用单钩提升。
人员上下井也乘单钩提升的22座人车。
①提升容器的选择
根据斜井设计断面和井底设备，采用4砼运输车和中小型矿车，每次提升1辆。
②提升机选择
最大静张力（Ｆ最大）
Ｆ最大＝n（Q1＋Q2）（Sinα＋f1COSα）＋PkL（Sinα＋f2COSα）
n—一次提升车数；
Q1—提升容器及连接装置的自重，为4000kg；
Q2—提升容器的有效载重，为9000kg；
α—斜井倾角，22.86°；
f1—提升容器的阻力系数，用0.01；
f2—钢丝绳移动的阻力系数，用0.25；
Pk—提升钢丝绳的单位长度重量，计算暂选用Φ31钢丝绳，取2.887kg/m；
L—钢丝绳提升长度，为1000m；
经计算：
Ｆ最大＝1×（9000＋4000）（Sin22.86°＋0.01COS22.86°）＋2.887×1000（Sin22.86°＋0.25COS22.86°）
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