关键词：深井洞室；交通运输；施工组织
一、概况
万家寨引黄入晋工程位于山西省的西北部，从黄河万家寨水库取水，由总干线、南干线、联接段和北干线四部分组成。北干线由下土寨分水闸向东，经偏关、平鲁、朔州、山阴、怀仁至大同，是解决山西省朔州市和大同市工业及城市生活用水的大型引水工程。
北干线包括下土寨分水闸、输水建筑物（包括1#隧洞、1#倒虹、2#倒虹）、大梁水库、耿庄水库、尚希庄水库、墙框堡水库和平鲁地下泵站等主要建筑物。其中，大梁水库是引黄北干线上的一座调节水库，水库位于朔州市平鲁区井坪镇西北约3km的下称沟内，水库总库容2260.0万m3，水库由平鲁地下泵站抽水入库形成。另外，大梁水库放水洞中的进水塔、出水竖井、出水高压平洞兼做平鲁地下泵站出水系统。
1.1平鲁地下泵站
平鲁地下泵站位于北干线大梁水库右岸山体中，在大梁水库右坝肩上游约230m，介于北干1#输水隧洞TBM检修洞室与放水洞之间，埋深约140m。在北干线正常输水月份（每年10月至次年7月）从北干1#输水隧洞将部分水扬入大梁水库，设计抽水流量2.64m3/s；在汛期引黄停止输水时，从大梁水库经放水洞入北干1#输水隧洞向朔州、大同等地区供水，8、9两月下泄流量3.1m3/s。
平鲁地下泵站安装5台单级双吸卧式机组，正常高扬程137m，单机设计流量0.88m3/s，单机容量1700kW，总装机8500kW。主要建筑物包括地下及地面两大部分，地下建筑物主要包括：进水池、厂房、进出水管道系统、主副交通洞、出水高压平洞和出水竖井、电缆井及其交通洞等；地面建筑物主要包括变电站和进水塔。
1.2大梁水库放水洞
大梁水库放水洞由进口引渠、进水塔及交通桥、进口埋涵段、出水竖井、出水高压平洞、高压调流阀室、消力池及无压出水隧洞等组成，其中，进水塔、出水竖井、出水高压平洞与平鲁地下泵站共用。
平鲁地下泵站土建工程除变电站场坪开挖、电缆井及出水竖井前期（井口部分）开挖施工外。其余所有施工交通及开挖出渣均通过大梁交通洞（即主交通洞）进行。该交通洞（主交通洞）进口位于大梁水库主坝右岸下游，进口地面高程1385.356m ，分斜坡段和平坡段，长度分别为：518.17m和29.3m，总长547.47m，内径6.0×7.5m（衬砌后），斜坡段纵坡24.59%，换算为角度为13.81°。不具备车辆直接通行条件。故此主交通洞的交通及出渣为本工程的施工瓶颈，直接制约工程的进展。解决主交通洞的出渣及交通问题是本工程的首要任务。
二、轨道运输系统的设计、施工与运行
2.1轨道运输系统设计
由于主交通洞坡度较陡（24.59%），不具备车辆直接通行条件，在主交通洞内铺设轨道，设置运输平台，主交通洞洞口设置卷扬机方式进行出渣及施工交通。
根据主交通洞洞径（6.0X7.5m），铺设双向两车道重轨轨道，重轨查相关资料采用38kg/m标准重轨，轨间距采用铁路标准间距1.435m（净距，考虑轨道运输平台车轮及轮轴购买方便），轨道运输平台宽度2.3m，长度6m，轨道运输平台间距0.2m，平台距离洞壁及人行走廊距离20cm，必要时拆除部分原有右侧人行通道台阶。
考虑出渣效率，洞口设置两台2X1.5快速卷扬机，每台负责一条轨道运输线路，确保同时满足两条线路独立运行。卷扬机额定牵引力61KN，提升速度2m/s。
在洞口及洞内线路终端设置混凝土结构车辆上下平台，回填石渣顺接平台与地面。具体情况详见附图：轨道运输系统设计图。
2.2安全计算
（1）轨道运输平台受力分析
轨道运输平台主要受重力（G），由重力分解为对轨道压力（N）、沿轨道下滑力（F），轨道运输平台提升过程中的摩擦力（F），简图见下图。
自重取值（G）
运输平台（3T）、出渣农用车（4T）、每车的出渣量（10T）、钢缆（2T）自重合计约19T，换算为190KN。
（2）卷扬机牵引能力验算
根据查相关规范及《斜井提升设备》高等教育教材的钢丝绳作用于卷扬机的最大静张力公式为：
式中：Fmax————最大静张力
ng（m1+m2）————提升总重
β————斜井角度，实际13.81°，按14°计算。
mpLg————钢丝绳重量
f1————运输平台摩擦系数，取0.02。
f2————钢丝绳摩擦系数，取0.2。
将自重取值数据代入上式，计算如下：
Fmax=190X（sin14°+0.02Xcos14°）+20X（sin14°+0.2Xcos14°）
=58.386KN<61KN
卷扬机牵引能力满足要求。
（3）钢丝绳选择
根据以上计算，钢丝绳计算最大静张力取卷扬机最大提升能力61KN，参考钢丝绳选型计算公式：S拉=Sb/K
式中：S拉————钢丝绳最大静张力
Sb ————钢丝绳的破断拉力 Sb =aXP
P————钢丝绳的钢丝破断力总和，P=钢丝绳最小破断力X1.24，最小破断力查五金手册取得。
a————考虑钢丝受力不均匀的钢丝绳破断拉力换算系数，查下表取得。
K————钢丝绳使用时安全系数，查下表取得。
钢丝绳破断拉力换算系数见下表：
钢丝绳破断拉力换算系数a
钢丝绳安全系数见下表：
钢丝绳安全系数
钢丝绳拟选用6X19（a）类圆股、纤维芯的钢丝绳。a取0.82，K取8，计算如下：
S拉=aXP/K代入已知数据：61=0.82X最小破断拉力X1.24/8
求解最小破断力=483KN。
查五金手册得采用公称抗拉强度1470Mpa，Φ32直径的6X19（a）类圆股、纤维芯的钢丝绳即可满足要求。
（4）滚筒绕钢丝绳能力验算
根据以上钢丝绳选择计算，选用Φ32直径钢丝绳，结合卷扬机滚筒规格，直径2.0m，宽度1.5m，滚筒绕钢丝绳能力计算如下：
滚筒每层可缠绕47圈，第一层绕绳直径为2.016m，依次类推第2至3层绕绳直径分别为：2.041m、2.066m。计算第一层绕绳297m，第二层绕绳301m，两层时即可达到绳容要求，同时满足卷扬机安全规程中不大于3层的规定。
2.3轨道运输系统施工
（1）轨道运输系统按照施工性质可分为运输平台加工、轨道安装、卷扬机及钢缆绳安装、洞口及洞内上下车平台施工四大部分，具体施工方法如下：
运输平台加工:运输平台结构部分采用20a工字钢焊接而成，平台顶面钢板采用2cm厚国标钢板，严格按照图纸尺寸进行各部位构件焊接，焊接质量要满足要求。 在平台面合适位置（根据车辆轮距确定），设置平台运输过程中车辆限位挡板，防止车辆在平台运输过程中位移。挡板采用20a工字钢加工而成，为活动型。所有部件焊接完成后，由质检科组织项目部相关科室，并邀请监理工程师对运输平台进行联合验收，合格后贴验收合格标牌，准予使用。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
轨道安装:轨道安装前，首先由测量队根据设计图纸进行轨道安装位置放样，以确定安装范围，在对轨道进行基础处理后，再由测量队根据轨道布置图纸对轨道安装位置进行精确放样，以保证安装精度。安装完成后对轨道进行验收，验收时主要针对轨道间距，固定牢固程度进行检查，并进行空载试验，主要对运输平台行驶情况及钢缆移动情况进行检查，对于仍存在的钢缆接触地面现象，通过加密设置钢缆导向滑轮的方法予以排除。各项验收合格后方能投入使用。
卷扬机安装:卷扬机安装于交通洞洞口，距离洞口约34m，其运行稳定主要是承受两个轨道运输平台从洞内向外运输时钢缆所传递的拉力，经卷扬机选型计算，结合卷扬机选型，卷扬机承受的最大拉力为：61KN，换算为：6.1T。考虑3倍安全系数，拉力按200KN计算。经查相关资料，黄土与混凝土的摩擦系数为0.35~0.4，按0.35计算可得出卷扬机基础重力大于570KN，即57T即可满足稳定要求。根据卷扬机安装位置布置要求，浇筑7X6X1.5m（长X宽X厚）C20混凝土基础，即可满足稳定要求。基础采用半埋式，浇筑时按照卷扬机规格尺寸预埋与卷扬机连接固定的埋件。
卷扬机安装应满足以下要求：
① 卷扬机安装地点应平整。
② 卷扬机与基础或底架的连接应牢固，并应符合使用说明书的规定。
③ 卷扬机与载荷之间不应有可能发生危险或影响钢丝绳寿命的障碍物。
④ 卷扬机安装时卷筒应与定滑轮对中，钢丝绳出绳偏角ａ应符合：
自然排绳：ａ≤1.5°
排绳器排绳：ａ≤2°
⑤ 卷扬机的安装应保证运转时机身无移位及明显振动。
卷扬机安装完成后，经项目部及监理工程师联合验收合格后方能投入使用。
洞口及洞内上下车平台施工:主交通洞洞口及洞内上下车平台，主要采用浇筑C20混凝土形成，同时顺坡段垫石渣形成，面层铺筑20cm粘土、碎石混合料，碾压形成泥结石路面，洞外路面坡度为7%，洞内坡度为10%。
(2)轨道运输系统调试、试运行、验收
轨道运输系统安装施工完成后，首先对卷扬机及轨道分别进行运行调试。
卷扬机主要对电控系统、传动系统、制动系统以及滚筒盘绳情况进行运行调试，发现问题及时处理，确保卷扬机运行的安全可靠性。
整个试运行过程邀请监理、业主等相关单位全程参与，完成后提交试运行报告及轨道运输系统验收申请，对系统进行联合验收，合格后投入使用。
2.4系统运行维护
交通运输是制约本工程工期的关键环节，因此运输系统的使用效率也决定本工程的成败，加强运输系统的日常维护显得尤为重要，为此，选派专业人员日夜巡检，尤其对钢丝绳、轨道、卷扬系统、拖车平台等部位重点监控，发现问题及时处理，确保运输系统的安全运行。
三、地下泵站的施工组织
由于地下泵站设计最大运输能力约为20ｍ3∕ｈ，施工受运输制约较大，因此如何科学组织施工将直接影响施工进度，而且地下洞室结构复杂，主要有地下厂房（主厂房、副厂房、安装间）、电缆井、交通系统、进水系统、出水系统和放水系统，其开挖工作内容包括准备工作、洞线测量、施工期排水、照明和通风、钻孔爆破、围岩监测、塌方处理、完工验收前的维护，以及将开挖石碴运至指定地区堆存和废碴处理等工作，其中弃渣运输是施工中的关键环节，如何合理安排开挖顺序是施工的关键。
3.1开挖施工程序原则：根据本工程的特点、施工环境以及合同条件要求，结合在类似工程中的施工经验，对施工程序做如下安排：
（1）针对泵站厂房的施工特点，施工中围绕地下厂房、出水系统两条关键线路展开，统筹规划整个洞室群的施工，即在大洞室中采用分层平行流水作业，做到“平面多工序”，又在整个立面进行交叉施工，形成“立体多层次”，以实现地下洞室群的快速施工，满足施工总进度的需要。
（2）施工中，对不同洞室分清先后次序，并按不同断面采用不同的施工设备、不同的施工方法进行开挖、支护及混凝土施工。各工作面（层）的开挖与锚杆、挂网、喷混凝土等支护及排水孔（管）等工序平行交叉作业。
（3）洞室开挖在穿越Ⅱ~Ⅲ类围岩地层时，成洞条件较好，可采用全断面的方式开挖成形；在遇到溶洞、断层破碎带、岩爆等不良地质时，严格按“新奥法”原则施工，强调“超前探测、超前支护、短进尺、弱爆破、少扰动、早封闭、强支护、勤量测”的工艺要旨，确保围岩成洞稳定。施工中贯彻“稳扎稳打、步步为营、稳中求快”的指导思想，杜绝围岩塌方等重大事故发生。
（4）泵站厂房按分层、分部开挖进行。每层开挖过程中，及时按设计要求和监理人的指示进行支护。与泵站厂房相交的副交通洞、进水系统、电缆井交通洞在开挖至相接部位时，在厂房内完成交叉口处的初期支护后在行进洞，视情况必要时进行混凝土衬砌。
（5）泵站厂房自上而下每一层开挖完成后，先进行其下一层的预裂爆破，再进行该层的一次支护施工。只有在一次支护施工全部完成后，方可进行其下一层的松动爆破作业。
（6）在进行厂房室直墙段梯段开挖时，采取预裂爆破与光面爆破相结合的方式进行开挖，以确保直墙段施工安全。即在开挖边线内2.0m进行预裂爆破，预留2.0m保护层采用光面爆破施工。
3.2总体施工技术措施：针对本工程的特点，并结合以往类似工程施工经验，施工技术措施如下：
（1）泵站厂房开挖分层如下：
第一层开挖高程：EL1270.4m~EL1277.628，此层开挖高度为7.228m，在结构上属于泵站厂房的圆形拱顶和3.1m的直墙段。此层的开挖采用分部开挖法进行施工，厂房顶拱层采取中导洞超前，两侧边墙洞扩挖跟进的开挖形式，采用边开挖边支护的顺序进行，以确保围岩的稳定。在此层开挖中，岩壁吊车梁的顶部高程EL1270.4m，因此，岩壁吊车梁的周围要预留2m作为保护层暂不开挖（即此层在直墙段的开挖高程为EL1272.4m）。
第二层开挖高程：EL1262.9m~EL1270.40，此层开挖高度为7.50m。此层要考虑预留岩壁梁保护层2m。开挖方法主要采用竖向掏槽、梯段爆破超前，两侧预留保护层进行光面爆破的方式施工；
第三层开挖高程：EL1258.40~EL1262.9m，此层开挖高度为4.50m。开挖方法主要采用竖向掏槽、梯段爆破超前，两侧直墙段预留2m保护层进行光面爆破的方式施工；
第四层开挖高程：EL1256.40~EL1258.2m，此层开挖高度为2.00m，属于建基面保护层开挖。按照保护层的开挖方法开挖完成。开挖方法主要采用手风钻钻孔、浅孔爆破的方法进行施工。
EL1273.5m以下洞壁为达到成形平整、光滑，以及减小对围岩扰动的要求，先按保护层边线进行预裂，后对保护层进行光面爆破；边墙、顶拱锚喷支护随开挖工作面逐层进行。
岩壁吊车梁作为一个重要结构单独进行开挖。在第二层EL1262.9m~EL1270.40开挖完成（在此层开挖阶段对岩壁吊车梁进行保护层预留2m）后进行开挖。开挖方法采用手风钻钻孔光面爆破的方法进行开挖施工。开挖完成后立即进行支护施工，待达到设计强度后再进行下一层的石方开挖。
泵站厂房采用3m3装载机、70反铲配合5t农用车运渣到主交通洞绞车平台上，由洞口的卷扬将农用车和绞车平台一起拉到洞外。
（2）中、小断面洞室开挖
副交通洞、电缆井交通洞和高压调流阀室水平方向的隧洞，开挖断面面积分别为43m2、27m2和90m2；出水系统、放水系统的开挖断面分别为8m2和12m2；所有洞室均采用光面爆破技术成型，5t农用车出碴。
出渣方法：洞渣在洞内采用5t农用车运输到主交通洞的绞车平台上，将到5t农用车开上绞车平台并固定好后，由绞车卷扬机一起拉出洞外。5t农用车驶下绞车平台将洞渣临时存放在洞口临时渣场，随后用装载机或反铲装运至渣场。
（3）竖井施工
电缆井竖井深度达161m，开挖断面直径为9.9m。电缆井竖井在电缆井交通洞开挖完成后进行。竖井开挖先采用LM-200型反井钻机形成导井（1.20m），而后自上而下分层一次扩挖，扩挖采用手风钻一次扩挖成形，分层高度2m左右，开挖料经导井溜渣至电缆井交通洞后从主交通洞出渣。
出水竖井深度为117.5m，开挖断面直径为3.2m。出水竖井的开挖在出水高压平洞完成后进行开挖。开挖方法同上。
3.3开挖施工安排
由于本工程属深井式泵站，主交通洞坡度较陡（24.59%），不具备车辆直接通行条件，交通及运输主要利用主交通洞内铺设的两条卷扬机系统，因此如何有效利用运输系统，直接影响开挖的进度，基于此在开挖施工过程中，做以下安排：
(1)在厂房一、二层开挖过程中，由于是单一工作面施工，只能实行单工序作业。
(2)当开挖进行三、四层时，由于电缆井、副交通洞已具备施工条件，此时的施工可实行“平面多工序、立体多层次”作业，充分利用运输系统，即厂房、副交通洞、电缆井等的钻爆、出渣、支护时间相互错开，保证有效的出渣时间，在这一过程中，要重视运输系统的日常维护，安排专职维护人员，确保运输系统的正常运转。
(3)在厂房、副交通洞开挖结束时，电缆竖井扩挖、放水洞、输水洞仍在开挖，弃渣仍经运输系统运走，而此时厂房及副交通洞要进行混凝土施工作业，所有混凝土施工材料要经运输系统运入洞内，施工运输仍是关键环节，施工仍实行“平面多工序、立体多层次”作业，材料的运入与弃渣的运出时间要恰当安排，以确保施工的顺利进行。
由于在交通运输与施工组织中做了科学合理的安排，对平鲁深井泵站的开挖施工起到了推进作用，在工程实践中得到了验证，取得了较好的效果。
论文作者:吴建峰
论文发表刊物:《建筑实践》2019年第38卷17期
论文发表时间:2019/12/3
标签：卷扬机论文; 钢丝绳论文; 泵站论文; 轨道论文; 交通论文; 系统论文; 竖井论文; 《建筑实践》2019年第38卷17期论文;