超长大坡度斜井开挖支护施工技术

孔维春 王卫治

（中国水利水电第六工程局有限公司）

关键词：超长　大坡度斜井　施工技术

1 前言

目前，在国内斜井施工中，一般采用反井法开挖，且开挖长度均在1000m以内，如：西龙池抽水蓄能电站引水斜井长756.59m,倾角56°,斜井开挖采用爬罐自下而上打导井和反井钻自上而下打导孔再反拉导井技术；万家寨引黄入晋工程平鲁地下泵站厂房工程长斜井交通洞,总长547.47m,斜坡段纵坡24.59%,倾角13.81°等。本工程斜井长1340m，净断面为5.7m×5.6m（宽×高，城门洞形），坡度42.5%，倾角23.02°。如果采用反井法施工，需要开挖多条交通洞，对工期影响较大，而且不经济；同时斜井坡度要么较缓（在30%以下），可以方便反铲等履带式设备行走；要么坡度在100%以上，可以直接向下溜渣。本工程坡度为42.5%，既不能满足反铲等设备行走，又不能向下部直接溜渣，只能采用有轨运输施工工艺。

2 工程概述

2.1 工程简介

本工程位于广东省江门市开平市金鸡镇和赤水镇之间，距阳江核电站和台山核电站均约57km。实验室洞室群包括实验大厅、斜井、竖井、地下安装间和其他功能性辅助洞室。斜井入口位于胜和村东北约200m的一个废弃石场，入口标高65m，长1340m，斜井坡度为42.5%（倾角23.02°）。斜井断面采用城门洞形，净断面尺寸为5.7m×5.6m。Ⅱ类、Ⅲ类围岩洞段采用锚喷支护，Ⅳ类、Ⅴ类围岩洞段采用锚喷+钢筋混凝土衬砌联合支护。

2.2 工程特点

1340m超长大坡度斜井作为江门中微子实验站配套基建工程地下实验厅与地面交通的重要通道，主要供施工期和运行期运输大型设备，同时也是地下通风、排水的重要通道，因此斜井施工对本工程后续施工有重要的影响。该斜井工程具有以下特点：

（1）斜井超长：这种情况下进行斜井的快速施工，尚没有先例。

（2）运输困难：斜井坡度为42.5%，该坡度既不能满足反铲等履带式设备行走，又不能直接向下溜渣，约4.2万m³的岩石渣料需要从斜井内运输至地面渣场，同时支护及浇筑混凝土的材料需要运输至斜井内。

（3）工期紧张：斜井是本工程的重要通道，斜井尽早完成，对本工程地下施工十分有利。

3 总体施工程序

斜井井身钻孔、支护、出渣见图1。

针对长距离大坡度斜井的特点，施工设备配置对斜井施工影响很大。对斜井施工制约较大的出渣工序，需要合理配备出渣设备。斜井出渣施工设备配置见表1。

斜井施工总体方案为Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类围岩洞段采用全断面光爆开挖，喷混凝土随掌子面及时跟进喷护，锚杆滞后一定安全距离施工；Ⅴ类围岩洞段采用短进尺开挖，喷混凝土、锚杆、钢拱架紧跟掌子面。渣料由一台ZWL-180/79L型扒渣机装至6m³箕斗，一台JKZ-3.2×3型单滚筒矿井提升机配单钩提升一台6m³箕斗至井口，卸入10t自卸汽车运输至弃渣场。

4 施工方法

4.1 斜井井口施工

斜井开口位置增加锁口锚杆，对于隧道交叉部位采用喷100mm混凝土和φ22×3.0m@1.5×1.5砂浆锚杆支护并增加锁口锚杆，对断层和节理密集带，除将系统锚杆加长外，另设加强锚杆，对不稳定块体采用随机加强锚杆加固。

斜井入口处覆盖层开挖采用两台1m³反铲及1台3m³装载机按照设计边坡放坡挖装，10t自卸汽车运输至渣场。开挖完成后根据开口位置岩层稳定情况将开口顶部以上危岩清理干净，并对稳定性较差岩层采用打锚杆挂网喷浆等方式加固处理。

沿斜井开挖轮廓线由斜井贴近山体位置，按照斜井坡度向外架设3榀钢拱架，间距500mm，采用工字钢连锁形成导向拱架。用网片护住顶帮，在网片外铺设模板（模板距网片100mm），由内侧喷射混凝土220mm厚。喷射C25混凝土支护，形成封闭保护层，形成进洞洞脸，确保进洞施工安全。

4.2 井身段开挖与支护

洞身段自上而下为Ⅴ类、Ⅳ类、Ⅲ类、Ⅱ类围岩，施工方法见表2。

5 凿井辅助系统及设施

5.1 提升机

斜井提升设备为JKZ-3.2×3型矿井提升机（见图2），卷筒直径3200mm，钢丝绳最大静张力差180kN，卷筒宽度3000mm，减速器速比i=18，卷筒个数1个，提升高度（牌坊式深度指示器）1800m，提升速度5.7m/s，电动机：YR1000-8/10-630kW 6kV 591r/min IP23。

5.1.1 提升机校核

（1）卷筒直径。

D≥60d=60×28=1680（mm）（d为钢丝绳直径）

D≥900δ=900×2=1800（mm）（δ为钢丝直径）

卷筒直径3200mm，满足要求。

（2）滚筒宽度校验。

式中 H——提升距离，取H=1400m；

30——试验绳长度，m；

ε——绳圈间隙，取2；

d——绳径，d=28mm；

BT——JKZ-3.2×3型提升机滚筒宽度，BT=3000mm；

D——滚筒直径，D=3.2m；

3——余绳圈数；

n——缠绳层数。

因此，选用JKZ-3.2×3型提升机，滚筒缠绕2层钢丝绳满足提人和提物要求。

（3）最大静张力验算（斜井提升时）。

满足要求。

式中 Q₀——终端最大荷载，N；

P_sb——钢丝绳单位重量，为31.32N/m；

β——巷道坡度,为23°；

f₁——滚动摩擦系数,取0.01；

f₂——滑动摩擦系数,取0.2；

L——绳长,为1400m。

5.1.2 电机功率验算

P=F_ch×V_mB×K_B/102η_c

=7275×4×1.2/(102×0.85)

=402.8(kW)<630

满足要求。

式中 V_mB——提升机最大速度，m/s；

K_B——矿井阻力系数，取1.2；

η_c——传动效率,二级减速η_c=0.85。

5.2 钢丝绳选择

5.2.1 钢丝绳选择

终端最大负荷6m³箕斗提渣时，

Q₀=0.85V_Jγ_g+Q_z

=0.85×6×15680+35280

=115248（N）

式中 V_J——箕斗容积,为6m³；

γ_g——矸石容重,为15680N/m³；

Q_z——箕斗自重,6m³箕斗为35280N。

钢丝绳单位重量

式中 δ_B——钢丝绳抗拉强度,取1770N/mm²；

m_a——提渣时钢丝绳安全系数；

其他参数意义同前。

采用18×7-28mm钢丝绳，钢丝绳单位重量P_sb为31.32N/m，破断拉力Q_d为473kN。

5.2.2 钢丝绳安全系数校核

（1）提渣时。

满足要求。

（2）提人时。

满足要求。

式中 Q_z——人车重量,N，采用XRB15-9/6型人车。

5.3 翻矸台

翻矸台（见图3）位于斜井洞轴线上，距井口桩号X0-020水平距离22.7m，砖混结构。翻矸台顶部为翻矸架，主要由液压千斤顶驱动。翻矸台翻矸见图4。

5.4 防跑车装置

在斜井桩号X0-020和X0+000位置设置两套防跑车装置（见图5），避免在井口位置箕斗突然脱钩，造成安全事故。防跑车装置由I22工字钢焊制，1t卷扬作为动力。

5.5 人车

人员交通通过提升机牵引XRB-15型人车（见图6），额定载员15人，由专职司机控制。XRB-15型人车有抱轨系统，若发生钢丝绳断绳或脱钩现象，能够通过抱轨系统将人车固定在轨道上，保证人员的生命安全。

6 小结

长距离大坡度斜井主要施工工序在于出渣工序，出渣时间直接影响施工进度，同时对其他工序也有一定的影响，如出渣设备对渣料粒径要求很高，渣料粒径不能太大，否则就影响开挖工序的钻孔间距和爆破装药量。因此，配置合理的出渣系统是长距离大坡度斜井施工的关键。超长大坡度斜井施工技术在江门中微子实验站配套基建工程斜井施工中的应用，取得了良好的效果，值得其他类似工程借鉴推广。