立井全斷面自動化掘砌成套裝備與施工技術

王鵬越，袁兆寬，梁恒昌，肖 威，楊金宏

(1.中煤第五建設有限公司，江蘇 徐州 221006；2.中國礦業(yè)大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學 力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116；4.中國中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016；5.中煤建設集團有限公司，北京 102218)

隨著國內外地下工程施工技術的發(fā)展及機械制造水平的提升，跨行業(yè)協(xié)同創(chuàng)新能力顯著提高，具備了研制大型立井全斷面自動化掘砌裝備的能力。借鑒于水平隧道的TBM的制造技術和施工技術，立井掘進機及其配套的支護技術裝備也有了長足發(fā)展，但明顯不同于水平隧道或斜井隧道的施工。立井施工在砌壁、矸石運輸方面有著更高的要求和更多的約束條件，立井掘進機和自動邁步模板配合施工立井技術需要依據(jù)機械的功能特性、地質環(huán)境適應性、工藝環(huán)節(jié)的銜接、安全及經(jīng)濟性等而綜合確定，施工技術和施工工藝環(huán)節(jié)的整體考慮顯得尤為重要。同時，施工過程中設備組裝、工序銜接、特殊地層穿越、特殊硐室施工、特殊工序調整等技術需要進行系統(tǒng)考慮[1-4]。采用高度集成化的機械設備來施工立井是未來立井施工的必然趨勢，我國的立井施工裝備也發(fā)生了飛躍式的發(fā)展，由中鐵工程裝備生產(chǎn)的立井掘進機以及由中煤第五建設有限公司研制的自動邁步8m大段高掘進機配套模板研制成功，并分別進行了場內試驗和工業(yè)性試驗，使得立井施工技術水平有了實質性的提高。該研究成果解決了立井施工全機械化、自動化的問題，解決了立井掘進機同步砌壁與懸空砌壁的難題，該同步砌壁邁步模板技術可以用于立井施工中的邁步吊盤以及其他井內設備吊掛及邁步行走。不足之處是該套裝備與工藝在面對特殊不良地層時適應性不足，需要預先對不良地層進行處理。

1 立井全斷面掘進成套裝備基本功能

1.1 立井掘進機械功能特征

立井全斷面自動化的掘砌成套裝備(Vertical Shaft Construction Machine，簡稱VSCM)是指立井全斷面掘進機(Vertical Shaft Machine，簡稱VSM)和自動邁步砌壁模板設備(Auto Stepping Template，簡稱AST)。VSCM是集機械、電子、液壓、激光、控制等技術于一體的高度機械化和自動化的大型立井開挖與襯砌澆筑成套設備，是一種由電動機(或電動機/液壓馬達)驅動刀盤旋轉、支撐靴和穩(wěn)定器支撐掘進機自重，刀盤加壓或減壓推進破巖，使刀盤在一定推力作用下工作，通過安裝在刀盤上的刀具破碎巖石，使井筒斷面一次成型的大型工程機械[5，6]。傳統(tǒng)的立井施工為基于鉆爆法的短段掘砌混合作業(yè)方式，主要由“打眼—放炮—出渣—支護”等工藝環(huán)節(jié)組成，因此立井全斷面自動化掘進機必須具備替代其相應功能的集成能力，實現(xiàn)破巖—出渣的高效同步進行，才能提高井筒施工的效率[7，8]。

目前由中鐵工程裝備集團有限公司研制的立井掘進機主要包括了以下功能特征：①具有破巖、集渣及臨時存儲功能，具備適應不同巖性的立井全斷面破巖刀盤，該刀盤具有適用于多種地層、易更換刀具和同步出渣特點，刀盤掘進效率高、刀具損耗低，同時具有一定的擴挖功能，滿足多種井壁結構開挖要求；②該立井掘進機具備完善的裝備支撐及移動系統(tǒng)，采用環(huán)形撐靴和穩(wěn)定器協(xié)同方式實現(xiàn)工作面刀盤壓力控制以及換步方式，快速實現(xiàn)裝備換步和自身姿態(tài)控制，確保掘進垂直度，同時優(yōu)化工作面空間布置，具備刀盤上提功能，以滿足工作面探水、注漿、揭煤等空間需求；③該立井掘進機具備立井全斷面自動化掘進的新型井底清渣技術，實現(xiàn)破巖和清渣同步，采用三級出渣，即：刮板連續(xù)清渣—斗式連續(xù)提升—儲渣倉轉載吊桶提升，實現(xiàn)立井掘進機開挖、出渣同步高效施工；④具備全斷面自動化掘進機多系統(tǒng)集成和協(xié)同，實現(xiàn)“手動操控控制”和“地面遠程控制”的雙控制模式[8-12]。

1.2 自動邁步模板功能特征

立井的支護采用現(xiàn)澆混凝土井壁支護，同時立井掘進機掘進的段高裸露的時間不能過長，需要及時進行混凝土澆筑支護，在掘進機工況下，砌壁的要求就相應增加了很多，首先砌壁模板要實現(xiàn)懸空砌壁、快速砌壁，為了適應和匹配掘進機的掘進段高，有需要大段高的模板，根據(jù)研制的立井掘進機推進速度，目前匹配8m段高的砌壁模板比較合適，因此與掘進機相匹配的自動邁步模板需要具備8m大段高、懸空快速砌壁的要求，這就給模板懸吊、邁步、砌壁時機和工序銜接提出來多種要求。

根據(jù)以上要求和特征，中煤第五建設有限公司研制了與掘進機匹配的自動邁步模板，該模板具有以下功能特征[13，14]：為適應和匹配機械破巖成井效率以及井壁支護安全要求，自動邁步模板采用下行整體移動模式，具有8m大段高的拆模、圓度、緊固度、可靠性、可拼接性等特征和功能，實現(xiàn)了1/2分段可拆可澆筑功能；該自動模板采用撐靴支撐及模板邁步系統(tǒng)，無需設置地面鑿井模板絞車，從而相應減小了井架荷載，并實現(xiàn)懸空砌壁；采用無縫整體金屬模板的伸縮口技術，取消原“丁字板”，消除井壁“丁字板”凹槽，新型結構需在改善平整度的基礎上仍保持較高的強度、良好的密封性能和耐久性能；該自動澆筑模板與立井掘進機獨立工作，澆筑井壁位置與立井掘進機工作空間位置互不干擾。

自動邁步模板結構及其工藝如圖1所示。由圖1可知，在完成始發(fā)井筒段之后，先安裝完成成套邁步模板，然后下掘井筒8m，完成后下放下部模板及撐靴，并撐緊撐靴，綁扎鋼筋，澆筑4m段高混凝土。待混凝土凝固后，繼續(xù)下放上部4m模板及上部撐靴并撐緊，然后進行上部4m段高的混凝土澆筑。這樣完成一個循環(huán)，8m段高的混凝土井壁砌筑。

圖1 自動邁步式模板結構及砌壁工藝示意圖

1.3 立井掘進機與自動邁步模板聯(lián)合功能特征

立井掘進機與自動邁步砌壁模板可以相互配合進行施工作業(yè)，由立井掘進機進行掘進破巖、集渣及臨時存儲，由自動邁步砌壁模板進行混凝土井壁澆筑，其他輔助作業(yè)采用平行的作業(yè)方式完成，如掘進期間平行進行吊桶排矸作業(yè)。因此主要生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)有：“綁扎鋼筋、澆筑混凝土砌壁、破巖排矸”等主要工序。

2 立井掘進機聯(lián)合自動邁步模板施工設計

2.1 立井概況及施工方案

新疆阿勒泰引水隧道措施立井井筒開挖直徑7800mm，鋼筋混凝土井壁厚度500mm，深度378m，井筒表土段較淺，埋深19m，基巖段巖石基本穩(wěn)定，涌水量較小。

井筒分兩部分施工，表土段及掘進機安裝“機窩”(始發(fā)井)施工、基巖段(立井掘進機段)施工。在掘進機施工組裝前，完成20m始發(fā)立井施工，期間安裝邁步式模板，并完成掘進機安裝所需組裝空間，即“機窩”，然后安裝掘進機完成剩余井筒施工。

2.2 自動砌壁模板井下組裝

在井筒開挖一段距離后，即可井下組裝邁步模板，邁步式模板由上撐靴、上模板、下模板、下?lián)窝ソM成，附屬設備主要有液壓絞車、支撐油缸、邁步油缸等。井筒試挖階段如果有模板，則隨該模板砌筑分步進行自動邁步模板組裝，邁步模板采用螺栓對接與組裝，在試挖階段2m段高模板上分塊安裝上模板上部2m模板，模板校正完成后進行澆筑混凝土，澆筑完成后，掘進段高1m，拆除刃腳，繼續(xù)掘進至段高6.3m，并根據(jù)井幫圍巖情況進行臨時支護，然后綁扎鋼筋，工作面進行找平，安裝下?lián)窝ィ趽窝ド习惭b模板剩余部分，模板校正好澆筑混凝土。

2.3 立井掘進機、砌壁模板井下組裝

邁步式模板安裝后，繼續(xù)采用人工配合挖掘機掘進適合立井掘進機安裝的高度。該段井筒空間作為掘進機組裝“機窩”，本段采用錨網(wǎng)噴臨時支護，支護厚度100mm，上部10m荒徑8.4m，下部3.3m荒徑9.0m。掘進完成后鋪底找平，鋪底厚度300mm。“機窩”完成后，依次拆除抓巖機、吊盤、封口盤，提供掘進機構件下放空間。

立井掘進機為分體式結構，設備主機和吊盤分體設計。主機用于完成立井開挖、出渣、推進、姿態(tài)控制；吊盤為施工和主機配套結構，用于立井施工的井壁支護、供電、排水等。VSM立井掘進機分塊下放、組裝，可使設備組裝高度低、運輸難度小，施工靈活。立井掘進機組裝分為主機組裝和吊盤組裝。主機井下組裝采用從下至上的組裝模式，分塊下放，井下組裝；吊盤組裝在地面進行，整體懸吊下井。VSM立井掘進機井下主機組裝順序依次為：刀盤—穩(wěn)定器—主驅動—穩(wěn)定器平臺—斗式提升機下部結構—中心立柱一—撐靴—中心立柱二—渣倉—斗式提升機上部結構。

2.4 立井掘進機聯(lián)合自動邁步模板掘砌施工工序

立井掘進機主要施工工序大體上可分為掘進、出渣和支護，具體來說包括以下小工序：掘進、出渣、換步、物料運輸、脫模、立模、下灰、澆筑、管線延伸等工作。

2.4.1 掘進與換步

1)掘進、出渣同步施工，該工序操作位于地面主控室內，控制設備掘進，掘進前首先檢測設備姿態(tài)是否正確，保證設備處于垂直狀態(tài)，如設備不垂直，偏差大于10mm，則通過撐靴及穩(wěn)定器進行調整，保證方向垂直。撐緊撐靴、撐緊穩(wěn)定器，啟動垂直斗提機、刮板清渣裝置，之后啟動刀盤，準備掘進施工。掘進施工需要根據(jù)地層，尋找合適的轉速及貫入度，設備的最大掘進行程為1.2m，襯砌每次的段高為8m，大于設備最大行程，因此設備每1.2m換步一次。

2)換步：換步時需要增加穩(wěn)定器的撐緊力，同時刀盤停轉，將設備放置在工作面上，設備放置穩(wěn)定后，收攏撐靴，之后控制推進缸，將撐靴下移，完成換步，下移完成后，重新?lián)尉o撐靴，撐緊后，降低穩(wěn)定器撐緊力，檢測設備姿態(tài)后重新啟動刀盤，進行下循環(huán)掘進[15]。

2.4.2 出渣

立井掘進機出渣系統(tǒng)配合吊桶清渣、轉運、排渣，該系統(tǒng)共包括三大部分：刀盤清渣裝置、垂直提升裝置、吊桶提升系統(tǒng)。三大部分進行接力共同完成渣土的出井工作，設計運送能力，可滿足直徑10m立井在1000m深度時每小時掘進1m的施工需求。刀盤清渣裝置設計兩部，對稱安裝于刀盤內部，進行刀盤中心1m以外的區(qū)域清渣工作，1m以內采用壓風進行輔助清渣。刀盤清渣裝置采用刮板鏈設計，刮渣板將渣土刮起運送至集渣倉處。

垂直提升裝置安裝在設備中心，上部至臨時出渣倉，下部至刀盤集渣倉。垂直提升裝置采用斗式提升機，采用全封閉設計，防止渣土散落，污染內部環(huán)境。臨時儲渣倉主要用于渣土的臨時儲存及渣土轉運，在吊桶離開時，臨時儲存渣土，在吊桶到達裝渣位置時，打開閘門迅速完成渣土裝載，提高出渣速度。

系統(tǒng)出渣流程：刀盤清渣裝置將渣土清理后，轉運至斗式提升機的集渣倉內，之后由斗式提升機將渣土提升至設備上部，卸入臨時渣倉內，等待吊桶提升出井。渣土經(jīng)吊桶提升出井，經(jīng)翻矸裝置翻矸溜出井口外的地坪，裝載機配合自卸汽車排入甲方指定地點。

2.4.3 支護

支護包括扎筋與砌壁工序，每循環(huán)8m，綁扎鋼筋一次完成，分兩次澆筑。利用液壓系統(tǒng)及安裝在邁步模板上的液壓絞車下放下?lián)窝?，然后下放吊盤，下?lián)窝ハ路鸥叨?m，吊盤位于下?lián)窝ド峡?，以吊盤和下?lián)窝プ鳛楣ぷ髌脚_綁扎上部4m鋼筋，綁扎完成后繼續(xù)下放下?lián)窝ゼ暗醣P，綁扎下部4m鋼筋，鋼筋綁扎完成后下模板脫模，通過液壓絞車下放到下?lián)窝ド?，校正下模板，澆筑下?m段高混凝土。本段澆筑完成后，經(jīng)10～12h(期間進行管路延接、掘進施工)混凝土終凝具備自我承載能力時，松開上層模板，通過縱向邁步液壓缸將上模板下放4m(此時上層模板下口與上一循環(huán)已成井壁下沿平齊)，撐緊上層模板，并通過液壓缸下推模板試驗，檢測模板的縱向承載力達到設計要求后，松開上撐靴，通過縱向邁步液壓缸下放上撐靴4m，到位后撐緊上撐靴，同樣通過縱向液壓缸檢測上撐靴的垂直承載力，至此，完成邁步4m行程。然后上層模板松開，繼續(xù)下移4m與下面4m模板完成對接，開始澆筑上層4m段高混凝土，至此完成一個混凝土澆筑循環(huán)8m。

混凝土由地面攪拌站配制，根據(jù)設計及時調整配合比。混凝土輸送采用底卸式吊桶下料，經(jīng)坐落在第四層吊盤喇叭口上的分灰器對稱入模，入?；炷敛捎谜駝影敉ㄟ^合茬窗口進行分層振搗。

2.5 單掘砌循環(huán)施工流程設計

由以上立井掘進機功能與作業(yè)工序，完成一個成井作業(yè)循環(huán)。按此作業(yè)循環(huán)持續(xù)施工至設計深度即完成立井的整體施工。循環(huán)時間24h，循環(huán)進尺8m，混凝土脫模時間控制在20h左右，承載時間44h，考慮循環(huán)影響時間，施工月進尺可以保證200m的需要。

2.6 安全保障技術

1)全斷面掘進機的安全保障，重點從設備本身和地質環(huán)境角度考慮。設備自身具備良好的防護性能，包括設備的防水、防潮、防爆設計，設備具有良好的地質適應性，設備設計對井壁的接觸比壓較小，滿足各類圍巖的適應性。同時，設備各段高位置具備對圍巖的臨時支護能力，實現(xiàn)臨時護盾的功能，滿足圍巖暴露段高及暴露時間的需要，可以減少或者取消臨時支撐。

2)自動邁步模板的安全保障，重點從設備自身以及環(huán)境適應性考慮。邁步模板設計了多種安全保護機制，包括液壓缸失效保護、撐靴的承載力自我檢測驗證機制、撐靴的承載力冗余設計以及信息化監(jiān)測系統(tǒng)等安全保障機制。邁步模板在設計中還考慮了環(huán)境適應性和工作的適應性，邁步模板本身具備高度可調性，可根據(jù)圍巖情況及時調整模板支護段高，同時邁步模板的支撐系統(tǒng)設計對井壁及圍巖的接觸比壓低于1MPa，且可以根據(jù)圍巖情況進行及時調整，完全滿足各類圍巖及工作條件的需要。

3)信息化的安全保障，該系統(tǒng)除了各自獨立的安全技術保障，還建立了一整套信息化安全監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控內容包括設備、圍巖、井壁以及供電、通訊、通風等全方位的安全技術保障。

3 結 論

1)立井掘進機在功能設計、結構設計、工藝銜接方面都有了集成和改進，立井掘進機聯(lián)合自動邁步模板施工理論成井速度可達到240m/月。

2)立井掘進機聯(lián)合自動邁步模板在現(xiàn)有“短段掘砌循環(huán)”作業(yè)的基礎上進行改進，改進為“一掘兩砌”作業(yè)方式，該施工技術易于被技術人員接受。

3)立井施工技術的核心為掘進出渣、綁扎鋼筋、立模澆筑，在施工工序循環(huán)方面可以設計為“一掘兩砌”作業(yè)方式，即綁扎鋼筋、砌壁1/2掘進段高、砌壁余下1/2掘進段高、掘進整個段高來進行設計。