沉井掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

周 倩，鄭康泰，趙 飛，楊聚輝，肖 威

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016)

沉井法又稱(chēng)沉箱鑿井法，是在土層開(kāi)挖前,在井筒設(shè)計(jì)位置，把預(yù)制好的一段整體井壁或現(xiàn)澆的井壁下沉，然后在它的支護(hù)下,邊掘進(jìn)邊下沉[1～2]。

沉井工法主要用于市區(qū)場(chǎng)地狹小、地下水位高、不穩(wěn)定地層或埋深較淺的豎井施工，多用于地下停車(chē)場(chǎng)、給排水工程、大型地下構(gòu)件外殼、盾構(gòu)始發(fā)井、船塢塢首等。

傳統(tǒng)沉井法施工多采用人工開(kāi)挖、水槍、抓斗、長(zhǎng)臂挖掘機(jī)等形式進(jìn)行開(kāi)挖，無(wú)法開(kāi)挖硬巖，刃腳處較難開(kāi)挖，導(dǎo)致下沉、糾偏困難，井壁下沉多依靠自重下沉，沉井深度一般僅為20m左右。

在沉井掘進(jìn)機(jī)方面除海瑞克研制的VSM沉井掘進(jìn)機(jī)、日本的沉井掘進(jìn)機(jī)外，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究較少，但國(guó)外的設(shè)備技術(shù)壟斷，海瑞克的設(shè)備存在井下液壓管路較多、無(wú)中間通道等缺點(diǎn)；日本的沉井掘進(jìn)機(jī)存在無(wú)法開(kāi)挖硬巖、開(kāi)挖效率較低等缺點(diǎn)。

沉井法施工對(duì)場(chǎng)地的要求小，適合在擁擠的市中心或工廠內(nèi)施工；開(kāi)挖時(shí)對(duì)地層及地面環(huán)境的擾動(dòng)小；沉井掘進(jìn)機(jī)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和操作，打井不下井，保證人員安全。對(duì)此，本文對(duì)沉井掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖斷面適應(yīng)性、不同地質(zhì)出渣技術(shù)、復(fù)合糾偏控制技術(shù)、偏載等復(fù)雜工況下的回轉(zhuǎn)支承設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展研究，為沉井掘進(jìn)機(jī)的后續(xù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

沉井掘進(jìn)機(jī)依托中鐵裝備廠區(qū)沉井項(xiàng)目，為模擬施工工況、便于設(shè)備始發(fā)，采用C30混凝土澆筑6m深大基坑，如圖1所示，基坑下面地層為粉土層（埋深16m），地下水類(lèi)型為潛水，地下水位埋深約18m，地下水位年變幅2m，沉井主體結(jié)構(gòu)位于地下水位以上。

圖1 沉井基坑

2 沉井掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

沉井施工深度一般為10～100m，因此1臺(tái)沉井掘進(jìn)機(jī)往往可以進(jìn)行多個(gè)項(xiàng)目的施工。不同項(xiàng)目的開(kāi)挖斷面、地質(zhì)可能不同，因此沉井掘進(jìn)機(jī)既要滿足變斷面沉井施工工藝及不同地質(zhì)出渣需求，又要解決傳統(tǒng)沉井法糾偏困難、成井精度低的問(wèn)題，這給設(shè)備設(shè)計(jì)帶來(lái)如下挑戰(zhàn)：①開(kāi)挖斷面可變；②干濕雙模出渣技術(shù)；③復(fù)合糾偏控制技術(shù)等。

2.1 開(kāi)挖斷面可變技術(shù)

該設(shè)備可適應(yīng)6～10m開(kāi)挖直徑，以滿足不同開(kāi)挖斷面的直徑需求。

2.1.1 變斷面原理

驅(qū)動(dòng)總成驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)裝置帶動(dòng)開(kāi)挖裝置進(jìn)行±190°旋轉(zhuǎn)，完成開(kāi)挖面的環(huán)向切削；擺臂油缸為工作臂的擺動(dòng)提供動(dòng)力，確保銑挖頭能夠在不同半徑下進(jìn)行工作，如圖2所示。擺臂油缸含行程傳感器，通過(guò)上位機(jī)軟件換算，通過(guò)三維仿真，能夠在上位機(jī)顯示出銑挖頭的真實(shí)位置。

圖2 沉井掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 變斷面輔助措施

1）設(shè)備驅(qū)動(dòng)總成采用驅(qū)動(dòng)單元帶動(dòng)回轉(zhuǎn)裝置旋轉(zhuǎn)，為滿足不同開(kāi)挖直徑的驅(qū)動(dòng)需求，設(shè)計(jì)有4組驅(qū)動(dòng)單元，如圖3所示。軟土地層、小直徑開(kāi)挖時(shí)使用2組驅(qū)動(dòng)，另外兩組驅(qū)動(dòng)單元的孔用壓蓋保護(hù)，防止進(jìn)入異物；硬巖地層、大直徑開(kāi)挖時(shí)使用4組驅(qū)動(dòng)。

圖3 驅(qū)動(dòng)總成實(shí)物圖

2）模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)更換驅(qū)動(dòng)箱支腿，如圖3所示，可適應(yīng)不同開(kāi)挖直徑。

3）管片提壓裝置通過(guò)伸縮銷(xiāo)軸和管片進(jìn)行連接，通過(guò)改變管片提壓裝置的位置，可適應(yīng)不同開(kāi)挖直徑的需求，如圖4所示。

圖4 管片提壓裝置

2.2 干濕雙模出渣技術(shù)

出渣系統(tǒng)可根據(jù)不同的地質(zhì)條件，采用不同的出渣方式。針對(duì)無(wú)水、少水地層：設(shè)備采用抓斗出渣的方式；針對(duì)取水方便或富含地下水的工程采用泥漿出渣。出渣靈活，不受粒徑大小限制，節(jié)省成本，掌子面情況觀察更直觀。干濕兩種方式的出渣技術(shù)使設(shè)備增強(qiáng)了地質(zhì)適應(yīng)能力。

2.2.1 干式出渣

干式出渣充分考慮該工程無(wú)水地質(zhì)條件，結(jié)合圓礫、砂土地層的易開(kāi)挖的特點(diǎn)，通過(guò)設(shè)備將掌子面開(kāi)挖成“鍋底”形狀，讓渣土在銑挖頭的帶動(dòng)下向下歸集到出渣坑部，實(shí)現(xiàn)渣土歸集與抓斗出渣。渣土歸集及出渣方式如圖5所示。

2.2.2 泥漿出渣

圖5 干式出渣示意圖

1）針對(duì)取水方便或富含地下水的工程，安裝泥漿泵、泥漿管、回轉(zhuǎn)接頭和泥水分離站。工作時(shí)，開(kāi)挖面填充一定深度泥漿，在銑挖頭的攪拌下，渣土和泥水混合形成懸浮混合物，由泥漿泵排出至地面，再由泥水分離系統(tǒng)進(jìn)行渣土分離，分離后的泥水沿回漿管路進(jìn)入井底，如圖6所示。

圖6 泥漿出渣

2）遇直徑較大卵石或漂石且影響掘進(jìn)時(shí)，可通過(guò)中心預(yù)留通道下放小型抓斗進(jìn)行抓取清理。

2.3 復(fù)合糾偏控制技術(shù)

2.3.1 導(dǎo)向系統(tǒng)

項(xiàng)目采用全站儀+棱鏡+傾角儀的導(dǎo)向系統(tǒng)，如圖7所示。通過(guò)在管片安裝測(cè)角單元傳感器對(duì)成井鉛垂度進(jìn)行測(cè)量，并計(jì)算出豎井整體鉛垂度。通過(guò)全站儀定期測(cè)量，及時(shí)修正誤差值，確保測(cè)量精確。使用全站儀檢測(cè)管片姿態(tài)和設(shè)備姿態(tài)，其精度在1‰以內(nèi)。

圖7 全站儀測(cè)量系統(tǒng)

2.3.2 糾偏技術(shù)

掘進(jìn)機(jī)根據(jù)導(dǎo)向系統(tǒng)提供的鉛垂度信息對(duì)開(kāi)挖姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，該設(shè)備主要采用以下五種糾偏技術(shù)[3～7]，如圖8所示。

圖8 糾偏原理圖

1）下沉過(guò)程通過(guò)施加提壓裝置上不同的力，具體為檢測(cè)最上環(huán)結(jié)構(gòu)端面水平和提壓油缸的行程，保證下沉過(guò)程中油缸行程一致；每組提壓油缸均帶有行程傳感器，上位機(jī)顯示屏上監(jiān)控下沉速度和下沉位移量，根據(jù)導(dǎo)向系統(tǒng)顯示和行程傳感器顯示的位移量，調(diào)整單組提壓油缸的下沉速度，達(dá)到實(shí)時(shí)糾偏的目的，防止下沉方向發(fā)生大的偏斜。

2）通過(guò)地面的管片提壓裝置將井筒提升一定高度，銑挖頭對(duì)刃腳處的土體進(jìn)行修邊或超挖處理以后重新下沉，保證偏斜側(cè)欠挖通過(guò)土體提供側(cè)向推力；針對(duì)井壁下方有孤石或特殊情況需要局部超挖處理時(shí)，銑挖頭具備伸入到刃腳管片外部實(shí)施特殊處理的能力。

3）通過(guò)銑挖頭開(kāi)挖成鍋底形狀的輪廓，利于渣土向井中心匯集，利用刃腳管片均勻超挖土體，確保管片順利下沉和調(diào)向。

4）刃腳管片設(shè)置有6組糾偏裝置配合提壓裝置調(diào)向，每組糾偏裝置有糾偏油缸和靴板組成，糾偏時(shí)，同時(shí)動(dòng)作3組糾偏油缸，均勻施加側(cè)向推力，提供井筒下沉糾偏力。

5）通過(guò)調(diào)節(jié)不同位置的注漿壓力，可以對(duì)井筒進(jìn)行糾偏。在井筒下沉過(guò)程中，為減井筒背面與周?chē)馏w的摩阻力，維護(hù)周邊土體擾動(dòng)，防止坍塌涌沙，封閉裂隙，向井筒背后灌注觸變泥漿。

3 實(shí)驗(yàn)情況

3.1 開(kāi)挖

開(kāi)挖采用成熟的懸臂掘進(jìn)機(jī)銑挖頭，適用于土質(zhì)類(lèi)地層、砂卵石地層、軟巖地層、硬巖地層（高效、經(jīng)濟(jì)強(qiáng)度不大于60MPa、節(jié)理較發(fā)育，Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖為主），超過(guò)60MPa的地層效率及經(jīng)濟(jì)性較差。沉井掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

1）開(kāi)挖介質(zhì)為C30混凝土，開(kāi)挖直徑為8m,開(kāi)挖深度0.3m，主機(jī)旋轉(zhuǎn)共用7圈，如圖9所示，一共用時(shí)30min，測(cè)試切削效率約30m3/h。混凝土開(kāi)挖情況如圖10所示。

圖9 開(kāi)挖輪廓

圖10 C30混凝土開(kāi)挖情況

2）開(kāi)挖介質(zhì)為粉土，開(kāi)挖直徑為8m，開(kāi)挖深度0.3m，主機(jī)旋轉(zhuǎn)共用7圈，如圖9所示，一共用時(shí)18min，測(cè)試切削效率約50m3/h。粉土開(kāi)挖情況如圖11所示。

圖11 粉土開(kāi)挖情況

3.2 出渣

1）試驗(yàn)抓斗出渣試驗(yàn)，如圖12所示，抓斗容積1.5m3。6m深沉井抓斗出渣效率約40m3/h。事實(shí)上，隨著沉井深度的增加，抓斗出渣效率逐漸降低。

圖12 干式出渣

2）泥漿出渣采用立式泥漿泵，地面設(shè)置泥漿分離設(shè)備，分離后的泥漿循環(huán)入井進(jìn)行攜渣，泵送流量可達(dá)400m3/h，最大通過(guò)粒徑75mm，如圖13所示。

3.3 成井

該沉井掘進(jìn)機(jī)已較好地完成了中鐵裝備廠區(qū)8m沉井的工業(yè)實(shí)驗(yàn)，開(kāi)挖、出渣、支護(hù)同步進(jìn)行，成井精度在1‰以內(nèi)。開(kāi)創(chuàng)了國(guó)內(nèi)沉井掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖沉井的先河。

圖13 泥漿出渣

針對(duì)開(kāi)挖土層時(shí)，容易出現(xiàn)糊銑挖頭的現(xiàn)象，做如下改進(jìn)。

1）在銑挖頭上配備高壓噴頭，用以清理銑挖頭上的黏土，高壓水噴頭出口壓力不低于50bar。

2）增加分散劑，對(duì)黏土進(jìn)行改良，增加其流動(dòng)性，防止糊掘進(jìn)裝置。

4 結(jié)論與討論

本文以中鐵裝備廠區(qū)沉井項(xiàng)目為依托，對(duì)沉井掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。

沉井掘進(jìn)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括開(kāi)挖斷面可變技術(shù)、干濕雙模出渣技術(shù)、復(fù)合糾偏控制技術(shù)。研制的沉井掘進(jìn)機(jī)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)用良好，滿足安全、快速施工的要求。

1）該設(shè)備可適應(yīng)7～12m開(kāi)挖直徑，以滿足不同開(kāi)挖斷面的直徑需求。

2）干濕兩種方式的出渣技術(shù)使設(shè)備增強(qiáng)了地質(zhì)適應(yīng)能力。

3）項(xiàng)目采用全站儀+棱鏡+傾角儀的導(dǎo)向系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)偏斜，可通過(guò)五種措施進(jìn)行糾偏。

沉井掘進(jìn)機(jī)的研發(fā)提供了一種新型沉井施工的思路，也是新裝備引領(lǐng)新工法地下空間開(kāi)發(fā)的一次重要的嘗試，設(shè)備的成功研制使得沉井機(jī)械化、快速、高精度施工成為可能，在市政方面、大型樁基板塊、國(guó)防工程等方面具有廣闊的市場(chǎng)前景。