全斷面豎井掘進機關(guān)鍵技術(shù)

丁張飛

（中國鐵建重工集團股份有限公司，湖南 長沙 410100）

隨著地表土地資源地開發(fā)利用，現(xiàn)有地表土地資源相對空缺，越來越多城市市政項目如立體車庫、蓄水池已轉(zhuǎn)為向地下開發(fā)，其主要應(yīng)用豎井絕大部分為深度100m 以內(nèi)的淺豎井。目前該種豎井傳統(tǒng)施工工法主要以半機械及人工輔助結(jié)合的方式進行施工，地質(zhì)較硬豎井以鉆爆為主，地質(zhì)較軟豎井以挖機開挖為主。支護以噴混凝土作為臨時支護，施工完成后再以編制鋼筋籠及模板澆筑混凝土作為永久支護。

現(xiàn)有施工方式對周邊環(huán)境影響較大，對炸藥管控越來越嚴(yán)格，挖機開挖對豎井尺寸有嚴(yán)格要求，豎井開挖直徑小于7m 之后挖機施工受限。同時傳統(tǒng)施工工法將開挖、臨時支護、永久支護分開施工，費時費力，且基本作業(yè)環(huán)境均在井下，作業(yè)環(huán)境差、安全性低，因此需要研發(fā)一種新的豎井開挖方法。

部分豎井施工已開始使用沉井法施工，在采用機械化設(shè)備開挖的過程中通過預(yù)制管片等結(jié)構(gòu)進行同步支護，更有部分地區(qū)率先開始引用國外豎井施工設(shè)備，海瑞克研發(fā)VSM 豎井掘進機在軟土地層施工過程中具有良好的效果，但其只能適用于軟土地區(qū)，同時因其開挖方式限制，整體掘進效率相對較低。

本文借鑒國內(nèi)眾多施工現(xiàn)場施工經(jīng)驗及研究國內(nèi)外豎井施工機械設(shè)備，中國鐵建重工集團研制出一款集開挖、出渣、支護為一體的全斷面豎井掘進機，滿足市面上大部分地層施工，并結(jié)合該豎井掘進機施工經(jīng)驗，提出管片同步跟進次成井施工工法，在掘進過程中同步進行管片拼裝支護，大大提升了淺豎井施工效率及安全性。

1 掘進機總體設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)

掘進機由刀盤、盾體、主驅(qū)動、泥水環(huán)流系統(tǒng)、鋼管片、工作平臺、主支撐架、管片吊運系統(tǒng)、液壓提升系統(tǒng)組成。豎井掘進機主要結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 豎井掘進機

淺豎井主要面對地層多以軟土為主，文章介紹掘進機主要針對軟土、軟巖設(shè)計。按照功能劃分，豎井施工主要分為開挖、出渣與支護。①開挖與出渣：主驅(qū)動旋轉(zhuǎn)提供動力驅(qū)使刀盤轉(zhuǎn)動切削渣土，渣土與井下泥漿進行攪拌混合后經(jīng)由排漿泵同步出渣排出洞外篩分，篩分后渣土直接進行收集排放，泥漿再循環(huán)利用；②支護：采用鋼管片進行拼裝并焊接，鋼管片充當(dāng)臨時支護，待整體掘進施工完成后，拆除掘進機之后通過澆筑的方式填充鋼管片內(nèi)部，以混凝土+鋼結(jié)構(gòu)一起充當(dāng)永久支護，在掘進過程中管片在地面進行拼裝，管片吊運系統(tǒng)安裝于主支撐架上，將管片由兩邊進行運輸至井口中心，在地面進行拼裝焊接，其中內(nèi)環(huán)焊縫人員可在工作平臺上進行焊接，外環(huán)焊縫直接在地面進行焊接；③吊裝：井口設(shè)置主支撐架，主支撐架安裝液壓提升系統(tǒng)，在掘進過程中全程由液壓提升系統(tǒng)對整機進行吊裝，通過控制幾個吊裝點起落，可實現(xiàn)整機向下與向上提升，液壓提升精度高、下放平穩(wěn)，可有效控制整個掘進姿態(tài)，保證最終成井質(zhì)量。

在滿足基本功能的前提下需要保證成井精度，所以豎井施工導(dǎo)向方面也是重中之重。

1.1 開挖

刀盤是豎井掘進機主要開挖工具，主要用于切削渣土，同時對切削下來渣土起攪拌作用，保證渣土在開挖艙與泥漿充分混合。

刀盤刀具配置以貝殼刀為主，中心配置齒形魚尾刀，采用輻條式設(shè)計增大刀盤開口率，減少在軟土地層中糊刀盤結(jié)泥餅的概率。同時為適應(yīng)豎井掘進機快速拆裝目的，設(shè)計折疊式幅臂，在拆機時直接折疊刀盤，不用井下拆機，大大增加拆機效率。刀盤工作狀態(tài)和拆機狀態(tài)如圖2、圖3所示。

圖2 刀盤工作狀態(tài)

圖3 刀盤拆機狀態(tài)

1.2 出渣

豎井掘進機在掘進過程中通過泥水環(huán)流系統(tǒng)進行同步出渣，環(huán)流系統(tǒng)包括井下排漿泵、井上接力排漿泵、井上進漿泵以及泥水分離站組成，其作用為將刀盤切削下來渣土進行混合后通過泵以泥漿的形式排放至泥水分離站，泥水分離站對漿液進行篩分，篩分下來渣土經(jīng)由現(xiàn)場處理后排放，篩分之后泥漿再循環(huán)至井下進行再利用。采用泥水環(huán)流出渣可實現(xiàn)整個掘進過程出渣全程自動化，過程均采用管路輸送，井下作業(yè)環(huán)境良好，干凈整潔。泥漿環(huán)流系統(tǒng)分布如圖4 所示，井下排漿泵如圖5 所示。

圖4 泥漿環(huán)流系統(tǒng)

圖5 井下排漿泵

1.3 管片拼裝

每掘進一環(huán)管片距離后，需要進行管片拼裝，在拼裝管片前人工通過全站儀及垂直測量儀復(fù)核下整個井筒姿態(tài)（圖6），然后在地面上以最上面一環(huán)管片為基礎(chǔ)進行新管片的拼接。因運輸尺寸要求一環(huán)管片設(shè)計為4 分塊，在地面上通過叉車等設(shè)備組裝成2 個半圓（圖7），后通過管片吊運系統(tǒng)分別吊裝至井口位置（圖8），與前一環(huán)管片通過螺栓、定位銷等進行安裝。管片拼裝完成后進行焊縫焊接。地面設(shè)置有工作平臺（圖9），可滿足施工人員在地面進行管片拼裝與焊接。

圖6 管片姿態(tài)復(fù)測

圖7 地面組裝管片

圖8 吊運管片

圖9 工作平臺

1.4 姿態(tài)調(diào)整

掘進機設(shè)計有獨有“4+4+1”隨動測量系統(tǒng)，采用4 組垂直測量儀（圖10、圖11）+4 組測距儀（圖12）+激光導(dǎo)向系統(tǒng)（圖13、圖14），實現(xiàn)對掘進機及井筒整體姿態(tài)的全方位實時監(jiān)測。掘進過程中垂準(zhǔn)儀安裝在主支撐架頂端，向下發(fā)射激光投射至井下標(biāo)靶上，首次組裝調(diào)平后激光直射標(biāo)靶中心，在掘進中若發(fā)生偏移，標(biāo)靶上激光點會發(fā)生偏移，通過主控室顯示屏能監(jiān)控掘進實時姿態(tài)；主支撐架上安裝有4 個垂直測量儀，可測量管片垂直度；同時安裝4 個測距儀，可測量管片上端平面與主支撐架距離。通過這3 個方面監(jiān)測整個掘進井筒姿態(tài)，數(shù)據(jù)反饋迅速且精確。

圖11 垂直測量儀實物

圖12 測距儀

圖13 垂準(zhǔn)儀

圖14 標(biāo)靶顯示

掘進機設(shè)計“4+4+4”立體糾偏系統(tǒng)，采用4 點吊裝系統(tǒng)（圖15）+4 個防扭裝置（圖16）+4 個穩(wěn)定器機構(gòu)（圖17），實現(xiàn)立體空間懸浮體精準(zhǔn)定位及掘進機和井筒整體姿態(tài)的實時控制。

圖15 液壓提升系統(tǒng)吊裝

圖16 井口防扭機構(gòu)

圖17 穩(wěn)定器

主支撐架上方設(shè)計4 組液壓提升系統(tǒng)，對整個設(shè)備進行提升，在掘進過程中通過下放鋼絲繩來達到下放掘進機的目的，在掘進過程中發(fā)現(xiàn)偏移的情況下，可通過調(diào)整4 個吊點的受力情況，輔助進行調(diào)向，或者偏移較大的情況下可通過液壓提升系統(tǒng)實現(xiàn)整體提升，再重新掘進修正姿態(tài)；井口設(shè)置有4 組防扭機構(gòu)，防扭機構(gòu)內(nèi)部有油缸（圖18），能控制防扭塊的前進與左右移動，對應(yīng)到掘進機可控制整個井筒垂直度與扭轉(zhuǎn)，在掘進過程中可通過調(diào)整防扭機構(gòu)調(diào)整掘進姿態(tài)；井下靠近刀盤切削的地方，盾體上設(shè)置有4 組穩(wěn)定器，通過油缸控制其動作，在掘進時也可通過伸縮穩(wěn)定器來調(diào)整掘進姿態(tài)。

圖18 防扭結(jié)構(gòu)

1.5 管片注漿

管片安裝時，預(yù)先沿筒體圓周方向均布安裝8 路砂漿輸送管管路固定裝置（圖19），現(xiàn)場組裝鋼結(jié)構(gòu)過程中自上而下布置砂漿輸送管，利用高壓注漿泵將制漿機已拌制好的砂漿沿輸送管道輸送至澆筑部位，多通道輸送管路循環(huán)作業(yè)，砂漿自下而上連續(xù)逐層澆筑（圖20、圖21）。

圖19 管片外壁注漿裝置

圖20 管片底部注漿

圖21 管片外壁注漿

預(yù)先在管片筒體內(nèi)腔布置4 路滑移軌道，鋼結(jié)構(gòu)主體現(xiàn)場安裝完成后，利用卷揚機沿設(shè)置在鋼結(jié)構(gòu)上的多路軌道布置輸送管路（圖22），根據(jù)混凝土散熱需求，布置冷卻水管。在完成管路布置后，利用泵車沿輸送管向澆筑部位布料，逐層澆筑（圖23），根據(jù)澆筑情況卷揚機向上提升輸送管路。在每一路輸送管路下方均設(shè)置有視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在整個澆筑過程中，操作人員在地面可利用視頻監(jiān)控系統(tǒng)觀察澆筑情況，所有施工視頻同步存儲至超大存儲空間。澆筑完畢，施工現(xiàn)場可根據(jù)需求借助振動無損檢測儀對混凝土澆筑內(nèi)部質(zhì)量情況進行復(fù)檢，確保澆筑質(zhì)量可靠。待混凝土及沙漿均達到使用強度后可完成整個豎井施工交付。

圖22 管片內(nèi)腔澆筑裝置

圖23 管片內(nèi)腔澆筑

2 掘進機在典型地層中的應(yīng)用

2.1 泥巖層應(yīng)用

在這類地層中進行豎井掘進機施工最主要的問題是黏土可塑性高，容易粘附刀盤。黏土層掘進時多次發(fā)生糊刀盤、出渣效率低等情況，經(jīng)過多次類似項目施工，總結(jié)出先掘進后清理，拼裝管片過程中進行開挖艙環(huán)流清洗，在滿足施工進度的同時能保證開挖艙環(huán)流系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

2.2 砂層應(yīng)用

目前掘進機遭遇砂層共有砂巖層以及松軟的砂層，在砂層中又遭遇富水流砂層以及無水流砂層。

遇無水砂層采取相對高黏度泥漿進行護壁，防止洞壁不穩(wěn)定塌方，遇富水流砂層施工前需進行處理，采用基樁或降水井的方式，阻隔砂土流動性，方便控制掘進整體姿態(tài)。相對來說砂層掘進速度較快，但對刀具、泥漿管路等磨損較大，需定期更換相應(yīng)配件。

2.3 礫石層應(yīng)用

掘進機遭遇礫石層，需考慮礫石對管道及排漿泵的影響，刀盤內(nèi)排漿管口設(shè)置有奔馳標(biāo)形狀篩分，防止大顆粒礫石進入管道堵塞泵以及相應(yīng)管道，大顆粒礫石采用人工處理方式，開艙將石頭撿起暫時放置于管片內(nèi)，同時采用相對黏度高的漿液，提升泥漿攜渣能力。

以上幾種地層為掘進機遭遇的典型地層，大部分豎井施工遭遇的都是復(fù)合地層，從上到下施工地層變化非常迅速，在掘進過程中掘進機操作手要時刻關(guān)注地層變化，及時調(diào)整掘進參數(shù)，以最合適的方式通過掘進地層，完成項目施工。

3 結(jié)語

從掘進機進行豎井施工理念提出以來，國內(nèi)各單位均以各種方式嘗試掘進機施工，文章介紹豎井掘進機經(jīng)過幾年時間進行施工與改造，豎井軟土、軟巖施工過程中典型地層均有遭遇，已形成了一套完善的應(yīng)對措施，且拆裝機結(jié)構(gòu)及工藝也經(jīng)過逐步優(yōu)化，施工工法已趨近成熟，并已進行大規(guī)模推廣，目前已生產(chǎn)設(shè)備20 余臺，完成200 多個項目施工。大大推進了豎井施工機械化、自動化的進程，并為國內(nèi)研發(fā)深豎井全斷面掘進機提供堅實的理論基礎(chǔ)及施工經(jīng)驗。