下沉式竖井摒进设备Vertical Shaft Sinking Machine (VSM)

下沉式竖井摒进设备Vertical Shaft Sinking Machine (VSM)

为能迅速而可靠地进行竖井施工，德国海瑞克公司开发了下沉式竖井掘进设备(VSM)，目前该创新性产品已被市场广泛接受。这种独一无二的机械化沉井(一种竖井机械化施工方法)设备在地下水以下地层和复杂地层施工时更具有优势，其主要优点包括：

(1)掘进与衬砌工作同步进行，施工速度快，每班次可达5 m；

(2)所有施工过程可在地面控制和监测，施工精度有保证；

(3)竖井内无需施工人员，施工安全性好；

(4)实用性广，可用于抗压迁都在80 MPa以下的软土层和岩层，以及在地下水位以下的地层；

(5)施工设备采用模块式结构，布置灵活，可在狭窄的空间内使用。

图1 带有管片衬砌功能的典型下沉式竖井掘进设备

几种下沉式竖井掘进设备的主要技术参数为:

型号VSM基本型VSMVSM切割扭矩/kNm608080伸缩臂行程/mm60010001000质量/t6575120最小占地面积/m2300500500适用最大水压/MPa0 41 01 8竖井直径/m5～84 5～164 5～12竖井最大深度/m3090120

图2 VSM在德国埃姆舍尔河旁施工

1 挖掘和竖井施工同步进行

下沉式竖井掘进设备由两个主要部件组成：竖井挖掘设备和沉降设备。竖井挖掘设备吊装到始发井结构内，由三条机械臂牢固地压附在井壁上。在一条伸缩臂上，安装有能高速旋转(最大转速80 r/min)的铣挖头，铣挖头上的截齿在竖井底部切削和破碎土层或岩石。铣挖头具有伸缩性，可以执行上转、下转和旋转动作，这样即可完成整个竖井断面的挖掘，并完成一定超挖。借助潜水泵，以液压方式将渣土泵送到地面上的泥水分离站。竖井结构的下部混凝土环，亦称为竖井刃脚，呈一斜面，因此在下沉过程中可以切削土壤。此外，伸缩臂及铣挖头在竖井刃脚以下的超挖，连同井壁外侧环状间隙中的膨润土润滑，共同降低了竖井壁与周围土壤之间的摩擦力。

在地面，有3到4个带液压油缸的沉降单元与竖井周边的环形混凝土基础牢固地连接在一起。这些沉降单元通过钢丝绳与竖井结构的下部混凝土基环相连。这样，在挖掘过程中，能以可控的方式，将整个竖井结构拉住并下沉。使用预制混凝土管片，竖井衬砌在地面同步进行。由于各个工序(铣挖、渣土清除、竖井施工以及竖井结构下沉)同时进行，使得VSM技术可以实现较快的施工进度。

2 循序渐进建造竖井

现场施工的第一步是在地面开挖一个坑洞，同时安装带刃脚的起始环(基环)和预制的混泥土管片。然后在其外侧浇灌混凝土以便能承受竖井和设备的载荷。如果使用环形基础可以降低施工成本，因为在下个竖井施工时可以重复。

图3 施工第一步：起始环的安装

第二步是安装沉降单元和挖掘设备。沉降单元由起重器和盘绕在卷筒上的钢丝绳组成。对每一个工程，需要预先计算钢丝绳的数量。钢丝绳从地面由起重器沿环形空隙下放，并与刃脚连接。接着将竖井挖掘设备吊入起始环并通过3个机械臂牢牢地固定在井壁上，同时由调平油缸调节其在井内的三个位置。最后安装其余的竖井掘进设备，并根据特定的施工条件进行调整。

图4 施工第二步：设备安装

图5 施工第三步：沉井过程

第三步是沉井施工。在整个竖井充满泥水(这也意味着无需降低地下水位)后，固定在伸缩臂上的铣挖头在沉井的底部进行开挖和破碎。此时可以启动泥水管路，将开挖出来的物料输送到地面的泥浆分离站。泥水分离站将泥水与渣土分离后，又将泥水循环注入竖井中。在竖井结构持续下沉的同时，在地面同步进行管环施工。达到要求的深度后，由卷扬机将掘进机构回收。然后，在水下浇铸混凝土进行竖井底部密封，并用砂浆填充环形间隙，以形成摩擦支护，将竖井固定。最后，用泵将泥水排空，这样就在不影响地下水或周围土层的条件下完成竖井施工，并可投入使用。

图6 准备好的始发井结构

图7 设备布置灵活

3 自上而下，一切尽在掌控之中

所有作业过程均从地面进行控制和监测。除泥水分离站、沉降单元和卷扬机外，施工现场的设备还包括一个控制室和电力供应系统。有关挖掘作业的全部可用信息均在控制室进行收集和观察。在控制室，操作员把控一切，对所有情况及时做出反应。在挖掘完成后或需更换挖掘刀具时，竖井掘进机可以由卷扬机提升至地面。整体系统采用模块化设计的优势在城市项目中更加明显。设备可按实际需要进行布置。例如，如果竖井旁边没有足够的空间，泥水分离站可以布置在邻近施工现场的某条街道上。