立井全断面自动化掘砌成套装备与施工技术

王鹏越，袁兆宽，梁恒昌，肖 威，杨金宏

(1.中煤第五建设有限公司，江苏 徐州 221006；2.中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116；3.中国矿业大学 力学与土木工程学院，江苏 徐州 221116；4.中国中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450016；5.中煤建设集团有限公司，北京 102218)

随着国内外地下工程施工技术的发展及机械制造水平的提升，跨行业协同创新能力显著提高，具备了研制大型立井全断面自动化掘砌装备的能力。借鉴于水平隧道的TBM的制造技术和施工技术，立井掘进机及其配套的支护技术装备也有了长足发展，但明显不同于水平隧道或斜井隧道的施工。立井施工在砌壁、矸石运输方面有着更高的要求和更多的约束条件，立井掘进机和自动迈步模板配合施工立井技术需要依据机械的功能特性、地质环境适应性、工艺环节的衔接、安全及经济性等而综合确定，施工技术和施工工艺环节的整体考虑显得尤为重要。同时，施工过程中设备组装、工序衔接、特殊地层穿越、特殊硐室施工、特殊工序调整等技术需要进行系统考虑[1-4]。采用高度集成化的机械设备来施工立井是未来立井施工的必然趋势，我国的立井施工装备也发生了飞跃式的发展，由中铁工程装备生产的立井掘进机以及由中煤第五建设有限公司研制的自动迈步8m大段高掘进机配套模板研制成功，并分别进行了场内试验和工业性试验，使得立井施工技术水平有了实质性的提高。该研究成果解决了立井施工全机械化、自动化的问题，解决了立井掘进机同步砌壁与悬空砌壁的难题，该同步砌壁迈步模板技术可以用于立井施工中的迈步吊盘以及其他井内设备吊挂及迈步行走。不足之处是该套装备与工艺在面对特殊不良地层时适应性不足，需要预先对不良地层进行处理。

1 立井全断面掘进成套装备基本功能

1.1 立井掘进机械功能特征

立井全断面自动化的掘砌成套装备(Vertical Shaft Construction Machine，简称VSCM)是指立井全断面掘进机(Vertical Shaft Machine，简称VSM)和自动迈步砌壁模板设备(Auto Stepping Template，简称AST)。VSCM是集机械、电子、液压、激光、控制等技术于一体的高度机械化和自动化的大型立井开挖与衬砌浇筑成套设备，是一种由电动机(或电动机/液压马达)驱动刀盘旋转、支撑靴和稳定器支撑掘进机自重，刀盘加压或减压推进破岩，使刀盘在一定推力作用下工作，通过安装在刀盘上的刀具破碎岩石，使井筒断面一次成型的大型工程机械[5，6]。传统的立井施工为基于钻爆法的短段掘砌混合作业方式，主要由“打眼—放炮—出渣—支护”等工艺环节组成，因此立井全断面自动化掘进机必须具备替代其相应功能的集成能力，实现破岩—出渣的高效同步进行，才能提高井筒施工的效率[7，8]。

目前由中铁工程装备集团有限公司研制的立井掘进机主要包括了以下功能特征：①具有破岩、集渣及临时存储功能，具备适应不同岩性的立井全断面破岩刀盘，该刀盘具有适用于多种地层、易更换刀具和同步出渣特点，刀盘掘进效率高、刀具损耗低，同时具有一定的扩挖功能，满足多种井壁结构开挖要求；②该立井掘进机具备完善的装备支撑及移动系统，采用环形撑靴和稳定器协同方式实现工作面刀盘压力控制以及换步方式，快速实现装备换步和自身姿态控制，确保掘进垂直度，同时优化工作面空间布置，具备刀盘上提功能，以满足工作面探水、注浆、揭煤等空间需求；③该立井掘进机具备立井全断面自动化掘进的新型井底清渣技术，实现破岩和清渣同步，采用三级出渣，即：刮板连续清渣—斗式连续提升—储渣仓转载吊桶提升，实现立井掘进机开挖、出渣同步高效施工；④具备全断面自动化掘进机多系统集成和协同，实现“手动操控控制”和“地面远程控制”的双控制模式[8-12]。

1.2 自动迈步模板功能特征

立井的支护采用现浇混凝土井壁支护，同时立井掘进机掘进的段高裸露的时间不能过长，需要及时进行混凝土浇筑支护，在掘进机工况下，砌壁的要求就相应增加了很多，首先砌壁模板要实现悬空砌壁、快速砌壁，为了适应和匹配掘进机的掘进段高，有需要大段高的模板，根据研制的立井掘进机推进速度，目前匹配8m段高的砌壁模板比较合适，因此与掘进机相匹配的自动迈步模板需要具备8m大段高、悬空快速砌壁的要求，这就给模板悬吊、迈步、砌壁时机和工序衔接提出来多种要求。

根据以上要求和特征，中煤第五建设有限公司研制了与掘进机匹配的自动迈步模板，该模板具有以下功能特征[13，14]：为适应和匹配机械破岩成井效率以及井壁支护安全要求，自动迈步模板采用下行整体移动模式，具有8m大段高的拆模、圆度、紧固度、可靠性、可拼接性等特征和功能，实现了1/2分段可拆可浇筑功能；该自动模板采用撑靴支撑及模板迈步系统，无需设置地面凿井模板绞车，从而相应减小了井架荷载，并实现悬空砌壁；采用无缝整体金属模板的伸缩口技术，取消原“丁字板”，消除井壁“丁字板”凹槽，新型结构需在改善平整度的基础上仍保持较高的强度、良好的密封性能和耐久性能；该自动浇筑模板与立井掘进机独立工作，浇筑井壁位置与立井掘进机工作空间位置互不干扰。

自动迈步模板结构及其工艺如图1所示。由图1可知，在完成始发井筒段之后，先安装完成成套迈步模板，然后下掘井筒8m，完成后下放下部模板及撑靴，并撑紧撑靴，绑扎钢筋，浇筑4m段高混凝土。待混凝土凝固后，继续下放上部4m模板及上部撑靴并撑紧，然后进行上部4m段高的混凝土浇筑。这样完成一个循环，8m段高的混凝土井壁砌筑。

图1 自动迈步式模板结构及砌壁工艺示意图

1.3 立井掘进机与自动迈步模板联合功能特征

立井掘进机与自动迈步砌壁模板可以相互配合进行施工作业，由立井掘进机进行掘进破岩、集渣及临时存储，由自动迈步砌壁模板进行混凝土井壁浇筑，其他辅助作业采用平行的作业方式完成，如掘进期间平行进行吊桶排矸作业。因此主要生产工艺环节有：“绑扎钢筋、浇筑混凝土砌壁、破岩排矸”等主要工序。

2 立井掘进机联合自动迈步模板施工设计

2.1 立井概况及施工方案

新疆阿勒泰引水隧道措施立井井筒开挖直径7800mm，钢筋混凝土井壁厚度500mm，深度378m，井筒表土段较浅，埋深19m，基岩段岩石基本稳定，涌水量较小。

井筒分两部分施工，表土段及掘进机安装“机窝”(始发井)施工、基岩段(立井掘进机段)施工。在掘进机施工组装前，完成20m始发立井施工，期间安装迈步式模板，并完成掘进机安装所需组装空间，即“机窝”，然后安装掘进机完成剩余井筒施工。

2.2 自动砌壁模板井下组装

在井筒开挖一段距离后，即可井下组装迈步模板，迈步式模板由上撑靴、上模板、下模板、下撑靴组成，附属设备主要有液压绞车、支撑油缸、迈步油缸等。井筒试挖阶段如果有模板，则随该模板砌筑分步进行自动迈步模板组装，迈步模板采用螺栓对接与组装，在试挖阶段2m段高模板上分块安装上模板上部2m模板，模板校正完成后进行浇筑混凝土，浇筑完成后，掘进段高1m，拆除刃脚，继续掘进至段高6.3m，并根据井帮围岩情况进行临时支护，然后绑扎钢筋，工作面进行找平，安装下撑靴，在撑靴上安装模板剩余部分，模板校正好浇筑混凝土。

2.3 立井掘进机、砌壁模板井下组装

迈步式模板安装后，继续采用人工配合挖掘机掘进适合立井掘进机安装的高度。该段井筒空间作为掘进机组装“机窝”，本段采用锚网喷临时支护，支护厚度100mm，上部10m荒径8.4m，下部3.3m荒径9.0m。掘进完成后铺底找平，铺底厚度300mm。“机窝”完成后，依次拆除抓岩机、吊盘、封口盘，提供掘进机构件下放空间。

立井掘进机为分体式结构，设备主机和吊盘分体设计。主机用于完成立井开挖、出渣、推进、姿态控制；吊盘为施工和主机配套结构，用于立井施工的井壁支护、供电、排水等。VSM立井掘进机分块下放、组装，可使设备组装高度低、运输难度小，施工灵活。立井掘进机组装分为主机组装和吊盘组装。主机井下组装采用从下至上的组装模式，分块下放，井下组装；吊盘组装在地面进行，整体悬吊下井。VSM立井掘进机井下主机组装顺序依次为：刀盘—稳定器—主驱动—稳定器平台—斗式提升机下部结构—中心立柱一—撑靴—中心立柱二—渣仓—斗式提升机上部结构。

2.4 立井掘进机联合自动迈步模板掘砌施工工序

立井掘进机主要施工工序大体上可分为掘进、出渣和支护，具体来说包括以下小工序：掘进、出渣、换步、物料运输、脱模、立模、下灰、浇筑、管线延伸等工作。

2.4.1 掘进与换步

1)掘进、出渣同步施工，该工序操作位于地面主控室内，控制设备掘进，掘进前首先检测设备姿态是否正确，保证设备处于垂直状态，如设备不垂直，偏差大于10mm，则通过撑靴及稳定器进行调整，保证方向垂直。撑紧撑靴、撑紧稳定器，启动垂直斗提机、刮板清渣装置，之后启动刀盘，准备掘进施工。掘进施工需要根据地层，寻找合适的转速及贯入度，设备的最大掘进行程为1.2m，衬砌每次的段高为8m，大于设备最大行程，因此设备每1.2m换步一次。

2)换步：换步时需要增加稳定器的撑紧力，同时刀盘停转，将设备放置在工作面上，设备放置稳定后，收拢撑靴，之后控制推进缸，将撑靴下移，完成换步，下移完成后，重新撑紧撑靴，撑紧后，降低稳定器撑紧力，检测设备姿态后重新启动刀盘，进行下循环掘进[15]。

2.4.2 出渣

立井掘进机出渣系统配合吊桶清渣、转运、排渣，该系统共包括三大部分：刀盘清渣装置、垂直提升装置、吊桶提升系统。三大部分进行接力共同完成渣土的出井工作，设计运送能力，可满足直径10m立井在1000m深度时每小时掘进1m的施工需求。刀盘清渣装置设计两部，对称安装于刀盘内部，进行刀盘中心1m以外的区域清渣工作，1m以内采用压风进行辅助清渣。刀盘清渣装置采用刮板链设计，刮渣板将渣土刮起运送至集渣仓处。

垂直提升装置安装在设备中心，上部至临时出渣仓，下部至刀盘集渣仓。垂直提升装置采用斗式提升机，采用全封闭设计，防止渣土散落，污染内部环境。临时储渣仓主要用于渣土的临时储存及渣土转运，在吊桶离开时，临时储存渣土，在吊桶到达装渣位置时，打开闸门迅速完成渣土装载，提高出渣速度。

系统出渣流程：刀盘清渣装置将渣土清理后，转运至斗式提升机的集渣仓内，之后由斗式提升机将渣土提升至设备上部，卸入临时渣仓内，等待吊桶提升出井。渣土经吊桶提升出井，经翻矸装置翻矸溜出井口外的地坪，装载机配合自卸汽车排入甲方指定地点。

2.4.3 支护

支护包括扎筋与砌壁工序，每循环8m，绑扎钢筋一次完成，分两次浇筑。利用液压系统及安装在迈步模板上的液压绞车下放下撑靴，然后下放吊盘，下撑靴下放高度4m，吊盘位于下撑靴上口，以吊盘和下撑靴作为工作平台绑扎上部4m钢筋，绑扎完成后继续下放下撑靴及吊盘，绑扎下部4m钢筋，钢筋绑扎完成后下模板脱模，通过液压绞车下放到下撑靴上，校正下模板，浇筑下层4m段高混凝土。本段浇筑完成后，经10～12h(期间进行管路延接、掘进施工)混凝土终凝具备自我承载能力时，松开上层模板，通过纵向迈步液压缸将上模板下放4m(此时上层模板下口与上一循环已成井壁下沿平齐)，撑紧上层模板，并通过液压缸下推模板试验，检测模板的纵向承载力达到设计要求后，松开上撑靴，通过纵向迈步液压缸下放上撑靴4m，到位后撑紧上撑靴，同样通过纵向液压缸检测上撑靴的垂直承载力，至此，完成迈步4m行程。然后上层模板松开，继续下移4m与下面4m模板完成对接，开始浇筑上层4m段高混凝土，至此完成一个混凝土浇筑循环8m。

混凝土由地面搅拌站配制，根据设计及时调整配合比。混凝土输送采用底卸式吊桶下料，经坐落在第四层吊盘喇叭口上的分灰器对称入模，入模混凝土采用振动棒通过合茬窗口进行分层振捣。

2.5 单掘砌循环施工流程设计

由以上立井掘进机功能与作业工序，完成一个成井作业循环。按此作业循环持续施工至设计深度即完成立井的整体施工。循环时间24h，循环进尺8m，混凝土脱模时间控制在20h左右，承载时间44h，考虑循环影响时间，施工月进尺可以保证200m的需要。

2.6 安全保障技术

1)全断面掘进机的安全保障，重点从设备本身和地质环境角度考虑。设备自身具备良好的防护性能，包括设备的防水、防潮、防爆设计，设备具有良好的地质适应性，设备设计对井壁的接触比压较小，满足各类围岩的适应性。同时，设备各段高位置具备对围岩的临时支护能力，实现临时护盾的功能，满足围岩暴露段高及暴露时间的需要，可以减少或者取消临时支撑。

2)自动迈步模板的安全保障，重点从设备自身以及环境适应性考虑。迈步模板设计了多种安全保护机制，包括液压缸失效保护、撑靴的承载力自我检测验证机制、撑靴的承载力冗余设计以及信息化监测系统等安全保障机制。迈步模板在设计中还考虑了环境适应性和工作的适应性，迈步模板本身具备高度可调性，可根据围岩情况及时调整模板支护段高，同时迈步模板的支撑系统设计对井壁及围岩的接触比压低于1MPa，且可以根据围岩情况进行及时调整，完全满足各类围岩及工作条件的需要。

3)信息化的安全保障，该系统除了各自独立的安全技术保障，还建立了一整套信息化安全监控系统，监控内容包括设备、围岩、井壁以及供电、通讯、通风等全方位的安全技术保障。

3 结 论

1)立井掘进机在功能设计、结构设计、工艺衔接方面都有了集成和改进，立井掘进机联合自动迈步模板施工理论成井速度可达到240m/月。

2)立井掘进机联合自动迈步模板在现有“短段掘砌循环”作业的基础上进行改进，改进为“一掘两砌”作业方式，该施工技术易于被技术人员接受。

3)立井施工技术的核心为掘进出渣、绑扎钢筋、立模浇筑，在施工工序循环方面可以设计为“一掘两砌”作业方式，即绑扎钢筋、砌壁1/2掘进段高、砌壁余下1/2掘进段高、掘进整个段高来进行设计。