全断面竖井掘进机关键技术

丁张飞

（中国铁建重工集团股份有限公司，湖南 长沙 410100）

随着地表土地资源地开发利用，现有地表土地资源相对空缺，越来越多城市市政项目如立体车库、蓄水池已转为向地下开发，其主要应用竖井绝大部分为深度100m 以内的浅竖井。目前该种竖井传统施工工法主要以半机械及人工辅助结合的方式进行施工，地质较硬竖井以钻爆为主，地质较软竖井以挖机开挖为主。支护以喷混凝土作为临时支护，施工完成后再以编制钢筋笼及模板浇筑混凝土作为永久支护。

现有施工方式对周边环境影响较大，对炸药管控越来越严格，挖机开挖对竖井尺寸有严格要求，竖井开挖直径小于7m 之后挖机施工受限。同时传统施工工法将开挖、临时支护、永久支护分开施工，费时费力，且基本作业环境均在井下，作业环境差、安全性低，因此需要研发一种新的竖井开挖方法。

部分竖井施工已开始使用沉井法施工，在采用机械化设备开挖的过程中通过预制管片等结构进行同步支护，更有部分地区率先开始引用国外竖井施工设备，海瑞克研发VSM 竖井掘进机在软土地层施工过程中具有良好的效果，但其只能适用于软土地区，同时因其开挖方式限制，整体掘进效率相对较低。

本文借鉴国内众多施工现场施工经验及研究国内外竖井施工机械设备，中国铁建重工集团研制出一款集开挖、出渣、支护为一体的全断面竖井掘进机，满足市面上大部分地层施工，并结合该竖井掘进机施工经验，提出管片同步跟进次成井施工工法，在掘进过程中同步进行管片拼装支护，大大提升了浅竖井施工效率及安全性。

1 掘进机总体设计及关键技术

掘进机由刀盘、盾体、主驱动、泥水环流系统、钢管片、工作平台、主支撑架、管片吊运系统、液压提升系统组成。竖井掘进机主要结构如图1 所示。

图1 竖井掘进机

浅竖井主要面对地层多以软土为主，文章介绍掘进机主要针对软土、软岩设计。按照功能划分，竖井施工主要分为开挖、出渣与支护。①开挖与出渣：主驱动旋转提供动力驱使刀盘转动切削渣土，渣土与井下泥浆进行搅拌混合后经由排浆泵同步出渣排出洞外筛分，筛分后渣土直接进行收集排放，泥浆再循环利用；②支护：采用钢管片进行拼装并焊接，钢管片充当临时支护，待整体掘进施工完成后，拆除掘进机之后通过浇筑的方式填充钢管片内部，以混凝土+钢结构一起充当永久支护，在掘进过程中管片在地面进行拼装，管片吊运系统安装于主支撑架上，将管片由两边进行运输至井口中心，在地面进行拼装焊接，其中内环焊缝人员可在工作平台上进行焊接，外环焊缝直接在地面进行焊接；③吊装：井口设置主支撑架，主支撑架安装液压提升系统，在掘进过程中全程由液压提升系统对整机进行吊装，通过控制几个吊装点起落，可实现整机向下与向上提升，液压提升精度高、下放平稳，可有效控制整个掘进姿态，保证最终成井质量。

在满足基本功能的前提下需要保证成井精度，所以竖井施工导向方面也是重中之重。

1.1 开挖

刀盘是竖井掘进机主要开挖工具，主要用于切削渣土，同时对切削下来渣土起搅拌作用，保证渣土在开挖舱与泥浆充分混合。

刀盘刀具配置以贝壳刀为主，中心配置齿形鱼尾刀，采用辐条式设计增大刀盘开口率，减少在软土地层中糊刀盘结泥饼的概率。同时为适应竖井掘进机快速拆装目的，设计折叠式幅臂，在拆机时直接折叠刀盘，不用井下拆机，大大增加拆机效率。刀盘工作状态和拆机状态如图2、图3所示。

图2 刀盘工作状态

图3 刀盘拆机状态

1.2 出渣

竖井掘进机在掘进过程中通过泥水环流系统进行同步出渣，环流系统包括井下排浆泵、井上接力排浆泵、井上进浆泵以及泥水分离站组成，其作用为将刀盘切削下来渣土进行混合后通过泵以泥浆的形式排放至泥水分离站，泥水分离站对浆液进行筛分，筛分下来渣土经由现场处理后排放，筛分之后泥浆再循环至井下进行再利用。采用泥水环流出渣可实现整个掘进过程出渣全程自动化，过程均采用管路输送，井下作业环境良好，干净整洁。泥浆环流系统分布如图4 所示，井下排浆泵如图5 所示。

图4 泥浆环流系统

图5 井下排浆泵

1.3 管片拼装

每掘进一环管片距离后，需要进行管片拼装，在拼装管片前人工通过全站仪及垂直测量仪复核下整个井筒姿态（图6），然后在地面上以最上面一环管片为基础进行新管片的拼接。因运输尺寸要求一环管片设计为4 分块，在地面上通过叉车等设备组装成2 个半圆（图7），后通过管片吊运系统分别吊装至井口位置（图8），与前一环管片通过螺栓、定位销等进行安装。管片拼装完成后进行焊缝焊接。地面设置有工作平台（图9），可满足施工人员在地面进行管片拼装与焊接。

图6 管片姿态复测

图7 地面组装管片

图8 吊运管片

图9 工作平台

1.4 姿态调整

掘进机设计有独有“4+4+1”随动测量系统，采用4 组垂直测量仪（图10、图11）+4 组测距仪（图12）+激光导向系统（图13、图14），实现对掘进机及井筒整体姿态的全方位实时监测。掘进过程中垂准仪安装在主支撑架顶端，向下发射激光投射至井下标靶上，首次组装调平后激光直射标靶中心，在掘进中若发生偏移，标靶上激光点会发生偏移，通过主控室显示屏能监控掘进实时姿态；主支撑架上安装有4 个垂直测量仪，可测量管片垂直度；同时安装4 个测距仪，可测量管片上端平面与主支撑架距离。通过这3 个方面监测整个掘进井筒姿态，数据反馈迅速且精确。

图11 垂直测量仪实物

图12 测距仪

图13 垂准仪

图14 标靶显示

掘进机设计“4+4+4”立体纠偏系统，采用4 点吊装系统（图15）+4 个防扭装置（图16）+4 个稳定器机构（图17），实现立体空间悬浮体精准定位及掘进机和井筒整体姿态的实时控制。

图15 液压提升系统吊装

图16 井口防扭机构

图17 稳定器

主支撑架上方设计4 组液压提升系统，对整个设备进行提升，在掘进过程中通过下放钢丝绳来达到下放掘进机的目的，在掘进过程中发现偏移的情况下，可通过调整4 个吊点的受力情况，辅助进行调向，或者偏移较大的情况下可通过液压提升系统实现整体提升，再重新掘进修正姿态；井口设置有4 组防扭机构，防扭机构内部有油缸（图18），能控制防扭块的前进与左右移动，对应到掘进机可控制整个井筒垂直度与扭转，在掘进过程中可通过调整防扭机构调整掘进姿态；井下靠近刀盘切削的地方，盾体上设置有4 组稳定器，通过油缸控制其动作，在掘进时也可通过伸缩稳定器来调整掘进姿态。

图18 防扭结构

1.5 管片注浆

管片安装时，预先沿筒体圆周方向均布安装8 路砂浆输送管管路固定装置（图19），现场组装钢结构过程中自上而下布置砂浆输送管，利用高压注浆泵将制浆机已拌制好的砂浆沿输送管道输送至浇筑部位，多通道输送管路循环作业，砂浆自下而上连续逐层浇筑（图20、图21）。

图19 管片外壁注浆装置

图20 管片底部注浆

图21 管片外壁注浆

预先在管片筒体内腔布置4 路滑移轨道，钢结构主体现场安装完成后，利用卷扬机沿设置在钢结构上的多路轨道布置输送管路（图22），根据混凝土散热需求，布置冷却水管。在完成管路布置后，利用泵车沿输送管向浇筑部位布料，逐层浇筑（图23），根据浇筑情况卷扬机向上提升输送管路。在每一路输送管路下方均设置有视频监控系统，在整个浇筑过程中，操作人员在地面可利用视频监控系统观察浇筑情况，所有施工视频同步存储至超大存储空间。浇筑完毕，施工现场可根据需求借助振动无损检测仪对混凝土浇筑内部质量情况进行复检，确保浇筑质量可靠。待混凝土及沙浆均达到使用强度后可完成整个竖井施工交付。

图22 管片内腔浇筑装置

图23 管片内腔浇筑

2 掘进机在典型地层中的应用

2.1 泥岩层应用

在这类地层中进行竖井掘进机施工最主要的问题是黏土可塑性高，容易粘附刀盘。黏土层掘进时多次发生糊刀盘、出渣效率低等情况，经过多次类似项目施工，总结出先掘进后清理，拼装管片过程中进行开挖舱环流清洗，在满足施工进度的同时能保证开挖舱环流系统稳定工作。

2.2 砂层应用

目前掘进机遭遇砂层共有砂岩层以及松软的砂层，在砂层中又遭遇富水流砂层以及无水流砂层。

遇无水砂层采取相对高黏度泥浆进行护壁，防止洞壁不稳定塌方，遇富水流砂层施工前需进行处理，采用基桩或降水井的方式，阻隔砂土流动性，方便控制掘进整体姿态。相对来说砂层掘进速度较快，但对刀具、泥浆管路等磨损较大，需定期更换相应配件。

2.3 砾石层应用

掘进机遭遇砾石层，需考虑砾石对管道及排浆泵的影响，刀盘内排浆管口设置有奔驰标形状筛分，防止大颗粒砾石进入管道堵塞泵以及相应管道，大颗粒砾石采用人工处理方式，开舱将石头捡起暂时放置于管片内，同时采用相对黏度高的浆液，提升泥浆携渣能力。

以上几种地层为掘进机遭遇的典型地层，大部分竖井施工遭遇的都是复合地层，从上到下施工地层变化非常迅速，在掘进过程中掘进机操作手要时刻关注地层变化，及时调整掘进参数，以最合适的方式通过掘进地层，完成项目施工。

3 结语

从掘进机进行竖井施工理念提出以来，国内各单位均以各种方式尝试掘进机施工，文章介绍竖井掘进机经过几年时间进行施工与改造，竖井软土、软岩施工过程中典型地层均有遭遇，已形成了一套完善的应对措施，且拆装机结构及工艺也经过逐步优化，施工工法已趋近成熟，并已进行大规模推广，目前已生产设备20 余台，完成200 多个项目施工。大大推进了竖井施工机械化、自动化的进程，并为国内研发深竖井全断面掘进机提供坚实的理论基础及施工经验。