沉井掘进机关键技术研究及应用

2020-11-23郑康泰杨聚辉

建筑机械化 2020年10期

关键词：出渣沉井掘进机

周倩，郑康泰，赵飞，杨聚辉，肖威

(中铁工程装备集团有限公司，河南郑州 450016)

沉井法又称沉箱凿井法，是在土层开挖前,在井筒设计位置，把预制好的一段整体井壁或现浇的井壁下沉，然后在它的支护下,边掘进边下沉[1～2]。

沉井工法主要用于市区场地狭小、地下水位高、不稳定地层或埋深较浅的竖井施工，多用于地下停车场、给排水工程、大型地下构件外壳、盾构始发井、船坞坞首等。

传统沉井法施工多采用人工开挖、水枪、抓斗、长臂挖掘机等形式进行开挖，无法开挖硬岩，刃脚处较难开挖，导致下沉、纠偏困难，井壁下沉多依靠自重下沉，沉井深度一般仅为20m左右。

在沉井掘进机方面除海瑞克研制的VSM沉井掘进机、日本的沉井掘进机外，国内外相关研究较少，但国外的设备技术垄断，海瑞克的设备存在井下液压管路较多、无中间通道等缺点；日本的沉井掘进机存在无法开挖硬岩、开挖效率较低等缺点。

沉井法施工对场地的要求小，适合在拥挤的市中心或工厂内施工；开挖时对地层及地面环境的扰动小；沉井掘进机可实现远程控制和操作，打井不下井，保证人员安全。对此，本文对沉井掘进机开挖断面适应性、不同地质出渣技术、复合纠偏控制技术、偏载等复杂工况下的回转支承设计等关键技术开展研究，为沉井掘进机的后续设计提供参考。

1 工程概况

沉井掘进机依托中铁装备厂区沉井项目，为模拟施工工况、便于设备始发，采用C30混凝土浇筑6m深大基坑，如图1所示，基坑下面地层为粉土层（埋深16m），地下水类型为潜水，地下水位埋深约18m，地下水位年变幅2m，沉井主体结构位于地下水位以上。

图1 沉井基坑

2 沉井掘进机关键技术

沉井施工深度一般为10～100m，因此1台沉井掘进机往往可以进行多个项目的施工。不同项目的开挖断面、地质可能不同，因此沉井掘进机既要满足变断面沉井施工工艺及不同地质出渣需求，又要解决传统沉井法纠偏困难、成井精度低的问题，这给设备设计带来如下挑战：①开挖断面可变；②干湿双模出渣技术；③复合纠偏控制技术等。

2.1 开挖断面可变技术

该设备可适应6～10m开挖直径，以满足不同开挖断面的直径需求。

2.1.1 变断面原理

驱动总成驱动回转装置带动开挖装置进行±190°旋转，完成开挖面的环向切削；摆臂油缸为工作臂的摆动提供动力，确保铣挖头能够在不同半径下进行工作，如图2所示。摆臂油缸含行程传感器，通过上位机软件换算，通过三维仿真，能够在上位机显示出铣挖头的真实位置。

图2 沉井掘进机结构示意图

2.1.2 变断面辅助措施

1）设备驱动总成采用驱动单元带动回转装置旋转，为满足不同开挖直径的驱动需求，设计有4组驱动单元，如图3所示。软土地层、小直径开挖时使用2组驱动，另外两组驱动单元的孔用压盖保护，防止进入异物；硬岩地层、大直径开挖时使用4组驱动。

图3 驱动总成实物图

2）模块化设计，通过更换驱动箱支腿，如图3所示，可适应不同开挖直径。

3）管片提压装置通过伸缩销轴和管片进行连接，通过改变管片提压装置的位置，可适应不同开挖直径的需求，如图4所示。

图4 管片提压装置

2.2 干湿双模出渣技术

出渣系统可根据不同的地质条件，采用不同的出渣方式。针对无水、少水地层：设备采用抓斗出渣的方式；针对取水方便或富含地下水的工程采用泥浆出渣。出渣灵活，不受粒径大小限制，节省成本，掌子面情况观察更直观。干湿两种方式的出渣技术使设备增强了地质适应能力。

2.2.1 干式出渣

干式出渣充分考虑该工程无水地质条件，结合圆砾、砂土地层的易开挖的特点，通过设备将掌子面开挖成“锅底”形状，让渣土在铣挖头的带动下向下归集到出渣坑部，实现渣土归集与抓斗出渣。渣土归集及出渣方式如图5所示。

2.2.2 泥浆出渣

图5 干式出渣示意图

1）针对取水方便或富含地下水的工程，安装泥浆泵、泥浆管、回转接头和泥水分离站。工作时，开挖面填充一定深度泥浆，在铣挖头的搅拌下，渣土和泥水混合形成悬浮混合物，由泥浆泵排出至地面，再由泥水分离系统进行渣土分离，分离后的泥水沿回浆管路进入井底，如图6所示。

图6 泥浆出渣

2）遇直径较大卵石或漂石且影响掘进时，可通过中心预留通道下放小型抓斗进行抓取清理。

2.3 复合纠偏控制技术

2.3.1 导向系统

项目采用全站仪+棱镜+倾角仪的导向系统，如图7所示。通过在管片安装测角单元传感器对成井铅垂度进行测量，并计算出竖井整体铅垂度。通过全站仪定期测量，及时修正误差值，确保测量精确。使用全站仪检测管片姿态和设备姿态，其精度在1‰以内。

图7 全站仪测量系统

2.3.2 纠偏技术

掘进机根据导向系统提供的铅垂度信息对开挖姿态进行调整，该设备主要采用以下五种纠偏技术[3～7]，如图8所示。

图8 纠偏原理图

1）下沉过程通过施加提压装置上不同的力，具体为检测最上环结构端面水平和提压油缸的行程，保证下沉过程中油缸行程一致；每组提压油缸均带有行程传感器，上位机显示屏上监控下沉速度和下沉位移量，根据导向系统显示和行程传感器显示的位移量，调整单组提压油缸的下沉速度，达到实时纠偏的目的，防止下沉方向发生大的偏斜。

2）通过地面的管片提压装置将井筒提升一定高度，铣挖头对刃脚处的土体进行修边或超挖处理以后重新下沉，保证偏斜侧欠挖通过土体提供侧向推力；针对井壁下方有孤石或特殊情况需要局部超挖处理时，铣挖头具备伸入到刃脚管片外部实施特殊处理的能力。

3）通过铣挖头开挖成锅底形状的轮廓，利于渣土向井中心汇集，利用刃脚管片均匀超挖土体，确保管片顺利下沉和调向。

4）刃脚管片设置有6组纠偏装置配合提压装置调向，每组纠偏装置有纠偏油缸和靴板组成，纠偏时，同时动作3组纠偏油缸，均匀施加侧向推力，提供井筒下沉纠偏力。

5）通过调节不同位置的注浆压力，可以对井筒进行纠偏。在井筒下沉过程中，为减井筒背面与周围土体的摩阻力，维护周边土体扰动，防止坍塌涌沙，封闭裂隙，向井筒背后灌注触变泥浆。