下沉式竖井掘进机沉降单元设计与研究

张荣毅，苏延奇，赵宏庆，李庆龙，韩 乐，周 剑

(徐工集团凯宫重工南京股份有限公司 沈阳分公司，辽宁 沈阳 110001)

0 引言

随着我国现代化进程的不断推进，许多大城市的地上可用空间越来越少，开发和利用地下空间资源成为一种趋势，如修建地下停车场、给排水工程、地下仓储等公共设施，可以节省大量地上空间资源。我国地下竖井项目主要采用钻爆法和机械法破岩，目前以钻爆法为主，存在施工难度大、安全风险高、粉尘污染严重等诸多弊端。机械法破岩主要有钻井法和竖井掘进机挖掘两种方法，钻井法存在地层适应性较差、破土及排渣效率不高等问题；竖井掘进机对土体扰动小，施工效率高，安全可靠，自动化程度高。目前除了德国海瑞克和日本的沉井掘进机外，国内外相关研究较少。为此，本文对下沉式竖井掘进机主要组成部分及功能进行了分析，并设计了一套竖井掘进机沉降单元。

1 下沉式竖井掘进机主要组成部分及功能

下沉式竖井掘进机(VSM)主要包括主机、主机绞车、管线输送单元、沉降单元、主控室、液压站、电力系统和泥水处理系统等，如图1所示。主机主要用来挖掘竖井，包括回转中心、铣挖单元等，是竖井挖掘工作的核心部分；沉降单元用以提升整个竖井及掘进机，采用步进式沉降方式，并实时调整竖井姿态，是保证施工安全与效果的关键因素；主机绞车用来将主机提出竖井进行检修、保养与回收，是重要的起吊设备；管线输送单元用来输送管线，连接掘进机与地面设备，包括电源、液压油、润滑油、工业水、砂浆、信号与数据等；主控室可以观测整个项目进展情况，并进行相应操作与控制；泥水处理系统将对从竖井内吸取的泥浆进行泥水分离，并根据需要调整竖井内水位高度，保证施工安全；液压站、电力系统为整个施工项目提供动能。

2 沉降单元设计

沉降单元通常由几组提升力相同的绞线油缸、绞线卷盘、导向架和油缸支架等组成，如图2所示。几组绞线油缸均匀分布于竖井四周，油缸底部固定于油缸支架上，然后与预制混凝土地面固定连接。根据每组绞线油缸的承载能力，选择合适的钢绞线规格与数量，根据深井深度，选择合适的钢绞线长度。竖井由管片拼接而成，掘进机与下部管片连接在一起，底部一环管片为刃脚形式，且均布开有斜向槽口。绞线卷盘缠有足够长度的钢绞线，固定于绞线油缸附近，钢绞线从绞线卷盘输出，沿油缸支架上部的导向架从上部穿入绞线油缸，导向架为半圆形，防止钢绞线超过弯曲半径而损坏。钢绞线穿过绞线油缸上部与下部的夹紧装置，穿过油缸底座，经过土体与竖井外壁的间隙，穿过下部刃脚管片中的管片固定锚与夹片，固定住钢绞线端部，在竖井重力及油缸预紧力作用下，钢绞线被拉紧，进而对竖井及掘进机起到提升作用。随着掘进机挖掘深度的增加，管片重量越来越大，加上掘进机的重量，导致整个竖井系统很重，因此，沉降单元应具备强大的承载能力。随着拼接的竖井越来越长，姿态容易倾斜，需要沉降单元不同吊点之间具备良好的协同作用，并根据竖井检测传感器反馈的信号及时调整油缸的速度与位移，始终保持竖井垂直向下，只有这样，才能保证竖井施工的顺利进行，且具备良好的施工效果。

1-主机；2-管片；3-主机绞车；4-管线输送单元；5-沉降单元；6-主控室；7-液压站；8-电力系统；9-泥水处理系统图1 下沉式竖井掘进机结构

2.1 绞线油缸

绞线油缸主要包括上缸体、下缸体、缸杆、夹紧装置、顶推装置、密封和传感器等，夹紧装置包括弹簧、夹片、油缸固定锚和顶管等，如图3所示。缸杆上部与下缸体中分别安装一套夹紧装置，缸杆在绞线油缸中伸缩，带动上部夹紧装置整体移动。油缸固定锚开有很多锥孔，夹片为锥形恰能嵌入锥孔中，弹簧位于夹片上部，顶管位于夹片下部，钢绞线穿过弹簧、夹片及顶管从底座中穿出。绞线油缸配备多个压力传感器、接近开关、位移传感器，对油缸载荷、压力、行程、同步性等进行检测。同时，绞线油缸具备高智能化操作系统，操作方式有本地、远程、安装三种模式，在本地与远程模式下，绞线油缸上、下夹紧装置具有高度的互锁关系，绝不允许同时打开油缸固定锚；只有在安装模式下，可手动解除互锁关系进行钢绞线安装，保证施工的安全性。

1-绞线卷盘；2，7-钢绞线；3-导向架；4-油缸支架；5-绞线油缸；6-管片；8-管片固定锚；9-夹片图2 沉降单元结构

1-上弹簧；2-上夹片；3-上顶管；4-上部顶推装置；5-下弹簧；6-下夹片；7-下顶管；8-下部顶推装置；9-上油缸固定锚；10-缸杆；11-上缸体；12-下缸体；13-下油缸固定锚图3 绞线油缸总体结构

2.2 绞线卷盘

绞线卷盘固定于绞线油缸附近，一组绞线油缸对应一个绞线卷盘，主要包括支架、护架、旋转轴、带立式座球轴承、固定板、侧挡板和卷筒等，如图4所示。支架能够支撑整个绞线卷盘及钢绞线重量，结构稳定，并具有足够的强度。护架用来围挡钢绞线，并在储备、运输时起到一定的防护作用。旋转轴一端连接卷筒，一端穿过球轴承，使整个卷筒能够自由转动。固定板固定于卷筒内腔，用来固定钢绞线端部，防止钢绞线被拽松脱。侧挡板限制钢绞线的缠绕空间，使钢绞线能够整齐缠绕不松散。卷筒开有长孔，两端与侧挡板焊接，主要用来缠绕钢绞线。钢绞线一段穿过固定板上的圆孔，并焊接固定，另一端穿过卷筒开孔，缠绕到卷筒外壁，缠绕时应规整有序，防止钢绞线交叉扭曲，卷筒缠有足够长度的钢绞线后，钢绞线另一端沿导向架穿入绞线油缸。为了防止卷盘旋转失控，导致钢绞线释放过多，绞线卷盘配备了刹车装置(图4中未示出)，只有绞线油缸拽取钢绞线时绞线卷盘才会转动，其余时间处于静止状态。

1-支架；2-护架；3-旋转轴；4-带立式座球轴承；5-固定板；6-侧挡板；7-卷筒图4 绞线卷盘结构

3 沉降单元工作原理

当竖井掘进机挖掘作业时，各组钢绞线油缸中的夹片在弹簧作用下夹紧钢绞线，使竖井处于竖直静止状态。竖井掘进机挖完预设距离的土体后，各绞线油缸通过控制动力系统推动上顶管向上移动，将上夹片向上顶起，使上夹片释放钢绞线，然后缸杆带动上部夹紧装置向上伸出。待缸杆伸出到所需距离后，上夹片在弹簧作用下重新夹紧钢绞线，随后下部夹紧装置中的下顶管向上移动，将下夹片向上顶起，使下夹片释放钢绞线，然后缸杆带动上部夹紧的钢绞线向下移动，从而带动竖井及掘进机向下沉降。在绞线油缸的牵引下，绞线卷盘绕着中心轴转动，释放出更多的钢绞线，待缸杆收缩到相应位置后，下夹片重新夹紧钢绞线，然后由上顶管顶起上夹片，开始下一个释放行程。待竖井沉降到相应深度后，绞线油缸的上、下夹片始终保持夹紧状态，掘进机开始新的挖掘作业。竖井沉降过程中，检测系统若检测到竖井倾斜，绞线油缸的控制系统会根据接收到的数据，调整相应绞线油缸的释放速度与位移，保证竖井始终处于竖直向下的姿态。绞线油缸下放钢绞线流程如图5所示。

图5 绞线油缸下放钢绞线流程

4 沉降单元承载能力计算

沉降单元的承载能力主要取决于竖井及设备的重量、竖井下沉时与土体之间的总侧阻力，以及水位较高时产生的浮力，可忽略刃脚等细小结构对负载计算的影响。

4.1 竖井及设备重量

竖井主要由管片拼接而成，管片主要成分为钢筋混凝土，设备重量主要为掘进机重量，竖井及设备重量Gh(kN)计算公式为：

Gh=πγj(D2w-D2n)Hj4+GS.

(1)

其中：GS为掘进机重量，kN；γj为管片钢筋混凝土重度，kN/m3；Dw为管片外径，m；Dn为管片内径，m；Hj为竖井深度，m。

4.2 竖井下沉时与土体之间的总侧阻力

管片拼接的竖井井壁为直壁式，且采用掘进机挖掘的深度一般大于5 m，竖井下沉过程中通常会接触到多种土层结构，竖井外壁与土体之间的极限侧阻力标准值应根据工程地质条件通过实验或对比工程的经验资料确定，当无实验或可靠资料时，可按照表1选用。

表1 极限侧阻力标准值

侧壁与土体的总侧阻力Fm(kN)计算公式为：

Fm=∑UifkiHi.

(2)

其中：Ui为第i层土中侧壁外围周长，m；fki为第i层土的单位侧阻力标准值，kPa；Hi为第i层土的厚度，m。

4.3 浮力

当挖掘地层含水量较大时，竖井受到的浮力较大，此时不能忽略。管片受到的浮力Gf(kN)计算公式为：

Gf=πρsg(D2w-D2n)HS4 000.

(3)

其中：ρs为水的密度，kg/m3；g为重力加速度，N/kg；

HS为水位深度，m。

4.4 子单元油缸承载能力

沉降单元的承载能力直接影响整个竖井项目的顺利施工，为了避免出现不可逆的安全问题，沉降单元的承载能力至少是计算值的1.5倍～2倍。考虑施工场地布置及各子单元之间下沉的同步性，应合理选择子单元的组数，各子单元油缸承载能力TZ(kN)的计算公式为：

TZ=(1.5～2)×(Gh-Fm-Gf)n.

(4)

其中：n为子单元个数。

当总摩阻力过大导致无法下沉时，可通过地面推压系统对竖井上部加压，向竖井外壁与土体之间注射膨润土进行润滑，增大铣挖头超挖量等措施保证竖井顺利沉降，此时，应根据情况减小总摩阻力的计算值，使沉降单元的承载能力更大一些。

5 结语

城市竖井项目采用下沉式竖井掘进机进行施工安全可靠、工作效率高，沉降单元是掘进机的重要组成部分，是整个项目施工安全与成井效果的关键保障。对下沉单元的结构组成、工作原理、承载能力进行设计研究，具有十分重要的实际意义。