沉井掘進機關鍵技術研究及應用

周 倩，鄭康泰，趙 飛，楊聚輝，肖 威

(中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016)

沉井法又稱沉箱鑿井法，是在土層開挖前,在井筒設計位置，把預制好的一段整體井壁或現(xiàn)澆的井壁下沉，然后在它的支護下,邊掘進邊下沉[1～2]。

沉井工法主要用于市區(qū)場地狹小、地下水位高、不穩(wěn)定地層或埋深較淺的豎井施工，多用于地下停車場、給排水工程、大型地下構件外殼、盾構始發(fā)井、船塢塢首等。

傳統(tǒng)沉井法施工多采用人工開挖、水槍、抓斗、長臂挖掘機等形式進行開挖，無法開挖硬巖，刃腳處較難開挖，導致下沉、糾偏困難，井壁下沉多依靠自重下沉，沉井深度一般僅為20m左右。

在沉井掘進機方面除海瑞克研制的VSM沉井掘進機、日本的沉井掘進機外，國內外相關研究較少，但國外的設備技術壟斷，海瑞克的設備存在井下液壓管路較多、無中間通道等缺點；日本的沉井掘進機存在無法開挖硬巖、開挖效率較低等缺點。

沉井法施工對場地的要求小，適合在擁擠的市中心或工廠內施工；開挖時對地層及地面環(huán)境的擾動小；沉井掘進機可實現(xiàn)遠程控制和操作，打井不下井，保證人員安全。對此，本文對沉井掘進機開挖斷面適應性、不同地質出渣技術、復合糾偏控制技術、偏載等復雜工況下的回轉支承設計等關鍵技術開展研究，為沉井掘進機的后續(xù)設計提供參考。

1 工程概況

沉井掘進機依托中鐵裝備廠區(qū)沉井項目，為模擬施工工況、便于設備始發(fā)，采用C30混凝土澆筑6m深大基坑，如圖1所示，基坑下面地層為粉土層（埋深16m），地下水類型為潛水，地下水位埋深約18m，地下水位年變幅2m，沉井主體結構位于地下水位以上。

圖1 沉井基坑

2 沉井掘進機關鍵技術

沉井施工深度一般為10～100m，因此1臺沉井掘進機往往可以進行多個項目的施工。不同項目的開挖斷面、地質可能不同，因此沉井掘進機既要滿足變斷面沉井施工工藝及不同地質出渣需求，又要解決傳統(tǒng)沉井法糾偏困難、成井精度低的問題，這給設備設計帶來如下挑戰(zhàn)：①開挖斷面可變；②干濕雙模出渣技術；③復合糾偏控制技術等。

2.1 開挖斷面可變技術

該設備可適應6～10m開挖直徑，以滿足不同開挖斷面的直徑需求。

2.1.1 變斷面原理

驅動總成驅動回轉裝置帶動開挖裝置進行±190°旋轉，完成開挖面的環(huán)向切削；擺臂油缸為工作臂的擺動提供動力，確保銑挖頭能夠在不同半徑下進行工作，如圖2所示。擺臂油缸含行程傳感器，通過上位機軟件換算，通過三維仿真，能夠在上位機顯示出銑挖頭的真實位置。

圖2 沉井掘進機結構示意圖

2.1.2 變斷面輔助措施

1）設備驅動總成采用驅動單元帶動回轉裝置旋轉，為滿足不同開挖直徑的驅動需求，設計有4組驅動單元，如圖3所示。軟土地層、小直徑開挖時使用2組驅動，另外兩組驅動單元的孔用壓蓋保護，防止進入異物；硬巖地層、大直徑開挖時使用4組驅動。

圖3 驅動總成實物圖

2）模塊化設計，通過更換驅動箱支腿，如圖3所示，可適應不同開挖直徑。

3）管片提壓裝置通過伸縮銷軸和管片進行連接，通過改變管片提壓裝置的位置，可適應不同開挖直徑的需求，如圖4所示。

圖4 管片提壓裝置

2.2 干濕雙模出渣技術

出渣系統(tǒng)可根據(jù)不同的地質條件，采用不同的出渣方式。針對無水、少水地層：設備采用抓斗出渣的方式；針對取水方便或富含地下水的工程采用泥漿出渣。出渣靈活，不受粒徑大小限制，節(jié)省成本，掌子面情況觀察更直觀。干濕兩種方式的出渣技術使設備增強了地質適應能力。

2.2.1 干式出渣

干式出渣充分考慮該工程無水地質條件，結合圓礫、砂土地層的易開挖的特點，通過設備將掌子面開挖成“鍋底”形狀，讓渣土在銑挖頭的帶動下向下歸集到出渣坑部，實現(xiàn)渣土歸集與抓斗出渣。渣土歸集及出渣方式如圖5所示。

2.2.2 泥漿出渣

圖5 干式出渣示意圖

1）針對取水方便或富含地下水的工程，安裝泥漿泵、泥漿管、回轉接頭和泥水分離站。工作時，開挖面填充一定深度泥漿，在銑挖頭的攪拌下，渣土和泥水混合形成懸浮混合物，由泥漿泵排出至地面，再由泥水分離系統(tǒng)進行渣土分離，分離后的泥水沿回漿管路進入井底，如圖6所示。

圖6 泥漿出渣

2）遇直徑較大卵石或漂石且影響掘進時，可通過中心預留通道下放小型抓斗進行抓取清理。

2.3 復合糾偏控制技術

2.3.1 導向系統(tǒng)

項目采用全站儀+棱鏡+傾角儀的導向系統(tǒng)，如圖7所示。通過在管片安裝測角單元傳感器對成井鉛垂度進行測量，并計算出豎井整體鉛垂度。通過全站儀定期測量，及時修正誤差值，確保測量精確。使用全站儀檢測管片姿態(tài)和設備姿態(tài)，其精度在1‰以內。

圖7 全站儀測量系統(tǒng)

2.3.2 糾偏技術

掘進機根據(jù)導向系統(tǒng)提供的鉛垂度信息對開挖姿態(tài)進行調整，該設備主要采用以下五種糾偏技術[3～7]，如圖8所示。

圖8 糾偏原理圖

1）下沉過程通過施加提壓裝置上不同的力，具體為檢測最上環(huán)結構端面水平和提壓油缸的行程，保證下沉過程中油缸行程一致；每組提壓油缸均帶有行程傳感器，上位機顯示屏上監(jiān)控下沉速度和下沉位移量，根據(jù)導向系統(tǒng)顯示和行程傳感器顯示的位移量，調整單組提壓油缸的下沉速度，達到實時糾偏的目的，防止下沉方向發(fā)生大的偏斜。

2）通過地面的管片提壓裝置將井筒提升一定高度，銑挖頭對刃腳處的土體進行修邊或超挖處理以后重新下沉，保證偏斜側欠挖通過土體提供側向推力；針對井壁下方有孤石或特殊情況需要局部超挖處理時，銑挖頭具備伸入到刃腳管片外部實施特殊處理的能力。

3）通過銑挖頭開挖成鍋底形狀的輪廓，利于渣土向井中心匯集，利用刃腳管片均勻超挖土體，確保管片順利下沉和調向。

4）刃腳管片設置有6組糾偏裝置配合提壓裝置調向，每組糾偏裝置有糾偏油缸和靴板組成，糾偏時，同時動作3組糾偏油缸，均勻施加側向推力，提供井筒下沉糾偏力。

5）通過調節(jié)不同位置的注漿壓力，可以對井筒進行糾偏。在井筒下沉過程中，為減井筒背面與周圍土體的摩阻力，維護周邊土體擾動，防止坍塌涌沙，封閉裂隙，向井筒背后灌注觸變泥漿。

3 實驗情況

3.1 開挖

開挖采用成熟的懸臂掘進機銑挖頭，適用于土質類地層、砂卵石地層、軟巖地層、硬巖地層（高效、經濟強度不大于60MPa、節(jié)理較發(fā)育，Ⅳ、Ⅴ類圍巖為主），超過60MPa的地層效率及經濟性較差。沉井掘進機開挖實驗結果如下。

1）開挖介質為C30混凝土，開挖直徑為8m,開挖深度0.3m，主機旋轉共用7圈，如圖9所示，一共用時30min，測試切削效率約30m3/h。混凝土開挖情況如圖10所示。

圖9 開挖輪廓

圖10 C30混凝土開挖情況

2）開挖介質為粉土，開挖直徑為8m，開挖深度0.3m，主機旋轉共用7圈，如圖9所示，一共用時18min，測試切削效率約50m3/h。粉土開挖情況如圖11所示。

圖11 粉土開挖情況

3.2 出渣

1）試驗抓斗出渣試驗，如圖12所示，抓斗容積1.5m3。6m深沉井抓斗出渣效率約40m3/h。事實上，隨著沉井深度的增加，抓斗出渣效率逐漸降低。

圖12 干式出渣

2）泥漿出渣采用立式泥漿泵，地面設置泥漿分離設備，分離后的泥漿循環(huán)入井進行攜渣，泵送流量可達400m3/h，最大通過粒徑75mm，如圖13所示。

3.3 成井

該沉井掘進機已較好地完成了中鐵裝備廠區(qū)8m沉井的工業(yè)實驗，開挖、出渣、支護同步進行，成井精度在1‰以內。開創(chuàng)了國內沉井掘進機開挖沉井的先河。

圖13 泥漿出渣

針對開挖土層時，容易出現(xiàn)糊銑挖頭的現(xiàn)象，做如下改進。

1）在銑挖頭上配備高壓噴頭，用以清理銑挖頭上的黏土，高壓水噴頭出口壓力不低于50bar。

2）增加分散劑，對黏土進行改良，增加其流動性，防止糊掘進裝置。

4 結論與討論

本文以中鐵裝備廠區(qū)沉井項目為依托，對沉井掘進機關鍵技術進行了研究。

沉井掘進機的關鍵技術主要包括開挖斷面可變技術、干濕雙模出渣技術、復合糾偏控制技術。研制的沉井掘進機在實驗過程中應用良好，滿足安全、快速施工的要求。

1）該設備可適應7～12m開挖直徑，以滿足不同開挖斷面的直徑需求。

2）干濕兩種方式的出渣技術使設備增強了地質適應能力。

3）項目采用全站儀+棱鏡+傾角儀的導向系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)偏斜，可通過五種措施進行糾偏。

沉井掘進機的研發(fā)提供了一種新型沉井施工的思路，也是新裝備引領新工法地下空間開發(fā)的一次重要的嘗試，設備的成功研制使得沉井機械化、快速、高精度施工成為可能，在市政方面、大型樁基板塊、國防工程等方面具有廣闊的市場前景。