上排渣型全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井工藝及工業(yè)試驗(yàn)

賈連輝， 肖 威， 呂 旦, *， 程劍林， 黃志緒， 徐 瓊

(1. 中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州 450000; 2. 浙江寧海抽水蓄能有限公司， 浙江 寧波 315600)

0 引言

地下空間是一種同時(shí)具有戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實(shí)需求的空間資源,也是一種新型的國(guó)土資源。在地下空間開(kāi)發(fā)過(guò)程中，豎井作為人類進(jìn)入深層地下空間的重要通道，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。由于豎井施工的特殊性和穿越地層的復(fù)雜性，豎井開(kāi)拓技術(shù)成為一個(gè)國(guó)家進(jìn)行深地資源開(kāi)采與地下空間開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)保障。隨著地下空間開(kāi)發(fā)逐漸向機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，研究能夠適應(yīng)復(fù)雜多變地層、大深度、大斷面的豎井掘進(jìn)裝備及施工工法具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，豎井施工大多仍采用傳統(tǒng)的鉆爆法和鉆井法，存在機(jī)械化程度低、施工周期長(zhǎng)、施工環(huán)境惡劣、施工人員安全保障不足等眾多發(fā)展瓶頸。針對(duì)上述問(wèn)題，目前相關(guān)研究主要集中在傳統(tǒng)施工工法的關(guān)鍵技術(shù)革新及裝備研發(fā)方面。崔云龍[1]對(duì)建井施工裝備和施工技術(shù)進(jìn)行了全方位總結(jié)；張永成等[2]對(duì)鉆井技術(shù)及鉆井中的各主要工藝進(jìn)行了深入探討，并對(duì)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行闡述和分析；王鵬越[3]和肖瑞玲[4]對(duì)立井的安全高效施工的裝備配套方案及工藝進(jìn)行了闡述；馬傳銀等[5]闡述了立井井筒施工設(shè)備的選型方法和不同工程對(duì)應(yīng)的施工設(shè)備配置方案；徐輝東等[6]分析了國(guó)內(nèi)外豎井全斷面機(jī)械破巖裝備與技術(shù)現(xiàn)狀,總結(jié)了鉆井法與豎井掘進(jìn)機(jī)裝備與技術(shù)；劉志強(qiáng)[7]、荊國(guó)業(yè)等[8]分別論述了利用導(dǎo)孔排渣的機(jī)械破巖豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井工藝；楊仁樹(shù)等[9]對(duì)立井鉆井法、凍結(jié)法和注漿法等特殊鑿井工藝的發(fā)展進(jìn)行了梳理和總結(jié)。隨著豎井技術(shù)的發(fā)展及豎井工程開(kāi)挖深度和直徑的增加，圍繞機(jī)械高效破巖與智能安全鉆進(jìn)，機(jī)械破巖的鉆井裝備和無(wú)人化鉆井技術(shù)得到了快速發(fā)展和廣泛關(guān)注。荊國(guó)業(yè)等[10]提出了全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)的研究方向，并對(duì)全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)的井幫穩(wěn)定、鑿井工序、掘進(jìn)參數(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的特點(diǎn)和適用性進(jìn)行了探討；王鵬越等[11]對(duì)立井掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)和自動(dòng)邁步砌壁模板澆筑混凝土的施工技術(shù)進(jìn)行了研究；賈連輝等[12-13]以自研的上排渣型全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)為例，對(duì)上排渣技術(shù)和刀盤設(shè)計(jì)進(jìn)行了全面剖析；劉志強(qiáng)等[14]對(duì)千米級(jí)豎井全斷面科學(xué)鉆進(jìn)裝備與關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析和研究。

2018年，中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司融合了傳統(tǒng)豎井施工技術(shù)和全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)施工理念，在先后攻克復(fù)雜多變地層的全斷面機(jī)械開(kāi)挖技術(shù)，掘進(jìn)機(jī)清渣、出渣技術(shù)，設(shè)備姿態(tài)監(jiān)測(cè)及控制等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之后，成功研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的上排渣型全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)(shaft boring machine，SBM)。該設(shè)備具有無(wú)需爆破、圍巖擾動(dòng)小、井壁質(zhì)量高、施工風(fēng)險(xiǎn)小、施工速度快、安全高效等優(yōu)點(diǎn)，處于世界領(lǐng)先水平。然而，目前SBM技術(shù)系統(tǒng)復(fù)雜，廣泛應(yīng)用還存在一定的局限和不足。本文重點(diǎn)介紹上排渣型全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)的系統(tǒng)組成、工作原理、施工工藝流程及各工序的技術(shù)要點(diǎn)，總結(jié)豎井掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景，并以SBM技術(shù)在寧海抽水蓄能電站豎井施工中的應(yīng)用為例，驗(yàn)證該工法技術(shù)的可行性和可靠性。SBM技術(shù)可以應(yīng)用于大深度和大直徑盲豎井工程，為類似地下工程施工提供經(jīng)驗(yàn)和借鑒，并為千米級(jí)豎井全斷面掘進(jìn)技術(shù)難題提供解決新思路。

1 全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 系統(tǒng)組成

SBM以傳統(tǒng)豎井施工技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合隧道掘進(jìn)機(jī)技術(shù)、物料垂直提升技術(shù)研制而成。設(shè)備采用刀盤開(kāi)挖，刮板輸送機(jī)刮渣，斗式提升機(jī)提渣，儲(chǔ)渣艙儲(chǔ)渣，最終由吊桶裝渣，地面提升機(jī)提升出井。SBM整機(jī)系統(tǒng)如圖1所示。豎井掘進(jìn)機(jī)井下設(shè)備主要由刀盤、主驅(qū)動(dòng)、穩(wěn)定器、設(shè)備立柱、撐靴推進(jìn)系統(tǒng)、出渣系統(tǒng)、砌壁支護(hù)系統(tǒng)、多層吊盤系統(tǒng)構(gòu)成，采用開(kāi)挖、出渣、井壁襯砌同步施工。多層吊盤主要用于放置電器、流體設(shè)備，同工作裝置分體設(shè)計(jì)，解決穩(wěn)車、襯砌、掘進(jìn)之間的同步問(wèn)題。地面配套裝備由鑿井井架、穩(wěn)車、提升機(jī)等組成，實(shí)現(xiàn)吊盤下放和物料運(yùn)輸。

1—刀盤； 2—刮板輸送機(jī)； 3—斗式提升機(jī)； 4—穩(wěn)定器； 5—主驅(qū)動(dòng)； 6—設(shè)備立柱； 7—撐靴推進(jìn)系統(tǒng)； 8—液壓泵站； 9—儲(chǔ)渣艙； 10—澆注模板； 11—吊盤后配套； 12—吊桶； 13—井架。

1.2 工法原理

SBM是一種用于開(kāi)鑿井筒的高效機(jī)械破巖裝備。該裝備利用井下豎井掘進(jìn)機(jī)完成掘進(jìn)、出渣、支護(hù)、保障等工作，通過(guò)輔助吊盤等配套設(shè)備完成井筒支護(hù)，利用地面配套懸吊提升系統(tǒng)完成井下吊盤懸吊、物料運(yùn)輸、渣土提升等工作，實(shí)現(xiàn)豎井高效、安全、可靠施工。

1)破巖系統(tǒng)。SBM井下主機(jī)采用刀盤破巖，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)合刀盤直徑、地層情況進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，刀具可根據(jù)不同的地層進(jìn)行更換。通過(guò)穩(wěn)定器穩(wěn)定刀盤，降低掘進(jìn)過(guò)程中刀盤振動(dòng)，控制設(shè)備掘進(jìn)方向。采用撐靴推進(jìn)系統(tǒng)，撐緊井壁，產(chǎn)生摩擦力，提供推進(jìn)反力。掘進(jìn)行程結(jié)束后，撐靴換步進(jìn)行下一循環(huán)掘進(jìn)作業(yè)。

2)出渣系統(tǒng)。該系統(tǒng)共包括刀盤刮渣裝置、垂直提升裝置和吊桶提升系統(tǒng)3大部分，接力共同完成渣土的出井工作，出渣裝置根據(jù)地層不同可以更換不同的刮渣板、刮斗，適應(yīng)不同渣土的清運(yùn)需求。

3)支護(hù)系統(tǒng)。井壁支護(hù)系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)計(jì)，可滿足現(xiàn)澆、噴錨等所有形式的井壁施工要求。

4)導(dǎo)向系統(tǒng)。采用傳統(tǒng)豎井測(cè)井技術(shù)結(jié)合電子傳感技術(shù)設(shè)計(jì)而成。在井筒中心設(shè)計(jì)一套垂線裝置，用于提供井筒中心同設(shè)備的標(biāo)定基準(zhǔn)，在設(shè)備中心設(shè)置傳感器，通過(guò)檢測(cè)設(shè)備同垂線的相對(duì)位置，計(jì)算設(shè)備掘進(jìn)方向及姿態(tài)，達(dá)到設(shè)備導(dǎo)向的目的。

5)糾偏系統(tǒng)。整機(jī)設(shè)計(jì)有穩(wěn)定器和撐靴推進(jìn)系統(tǒng)，穩(wěn)定器的伸縮油缸和推進(jìn)油缸均可分區(qū)獨(dú)立控制。當(dāng)掘進(jìn)主機(jī)相對(duì)井筒軸線發(fā)生傾斜時(shí)，通過(guò)控制不同區(qū)域的油缸油壓，使油缸產(chǎn)生位移行程差，不斷調(diào)整主機(jī)姿態(tài)，最終使主機(jī)軸線回正；當(dāng)掘進(jìn)主機(jī)圓周滾轉(zhuǎn)時(shí)，使穩(wěn)定器和撐靴脫離井壁，反轉(zhuǎn)主機(jī)回正即可。

1.3 設(shè)備功能及性能指標(biāo)

SBM是綜合性工廠化施工設(shè)備，可在地質(zhì)條件較為穩(wěn)定或結(jié)合地質(zhì)加固施工的地層內(nèi)施工，施工過(guò)程要求無(wú)水、少水。設(shè)備設(shè)計(jì)能力滿足直徑7.8 m、深度1 000 m的豎井施工要求，開(kāi)挖、出渣速度可達(dá)到1 m/h，同時(shí)可滿足不同地層的支護(hù)要求，實(shí)現(xiàn)豎井施工平行作業(yè)。SBM具體性能指標(biāo)(以寧海項(xiàng)目為例)見(jiàn)表1。

表1 SBM具體性能指標(biāo)(以寧海項(xiàng)目為例)

2 SBM施工工藝及技術(shù)要點(diǎn)

2.1 始發(fā)工作井施工

根據(jù)SBM機(jī)械化施工原理，可采用分體始發(fā)掘進(jìn)作業(yè)。設(shè)備最小的始發(fā)井深度應(yīng)保證撐靴可以入井，待主機(jī)始發(fā)掘進(jìn)一定深度后，組裝地面懸吊提升系統(tǒng)，鋼絲繩與吊盤后配套連接，形成一套完整的開(kāi)挖、出渣系統(tǒng)，進(jìn)行后續(xù)的豎井掘進(jìn)施工。

為便于設(shè)備始發(fā)，井口需提前進(jìn)行鎖口施工，始發(fā)井深度應(yīng)超過(guò)設(shè)備撐靴高度，定為10 m； 始發(fā)井內(nèi)徑不小于凈直徑+200 mm，滿足主機(jī)組裝。始發(fā)井結(jié)合井筒鎖口施工，采用大型挖掘機(jī)、破碎錘等設(shè)備進(jìn)行開(kāi)挖，長(zhǎng)臂挖掘機(jī)出渣。始發(fā)井井壁采用立模、現(xiàn)澆模式進(jìn)行井壁支護(hù)，完成始發(fā)井施工。

2.2 SBM組裝

SBM組裝主要分為主機(jī)段組裝和吊盤平臺(tái)組裝2個(gè)部分，先組裝主機(jī)段，再安裝吊盤平臺(tái)。主機(jī)段總質(zhì)量約440 t，吊盤平臺(tái)質(zhì)量為90 t。

1)主機(jī)段采用由下至上的組裝順序，在井下完成組裝工作。主機(jī)段完成組裝后進(jìn)行管線連接，進(jìn)入設(shè)備調(diào)試階段。

2)吊盤平臺(tái)采用分層法安裝。逐步安裝每一層平臺(tái)，同時(shí)布置該層設(shè)備。組裝完成后，連接電纜、穩(wěn)繩、風(fēng)水管線等。

2.3 設(shè)備調(diào)試

SBM調(diào)試主要分為組裝確認(rèn)、供電調(diào)試、控制調(diào)試、液壓調(diào)試、功能調(diào)試5大步驟，以保證設(shè)備運(yùn)行正常，狀態(tài)良好。

1)組裝確認(rèn)。主要檢查設(shè)計(jì)組裝是否正確，確認(rèn)供電線路、液壓管路是否連接正確、可靠。

2)供電調(diào)試。主要確認(rèn)各供電系統(tǒng)是否正常，是否滿足供電要求。

3)控制調(diào)試。主要確認(rèn)各供電開(kāi)關(guān)、保護(hù)裝置是否運(yùn)行正常、可靠。

4)液壓調(diào)試。主要確認(rèn)液壓泵站是否運(yùn)行正常。

5)功能調(diào)試。主要確認(rèn)設(shè)備開(kāi)挖、出渣、推進(jìn)等各個(gè)系統(tǒng)動(dòng)作是否正常。

2.4 掘進(jìn)機(jī)井身段施工

設(shè)備調(diào)試完成后，復(fù)測(cè)井筒中心及設(shè)備中心，進(jìn)行始發(fā)掘進(jìn)。由于井筒直徑大于刀盤開(kāi)挖直徑，在掘進(jìn)前期，適當(dāng)加大撐靴及穩(wěn)定器撐緊力，保證刀盤開(kāi)挖過(guò)程不發(fā)生偏斜。進(jìn)行始發(fā)掘進(jìn)時(shí)采用小貫入度、小推進(jìn)速度緩慢掘進(jìn)，待設(shè)備撐靴進(jìn)入井筒穩(wěn)定地層后，及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，恢復(fù)正常掘進(jìn)。

SBM正常掘進(jìn)主要施工工序包括掘進(jìn)、出渣、井壁支護(hù)、換步、物料運(yùn)輸、管線延伸等。SBM正常掘進(jìn)流程如圖2所示。

圖2 SBM正常掘進(jìn)流程圖

1)掘進(jìn)出渣。該工序操作位于地面主控室內(nèi)，掘進(jìn)時(shí)，撐緊撐靴、穩(wěn)定器，啟動(dòng)斗式提升機(jī)、刮板輸送機(jī)，之后啟動(dòng)刀盤，準(zhǔn)備掘進(jìn)施工。掘進(jìn)施工需要根據(jù)地層尋找匹配的轉(zhuǎn)速及貫入度，設(shè)備設(shè)計(jì)刀盤額定轉(zhuǎn)速為4 r/min，最大掘進(jìn)換步行程為1.2 m，支護(hù)每次的段高為1.5 m。因此，設(shè)備每1 m換步1次，每掘進(jìn)3 m支護(hù)2次，水管、風(fēng)管等每6 m延伸1次。

2)換步作業(yè)。換步時(shí)需要增加穩(wěn)定器的撐緊力，同時(shí)刀盤停轉(zhuǎn)，待設(shè)備停止運(yùn)行后，收回?fù)窝尉o油缸，之后收回推進(jìn)缸，將撐靴下移，完成換步，重新?lián)尉o撐靴，確認(rèn)撐緊后，降低穩(wěn)定器撐緊力，檢測(cè)設(shè)備姿態(tài)后重新啟動(dòng)刀盤，進(jìn)行下一循環(huán)掘進(jìn)。

3)井壁支護(hù)。井壁支護(hù)與掘進(jìn)主機(jī)相互獨(dú)立設(shè)計(jì)，支護(hù)作業(yè)區(qū)域位于吊盤后配套上，不受掘進(jìn)主機(jī)的影響。根據(jù)地層情況可在吊盤支護(hù)平臺(tái)上進(jìn)行井壁的實(shí)時(shí)支護(hù)，依據(jù)井筒設(shè)計(jì)，可靈活采用錨網(wǎng)噴支護(hù)或模板澆筑支護(hù)。

4)管線延伸。每掘進(jìn)6 m后，對(duì)管線進(jìn)行延伸，需要延長(zhǎng)的管線有軟風(fēng)筒、供水管、排水管。其中，供水管、排水管采用2臺(tái)5 t穩(wěn)車鋼絲繩懸掛固定，軟風(fēng)管采用2臺(tái)25 t吊盤穩(wěn)車鋼絲繩懸掛固定。

5)姿態(tài)調(diào)控。采取掘進(jìn)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)和人工測(cè)量相輔的方式進(jìn)行豎井掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)監(jiān)測(cè)。

2.5 掘進(jìn)機(jī)拆卸及出井

施工完成后，設(shè)備需要進(jìn)行井下拆解提升出井。根據(jù)設(shè)備在井內(nèi)的上下順序，首先提升吊盤后配套出井，將吊盤后配套同主機(jī)間的管線連接斷開(kāi)后，吊盤后配套可整體吊出井外；之后配合井口吊點(diǎn)，逐層完成吊盤后配套拆解工作。

主機(jī)的拆機(jī)、出井同樣利用穩(wěn)車及上層吊盤，采用組裝的反工序，將上層平臺(tái)及穩(wěn)繩下放至井下，將拆解的結(jié)構(gòu)通過(guò)鋼絲繩吊掛在平臺(tái)下放，隨平臺(tái)提升出井。重復(fù)以上操作，依次拆除立柱、斗式提升機(jī)及主驅(qū)動(dòng)，再拆除穩(wěn)定器，最后將刀盤提升出井，完成井下拆機(jī)。

3 豎井掘進(jìn)機(jī)工法優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用前景

3.1 SBM工法優(yōu)勢(shì)

SBM是利用滾刀破巖替代鉆眼爆破，實(shí)現(xiàn)空間和時(shí)間上的掘進(jìn)與支護(hù)平行作業(yè)，是集光、機(jī)、電、液、傳感、信息技術(shù)于一體的多學(xué)科交叉的高端技術(shù)裝備。以SBM配套地面提升系統(tǒng)形成的施工工法具有以下優(yōu)勢(shì)：

1)全斷面機(jī)械開(kāi)挖，無(wú)需爆破，能有效控制超欠挖，地層擾動(dòng)小，井壁質(zhì)量高。

2)井下人員少，只需編鋼筋、掛網(wǎng)片人員，其余全為機(jī)械化操作，施工風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小。

3)同步進(jìn)行開(kāi)挖、出渣及井壁支護(hù)，縮短施工時(shí)間，提高施工效率。

4)自動(dòng)化程度高，地面遠(yuǎn)程操控，安全高效。

3.2 SBM應(yīng)用前景

豎井作為地下工程的咽喉工程，是深部地下空間開(kāi)發(fā)中的基礎(chǔ)，更是深部資源開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵所在。鑒于SBM工法具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，存在著非常廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景，可應(yīng)用于以下領(lǐng)域。

1)礦山工程： 礦區(qū)主井、副井、風(fēng)井。

2)長(zhǎng)大隧道： 設(shè)備維修井、通風(fēng)井、工作井。

3)水電工程： 調(diào)壓井、垂直壓力通道。

4)市政工程： 大型沉井、盾構(gòu)始發(fā)井、地下污水管網(wǎng)豎井和泄洪井。

5)國(guó)防工程： 國(guó)防導(dǎo)彈井、核試驗(yàn)豎井。

4 工程實(shí)例應(yīng)用

以SBM技術(shù)在浙江寧海抽水蓄能電站豎井施工中的應(yīng)用為例，分析該工法的適用性和綜合施工進(jìn)度，并就該方法在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行探討。

4.1 工程概況

寧海抽水蓄能排風(fēng)豎井工程地處浙江省寧波市寧海縣，位于下水庫(kù)竹腰坑左岸山坡，為通風(fēng)兼安全洞附屬洞室。豎井底部為排風(fēng)豎井下平洞，與通風(fēng)兼安全洞相連通。該排風(fēng)豎井平面布置圖及縱剖面圖分別如圖3和圖4所示。排風(fēng)豎井地表高程為280 m，豎井深度為198 m，井頸段深度為10 m，采用人工開(kāi)挖和鋼筋混凝土襯砌的施工方式，成井凈直徑為φ8 m，作為SBM的始發(fā)組裝井，其余188 m采用SBM進(jìn)行施工，開(kāi)挖直徑為φ7.83 m； 支護(hù)方式為選擇性錨網(wǎng)噴支護(hù)，錨桿為φ22@150×150，錨網(wǎng)噴厚度為150 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。

圖3 排風(fēng)豎井平面布置圖

圖4 排風(fēng)豎井縱剖面圖(單位： mm)

豎井井口0～5 m為強(qiáng)風(fēng)化層Ⅴ類圍巖；井深5～25 m 為弱風(fēng)化Ⅳ～Ⅲ圍巖，巖體較破碎；井深25 m 以下為Ⅲ～Ⅱ類的微新巖石，巖體完整性差—較完整為主，成洞條件好。整個(gè)排風(fēng)豎井巖層為凝灰?guī)r類的沉積巖，強(qiáng)度為80～120 MPa，局部達(dá)到140 MPa。施工開(kāi)挖期間，存在沿節(jié)理、破碎帶有滲滴水或線狀流水現(xiàn)象。

4.2 成套設(shè)備配置

寧海抽水蓄能排風(fēng)豎井工程主要臨建工程包括提升機(jī)房、井架基礎(chǔ)、鋼筋加工區(qū)、空壓機(jī)站、風(fēng)機(jī)房、沉淀池、物料儲(chǔ)存區(qū)、場(chǎng)地硬化等。為滿足排風(fēng)豎井SBM施工需求，結(jié)合排風(fēng)豎井施工場(chǎng)地實(shí)際大小，在排風(fēng)豎井場(chǎng)地安裝8臺(tái)穩(wěn)車、1臺(tái)ⅣG型鑿井井架及1臺(tái)主提升機(jī)。寧海抽水蓄能排風(fēng)豎井工程施工設(shè)備配置見(jiàn)表2。

表2 寧海抽水蓄能排風(fēng)豎井工程施工設(shè)備配置

4.3 施工綜合進(jìn)度分析

SBM主機(jī)高度為16.5 m，吊盤后配套高度為13.4 m，由于始發(fā)井深度為10 m，本工程采用分體始發(fā)進(jìn)行豎井掘進(jìn)施工。首次始發(fā)前吊盤放置于地面，主機(jī)在始發(fā)井內(nèi)組裝調(diào)試完成后向下掘進(jìn)20 m，留出吊盤下放空間，在此期間利用汽車吊配合SBM完成井底出渣，見(jiàn)圖5和圖6。到達(dá)首次掘進(jìn)深度后，吊盤吊入井內(nèi)用型鋼懸掛于井口，待地面提升系統(tǒng)與吊盤連接后，進(jìn)行二次始發(fā)，最終完成后續(xù)豎井深度的開(kāi)挖。

圖5 SBM始發(fā)狀態(tài)

圖6 SBM掘進(jìn)20 m狀態(tài)

為降低本次施工組織難度，保障施工順利進(jìn)行，SBM采用掘進(jìn)出渣、支護(hù)、管線安裝單行作業(yè)形式進(jìn)行施工組織，根據(jù)支護(hù)循環(huán)高度每3 m為1個(gè)施工循環(huán)，寧海施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際掘進(jìn)情況如下：

1)設(shè)備掘進(jìn)、出渣、換步，每3 m 1個(gè)循環(huán)，耗時(shí)為9 h；

2)完成3 m支護(hù)耗時(shí)10 h；

3)進(jìn)行管線延伸、安裝耗時(shí)0.5 h(每6 m 1個(gè)循環(huán)，安裝需要1 h，平均每3 m耗時(shí)0.5 h)。

綜上，每掘進(jìn)3 m耗時(shí)19.5 h。

由于寧海抽水蓄能排風(fēng)豎井工程為凝灰?guī)r地層，在掘進(jìn)期間井壁不時(shí)有滲水情況發(fā)生，豎井掘進(jìn)機(jī)在排渣過(guò)程中受到一定的影響； 加之豎井施工場(chǎng)地有限，只能采用單吊桶出渣，間接影響了施工效率。寧海抽水蓄能排風(fēng)豎井工程已成功貫通，最快進(jìn)尺4.82 m/d，且掘進(jìn)軸線精度可控。

4.4 特殊地層應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)大范圍的不良地層，一方面，可提前采用凍結(jié)或超前注漿等方法進(jìn)行地質(zhì)加固。另一方面，在局部破碎地層中，滿足滾刀破巖的前提下減小撐靴撐緊力和推進(jìn)力，降低撐靴對(duì)裸漏井壁的破壞；在局部含水層中，通過(guò)安裝井壁截水槽，引水至儲(chǔ)水箱內(nèi)，減少井底積水對(duì)排渣系統(tǒng)的影響，保證豎井掘進(jìn)機(jī)的正常使用。

4.5 施工技術(shù)難點(diǎn)

為充分驗(yàn)證設(shè)備性能、找準(zhǔn)施工難點(diǎn)、探究設(shè)備及工法可能存在的問(wèn)題，SBM在寧海抽水蓄能排風(fēng)豎井工業(yè)試驗(yàn)期間，采取單工序作業(yè)施工方式。通過(guò)寧海項(xiàng)目豎井掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)該工法在實(shí)際施工中尚存在以下幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)需要進(jìn)一步解決。

1)在凝灰?guī)r含水地層中適用性差，巖粉遇水泥化，排渣效果不佳，需要配合其他工法對(duì)圍巖進(jìn)行提前處理。

2)刀盤上配置的刮板輸送機(jī)在刮渣后井底仍存有少量巖渣，存在刀具重復(fù)破巖的問(wèn)題。

3)采用傳統(tǒng)豎井測(cè)井技術(shù)結(jié)合電子傳感技術(shù)的導(dǎo)向系統(tǒng)，仍需定期結(jié)合人工復(fù)測(cè)進(jìn)行參數(shù)重新標(biāo)定。

5 結(jié)論與討論

1) SBM工法具有無(wú)需爆破、井壁質(zhì)量高、施工風(fēng)險(xiǎn)小、安全高效等優(yōu)點(diǎn)，解決了盲豎井機(jī)械化和少人化施工的難題，是適應(yīng)未來(lái)地下空間開(kāi)發(fā)機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展的施工工法，具有較廣泛的應(yīng)用推廣前景。

2)SBM鑿井工法保證了施工質(zhì)量，降低了施工成本，解決了現(xiàn)有技術(shù)中大斷面豎井施工困難、開(kāi)挖效率低的問(wèn)題。

3)通過(guò)SBM工法在寧海抽水蓄能電站豎井施工中的應(yīng)用，驗(yàn)證了該工法技術(shù)的可行性和可靠性，可應(yīng)用于大深度盲豎井工程，為千米級(jí)豎井全斷面掘進(jìn)技術(shù)難題提供解決新思路。

4)SBM施工工法在如凝灰?guī)r、泥巖等特殊含水地層的應(yīng)用還有待進(jìn)一步改進(jìn)。同時(shí)，該工法實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，還需要對(duì)開(kāi)發(fā)的自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)和實(shí)時(shí)測(cè)偏系統(tǒng)進(jìn)行不斷優(yōu)化升級(jí)。