下沉式豎井掘進機沉降單元設計與研究

張榮毅，蘇延奇，趙宏慶，李慶龍，韓 樂，周 劍

(徐工集團凱宮重工南京股份有限公司 沈陽分公司，遼寧 沈陽 110001)

0 引言

隨著我國現代化進程的不斷推進，許多大城市的地上可用空間越來越少，開發和利用地下空間資源成為一種趨勢，如修建地下停車場、給排水工程、地下倉儲等公共設施，可以節省大量地上空間資源。我國地下豎井項目主要采用鉆爆法和機械法破巖，目前以鉆爆法為主，存在施工難度大、安全風險高、粉塵污染嚴重等諸多弊端。機械法破巖主要有鉆井法和豎井掘進機挖掘兩種方法，鉆井法存在地層適應性較差、破土及排渣效率不高等問題；豎井掘進機對土體擾動小，施工效率高，安全可靠，自動化程度高。目前除了德國海瑞克和日本的沉井掘進機外，國內外相關研究較少。為此，本文對下沉式豎井掘進機主要組成部分及功能進行了分析，并設計了一套豎井掘進機沉降單元。

1 下沉式豎井掘進機主要組成部分及功能

下沉式豎井掘進機(VSM)主要包括主機、主機絞車、管線輸送單元、沉降單元、主控室、液壓站、電力系統和泥水處理系統等，如圖1所示。主機主要用來挖掘豎井，包括回轉中心、銑挖單元等，是豎井挖掘工作的核心部分；沉降單元用以提升整個豎井及掘進機，采用步進式沉降方式，并實時調整豎井姿態，是保證施工安全與效果的關鍵因素；主機絞車用來將主機提出豎井進行檢修、保養與回收，是重要的起吊設備；管線輸送單元用來輸送管線，連接掘進機與地面設備，包括電源、液壓油、潤滑油、工業水、砂漿、信號與數據等；主控室可以觀測整個項目進展情況，并進行相應操作與控制；泥水處理系統將對從豎井內吸取的泥漿進行泥水分離，并根據需要調整豎井內水位高度，保證施工安全；液壓站、電力系統為整個施工項目提供動能。

2 沉降單元設計

沉降單元通常由幾組提升力相同的絞線油缸、絞線卷盤、導向架和油缸支架等組成，如圖2所示。幾組絞線油缸均勻分布于豎井四周，油缸底部固定于油缸支架上，然后與預制混凝土地面固定連接。根據每組絞線油缸的承載能力，選擇合適的鋼絞線規格與數量，根據深井深度，選擇合適的鋼絞線長度。豎井由管片拼接而成，掘進機與下部管片連接在一起，底部一環管片為刃腳形式，且均布開有斜向槽口。絞線卷盤纏有足夠長度的鋼絞線，固定于絞線油缸附近，鋼絞線從絞線卷盤輸出，沿油缸支架上部的導向架從上部穿入絞線油缸，導向架為半圓形，防止鋼絞線超過彎曲半徑而損壞。鋼絞線穿過絞線油缸上部與下部的夾緊裝置，穿過油缸底座，經過土體與豎井外壁的間隙，穿過下部刃腳管片中的管片固定錨與夾片，固定住鋼絞線端部，在豎井重力及油缸預緊力作用下，鋼絞線被拉緊，進而對豎井及掘進機起到提升作用。隨著掘進機挖掘深度的增加，管片重量越來越大，加上掘進機的重量，導致整個豎井系統很重，因此，沉降單元應具備強大的承載能力。隨著拼接的豎井越來越長，姿態容易傾斜，需要沉降單元不同吊點之間具備良好的協同作用，并根據豎井檢測傳感器反饋的信號及時調整油缸的速度與位移，始終保持豎井垂直向下，只有這樣，才能保證豎井施工的順利進行，且具備良好的施工效果。

1-主機；2-管片；3-主機絞車；4-管線輸送單元；5-沉降單元；6-主控室；7-液壓站；8-電力系統；9-泥水處理系統圖1 下沉式豎井掘進機結構

2.1 絞線油缸

絞線油缸主要包括上缸體、下缸體、缸桿、夾緊裝置、頂推裝置、密封和傳感器等，夾緊裝置包括彈簧、夾片、油缸固定錨和頂管等，如圖3所示。缸桿上部與下缸體中分別安裝一套夾緊裝置，缸桿在絞線油缸中伸縮，帶動上部夾緊裝置整體移動。油缸固定錨開有很多錐孔，夾片為錐形恰能嵌入錐孔中，彈簧位于夾片上部，頂管位于夾片下部，鋼絞線穿過彈簧、夾片及頂管從底座中穿出。絞線油缸配備多個壓力傳感器、接近開關、位移傳感器，對油缸載荷、壓力、行程、同步性等進行檢測。同時，絞線油缸具備高智能化操作系統，操作方式有本地、遠程、安裝三種模式，在本地與遠程模式下，絞線油缸上、下夾緊裝置具有高度的互鎖關系，絕不允許同時打開油缸固定錨；只有在安裝模式下，可手動解除互鎖關系進行鋼絞線安裝，保證施工的安全性。

1-絞線卷盤；2，7-鋼絞線；3-導向架；4-油缸支架；5-絞線油缸；6-管片；8-管片固定錨；9-夾片圖2 沉降單元結構

1-上彈簧；2-上夾片；3-上頂管；4-上部頂推裝置；5-下彈簧；6-下夾片；7-下頂管；8-下部頂推裝置；9-上油缸固定錨；10-缸桿；11-上缸體；12-下缸體；13-下油缸固定錨圖3 絞線油缸總體結構

2.2 絞線卷盤

絞線卷盤固定于絞線油缸附近，一組絞線油缸對應一個絞線卷盤，主要包括支架、護架、旋轉軸、帶立式座球軸承、固定板、側擋板和卷筒等，如圖4所示。支架能夠支撐整個絞線卷盤及鋼絞線重量，結構穩定，并具有足夠的強度。護架用來圍擋鋼絞線，并在儲備、運輸時起到一定的防護作用。旋轉軸一端連接卷筒，一端穿過球軸承，使整個卷筒能夠自由轉動。固定板固定于卷筒內腔，用來固定鋼絞線端部，防止鋼絞線被拽松脫。側擋板限制鋼絞線的纏繞空間，使鋼絞線能夠整齊纏繞不松散。卷筒開有長孔，兩端與側擋板焊接，主要用來纏繞鋼絞線。鋼絞線一段穿過固定板上的圓孔，并焊接固定，另一端穿過卷筒開孔，纏繞到卷筒外壁，纏繞時應規整有序，防止鋼絞線交叉扭曲，卷筒纏有足夠長度的鋼絞線后，鋼絞線另一端沿導向架穿入絞線油缸。為了防止卷盤旋轉失控，導致鋼絞線釋放過多，絞線卷盤配備了剎車裝置(圖4中未示出)，只有絞線油缸拽取鋼絞線時絞線卷盤才會轉動，其余時間處于靜止狀態。

1-支架；2-護架；3-旋轉軸；4-帶立式座球軸承；5-固定板；6-側擋板；7-卷筒圖4 絞線卷盤結構

3 沉降單元工作原理

當豎井掘進機挖掘作業時，各組鋼絞線油缸中的夾片在彈簧作用下夾緊鋼絞線，使豎井處于豎直靜止狀態。豎井掘進機挖完預設距離的土體后，各絞線油缸通過控制動力系統推動上頂管向上移動，將上夾片向上頂起，使上夾片釋放鋼絞線，然后缸桿帶動上部夾緊裝置向上伸出。待缸桿伸出到所需距離后，上夾片在彈簧作用下重新夾緊鋼絞線，隨后下部夾緊裝置中的下頂管向上移動，將下夾片向上頂起，使下夾片釋放鋼絞線，然后缸桿帶動上部夾緊的鋼絞線向下移動，從而帶動豎井及掘進機向下沉降。在絞線油缸的牽引下，絞線卷盤繞著中心軸轉動，釋放出更多的鋼絞線，待缸桿收縮到相應位置后，下夾片重新夾緊鋼絞線，然后由上頂管頂起上夾片，開始下一個釋放行程。待豎井沉降到相應深度后，絞線油缸的上、下夾片始終保持夾緊狀態，掘進機開始新的挖掘作業。豎井沉降過程中，檢測系統若檢測到豎井傾斜，絞線油缸的控制系統會根據接收到的數據，調整相應絞線油缸的釋放速度與位移，保證豎井始終處于豎直向下的姿態。絞線油缸下放鋼絞線流程如圖5所示。

圖5 絞線油缸下放鋼絞線流程

4 沉降單元承載能力計算

沉降單元的承載能力主要取決于豎井及設備的重量、豎井下沉時與土體之間的總側阻力，以及水位較高時產生的浮力，可忽略刃腳等細小結構對負載計算的影響。

4.1 豎井及設備重量

豎井主要由管片拼接而成，管片主要成分為鋼筋混凝土，設備重量主要為掘進機重量，豎井及設備重量Gh(kN)計算公式為：

Gh=πγj(D2w-D2n)Hj4+GS.

(1)

其中：GS為掘進機重量，kN；γj為管片鋼筋混凝土重度，kN/m3；Dw為管片外徑，m；Dn為管片內徑，m；Hj為豎井深度，m。

4.2 豎井下沉時與土體之間的總側阻力

管片拼接的豎井井壁為直壁式，且采用掘進機挖掘的深度一般大于5 m，豎井下沉過程中通常會接觸到多種土層結構，豎井外壁與土體之間的極限側阻力標準值應根據工程地質條件通過實驗或對比工程的經驗資料確定，當無實驗或可靠資料時，可按照表1選用。

表1 極限側阻力標準值

側壁與土體的總側阻力Fm(kN)計算公式為：

Fm=∑UifkiHi.

(2)

其中：Ui為第i層土中側壁外圍周長，m；fki為第i層土的單位側阻力標準值，kPa；Hi為第i層土的厚度，m。

4.3 浮力

當挖掘地層含水量較大時，豎井受到的浮力較大，此時不能忽略。管片受到的浮力Gf(kN)計算公式為：

Gf=πρsg(D2w-D2n)HS4 000.

(3)

其中：ρs為水的密度，kg/m3；g為重力加速度，N/kg；

HS為水位深度，m。

4.4 子單元油缸承載能力

沉降單元的承載能力直接影響整個豎井項目的順利施工，為了避免出現不可逆的安全問題，沉降單元的承載能力至少是計算值的1.5倍～2倍。考慮施工場地布置及各子單元之間下沉的同步性，應合理選擇子單元的組數，各子單元油缸承載能力TZ(kN)的計算公式為：

TZ=(1.5～2)×(Gh-Fm-Gf)n.

(4)

其中：n為子單元個數。

當總摩阻力過大導致無法下沉時，可通過地面推壓系統對豎井上部加壓，向豎井外壁與土體之間注射膨潤土進行潤滑，增大銑挖頭超挖量等措施保證豎井順利沉降，此時，應根據情況減小總摩阻力的計算值，使沉降單元的承載能力更大一些。

5 結語

城市豎井項目采用下沉式豎井掘進機進行施工安全可靠、工作效率高，沉降單元是掘進機的重要組成部分，是整個項目施工安全與成井效果的關鍵保障。對下沉單元的結構組成、工作原理、承載能力進行設計研究，具有十分重要的實際意義。