王鵬越，袁兆寬，梁恒昌，肖 威，楊金宏

(1.中煤第五建設(shè)有限公司，江蘇 徐州 221006；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；4.中國(guó)中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016；5.中煤建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 102218)

隨著國(guó)內(nèi)外地下工程施工技術(shù)的發(fā)展及機(jī)械制造水平的提升，跨行業(yè)協(xié)同創(chuàng)新能力顯著提高，具備了研制大型立井全斷面自動(dòng)化掘砌裝備的能力。借鑒于水平隧道的TBM的制造技術(shù)和施工技術(shù)，立井掘進(jìn)機(jī)及其配套的支護(hù)技術(shù)裝備也有了長(zhǎng)足發(fā)展，但明顯不同于水平隧道或斜井隧道的施工。立井施工在砌壁、矸石運(yùn)輸方面有著更高的要求和更多的約束條件，立井掘進(jìn)機(jī)和自動(dòng)邁步模板配合施工立井技術(shù)需要依據(jù)機(jī)械的功能特性、地質(zhì)環(huán)境適應(yīng)性、工藝環(huán)節(jié)的銜接、安全及經(jīng)濟(jì)性等而綜合確定，施工技術(shù)和施工工藝環(huán)節(jié)的整體考慮顯得尤為重要。同時(shí)，施工過(guò)程中設(shè)備組裝、工序銜接、特殊地層穿越、特殊硐室施工、特殊工序調(diào)整等技術(shù)需要進(jìn)行系統(tǒng)考慮[1-4]。采用高度集成化的機(jī)械設(shè)備來(lái)施工立井是未來(lái)立井施工的必然趨勢(shì)，我國(guó)的立井施工裝備也發(fā)生了飛躍式的發(fā)展，由中鐵工程裝備生產(chǎn)的立井掘進(jìn)機(jī)以及由中煤第五建設(shè)有限公司研制的自動(dòng)邁步8m大段高掘進(jìn)機(jī)配套模板研制成功，并分別進(jìn)行了場(chǎng)內(nèi)試驗(yàn)和工業(yè)性試驗(yàn)，使得立井施工技術(shù)水平有了實(shí)質(zhì)性的提高。該研究成果解決了立井施工全機(jī)械化、自動(dòng)化的問(wèn)題，解決了立井掘進(jìn)機(jī)同步砌壁與懸空砌壁的難題，該同步砌壁邁步模板技術(shù)可以用于立井施工中的邁步吊盤(pán)以及其他井內(nèi)設(shè)備吊掛及邁步行走。不足之處是該套裝備與工藝在面對(duì)特殊不良地層時(shí)適應(yīng)性不足，需要預(yù)先對(duì)不良地層進(jìn)行處理。

1 立井全斷面掘進(jìn)成套裝備基本功能

1.1 立井掘進(jìn)機(jī)械功能特征

立井全斷面自動(dòng)化的掘砌成套裝備(Vertical Shaft Construction Machine，簡(jiǎn)稱VSCM)是指立井全斷面掘進(jìn)機(jī)(Vertical Shaft Machine，簡(jiǎn)稱VSM)和自動(dòng)邁步砌壁模板設(shè)備(Auto Stepping Template，簡(jiǎn)稱AST)。VSCM是集機(jī)械、電子、液壓、激光、控制等技術(shù)于一體的高度機(jī)械化和自動(dòng)化的大型立井開(kāi)挖與襯砌澆筑成套設(shè)備，是一種由電動(dòng)機(jī)(或電動(dòng)機(jī)/液壓馬達(dá))驅(qū)動(dòng)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)、支撐靴和穩(wěn)定器支撐掘進(jìn)機(jī)自重，刀盤(pán)加壓或減壓推進(jìn)破巖，使刀盤(pán)在一定推力作用下工作，通過(guò)安裝在刀盤(pán)上的刀具破碎巖石，使井筒斷面一次成型的大型工程機(jī)械[5，6]。傳統(tǒng)的立井施工為基于鉆爆法的短段掘砌混合作業(yè)方式，主要由“打眼—放炮—出渣—支護(hù)”等工藝環(huán)節(jié)組成，因此立井全斷面自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)必須具備替代其相應(yīng)功能的集成能力，實(shí)現(xiàn)破巖—出渣的高效同步進(jìn)行，才能提高井筒施工的效率[7，8]。

目前由中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司研制的立井掘進(jìn)機(jī)主要包括了以下功能特征：①具有破巖、集渣及臨時(shí)存儲(chǔ)功能，具備適應(yīng)不同巖性的立井全斷面破巖刀盤(pán)，該刀盤(pán)具有適用于多種地層、易更換刀具和同步出渣特點(diǎn)，刀盤(pán)掘進(jìn)效率高、刀具損耗低，同時(shí)具有一定的擴(kuò)挖功能，滿足多種井壁結(jié)構(gòu)開(kāi)挖要求；②該立井掘進(jìn)機(jī)具備完善的裝備支撐及移動(dòng)系統(tǒng)，采用環(huán)形撐靴和穩(wěn)定器協(xié)同方式實(shí)現(xiàn)工作面刀盤(pán)壓力控制以及換步方式，快速實(shí)現(xiàn)裝備換步和自身姿態(tài)控制，確保掘進(jìn)垂直度，同時(shí)優(yōu)化工作面空間布置，具備刀盤(pán)上提功能，以滿足工作面探水、注漿、揭煤等空間需求；③該立井掘進(jìn)機(jī)具備立井全斷面自動(dòng)化掘進(jìn)的新型井底清渣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)破巖和清渣同步，采用三級(jí)出渣，即：刮板連續(xù)清渣—斗式連續(xù)提升—儲(chǔ)渣倉(cāng)轉(zhuǎn)載吊桶提升，實(shí)現(xiàn)立井掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖、出渣同步高效施工；④具備全斷面自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)多系統(tǒng)集成和協(xié)同，實(shí)現(xiàn)“手動(dòng)操控控制”和“地面遠(yuǎn)程控制”的雙控制模式[8-12]。

1.2 自動(dòng)邁步模板功能特征

立井的支護(hù)采用現(xiàn)澆混凝土井壁支護(hù)，同時(shí)立井掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)的段高裸露的時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)，需要及時(shí)進(jìn)行混凝土澆筑支護(hù)，在掘進(jìn)機(jī)工況下，砌壁的要求就相應(yīng)增加了很多，首先砌壁模板要實(shí)現(xiàn)懸空砌壁、快速砌壁，為了適應(yīng)和匹配掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)段高，有需要大段高的模板，根據(jù)研制的立井掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)速度，目前匹配8m段高的砌壁模板比較合適，因此與掘進(jìn)機(jī)相匹配的自動(dòng)邁步模板需要具備8m大段高、懸空快速砌壁的要求，這就給模板懸吊、邁步、砌壁時(shí)機(jī)和工序銜接提出來(lái)多種要求。

根據(jù)以上要求和特征，中煤第五建設(shè)有限公司研制了與掘進(jìn)機(jī)匹配的自動(dòng)邁步模板，該模板具有以下功能特征[13，14]：為適應(yīng)和匹配機(jī)械破巖成井效率以及井壁支護(hù)安全要求，自動(dòng)邁步模板采用下行整體移動(dòng)模式，具有8m大段高的拆模、圓度、緊固度、可靠性、可拼接性等特征和功能，實(shí)現(xiàn)了1/2分段可拆可澆筑功能；該自動(dòng)模板采用撐靴支撐及模板邁步系統(tǒng)，無(wú)需設(shè)置地面鑿井模板絞車，從而相應(yīng)減小了井架荷載，并實(shí)現(xiàn)懸空砌壁；采用無(wú)縫整體金屬模板的伸縮口技術(shù)，取消原“丁字板”，消除井壁“丁字板”凹槽，新型結(jié)構(gòu)需在改善平整度的基礎(chǔ)上仍保持較高的強(qiáng)度、良好的密封性能和耐久性能；該自動(dòng)澆筑模板與立井掘進(jìn)機(jī)獨(dú)立工作，澆筑井壁位置與立井掘進(jìn)機(jī)工作空間位置互不干擾。

自動(dòng)邁步模板結(jié)構(gòu)及其工藝如圖1所示。由圖1可知，在完成始發(fā)井筒段之后，先安裝完成成套邁步模板，然后下掘井筒8m，完成后下放下部模板及撐靴，并撐緊撐靴，綁扎鋼筋，澆筑4m段高混凝土。待混凝土凝固后，繼續(xù)下放上部4m模板及上部撐靴并撐緊，然后進(jìn)行上部4m段高的混凝土澆筑。這樣完成一個(gè)循環(huán)，8m段高的混凝土井壁砌筑。

圖1 自動(dòng)邁步式模板結(jié)構(gòu)及砌壁工藝示意圖

1.3 立井掘進(jìn)機(jī)與自動(dòng)邁步模板聯(lián)合功能特征

立井掘進(jìn)機(jī)與自動(dòng)邁步砌壁模板可以相互配合進(jìn)行施工作業(yè)，由立井掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)破巖、集渣及臨時(shí)存儲(chǔ)，由自動(dòng)邁步砌壁模板進(jìn)行混凝土井壁澆筑，其他輔助作業(yè)采用平行的作業(yè)方式完成，如掘進(jìn)期間平行進(jìn)行吊桶排矸作業(yè)。因此主要生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)有：“綁扎鋼筋、澆筑混凝土砌壁、破巖排矸”等主要工序。

2 立井掘進(jìn)機(jī)聯(lián)合自動(dòng)邁步模板施工設(shè)計(jì)

2.1 立井概況及施工方案

新疆阿勒泰引水隧道措施立井井筒開(kāi)挖直徑7800mm，鋼筋混凝土井壁厚度500mm，深度378m，井筒表土段較淺，埋深19m，基巖段巖石基本穩(wěn)定，涌水量較小。

井筒分兩部分施工，表土段及掘進(jìn)機(jī)安裝“機(jī)窩”(始發(fā)井)施工、基巖段(立井掘進(jìn)機(jī)段)施工。在掘進(jìn)機(jī)施工組裝前，完成20m始發(fā)立井施工，期間安裝邁步式模板，并完成掘進(jìn)機(jī)安裝所需組裝空間，即“機(jī)窩”，然后安裝掘進(jìn)機(jī)完成剩余井筒施工。

2.2 自動(dòng)砌壁模板井下組裝

在井筒開(kāi)挖一段距離后，即可井下組裝邁步模板，邁步式模板由上撐靴、上模板、下模板、下?lián)窝ソM成，附屬設(shè)備主要有液壓絞車、支撐油缸、邁步油缸等。井筒試挖階段如果有模板，則隨該模板砌筑分步進(jìn)行自動(dòng)邁步模板組裝，邁步模板采用螺栓對(duì)接與組裝，在試挖階段2m段高模板上分塊安裝上模板上部2m模板，模板校正完成后進(jìn)行澆筑混凝土，澆筑完成后，掘進(jìn)段高1m，拆除刃腳，繼續(xù)掘進(jìn)至段高6.3m，并根據(jù)井幫圍巖情況進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，然后綁扎鋼筋，工作面進(jìn)行找平，安裝下?lián)窝?，在撐靴上安裝模板剩余部分，模板校正好澆筑混凝土。

2.3 立井掘進(jìn)機(jī)、砌壁模板井下組裝

邁步式模板安裝后，繼續(xù)采用人工配合挖掘機(jī)掘進(jìn)適合立井掘進(jìn)機(jī)安裝的高度。該段井筒空間作為掘進(jìn)機(jī)組裝“機(jī)窩”，本段采用錨網(wǎng)噴臨時(shí)支護(hù)，支護(hù)厚度100mm，上部10m荒徑8.4m，下部3.3m荒徑9.0m。掘進(jìn)完成后鋪底找平，鋪底厚度300mm?！皺C(jī)窩”完成后，依次拆除抓巖機(jī)、吊盤(pán)、封口盤(pán)，提供掘進(jìn)機(jī)構(gòu)件下放空間。

立井掘進(jìn)機(jī)為分體式結(jié)構(gòu)，設(shè)備主機(jī)和吊盤(pán)分體設(shè)計(jì)。主機(jī)用于完成立井開(kāi)挖、出渣、推進(jìn)、姿態(tài)控制；吊盤(pán)為施工和主機(jī)配套結(jié)構(gòu)，用于立井施工的井壁支護(hù)、供電、排水等。VSM立井掘進(jìn)機(jī)分塊下放、組裝，可使設(shè)備組裝高度低、運(yùn)輸難度小，施工靈活。立井掘進(jìn)機(jī)組裝分為主機(jī)組裝和吊盤(pán)組裝。主機(jī)井下組裝采用從下至上的組裝模式，分塊下放，井下組裝；吊盤(pán)組裝在地面進(jìn)行，整體懸吊下井。VSM立井掘進(jìn)機(jī)井下主機(jī)組裝順序依次為：刀盤(pán)—穩(wěn)定器—主驅(qū)動(dòng)—穩(wěn)定器平臺(tái)—斗式提升機(jī)下部結(jié)構(gòu)—中心立柱一—撐靴—中心立柱二—渣倉(cāng)—斗式提升機(jī)上部結(jié)構(gòu)。

2.4 立井掘進(jìn)機(jī)聯(lián)合自動(dòng)邁步模板掘砌施工工序

立井掘進(jìn)機(jī)主要施工工序大體上可分為掘進(jìn)、出渣和支護(hù)，具體來(lái)說(shuō)包括以下小工序：掘進(jìn)、出渣、換步、物料運(yùn)輸、脫模、立模、下灰、澆筑、管線延伸等工作。

2.4.1 掘進(jìn)與換步

1)掘進(jìn)、出渣同步施工，該工序操作位于地面主控室內(nèi)，控制設(shè)備掘進(jìn)，掘進(jìn)前首先檢測(cè)設(shè)備姿態(tài)是否正確，保證設(shè)備處于垂直狀態(tài)，如設(shè)備不垂直，偏差大于10mm，則通過(guò)撐靴及穩(wěn)定器進(jìn)行調(diào)整，保證方向垂直。撐緊撐靴、撐緊穩(wěn)定器，啟動(dòng)垂直斗提機(jī)、刮板清渣裝置，之后啟動(dòng)刀盤(pán)，準(zhǔn)備掘進(jìn)施工。掘進(jìn)施工需要根據(jù)地層，尋找合適的轉(zhuǎn)速及貫入度，設(shè)備的最大掘進(jìn)行程為1.2m，襯砌每次的段高為8m，大于設(shè)備最大行程，因此設(shè)備每1.2m換步一次。

2)換步：換步時(shí)需要增加穩(wěn)定器的撐緊力，同時(shí)刀盤(pán)停轉(zhuǎn)，將設(shè)備放置在工作面上，設(shè)備放置穩(wěn)定后，收攏撐靴，之后控制推進(jìn)缸，將撐靴下移，完成換步，下移完成后，重新?lián)尉o撐靴，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(pán)，進(jìn)行下循環(huán)掘進(jìn)[15]。

2.4.2 出渣

立井掘進(jìn)機(jī)出渣系統(tǒng)配合吊桶清渣、轉(zhuǎn)運(yùn)、排渣，該系統(tǒng)共包括三大部分：刀盤(pán)清渣裝置、垂直提升裝置、吊桶提升系統(tǒng)。三大部分進(jìn)行接力共同完成渣土的出井工作，設(shè)計(jì)運(yùn)送能力，可滿足直徑10m立井在1000m深度時(shí)每小時(shí)掘進(jìn)1m的施工需求。刀盤(pán)清渣裝置設(shè)計(jì)兩部，對(duì)稱安裝于刀盤(pán)內(nèi)部，進(jìn)行刀盤(pán)中心1m以外的區(qū)域清渣工作，1m以內(nèi)采用壓風(fēng)進(jìn)行輔助清渣。刀盤(pán)清渣裝置采用刮板鏈設(shè)計(jì)，刮渣板將渣土刮起運(yùn)送至集渣倉(cāng)處。

垂直提升裝置安裝在設(shè)備中心，上部至臨時(shí)出渣倉(cāng)，下部至刀盤(pán)集渣倉(cāng)。垂直提升裝置采用斗式提升機(jī)，采用全封閉設(shè)計(jì)，防止渣土散落，污染內(nèi)部環(huán)境。臨時(shí)儲(chǔ)渣倉(cāng)主要用于渣土的臨時(shí)儲(chǔ)存及渣土轉(zhuǎn)運(yùn)，在吊桶離開(kāi)時(shí)，臨時(shí)儲(chǔ)存渣土，在吊桶到達(dá)裝渣位置時(shí)，打開(kāi)閘門迅速完成渣土裝載，提高出渣速度。

系統(tǒng)出渣流程：刀盤(pán)清渣裝置將渣土清理后，轉(zhuǎn)運(yùn)至斗式提升機(jī)的集渣倉(cāng)內(nèi)，之后由斗式提升機(jī)將渣土提升至設(shè)備上部，卸入臨時(shí)渣倉(cāng)內(nèi)，等待吊桶提升出井。渣土經(jīng)吊桶提升出井，經(jīng)翻矸裝置翻矸溜出井口外的地坪，裝載機(jī)配合自卸汽車排入甲方指定地點(diǎn)。

2.4.3 支護(hù)

支護(hù)包括扎筋與砌壁工序，每循環(huán)8m，綁扎鋼筋一次完成，分兩次澆筑。利用液壓系統(tǒng)及安裝在邁步模板上的液壓絞車下放下?lián)窝ィ缓笙路诺醣P(pán)，下?lián)窝ハ路鸥叨?m，吊盤(pán)位于下?lián)窝ド峡?，以吊盤(pán)和下?lián)窝プ鳛楣ぷ髌脚_(tái)綁扎上部4m鋼筋，綁扎完成后繼續(xù)下放下?lián)窝ゼ暗醣P(pán)，綁扎下部4m鋼筋，鋼筋綁扎完成后下模板脫模，通過(guò)液壓絞車下放到下?lián)窝ド?，校正下模板，澆筑下?m段高混凝土。本段澆筑完成后，經(jīng)10～12h(期間進(jìn)行管路延接、掘進(jìn)施工)混凝土終凝具備自我承載能力時(shí)，松開(kāi)上層模板，通過(guò)縱向邁步液壓缸將上模板下放4m(此時(shí)上層模板下口與上一循環(huán)已成井壁下沿平齊)，撐緊上層模板，并通過(guò)液壓缸下推模板試驗(yàn)，檢測(cè)模板的縱向承載力達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，松開(kāi)上撐靴，通過(guò)縱向邁步液壓缸下放上撐靴4m，到位后撐緊上撐靴，同樣通過(guò)縱向液壓缸檢測(cè)上撐靴的垂直承載力，至此，完成邁步4m行程。然后上層模板松開(kāi)，繼續(xù)下移4m與下面4m模板完成對(duì)接，開(kāi)始澆筑上層4m段高混凝土，至此完成一個(gè)混凝土澆筑循環(huán)8m。

混凝土由地面攪拌站配制，根據(jù)設(shè)計(jì)及時(shí)調(diào)整配合比?；炷凛斔筒捎玫仔妒降跬跋铝希?jīng)坐落在第四層吊盤(pán)喇叭口上的分灰器對(duì)稱入模，入模混凝土采用振動(dòng)棒通過(guò)合茬窗口進(jìn)行分層振搗。

2.5 單掘砌循環(huán)施工流程設(shè)計(jì)

由以上立井掘進(jìn)機(jī)功能與作業(yè)工序，完成一個(gè)成井作業(yè)循環(huán)。按此作業(yè)循環(huán)持續(xù)施工至設(shè)計(jì)深度即完成立井的整體施工。循環(huán)時(shí)間24h，循環(huán)進(jìn)尺8m，混凝土脫模時(shí)間控制在20h左右，承載時(shí)間44h，考慮循環(huán)影響時(shí)間，施工月進(jìn)尺可以保證200m的需要。

2.6 安全保障技術(shù)

1)全斷面掘進(jìn)機(jī)的安全保障，重點(diǎn)從設(shè)備本身和地質(zhì)環(huán)境角度考慮。設(shè)備自身具備良好的防護(hù)性能，包括設(shè)備的防水、防潮、防爆設(shè)計(jì)，設(shè)備具有良好的地質(zhì)適應(yīng)性，設(shè)備設(shè)計(jì)對(duì)井壁的接觸比壓較小，滿足各類圍巖的適應(yīng)性。同時(shí)，設(shè)備各段高位置具備對(duì)圍巖的臨時(shí)支護(hù)能力，實(shí)現(xiàn)臨時(shí)護(hù)盾的功能，滿足圍巖暴露段高及暴露時(shí)間的需要，可以減少或者取消臨時(shí)支撐。

2)自動(dòng)邁步模板的安全保障，重點(diǎn)從設(shè)備自身以及環(huán)境適應(yīng)性考慮。邁步模板設(shè)計(jì)了多種安全保護(hù)機(jī)制，包括液壓缸失效保護(hù)、撐靴的承載力自我檢測(cè)驗(yàn)證機(jī)制、撐靴的承載力冗余設(shè)計(jì)以及信息化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等安全保障機(jī)制。邁步模板在設(shè)計(jì)中還考慮了環(huán)境適應(yīng)性和工作的適應(yīng)性，邁步模板本身具備高度可調(diào)性，可根據(jù)圍巖情況及時(shí)調(diào)整模板支護(hù)段高，同時(shí)邁步模板的支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)井壁及圍巖的接觸比壓低于1MPa，且可以根據(jù)圍巖情況進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，完全滿足各類圍巖及工作條件的需要。

3)信息化的安全保障，該系統(tǒng)除了各自獨(dú)立的安全技術(shù)保障，還建立了一整套信息化安全監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控內(nèi)容包括設(shè)備、圍巖、井壁以及供電、通訊、通風(fēng)等全方位的安全技術(shù)保障。

3 結(jié) 論

1)立井掘進(jìn)機(jī)在功能設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝銜接方面都有了集成和改進(jìn)，立井掘進(jìn)機(jī)聯(lián)合自動(dòng)邁步模板施工理論成井速度可達(dá)到240m/月。

2)立井掘進(jìn)機(jī)聯(lián)合自動(dòng)邁步模板在現(xiàn)有“短段掘砌循環(huán)”作業(yè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)為“一掘兩砌”作業(yè)方式，該施工技術(shù)易于被技術(shù)人員接受。

3)立井施工技術(shù)的核心為掘進(jìn)出渣、綁扎鋼筋、立模澆筑，在施工工序循環(huán)方面可以設(shè)計(jì)為“一掘兩砌”作業(yè)方式，即綁扎鋼筋、砌壁1/2掘進(jìn)段高、砌壁余下1/2掘進(jìn)段高、掘進(jìn)整個(gè)段高來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。