下沉式豎井摒進設(shè)備Vertical Shaft Sinking Machine (VSM)

為能迅速而可靠地進行豎井施工，德國海瑞克公司開發(fā)了下沉式豎井掘進設(shè)備(VSM)，目前該創(chuàng)新性產(chǎn)品已被市場廣泛接受。這種獨一無二的機械化沉井(一種豎井機械化施工方法)設(shè)備在地下水以下地層和復(fù)雜地層施工時更具有優(yōu)勢，其主要優(yōu)點包括：

(1)掘進與襯砌工作同步進行，施工速度快，每班次可達5 m；

(2)所有施工過程可在地面控制和監(jiān)測，施工精度有保證；

(3)豎井內(nèi)無需施工人員，施工安全性好；

(4)實用性廣，可用于抗壓遷都在80 MPa以下的軟土層和巖層，以及在地下水位以下的地層；

(5)施工設(shè)備采用模塊式結(jié)構(gòu)，布置靈活，可在狹窄的空間內(nèi)使用。

圖1 帶有管片襯砌功能的典型下沉式豎井掘進設(shè)備

幾種下沉式豎井掘進設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)為:

型號VSM基本型VSMVSM切割扭矩/kNm608080伸縮臂行程/mm60010001000質(zhì)量/t6575120最小占地面積/m2300500500適用最大水壓/MPa0 41 01 8豎井直徑/m5～84 5～164 5～12豎井最大深度/m3090120

圖2 VSM在德國埃姆舍爾河旁施工

1 挖掘和豎井施工同步進行

下沉式豎井掘進設(shè)備由兩個主要部件組成：豎井挖掘設(shè)備和沉降設(shè)備。豎井挖掘設(shè)備吊裝到始發(fā)井結(jié)構(gòu)內(nèi)，由三條機械臂牢固地壓附在井壁上。在一條伸縮臂上，安裝有能高速旋轉(zhuǎn)(最大轉(zhuǎn)速80 r/min)的銑挖頭，銑挖頭上的截齒在豎井底部切削和破碎土層或巖石。銑挖頭具有伸縮性，可以執(zhí)行上轉(zhuǎn)、下轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)動作，這樣即可完成整個豎井斷面的挖掘，并完成一定超挖。借助潛水泵，以液壓方式將渣土泵送到地面上的泥水分離站。豎井結(jié)構(gòu)的下部混凝土環(huán)，亦稱為豎井刃腳，呈一斜面，因此在下沉過程中可以切削土壤。此外，伸縮臂及銑挖頭在豎井刃腳以下的超挖，連同井壁外側(cè)環(huán)狀間隙中的膨潤土潤滑，共同降低了豎井壁與周圍土壤之間的摩擦力。

在地面，有3到4個帶液壓油缸的沉降單元與豎井周邊的環(huán)形混凝土基礎(chǔ)牢固地連接在一起。這些沉降單元通過鋼絲繩與豎井結(jié)構(gòu)的下部混凝土基環(huán)相連。這樣，在挖掘過程中，能以可控的方式，將整個豎井結(jié)構(gòu)拉住并下沉。使用預(yù)制混凝土管片，豎井襯砌在地面同步進行。由于各個工序(銑挖、渣土清除、豎井施工以及豎井結(jié)構(gòu)下沉)同時進行，使得VSM技術(shù)可以實現(xiàn)較快的施工進度。

2 循序漸進建造豎井

現(xiàn)場施工的第一步是在地面開挖一個坑洞，同時安裝帶刃腳的起始環(huán)(基環(huán))和預(yù)制的混泥土管片。然后在其外側(cè)澆灌混凝土以便能承受豎井和設(shè)備的載荷。如果使用環(huán)形基礎(chǔ)可以降低施工成本，因為在下個豎井施工時可以重復(fù)。

圖3 施工第一步：起始環(huán)的安裝

第二步是安裝沉降單元和挖掘設(shè)備。沉降單元由起重器和盤繞在卷筒上的鋼絲繩組成。對每一個工程，需要預(yù)先計算鋼絲繩的數(shù)量。鋼絲繩從地面由起重器沿環(huán)形空隙下放，并與刃腳連接。接著將豎井挖掘設(shè)備吊入起始環(huán)并通過3個機械臂牢牢地固定在井壁上，同時由調(diào)平油缸調(diào)節(jié)其在井內(nèi)的三個位置。最后安裝其余的豎井掘進設(shè)備，并根據(jù)特定的施工條件進行調(diào)整。

圖4 施工第二步：設(shè)備安裝

圖5 施工第三步：沉井過程

第三步是沉井施工。在整個豎井充滿泥水(這也意味著無需降低地下水位)后，固定在伸縮臂上的銑挖頭在沉井的底部進行開挖和破碎。此時可以啟動泥水管路，將開挖出來的物料輸送到地面的泥漿分離站。泥水分離站將泥水與渣土分離后，又將泥水循環(huán)注入豎井中。在豎井結(jié)構(gòu)持續(xù)下沉的同時，在地面同步進行管環(huán)施工。達到要求的深度后，由卷揚機將掘進機構(gòu)回收。然后，在水下澆鑄混凝土進行豎井底部密封，并用砂漿填充環(huán)形間隙，以形成摩擦支護，將豎井固定。最后，用泵將泥水排空，這樣就在不影響地下水或周圍土層的條件下完成豎井施工，并可投入使用。

圖6 準備好的始發(fā)井結(jié)構(gòu)

圖7 設(shè)備布置靈活

3 自上而下，一切盡在掌控之中

所有作業(yè)過程均從地面進行控制和監(jiān)測。除泥水分離站、沉降單元和卷揚機外，施工現(xiàn)場的設(shè)備還包括一個控制室和電力供應(yīng)系統(tǒng)。有關(guān)挖掘作業(yè)的全部可用信息均在控制室進行收集和觀察。在控制室，操作員把控一切，對所有情況及時做出反應(yīng)。在挖掘完成后或需更換挖掘刀具時，豎井掘進機可以由卷揚機提升至地面。整體系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計的優(yōu)勢在城市項目中更加明顯。設(shè)備可按實際需要進行布置。例如，如果豎井旁邊沒有足夠的空間，泥水分離站可以布置在鄰近施工現(xiàn)場的某條街道上。