随着我国现代化进程的不断推进，许多大城市的地上可用空间越来越少，开发和利用地下空间资源成为一种趋势，如修建地下停车场、给排水工程、地下仓储等公共设施，可以节省大量地上空间资源。我国地下竖井项目主要采用钻爆法和机械法破岩，目前以钻爆法为主，存在施工难度大、安全风险高、粉尘污染严重等诸多弊端。机械法破岩主要有钻井法和竖井掘进机挖掘两种方法，钻井法存在地层适应性较差、破土及排渣效率不高等问题；竖井掘进机对土体扰动小，施工效率高，安全可靠，自动化程度高。目前除了德国海瑞克和日本的沉井掘进机外，国内外相关研究较少。为此，本文对下沉式竖井掘进机主要组成部分及功能进行了分析，并设计了一套竖井掘进机沉降单元。

下沉式竖井掘进机主要组成部分及功能

下沉式竖井掘进机（VSM）主要包括主机、主机绞车、管线输送单元、沉降单元、主控室、液压站、电力系统和泥水处理系统等，如下图所示：

下沉式竖井掘进机结构

主机主要用来挖掘竖井，包括回转中心、铁挖单元等，是竖井挖掘工作的核心部分

沉降单元用以提升整个竖井及掘进机，采用步进式沉降方式，并实时调整竖井姿态，是保证施工安全与效果的关键因素

主机绞车用来将主机提出竖井进行检修、保养与回收，是重要的起吊设备

管线输送单元用来输送管线，连接掘进机与地面设备，包括电源、液压油、润滑油、工业水、砂浆、信号与数据等

主控室可以观测整个项目进展情况，并进行相应操作与控制

泥水处理系统将对从竖井内吸取的泥浆进行泥水分离，并根据需要调整竖井内水位高度，保证施工安全

液压站、电力系统为整个施工项目提供动能

沉降单元设计

沉降单元通常由几组提升力相同的绞线油缸、绞线卷盘、导向架和油缸支架等组成，如下图所示：

沉降单元结构

几组绞线油缸均匀分布于竖井四周，油缸底部固定于油缸支架上，然后与预制混凝土地面固定连接。根据每组绞线油缸的承载能力，选择合适的钢绞线规格与数量根据深井深度，选择合适的钢绞线长度。竖井由管片拼接而成，掘进机与下部管片连接在一起，底部一环管片为刃脚形式，且均布开有斜向槽口。绞线卷盘缠有足够长度的钢绞线，固定于绞线油缸附近，钢绞线从绞线卷盘输出，沿油缸支架上部的导向架从上部穿入绞线油缸，导向架为半圆形，防止钢绞线超过弯曲半径而损坏。

钢绞线穿过绞线油缸上部与下部的夹紧装置，穿过油缸底座，经过土体与竖井外壁的间隙，穿过下部刃脚管片中的管片固定锚与夹片，固定住钢绞线端部，在竖井重力及油缸预紧力作用下，钢绞线被拉紧，进而对竖井及掘进机起到提升作用。随着掘进机挖掘深度的增加，管片重量越来越大，加上掘进机的重量，导致整个竖井系统很重，因此，沉降单元应具备强大的承载能力。随着拼接的竖井越来越长，姿态容易倾斜，需要沉降单元不同吊点之间具备良好的协同作用，并根据竖井检测传感器反馈的信号及时调整油缸的速度与位移，始终保持竖井垂直向下，只有这样，才能保证竖井施工的顺利进行，且具备良好的施工效果。

绞线油缸

绞线油缸主要包括上缸体、下缸体、缸杆、夹紧装置、顶推装置、密封和传感器等，夹紧装置包括弹簧、夹片、油缸固定锚和顶管等，如下图所示：

绞线油缸总体结构

缸杆上部与下缸体中分别安装一套夹紧装置，缸杆在绞线油缸中伸缩，带动上部夹紧装置整体移动。油缸固定错开有很多锥孔，夹片为锥形恰能嵌入锥孔中，弹簧位于夹片上部，顶管位于夹片下部，钢绞线穿过弹簧、夹片及顶管从底座中穿出。绞线油缸配备多个压力传感器、接近开关、位移传感器，对油缸载荷、压力、行程、同步性等进行检测。同时，绞线油缸具备高智能化操作系统，操作方式有本地、远程、安装三种模式，在本地与远程模式下，绞线油缸上、下夹紧装置具有高度的互锁关系，绝不允许同时打开油缸固定锚；只有在安装模式下，可手动解除互锁关系进行钢绞线安装，保证施工的安全性。

绞线卷盘

绞线卷盘固定于绞线油缸附近，一组绞线油缸对应一个绞线卷盘，主要包括支架、护架、旋转轴、带立式座球轴承、固定板、侧挡板和卷筒等，如下图所示：

绞线卷盘结构

支架能够支撑整个绞线卷盘及钢绞线重量，结构稳定，并具有足够的强度。护架用来围挡钢绞线，并在储备、运输时起到一定的防护作用。旋转轴一端连接卷筒，一端穿过球轴承，使整个卷筒能够自由转动。固定板固定于卷筒内腔，用来固定钢绞线端部，防止钢绞线被拽松脱。侧挡板限制钢绞线的缠绕空间，使钢绞线能够整齐缠绕不松散。卷筒开有长孔，两端与侧挡板焊接，主要用来缠绕钢绞线。钢绞线一段穿过固定板上的圆孔，并焊接固定，另一端穿过卷筒开孔，缠绕到卷筒外。

沉降单元工作原理

当竖井掘进机挖掘作业时，各组钢绞线油缸中的夹片在弹簧作用下夹紧钢绞线，使竖井处于竖直静止状态。竖井掘进机挖完预设距离的土体后，各绞线油缸通过控制动力系统推动上顶管向上移动，将上夹片向上顶起，使上夹片释放钢绞线，然后缸杆带动上部夹紧装置向上伸出。待缸杆伸出到所需距离后，上夹片在弹簧作用下重新夹紧钢绞线，随后下部夹紧装置中的下顶管向上移动，将下夹片向上顶起，使下夹片释放钢绞线，然后缸杆带动上部夹紧的钢绞线向下移动，从而带动竖井及掘进机向下沉降。

在绞线油缸的牵引下，绞线卷盘绕着中心轴转动，释放出更多的钢绞线，待缸杆收缩到相应位置后，下夹片重新夹紧钢绞线，然后由上顶管顶起上夹片，开始下一个释放行程。待竖井沉降到相应深度后，绞线油缸的上、下夹片始终保持夹紧状态，掘进机开始新的挖掘作业。竖井沉降过程中，检测系统若检测到竖井倾斜，绞线油缸的控制系统会根据接收到的数据，调整相应绞线油缸的释放速度与位移，保证竖井始终处于竖直向下的姿态。绞线油缸下放钢绞线流程如下图所示：

绞线油缸下放钢绞线流程

结论

城市竖井项目采用下沉式竖井掘进机进行施工安全可靠、工作效率高，沉降单元是掘进机的重要组成部分，是整个项目施工安全与成井效果的关键保障。对下沉单元的结构组成、工作原理、承载能力进行设计研究，具有十分重要的实际意义。

转载请注明:http://www.aideyishus.com/lktp/2115.html