CN116607944A - 一种用于复合地层预制装配式机械法竖井的建造方法 - Google Patents

Abstract

本发明包括以下步骤：核算地基承载力是否满足设计要求；施作刃脚环并预埋钢绞线夹持器锚固盒，开挖土体并同步完成设备安装环管片的拼装；组装调试竖井掘进机，并将其固定于设备安装环管片上进行试掘进；向竖井井筒内灌入平衡泥浆，采用竖井掘进机截削式刀头水下分层开挖土层及软岩，并同步拼装沉放环管片，更换竖井掘进机刀盘开挖硬岩环形槽段，实现刃脚环嵌岩后进行水下混凝土封底；对管片壁后进行注浆封堵并填充开挖间隙，并确认是否向下开挖；本发明实现了竖井刃脚环嵌岩，同时解决截削式刀头竖井掘进机硬岩地层刀具损耗大、施工效率低甚至无法开挖等难题。

Description

一种用于复合地层预制装配式机械法竖井的建造方法

技术领域

本发明涉及竖井建造技术领域，特别是涉及一种用于复合地层预制装配式机械法竖井的建造方法。

背景技术

竖井是地下空间开发最常见结构之一，其常用于矿产、水资源开发、电力、综合管廊、轨道交通等领域的施工临时竖井或永久结构。目前多采用人工或半机械法开挖方式进行施工，支护形式则以“围护结构+内支撑”及喷锚支护为主，存在安全隐患大、工作效率低、施工成本高等施工及安全问题；随着城市化发展的日益加快，地下空间资源日益稀缺，且随着人口老龄化问题的日趋严重，探索一种安全、经济、机械化程度高的深层地下空间开发手段已成为当代社会的迫切需求。

现阶段，国内已开发出采用截削式刀头竖井掘进机建造竖井的成功案例，其无需施作围护结构，克服了传统沉井式施工工期较长、施工精度难以控制等问题，具有准备周期短、施工速度快、安全性好、节约建造成本等优点，主要应用于软土、砂卵石及软岩地层；而竖井多为水下开挖、直径以12m以下为主，且需采用大体积混凝土进行水下封底，对于＞60Mpa的硬岩地层，采用截削式刀头竖井掘进机建造竖井易出现截削式刀具损耗大、施工效率低甚至无法开挖等建造难题，因此该工法对于上为土层、下为硬岩的复合地层适应性较差；另一方面，现阶段竖井支护结构仍以现浇混凝土为主，而采用预制装配式结构作为支护结构可有效节约工期、提高支护结构施工质量及减少劳动力，更能体现机械法竖井技术的优势；为满足机械法竖井掘进技术在复合地层应用，且保证经济性、安全性及可靠性，有必要研究一种采用截削式刀头开挖土层及软岩、采用环切滚刀刀盘开挖刃脚环槽、利用岩层止水特性仅对环槽封底、以预制管片作为支护结构的机械法竖井建造技术，使其能克服硬岩难题，又能发挥截削式刀头竖井掘进机和岩层止水特性的优势，有效节约工期。

发明内容

本发明目的就是针对现有技术中的不足，提供一种用于复合地层预制装配式机械法竖井的建造方法，通过采用截削式刀头配合环切滚刀刀盘相结合形式的竖井掘进机进行开挖，实现竖井刃脚环嵌岩，充分发挥截削式刀头竖井掘进机经济性优势，同时解决截削式刀头竖井掘进机硬岩地层刀具损耗大、施工效率低甚至无法开挖等难题。为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种用于复合地层预制装配式机械法竖井的建造方法，包括以下步骤：

S1、核算地基承载力是否满足设计要求，若否，则加固地层并施作锁口圈梁，并预埋竖井井筒提升系统的基座；

S2、施作刃脚环并预埋钢绞线夹持器锚固盒用于安装钢绞线，开挖土体并同步完成设备安装环管片的拼装；

S3、组装调试竖井掘进机，并将竖井掘进机固定于设备安装环管片上进行试掘进；

S4、向竖井井筒内灌入平衡泥浆，采用竖井掘进机截削式刀头水下分层开挖土层及软岩，并同步拼装沉放环管片，直至开挖深度到达软岩及硬岩分界线处停止；

S5、更换竖井掘进机刀盘开挖硬岩环形槽段，实现刃脚环嵌岩，并对硬岩环槽进行水下混凝土封底；

S6、对管片壁后进行注浆封堵并填充开挖间隙，然后完成井筒内降水作业，根据工程设计要求决定是否向下开挖，若否，则施作底板结构；若是，则施作底部环梁结构。

优选的，所述步骤S1的具体实施方式为：

S11、根据竖井井筒埋深、管片自重、设备重量及地质情况核算地基承载力是否满足设计要求，若地基承载力无法满足设计要求，则采用三轴搅拌桩对锁口圈梁的下方地层进行加固，使地基承载力满足设计要求；

S12、待地基承载力满足设计要求后，即刻施作锁口圈梁，并根据设计需求预埋竖井井筒提升系统的基座。

优选的，所述步骤S2的具体实施方式为：

S21、在锁口圈梁内侧以现浇钢筋混凝土或预制拼装钢管片内充混凝土的方式施作刃脚环，并根据设计要求在刃脚环处预埋竖井井筒提升系统的钢绞线夹持器锚固盒；

S22、待刃脚环强度满足设计要求后，将竖井井筒提升系统的钢绞线安装至钢绞线夹持器锚固盒，并将竖井井筒提升系统锚固于锁口圈梁基座处；

S23、在刃脚环内侧采用挖掘机开挖土体至竖井掘进机设备安装所需要的深度及底轮廓，并同步完成设备安装环管片的拼装。

优选的，所述步骤S3的具体实施方式为：

S31、在地面拼装完成竖井掘进机的主机系统，将竖井掘进机的主机系统固定于设备安装环管片的预埋钢板焊接基座处，将竖井掘进机的配套设备固定于锁口圈梁上；

S32、竖井掘进机安装完成后，对竖井掘进机进行设备调试工作，确保竖井掘进机的主机系统及配套设备运行情况良好；

S33、竖井掘进机调试完毕后，进行试掘进工作，并同步调整优化竖井掘进机施工参数，确保在竖井掘进机在实际掘进过程中参数无异常，施工参数调整优化后，进入正常掘进状态。

优选的，所述步骤S4的具体实施方式为：

S41、向竖井井筒内灌入平衡泥浆，并保证井内液面高度高于地下水位；

S42、采用竖井掘进机的截削式刀头水下分层开挖土层及软岩，当开挖完成一环管片深度后，在地面拼装一环预制管片，预制管片的块与块间采用斜直螺栓相连接且每环管片上设两套剪刀锁装置，同时后拼装的环管片与先拼装的环管片通过竖向通长螺栓相连接，当管片拼装完成后，通过竖井井筒提升系统控制竖井井筒整体沉放一环高度；

S43、重复步骤S42，直至竖井开挖深度到达软岩及硬岩分界线处停止。

优选的，所述步骤S5的具体实施方式为：

S51、吊出竖井掘进机的主机系统，将截削式刀头更换为环切滚刀刀盘后，重新将竖井掘进机的主机系统吊放固定于设备安装环管片的预埋钢板焊接基座处；

S52、采用环切滚刀刀盘沿刃脚环底开挖硬岩的环槽，开挖深度保证刃脚环嵌入硬岩层内；

S53、控制刃脚环沉放至硬岩的环槽后，对环槽进行水下混凝土封底，并保证封底混凝土的浇筑质量。

优选的，所述步骤S6的具体实施方式为：

S61、待硬岩环槽的封底混凝土强度达到设计要求后，利用管片预留注浆孔进行管片壁后注浆，将管片壁后开挖间隙填充密实；

S62、待管片壁后注浆满足设计要求后，进行井筒内试降水，水位高度2m，若一段时间后降水的水位无明显变化，可直接完成井筒内降水；若水位恢复则继续进行注浆封堵措施，并重复进行试降水作业，当注浆封堵后的井筒隔绝地下水后，方可完成井筒内降水作业；

S63、完成井筒内降水作业后，根据工程设计要求，若无需继续向下开挖，则施作底板结构；若仍需向下开挖，则施作底板环梁结构；并使底板环梁结构与预制管片间采用可靠性的钢筋连接，形成稳定结构。

本发明的有益效果：

1)本发明提供的建造方法，能够采用截削式刀头配合环切滚刀刀盘结合形式的竖井掘进机进行开挖，其中截削式刀头竖井掘进机开挖复合地层土层或软岩，环切滚刀刀盘开挖硬岩环槽，实现竖井刃脚环嵌岩，充分发挥截削式刀头竖井掘进机的经济性优势，同时解决截削式刀头竖井掘进机针对大于60Mpa的硬岩地层造成的刀具损耗大、施工效率低甚至无法开挖等难题，形成适用于上为土层、下为硬岩的复合地层机械法竖井建造技术，克服现有截削式竖井掘进机对地层适应性差的难题，拓宽该技术的应用范围。

2)本发明将井筒内充满平衡泥浆，并保证井筒内液面高度高于地下水位，可使井筒内外平衡，保障竖井掘进机全过程水下开挖，大大降低开挖施工风险；

3)本发明充分利用岩层自身止水性好的特性，仅对环槽进行水下混凝土封底，代替大体积水下混凝土全封闭封底方式，提高复合地层机械法竖井建造技术的经济性；

4)本发明采用预制装配式管片作为支护结构，用以代替传统现浇钢筋混凝土支护结构，显著减少湿作业及内支撑结构，提高施工质量；

5)本发明采用井筒提升系统控制井筒沉放，提高竖井稳定性及施工精度，避免井筒沉放过程中的倾斜过大问题；

6)本发明施工过程机械化程度高，与传统人工或半机械开挖工法相比，可有效节约工期，最大程度减少人工作业，有利于向智能化建造方向发展。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图；

图2为本发明方法中采用截削式刀头的开挖示意图；

图3为本发明方法中采用环切滚刀刀盘的开挖环槽示意图；

图4为本发明方法中环槽水下混凝土的封底剖面图；

图5为本发明方法中环槽水下混凝土的封底立面图；

图6为本发明方法中井筒管片的拼接示意图；

图7为本发明方法中底部环梁的配筋图；

图8为本发明方法中底部环梁与预制管片的连接示意图；

图9为本发明方法中竖井掘进机的组装示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。下面根据本发明的整体结构，对其实施例进行说明。

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1所示，一种用于复合地层预制装配式机械法竖井的建造方法，包括以下步骤，如图2-图9所示，仅仅为了更好的对本发明方法中的部分步骤进行更加生动的表示，并不完全代表本发明的实施流程。

S1、核算地基承载力是否满足设计要求，若否，则加固地层并施作锁口圈梁，并预埋竖井井筒提升系统的基座；其中，步骤S1的具体实施方式如下：

S11、根据竖井井筒埋深、管片自重、设备重量及地质情况核算地基承载力是否满足设计要求，若地基承载力无法满足设计要求，则采用三轴搅拌桩对锁口圈梁的下方地层进行加固，使地基承载力满足设计要求；

S12、待地基承载力满足设计要求后，即刻施作锁口圈梁，并根据设计需求预埋竖井井筒提升系统的基座。

S2、施作刃脚环并预埋钢绞线夹持器锚固盒用于安装钢绞线，开挖土体并同步完成设备安装环管片的拼装；其中，步骤S2的具体实施方式如下：

S21、在锁口圈梁内侧以现浇钢筋混凝土或预制拼装钢管片内充混凝土的方式施作刃脚环，并根据设计要求在刃脚环处预埋竖井井筒提升系统的钢绞线夹持器锚固盒；

S22、待刃脚环强度满足设计要求后，将竖井井筒提升系统的钢绞线安装至钢绞线夹持器锚固盒，并将竖井井筒提升系统锚固于锁口圈梁基座处；

S23、在刃脚环内侧采用挖掘机开挖土体至竖井掘进机设备安装所需要的深度及底轮廓，并同步完成设备安装环管片的拼装。

S3、组装调试竖井掘进机，并将竖井掘进机固定于设备安装环管片上进行试掘进；其中，步骤S3的具体实施方式如下：

S31、在地面拼装完成竖井掘进机的主机系统，将竖井掘进机的主机系统固定于设备安装环管片的预埋钢板焊接基座处，将竖井掘进机的配套设备固定于锁口圈梁上；

S32、竖井掘进机安装完成后，对竖井掘进机进行设备调试工作，确保竖井掘进机的主机系统及配套设备运行情况良好；

S33、竖井掘进机调试完毕后，进行试掘进工作，并同步调整优化竖井掘进机施工参数，确保在竖井掘进机在实际掘进过程中参数无异常，施工参数调整优化后，进入正常掘进状态。

S4、向竖井井筒内灌入平衡泥浆，采用竖井掘进机截削式刀头水下分层开挖土层及软岩，并同步拼装沉放环管片，直至开挖深度到达软岩及硬岩分界线处停止；其中，步骤S4的具体实施方式如下：

S41、向竖井井筒内灌入平衡泥浆，并保证井内液面高度高于地下水位；

S42、采用竖井掘进机的截削式刀头水下分层开挖土层及软岩，当开挖完成一环管片深度后，在地面拼装一环预制管片，预制管片的块与块间采用斜直螺栓相连接且每环管片上设两套剪刀锁装置，同时后拼装的环管片与先拼装的环管片通过竖向通长螺栓相连接，当管片拼装完成后，通过竖井井筒提升系统控制竖井井筒整体沉放一环高度；

S43、重复步骤S42，直至竖井开挖深度到达软岩及硬岩分界线处停止。

S5、更换竖井掘进机刀盘开挖硬岩环形槽段，实现刃脚环嵌岩，并对硬岩环槽进行水下混凝土封底；其中，步骤S5的具体实施方式如下：

S51、吊出竖井掘进机的主机系统，将截削式刀头更换为环切滚刀刀盘后，重新将竖井掘进机的主机系统吊放固定于设备安装环管片的预埋钢板焊接基座处；

S52、采用环切滚刀刀盘沿刃脚环底开挖硬岩的环槽，开挖深度保证刃脚环嵌入硬岩层内；

S53、控制刃脚环沉放至硬岩的环槽后，对环槽进行水下混凝土封底，并保证封底混凝土的浇筑质量。

S6、对管片壁后进行注浆封堵并填充开挖间隙，然后完成井筒内降水作业，根据工程设计要求决定是否向下开挖，若否，则施作底板结构；若是，则施作底部环梁结构，其中，步骤S6的具体实施方式如下：

S61、待硬岩环槽的封底混凝土强度达到设计要求后，利用管片预留注浆孔进行管片壁后注浆，将管片壁后开挖间隙填充密实；

S62、待管片壁后注浆满足设计要求后，进行井筒内试降水，水位高度2m，若一段时间后降水的水位无明显变化，可直接完成井筒内降水；若水位恢复则继续进行注浆封堵措施，并重复进行试降水作业，当注浆封堵后的井筒隔绝地下水后，方可完成井筒内降水作业；

S63、完成井筒内降水作业后，根据工程设计要求，若无需继续向下开挖，则施作底板结构；若仍需向下开挖，则施作底板环梁结构；并使底板环梁结构与预制管片间采用可靠性的钢筋连接，形成稳定结构。

本发明提供一种用于复合地层预制装配式机械法竖井的建造方法，有效解决了截削式刀头竖井掘进机在复合地层的适应性难题，并充分利用岩层自身止水性，保证机械法竖井技术安全性与经济性，拓宽该技术应用范围，促进该技术进一步发展。

还采用截削式刀头配合环切滚刀刀盘结合形式的竖井掘进机建造复合地层竖井结构，充分发挥截削式刀头竖井掘进机的经济性优势，同时解决截削式刀头竖井掘进机针对硬岩地层(>60MPa)造成的刀具损耗大、施工效率低甚至无法开挖等难题；其中截削式刀头用于开挖土层及软岩地层，环切滚刀刀盘开挖硬岩环槽用于对竖井刃脚环嵌岩。井筒内充满平衡泥浆，保证井筒内液面高度高于地下水位，实现井筒内外平衡，竖井掘进机全过程水下开挖。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明，因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (7)

1.一种用于复合地层预制装配式机械法竖井的建造方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、核算地基承载力是否满足设计要求，若否，则加固地层并施作锁口圈梁，并预埋竖井井筒提升系统的基座；

S2、施作刃脚环并预埋钢绞线夹持器锚固盒用于安装钢绞线，开挖土体并同步完成设备安装环管片的拼装；

S3、组装调试竖井掘进机，并将竖井掘进机固定于设备安装环管片上进行试掘进；

S4、向竖井井筒内灌入平衡泥浆，采用竖井掘进机截削式刀头水下分层开挖土层及软岩，并同步拼装沉放环管片，直至开挖深度到达软岩及硬岩分界线处停止；

S5、更换竖井掘进机刀盘开挖硬岩环形槽段，实现刃脚环嵌岩，并对硬岩环槽进行水下混凝土封底；

S6、对管片壁后进行注浆封堵并填充开挖间隙，然后完成井筒内降水作业，根据工程设计要求决定是否向下开挖，若否，则施作底板结构；若是，则施作底部环梁结构。

2.根据权利要求1所述的一种用于复合地层预制装配式机械法竖井的建造方法，其特征在于，所述步骤S1的具体实施方式为：

S11、根据竖井井筒埋深、管片自重、设备重量及地质情况核算地基承载力是否满足设计要求，若地基承载力无法满足设计要求，则采用三轴搅拌桩对锁口圈梁的下方地层进行加固，使地基承载力满足设计要求；

S12、待地基承载力满足设计要求后，即刻施作锁口圈梁，并根据设计需求预埋竖井井筒提升系统的基座。

3.根据权利要求1所述的一种用于复合地层预制装配式机械法竖井的建造方法，其特征在于，所述步骤S2的具体实施方式为：

S21、在锁口圈梁内侧以现浇钢筋混凝土或预制拼装钢管片内充混凝土的方式施作刃脚环，并根据设计要求在刃脚环处预埋竖井井筒提升系统的钢绞线夹持器锚固盒；

S22、待刃脚环强度满足设计要求后，将竖井井筒提升系统的钢绞线安装至钢绞线夹持器锚固盒，并将竖井井筒提升系统锚固于锁口圈梁基座处；

S23、在刃脚环内侧采用挖掘机开挖土体至竖井掘进机设备安装所需要的深度及底轮廓，并同步完成设备安装环管片的拼装。

4.根据权利要求1所述的一种用于复合地层预制装配式机械法竖井的建造方法，其特征在于，所述步骤S3的具体实施方式为：

S31、在地面拼装完成竖井掘进机的主机系统，将竖井掘进机的主机系统固定于设备安装环管片的预埋钢板焊接基座处，将竖井掘进机的配套设备固定于锁口圈梁上；

S32、竖井掘进机安装完成后，对竖井掘进机进行设备调试工作，确保竖井掘进机的主机系统及配套设备运行情况良好；

S33、竖井掘进机调试完毕后，进行试掘进工作，并同步调整优化竖井掘进机施工参数，确保在竖井掘进机在实际掘进过程中参数无异常，施工参数调整优化后，进入正常掘进状态。

5.根据权利要求1所述的一种用于复合地层预制装配式机械法竖井的建造方法，其特征在于，所述步骤S4的具体实施方式为：

S41、向竖井井筒内灌入平衡泥浆，并保证井内液面高度高于地下水位；

S42、采用竖井掘进机的截削式刀头水下分层开挖土层及软岩，当开挖完成一环管片深度后，在地面拼装一环预制管片，预制管片的块与块间采用斜直螺栓相连接且每环管片上设两套剪刀锁装置，同时后拼装的环管片与先拼装的环管片通过竖向通长螺栓相连接，当管片拼装完成后，通过竖井井筒提升系统控制竖井井筒整体沉放一环高度；

S43、重复步骤S42，直至竖井开挖深度到达软岩及硬岩分界线处停止。

6.根据权利要求1所述的一种用于复合地层预制装配式机械法竖井的建造方法，其特征在于，所述步骤S5的具体实施方式为：

S51、吊出竖井掘进机的主机系统，将截削式刀头更换为环切滚刀刀盘后，重新将竖井掘进机的主机系统吊放固定于设备安装环管片的预埋钢板焊接基座处；

S52、采用环切滚刀刀盘沿刃脚环底开挖硬岩的环槽，开挖深度保证刃脚环嵌入硬岩层内；

S53、控制刃脚环沉放至硬岩的环槽后，对环槽进行水下混凝土封底，并保证封底混凝土的浇筑质量。

7.根据权利要求1所述的一种用于复合地层预制装配式机械法竖井的建造方法，其特征在于，所述步骤S6的具体实施方式为：

S61、待硬岩环槽的封底混凝土强度达到设计要求后，利用管片预留注浆孔进行管片壁后注浆，将管片壁后开挖间隙填充密实；

S62、待管片壁后注浆满足设计要求后，进行井筒内试降水，水位高度2m，若一段时间后降水的水位无明显变化，可直接完成井筒内降水；若水位恢复则继续进行注浆封堵措施，并重复进行试降水作业，当注浆封堵后的井筒隔绝地下水后，方可完成井筒内降水作业；

S63、完成井筒内降水作业后，根据工程设计要求，若无需继续向下开挖，则施作底板结构；若仍需向下开挖，则施作底板环梁结构；并使底板环梁结构与预制管片间采用可靠性的钢筋连接，形成稳定结构。