CN113775341A - 一种适用于竖井掘进的钢管片同步跟进施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适用于竖井掘进的钢管片同步跟进施工方法,包括:设计施工位置的锁口结构以及进行锁口施工;利用掘进装备掘进一层钢管片的深度;将形成第一层的钢管环的至少两块钢管片吊装至掘进装备预定位置后,对相邻钢管片之间的焊缝进行焊接形成钢管环,对钢管片与盾体之间的缝隙进行焊接用于将首层的钢管环固定在盾体上;掘进装备掘进同时进行钢管片焊接组装直至完成;预留盾体并退出掘进装备,进行浇筑得到竖井井筒结构。应用本发明的施工方法,采用钢管片随竖井掘进施工同步跟进,在软土地层或岩石地层均可对井壁快速形成支护效果,且钢管片整体焊接后强度高,适应各种地层的开挖,兼具软土/岩石掘进施工的适应性。
Description
技术领域
本发明涉及竖井施工技术领域,具体涉及一种适用于竖井掘进的钢管片同步跟进施工方法。
背景技术
竖井是连接地面到地下空间的最短通道,是重要的地下工程设施,在水力、矿产、市政、国防等诸多领域均有广泛应用。
现有竖井施工技术包括钻爆法、钻机法、反井法、扩孔法等,其技术优劣分析如下:
钻爆法:钻爆法是目前常用的竖井施工方式,通过打孔设备在竖井开挖面进行打孔,而后在孔内安装***进行***,通常采用抓斗和吊桶向上出渣,在掘进过程中采用锚杆+喷混的方式对竖井洞壁进行支护。钻爆法成本低,技术成熟,但是存在安全性差、施工效率低、人员需求多等诸多缺点,特别是现在***受到严格管控,钻爆法应用严重受限。
钻机法:钻机法适用于软土地层,通过大直径钻头对竖井进行开挖,井内充满高浓度泥浆形成临时支护,通过泥浆泵持续向上出渣,掘进完成后在井内沉入管片进行永久支护。钻机法施工效率高,对于软土地层有较为成熟的应用案例,但该技术对于岩石和各类复杂地质适应性差,且施工过程中钻头维修难度极高,一旦卡钻,需潜水员潜入高压泥浆中进行作业。
反井法:反井法是指从下往上进行开挖竖井建设方式的统称,需在拟修建竖井的正下方开挖水平隧道,作为竖井施工的出渣通道,并在拟开挖竖井地面井口位置向下开挖小直径的导孔,并修建吊装装置,用以承载旋转刀盘,在吊装装置向上的拉力下,刀盘旋转切削上方土体,土体下落至下方水平隧道完成出渣。反井法出渣方便,能适应硬岩,但是需有底部水平隧洞和导洞,工序复杂。
扩孔法:扩孔法的施工工序与反井法类似,也需有底部水平隧洞和导洞,区别在于扩孔法是由上往下,而反井法是由下往上,扩孔开挖的渣土由导洞垂直下落进入水平隧洞完成出渣。扩孔法施工优缺点与反井法类似。
在各工序施工细节方面,存在以下问题:
支护环节:现有技术在采用管片进行支护时,一般采用预制混凝土管片或者预制钢管片,管片与管片通过螺栓方式进行连接,这导致竖井管片在法向和竖直向上方向的承载能力低,井筒成型后整体强度有限,无法应对高强度的竖井建设需求。同时,管片间存在缝隙,后期有密封泄漏的风险。采用焊接方法作为管片连接方式,可提高井筒整体强度、提高防泄漏能力,但是管片之间全部采用焊接方式耗时极多,且需在井下环境进行焊接作业,难度极高。
浇筑环节:钻爆法通常采用滑膜浇筑法对井壁进行分段浇筑作业,在竖井整体开挖完成后下放模板***,在模板与井壁间浇筑混凝土完成逐层分段浇筑,因此无法一次性完成整体浇筑,浇筑耗时多;钻机法需要在掘进施工完成后,从底部开始逐环拼装管片并布置隔水层,拼装完成后在洞壁与管片之间进行喷混,工序较为繁杂;反井法和扩孔法对施工地质有要求,一般需要较好的施工地质条件,目前在国内少有施工案例。常规水平隧道在进行浇筑时,由于管片安装完成后不再移动位置,通常是在进行完一环管片拼装后就马上进行混凝土浇筑,不存在混凝土的同步浇筑问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种适用于竖井掘进的钢管片同步跟进施工方法,具有同时适用于岩石地层和软土地层、安全性能好且竖井井筒结构质量高的特性,具体是:本发明采用钢管片随竖井掘进施工同步跟进,在软土地层或岩石地层均可对井壁快速形成支护效果,且钢管片整体焊接后强度高,井筒可作为传递刀盘推力的介质,为刀盘提供掘进推力,适应各种地层的开挖,兼具软土/岩石掘进施工的适应性;掘进和钢管片装配完毕后能短时间内完成浇筑回填,确保竖井井筒结构的质量。
一种适用于竖井掘进的钢管片同步跟进施工方法,包括以下步骤:
第一步、设计施工位置的锁口结构以及进行锁口施工;
第二步、利用掘进装备掘进一层钢管片的深度;
第三步、将形成第一层的钢管环的至少两块钢管片吊装至掘进装备预定位置后,对相邻钢管片之间的焊缝进行焊接形成钢管环,对钢管片与盾体之间的缝隙进行焊接用于将首层的钢管环固定在盾体上;
第四步、利用掘进装备继续向下掘进;将形成第i层的钢管环的至少两块钢管片吊装至掘进装备预定位置后,对相邻钢管片之间的焊缝进行焊接形成钢管环;并将位于上下层的钢管环之间的焊缝进行焊接;i取大于等于2的自然数;
第五步、判断,若i大于N,N为竖井总的钢管环的环数,则进入下一步,否则,取i=i+1,返回第四步;
第六步、预留盾体并退出掘进装备,采用多点位混凝土垂直浇筑技术进行浇筑得到竖井井筒结构。
优选的,钢管片为具有容纳腔的钢管片;所有钢管片之间的容纳腔相互连通。
优选的,所述第六步中采用多点位混凝土垂直浇筑技术进行浇筑具体是:沿竖井的周向并列设置多组混凝土浇筑单件进行混凝土浇筑;混凝土浇筑单件包括沿竖井中心轴线方向布置的浇筑管道;
浇筑具体包括以下步骤:
步骤6.1、对竖井井筒的底部进行浇筑;
步骤6.2、采用阶梯式浇筑方法对钢管片的容纳腔以及钢管片与井壁之间的空腔进行浇筑。
优选的,所述步骤6.2中:钢管片的容纳腔内的混凝土高度为h 1,钢管片与井壁之间的空腔内的混凝土高度为h 2 ,确保二者之间液面高度差;
其中:d为钢管片距离竖井圆心距离;d 2为钢管片与井壁之间的空腔的宽度;d 1为钢管片的容纳腔的宽度;v 1为在钢管片与井壁之间的空腔内的浇筑速度;v 2为在钢管片与井壁之间的空腔内的浇筑速度;t为浇筑时间。
优选的,所述第四步中的焊接操作中焊接速率v 1和掘进速率v 2满足表达式4):
其中:h为单层的钢管片的高度;m为各层的钢管环所包含的钢管片的数量;l为钢管环中单块钢管片的弧长;n为沿竖井的周向设置且同步进行焊接的焊接机的数量。
优选的,焊接速率v 1和掘进速率v 2采用表达式5)进行计算:
其中:k为焊接速度适应系数,取值范围为(0.8,1)。
优选的,所述钢管片包括围合成容纳腔的顶板、底板、侧板以及端板;顶板、底板以及端板上均开设有用于混凝土流通的通孔;
所述容纳腔内设有均与侧板连接的第一隔板以及第二隔板,第一隔板和第二隔板上均设有用于混凝土流通的通孔;在水平截面上,第一隔板的中心轴线与相连的侧板成15°-90°的夹角设置,第二隔板的中心轴线与相连的侧板成15°-85°的夹角设置;沿混凝土流动方向,第二隔板和第一隔板按序相间排列。
优选的,所述第一步中锁口结构包括形成整体结构的混凝土部分以及加强构件,加强构件为加强筋以及钢板中的至少一种。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外,本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图,对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1是本发明优选实施例的适用于竖井掘进的钢管片同步跟进施工方法流程图;
图2是本发明优选实施例中钢管片的结构示意图;
图3是本发明优选实施例中浇筑施工的示意图;
图4是图3中阶梯式浇筑方法的原理示意图;
其中,1、地面;2、井底地面;3、盾体;4、锁口结构,4.1、混凝土部分,4.2、加强构件;5、竖井井壁;6、混凝土;7、钢管环,7.1、钢管片,7.1.1、顶板,7.1.2、底板,7.1.3、侧板,7.1.4、端板,7.1.5、第一隔板,7.1.6、第二隔板,7.1.7、通孔;8、混凝土浇筑单件。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明,但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例:
参见图1-图4,一种适用于竖井掘进的钢管片同步跟进施工方法,具体包括如下步骤(详见图1):
第一步、设计施工位置的锁口结构以及进行锁口施工。
本实施例中,根据评估竖井掘进装备、井筒重量及配套辅助施工装备的承载重量为后续施工提供保障,根据项目实际情况设计锁口结构形式,在竖井预设施工区域(地面1)开挖并修建锁口,待锁口结构成型后,安装掘进装备、吊装调平设备等施工设备并进行调试。此处优选:锁口结构为非对称结构或对称结构的锁口,详见图3中。锁口结构4包括形成整体结构的混凝土部分4.1以及加强构件4.2,加强构件为加强筋以及钢板中的至少一种。
第二步、利用掘进装备掘进一层钢管片的深度。
本实施例中,掘进设备包括刀盘、盾体3、出渣***等主要结构部件,掘进设备不是本实施例的重点,其结构可参考现有技术。
第三步、将形成第一层(即首层)的钢管环7的至少两块钢管片吊装至掘进装备预定位置后(本实施例优选此时盾体3顶面与钢管片7.1拼接作业面平齐),对相邻钢管片7.1之间的焊缝进行焊接形成钢管环,对钢管片与盾体之间的缝隙进行焊接用于将首层的钢管环固定在盾体上。确保盾体和钢管环形成整体结构,利于掘进和钢管片施工的作用力、导向精度等控制。
本实施例优选的:在岩石地层施工中,该掘进装备可在悬吊***下安装伸缩油缸,对钢管片的上端面提供推力,将钢管片作为传递介质,增强掘进装备刀盘的破岩能力;在软土地层施工中,利用掘进装备和钢管片自重为刀盘提供破岩正压力;在进行大深度竖井施工时,钢管片根据即时施工深度可采用不同的结构形式和尺寸,以应对大重量的轴向承载。
第四步、利用掘进装备继续向下掘进;将形成第i层的钢管环的至少两块钢管片吊装至掘进装备预定位置后,对相邻钢管片之间的焊缝进行焊接形成钢管环;并将位于上下层的钢管环之间的焊缝进行焊接;i取大于等于2的自然数。
本实施例在此工序中:此时掘进装备保持掘进状态,钢管片随着掘进的不断进行同步跟进,在掘进过程中掘进装备和钢管片的整体姿态通过悬吊***进行控制(具体采用的调控***和控制方式可参照现有技术)。
除此之外,对钢管片完成焊接后,需对焊缝质量、钢管片垂直度、平面度等指标进行检测,检测方式包含但不限于预设传感器、激光跟踪仪、垂准仪、感光靶等测量技术(参见现有技术);在钢管片安装形式上,首环钢管片与盾体焊接在一起,后续各环钢管片安装在前一环钢管片上,最终形成整体结构;在焊接作业时钢管片内外壁的焊缝均由焊接机器人进行多点位自动焊接,焊接速度与掘进速度、井筒尺寸匹配,焊接路径根据焊接机器人布置位置、布置数量、运动范围进行合理规划,可形成多层覆盖、多点位协同等焊接效果,确保整体施工效率和钢管片焊接质量。
第五步、判断,若i大于N,N为竖井总的钢管环的环数,则进入下一步,否则,取i=i+1,返回第四步。
第六步、预留盾体并退出掘进装备(即将刀盘以及盾体内部主驱动设备拆除离井,保留盾体壳体在井下),采用多点位混凝土垂直浇筑技术进行浇筑得到竖井井筒结构。盾体预留在竖井井筒结构中起辅助支撑作用。进行钢管片内部容纳腔以及钢管片与竖井井壁之间的空腔的浇筑的工艺条件和浇筑质量与之前的掘进、钢管片支护作业效率息息相关,竖井施工的直径和深度越大,施工所需时间越长,井壁围岩收敛量越大、岩壁垮塌风险越高,因此必须采用高效率的掘支施工方法,在保障掘进施工质量和效率的同时,利用钢管片与井壁间隙阶梯式浇筑工艺减少浇筑施工时间,降低岩壁垮塌风险。
本实施例优选的,钢管片为具有容纳腔的钢管片;所有钢管片之间的容纳腔相互连通,钢管片的具体结构详见图2,钢管片7.1包括围合成容纳腔的顶板7.1.1、底板7.1.2、侧板7.1.3以及端板7.1.4;顶板、底板以及端板上均开设有用于混凝土流通的通孔7.1.7;
所述容纳腔内设有第一隔板7.1.5以及第二隔板7.1.6,此处优选:第一隔板和第二隔板的上端均与顶板连接,第一隔板和第二隔板的侧面均与侧板连接,第一隔板和第二隔板的下端均与底板连接,且第一隔板和第二隔板上均设有用于混凝土流通的通孔7.1.7;在水平截面上,第一隔板的中心轴线与相连的侧板成15°-90°的夹角设置(具体夹角可根据实际工况确定),第二隔板的中心轴线与相连的侧板成15°-85°的夹角设置(具体夹角可根据实际工况确定);沿混凝土流动方向,第二隔板和第一隔板按序相间排列。本实施例采用独特的钢管片结构混凝土可在钢管片内部、同一环的钢管片之间、上下环的钢管片之间顺畅流动,混凝土凝固后不会产生空鼓、剥离等现象;第一隔板和第二隔板的独特设置关系,能够对混凝土起到很好地导向作用,避免混凝土流动过程中形成涡流,促使混凝土浇筑流动均匀且提高散热效率,提高钢管片内部混凝土的浇筑质量。进一步优选所有的通孔7.1.7采用圆倒角,降低对混凝土流动的阻碍,利于混泥土的流动。
除此之外,钢管片上还可以设置定位部位,利于同一层钢管片之间的装配以及相邻层钢管环中钢管片之间的装配定位。如采用定位凸台或定位凹槽。
本实施例优选的,所述第六步中采用多点位混凝土垂直浇筑技术进行浇筑具体是:沿竖井的周向并列设置多组混凝土浇筑单件进行混凝土浇筑;混凝土浇筑单件8包括沿竖井中心轴线方向布置的浇筑管道。浇筑具体包括以下步骤:
步骤6.1、对竖井井筒的底部进行浇筑(即从井底地面2开始浇筑);
步骤6.2、采用阶梯式浇筑方法对钢管片的容纳腔以及钢管片与竖井井壁5之间的空腔进行浇筑。
进一步优选的,所述步骤6.2中:钢管片的容纳腔内的混凝土6高度为h 1,钢管片与井壁之间的空腔内的混凝土6高度为h 2 ,确保二者之间的液面存在高度差;
其中:d为钢管片距离竖井圆心距离;d 1为钢管片的容纳腔的宽度;d 2为钢管片与井壁之间的空腔的宽度;v 1为在钢管片与井壁之间的空腔内的浇筑速度;v 2为在钢管片与井壁之间的空腔内的浇筑速度;t为浇筑时间。此处优选液面高度差的取值范围为:。d、d 1、d 2、四者的单位相同,v 1和v 2的单位相同,d、d 1、d 2、、t、v 1和v 2的单位均可根据实际工况决定,如距离、宽度采用米为单位,浇筑速率采用米/小时为单位,浇筑时间采用小时为单位。
本发明采用分配适当浆液内外高度差的方法,充分利用钢管片内外壁的散热面积,提高整体混凝土浇筑效率。除此之外,本实施例还可以在井筒内壁安装水冷、气冷、油冷等装置优化井筒内的散热,保证整体浇筑效果。
本实施例中,所述第四步中的焊接操作中焊接速率v 1和掘进速率v 2满足表达式4):
其中:h为单层的钢管片的高度,单位可采用米;m为各层的钢管环所包含的钢管片的数量,单位采用块;l为钢管环中单块钢管片的弧长,单位采用米;n为沿竖井的周向设置且同步进行焊接的焊接机的数量,单位采用台。焊接速率和掘进速率可采用相同的单位,如米/小时。
进一步优选的焊接速率v 1和掘进速率v 2采用表达式5)进行计算:
其中:k为焊接速度适应系数,取值范围为(0.8,1)。本实施例中焊接速度适应系数的合理选取,取值过小会导致钢管片整体焊接速度大于掘进速度,不能保障焊接在井口地面以上进行;取值过大会导致掘进速度远大于钢管片整体焊接速度,则不能保障焊机充分利用。
应用本实施例的技术方案,效果是:
1、本实施例采用钢管片焊接装配与掘进施工同步跟进施工方法,在软土地层开挖过程中可对井壁快速形成支护效果;且钢管片整体焊接后强度高,井筒可作为传递刀盘推力的介质,为刀盘提供掘进推力,适用于岩石地层的开挖,这使得本技术兼具软土/岩石掘进施工的适应性,与相应技术比较,具有革命性地突破。
2、本发明合理调控钢管片焊接和掘进的工艺参数,实现钢管片焊接与掘进同步进行,将焊接工序从环境恶劣的井下转移到了井上,焊接速度与掘进速度、井筒参数匹配,使掘进施工能保持整体连续进行,保障了竖井掘进施工的高效性。根据设计参数匹配以及自动化焊接技术,可合理布置焊接点位,优化焊接流程,提高钢管片焊接质量,相比人工焊接以及传统的螺栓连接方式,井筒整体强度和防泄漏能力大大增强。
3、本发明施工方法中钢管片与竖井井壁之间的空隙以及钢管片内部的容纳腔采用相互配合所形成的阶梯式浇筑方法,在同样多的混凝土浇筑量情况下,在确保浇筑质量的条件下,大大提高整体浇筑效率;与现有的单层钢管片且仅仅浇筑钢管片与竖井井壁之间的空隙的工艺比较,显著改善了竖井井筒结构的质量,拓展了竖井井筒结构的应用范围,实用性强。
4、本发明中钢管片焊接装配与掘进施工同步跟进施工、钢管片焊接和掘进的工艺参数的调配以及独特的钢管片构造结合掘进完成后的阶梯式浇筑方法,前后工序相关影响,进一步提高竖井井筒结构的质量以及施工效率,以相同规格的竖井为例(可以选直径超过12米以上的竖井,如直径为23米的竖井),本发明技术每月掘进深度不低于200米,而现有的截割式竖井掘进法每月掘进20-30米,人工钻爆法为15-20米,钻机法无法实施(钻机法适用于小尺寸规格的竖井以及软土地层)。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种适用于竖井掘进的钢管片同步跟进施工方法,其特征在于,包括以下步骤:
第一步、设计施工位置的锁口结构以及进行锁口施工;
第二步、利用掘进装备掘进一层钢管片的深度;
第三步、将形成第一层的钢管环的至少两块钢管片吊装至掘进装备预定位置后,对相邻钢管片之间的焊缝进行焊接形成钢管环,对钢管片与盾体之间的缝隙进行焊接用于将首层的钢管环固定在盾体上;
第四步、利用掘进装备继续向下掘进;将形成第i层的钢管环的至少两块钢管片吊装至掘进装备预定位置后,对相邻钢管片之间的焊缝进行焊接形成钢管环;并将位于上下层的钢管环之间的焊缝进行焊接;i取大于等于2的自然数;
第五步、判断,若i大于N,N为竖井总的钢管环的环数,则进入下一步,否则,取i=i+1,返回第四步;
第六步、预留盾体并退出掘进装备,采用多点位混凝土垂直浇筑技术进行浇筑得到竖井井筒结构。
2.根据权利要求1所述的适用于竖井掘进的钢管片同步跟进施工方法,其特征在于,钢管片为具有容纳腔的钢管片;所有钢管片之间的容纳腔相互连通。
3.根据权利要求2所述的适用于竖井掘进的钢管片同步跟进施工方法,其特征在于,所述第六步中采用多点位混凝土垂直浇筑技术进行浇筑具体是:沿竖井的周向并列设置多组混凝土浇筑单件进行混凝土浇筑;混凝土浇筑单件包括沿竖井中心轴线方向布置的浇筑管道;
浇筑具体包括以下步骤:
步骤6.1、对竖井井筒的底部进行浇筑;
步骤6.2、采用阶梯式浇筑方法对钢管片的容纳腔以及钢管片与井壁之间的空腔进行浇筑。
4.根据权利要求3所述的适用于竖井掘进的钢管片同步跟进施工方法,其特征在于,所述步骤6.2中:钢管片的容纳腔内的混凝土高度为h 1,钢管片与井壁之间的空腔内的混凝土高度为h 2 ,确保二者之间的液面形成高度差;
其中:d为钢管片距离竖井圆心距离;d 2为钢管片与井壁之间的空腔的宽度;d 1为钢管片的容纳腔的宽度;v 1为在钢管片与井壁之间的空腔内的浇筑速度;v 2为在钢管片与井壁之间的空腔内的浇筑速度;t为浇筑时间。
8.根据权利要求2所述的适用于竖井掘进的钢管片同步跟进施工方法,其特征在于,所述钢管片包括围合成容纳腔的顶板、底板、侧板以及端板;顶板、底板以及端板上均开设有用于混凝土流通的通孔;
所述容纳腔内设有均与侧板连接的第一隔板以及第二隔板,第一隔板和第二隔板上均设有用于混凝土流通的通孔;在水平截面上,第一隔板的中心轴线与相连的侧板成15°-90°的夹角设置,第二隔板的中心轴线与相连的侧板成15°-85°的夹角设置;沿混凝土流动方向,第二隔板和第一隔板按序相间排列。
9.根据权利要求1所述的适用于竖井掘进的钢管片同步跟进施工方法,其特征在于,所述第一步中锁口结构包括形成整体结构的混凝土部分以及加强构件,加强构件为加强筋以及钢板中的至少一种。
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