一种竖井开挖装置、大直径竖井掘进机及施工方法与流程

1.本发明涉及竖井开挖技术领域，特别是指一种竖井开挖装置、大直径竖井掘进机及施工方法。


背景技术：

2.随着地下工程深入研究及应用，竖井应用范围越来越广。传统竖井施工中采用的是普通凿井法，这种方法开挖土速度慢，机械化程度低，施工人员安全性风险大，施工成本高。高度机械化和智能化的竖井掘进机是一种发展趋势，可实现井下无人化施工，智能操作和监控，施工精度高，施工速度快。
3.针对大直径、超大直径断面竖井的开挖，一次开挖成形的掘进机其制造难度之大，刀盘重量之重，不仅给制造带来很大的困难，在运输、工地组装、设备拆机、动力配套等方面均造成了极大的成本浪费，安拆效率低、功耗大等问题是全断面掘进机施工主要特点。特别是针对城市内施工，场地的限制导致对掘进机的尺寸和运行方式和开挖效率要求更高。综上所述，如何有效的解决大断面竖井全断面开挖效率低等问题，是当前本领域人员需解决的问题。


技术实现要素：

4.针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种竖井开挖装置、大直径竖井掘进机及施工方法，解决了现有技术中大断面竖井施工困难、开挖效率低的问题。
5.本发明的技术方案是这样实现的：一种竖井开挖装置，包括支撑平台，所述支撑平台上设有公转机构，所述公转机构上设有至少一个能自转的摆臂开挖组件，摆臂开挖组件上设有出渣机构，出渣机构与泥浆分离系统相连接。
6.进一步，所述公转机构包括回转支架和固定在井筒上的固定支撑架，回转支架与固定支撑架转动连接，回转支架通过传动机构与设置在支撑平台上的主驱动相连接。优选地，所述回转支架上沿圆周方向设置有若干个摆臂开挖组件，摆臂开挖组件沿回转支架的径向由中心向外周排布，每个摆臂开挖组件均能够自转
±
180
°
。
7.进一步，所述摆臂开挖组件包括副驱动和截割臂，副驱动通过滑移机构与公转机构相连接，副驱动的输出端设有回转座，截割臂铰接在回转座上且通过摆动油缸与回转座相连接，截割臂的下部设有截割刀头。优选地，所述滑移机构包括固定在公转机构上的推进轨道和推动件，副驱动与推进轨道滑动配合且与推动件相连接。
8.进一步，所述出渣机构包括固定在摆臂开挖组件的截割臂上的弯头管和泥浆泵，弯头管和泥浆泵相连接，弯头管的进浆口设有格栅板，格栅板朝向摆臂开挖组件的截割刀头，弯头管的出浆端设有出浆管，出浆管通过设置在摆臂开挖组件上的副回转接头向上延伸，且通过设置在公转机构上的主回转接头与泥浆分离系统相连接。
9.一种大直径竖井掘进机，包括所述的竖井开挖装置、井筒提拉装置、泥水分离系统和线缆托架系统，竖井开挖装置设置在井筒内，井筒由井筒提拉装置提供上下运动的动力，
泥水分离系统与竖井开挖装置的出渣机构连通，线缆托架系统与竖井开挖装置连接，井筒提拉装置、泥水分离系统和线缆托架系统设置在地面上。
10.进一步，所述井筒包括管片组成的筒体和刃脚环，刃脚环位于筒体的底端面上，刃脚环与洞壁接触的外圆周面上设有密封件，刃脚环上设有固定器，固定器上设有第一钢铰线，第一钢绞线与井筒提拉装置相连接。其中，所述线缆托架系统上的动力线缆和泥水分离系统的泥浆管均通过竖井开挖装置上的主回转接头向下延伸。
11.一种所述的大直径竖井掘进机的施工方法，步骤如下：s1：对基坑进行锁口施工；s2：将刃脚环和由管片拼装的标注管节安装在基坑内，测量确认中心和垂直度以后，安装井筒提拉装置，并通过第一钢绞线将井筒固定；s3：将竖井开挖装置安装在井筒内，并将相应的管线连接；s4：启动竖井开挖装置，竖井开挖装置的摆臂开挖组件在公转机构的作用下进行整体公转，同时各个摆臂开挖组件进行自转，对基坑进行大直径开挖，形成井洞；s5：开挖过程中产生的泥浆经摆臂开挖组件上的出渣机构进入泥浆分离系统，泥浆分离系统对泥浆进行过滤处理，过滤处理后的泥浆重新进入基坑内形成泥水循环；s6：竖井开挖装置开挖过程中，井筒提拉装置通过井筒带动竖井开挖装置向下运动，直至掘进至设计标高；s7：拆掘进机及相关设备，然后进行封底作业，在井筒与井洞之间填充混凝土，形成竖井。
12.本发明开挖装置的灵活性和结构紧凑等特点，掌子面操作空间充裕，可以针对特殊地质进行局部的特殊处理，灵活控制设备超欠挖，配合高精度控制下的井筒提拉系统完成井筒下沉过程中的调向功能和垂直度控制，从而实现井筒的高精度下沉，避免传统施工过程中的井筒凸沉、偏沉、不沉等现象发生。通过摆臂开挖组件的有机组合和公转加自转的工作模式，简化了设备体积和重量，在完成大直径竖井施工的过程中，有效提升施工效率，降低了设备制造成本。本发明通过将摆臂开挖组件有机组合且结合相应的控制方法和施工技术实现超大直径竖井的开挖，该掘进机通过开挖装置的自转和整体回转支架的公转运动，实现全断面覆盖的一种开挖形式；井筒采用跟进式下沉，开挖与支护同步进行，井筒由布置在地面的多组提拉装置固定，保持井筒的稳定和下沉方向，通过井筒提拉装置和开挖、出渣装置相结合，形成一套完整的施工工艺和工法，大大提高施工效率和施工安全系数。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
14.图1为本发明整体结构示意图。
15.图2为本发明竖井掘进机俯视示意图。
16.图3为图1中a处局部放大图。
17.图4为摆臂开挖组件与出渣机构装配状态侧视示意图。
18.图5为摆臂开挖组件与出渣机构装配状态主视示意图。
具体实施方式
19.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付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。
20.如图1所示，实施例1，一种竖井开挖装置，包括支撑平台6，支撑平台6为开挖装置的主要支撑部分，施工时，支撑平台固定在井筒上，随井筒同步向下运动。所述支撑平台6上设有公转机构7，公转机构能相对支撑平台进行360度转动，所述公转机构7上设有至少一个能自转的摆臂开挖组件8，摆臂开挖组件在随公转机构进行同步转动的同时也能进行360度自转，自转与公转的结合，实现全断面的开挖。摆臂开挖组件8上设有出渣机构11，出渣机构11与泥浆分离系统相连接。开挖过程中产生的泥浆经出渣机构进入泥浆分离系统，完成出渣。
21.进一步，所述公转机构7包括回转支架701和固定在井筒9上的固定支撑架703，固定支撑架为回转支架提供部分支撑，回转支架701与固定支撑架703转动连接，回转支架701通过传动机构与设置在支撑平台6上的主驱动702相连接。回转支架与支撑平台通过轴承等回转件连接，然后在主驱动的作用下相对固定支撑架转动，实现摆臂开挖组件的公转。优选地，所述回转支架701上沿圆周方向设置有若干个摆臂开挖组件8，其数量根据需要设置。最佳方式是摆臂开挖组件8沿回转支架701的径向由中心向外周排布，每个摆臂开挖组件8均能够自转
±
180
°
。摆臂开挖组件可以作为独立单元开挖竖井，也可以组成开挖系统实现更大直径的开挖。
22.施工过程中，回转支架预留中心通道，可以在有水地质和无水地质实现出渣方式的切换。针对富水地质，在回转支架上安装主回转接头，连接泥浆管实现泥水环流出渣。针对干旱少水地质，回转支架的中心通道留空，作为抓斗或吊桶等干式出渣的通道，实现无水环境的渣土输送需求。
23.进一步，如图3所示，所述摆臂开挖组件8包括副驱动802和截割臂804，副驱动802通过滑移机构与公转机构7相连接，副驱动为截割臂的转动提供动力。副驱动802的输出端设有回转座801，截割臂804铰接在回转座801上且通过摆动油缸805与回转座801相连接，摆动油缸805伸缩带动截割臂摆动，调节其开挖直径。截割臂804的下部设有截割刀头806，截割刀均匀螺旋布设，提高开挖效率。通过将多个摆臂开挖组件联动工作实现大直径断面开挖，同时还具备开挖直径可调功能。相较于传统开挖方式，减小开挖过程中设备和井筒所承受的反推力和扭转力矩，减小能耗，在设备装机功率和整体重量受控的情况下，提升整体工作范围，适用于大断面竖井开挖，提升工作效率，降低设备制造成本。其中优选地，所述滑移机构包括固定在公转机构7上的推进轨道803和推动件807，副驱动802与推进轨道803滑动配合且与推动件807相连接。推动件可采用驱动油缸，在驱动油缸的作用下，摆臂开挖组件进行垂直进给运动，提高掘进效率。
24.进一步，如图4、5所示，所述出渣机构11包括固定在摆臂开挖组件8的截割臂804上的弯头管111和泥浆泵116，弯头管111和泥浆泵116相连接，泥浆泵为进浆提供动力。弯头管111的进浆口设有格栅板112，进浆口为喇叭形口，格栅板112朝向截割刀头806，弯头管的端部设置的格栅，避免大块渣土集中进入进浆管造成堵塞，进浆管的入口部分朝向截割头，通
过截割头的旋转一方面可以使渣土在离心力的作用下直接进入进浆管，一方面尺寸过大的石块或障碍物可以被截割头上的截齿扫削并从进浆管出分离，防止进浆管堵塞。弯头管111的出浆端设有出浆管113，出浆管113通过设置在摆臂开挖组件8上的副回转接头114向上延伸，且通过设置在公转机构7上的主回转接头115与泥浆分离系统相连接。泥浆泵采用马达驱动，环流泥浆通过泥浆泵进入进浆管中，并通过副回转接头的中心通道汇集到主回转接头的通道内，进而输送到井外，通过泥水分离系统3过滤后重返井内，形成泥水环流。
25.每个摆臂开挖组件的单独自转开挖配合支撑平台公转运动可以覆盖整个开挖断面。在同等面积的开挖轮廓下，分组设计和布置开挖装置相较于单组开挖装置，其整体尺寸可以相应缩小，驱动功率也随时减少，单组开挖装置的工作效率显著提高，同时相较于传统开挖方式，缩小了单个圆形开挖面的直径，减小掘进机开挖过程中设备和井筒所承受的反推力和扭转力矩，防止较大载荷条件下部件疲劳失效，提升整体工作范围，适用于大断面竖井开挖，能够有效提升工作效率，同时降低设备制造成本。由于开挖装置的灵活性和结构紧凑等特点，掌子面操作空间充裕，可以针对特殊地质进行局部的特殊处理，灵活控制设备超欠挖，配合高精度控制下的井筒提拉系统完成井筒下沉过程中的调向功能和垂直度控制，从而实现井筒的高精度下沉，避免传统施工过程中的井筒凸沉、偏沉、不沉等现象发生。上述掘进机的开挖方式通过多组小直径掘进机有机结合所带来的的显著的优势除上述所讲的效率高，装机功率小等特点外，还包括单组装置的模块化设计有助于提高制造环节的效率，由于尺寸的缩小，一方面更有利于组织批量化生产，配件易采购，一方面降低加工制造难度，对加工设备、吊装设备和运输能力等需求进一步降低，综上所述，提高设备综合能效，提升性价比，是当前大直径竖井开挖的优选的解决方案，利于市场推广和应用。
26.实施例2：如图1、2所示，一种大直径竖井掘进机，包括所述的竖井开挖装置、井筒提拉装置1、泥水分离系统3和线缆托架系统2，竖井开挖装置设置在井筒9内，井筒9由井筒提拉装置1提供上下运动的动力，泥水分离系统3与竖井开挖装置的出渣机构11连通，线缆托架系统2与竖井开挖装置连接，井筒提拉装置1、泥水分离系统3和线缆托架系统2设置在地面上。井筒提拉装置设置多组均布在基坑周围，提供稳定提拉力。井筒通过第一钢绞线10钢绞线固定器连接在提拉装置下端，提拉装置负责将井筒提起稳固并保持垂直的状态。地面设备还包括动力系统和控制操作单元。泥浆管和动力电缆线通过线缆托架系统2进行收放，线缆托架可以储存多余的管线，随着设备的持续掘进，储存的管线在作业人员的控制下匀速下放。
27.进一步，所述井筒9包括管片901组成的筒体和刃脚环904，刃脚环成楔形设计，减小下沉阻力。刃脚环904位于筒体的底端面上，刃脚环904与洞壁接触的外圆周面上设有密封件903，密封件用以封闭井筒壁厚的减摩泥浆，密封件由环形的橡胶套和压板组成，通过螺栓固定在刃脚环外壁上。刃脚环904上设有固定器902，固定器902上设有第一钢铰线10，第一钢绞线10与井筒提拉装置1相连接。钢绞线固定器用以连接钢绞线，并承受井筒和掘进机的重力，所述固定器可以设置在刃脚壁后，从而保持钢绞线的垂直受力，也可以设置在环内，方便钢绞线的拆装。所述线缆托架系统2上的动力线缆4和泥水分离系统3的泥浆管5均通过竖井开挖装置上的主回转接头115向下延伸。泥浆管包括出浆管路和进浆管路，使泥浆形成循环。其他结构与实施例1相同。
28.实施例3：一种如实施例2所述的大直径竖井掘进机的施工方法，步骤如下：s1：对
基坑进行锁口施工；根据掘进机的装机和始发场地布置概况，进行完锁口和始发基坑施工；s2：将刃脚环和由管片拼装的标注管节安装在基坑内，测量确认中心和垂直度以后，安装井筒提拉装置，并通过第一钢绞线将井筒固定；s3：将竖井开挖装置安装在井筒内，并将相应的管线连接；即在步骤s1、s2的准备工作完成以后，接线来安装设备，井筒内井壁上预设有安装接口，通过起重设备依次将支撑平台、回转接头、开挖装置安装至井下，之后连接管线至地面的控制室和动力单元并启动掘进和始发。出渣方式根据地质水文条件可灵活组合选用，针对富水地层，出渣方式采用泥浆泵泵送和泥水分离系统相结合的形式进行出渣。施工工程井内采用不排水作业保持地下水位平衡，防止周边地质沉降和掌子面失稳等现象发生。针对干旱缺水地区可选用抓斗的形式通过回转接头所在的通道进行干式出渣，解决取水困难、环境破坏等问题，节能环保，绿色高效。
29.s4：启动竖井开挖装置，竖井开挖装置的摆臂开挖组件8在公转机构的作用下进行整体公转，同时各个摆臂开挖组件进行自转，对基坑进行大直径开挖，形成井洞；即开挖装置采用多组摆臂开挖组件通过一定的位置关系有机组合而成，单组开挖装置可以实现垂直移动，实现开挖的垂直进给功能，截割头在截割臂的带动下旋转切割岩土，截割臂安装在驱动装置下端，能够实现
±
180
°
的旋转，且通过安装在驱动装置下端的摆臂油缸实现不同直径的切削，根据实际施工的竖井直径的大小，确定截割臂画圆的直径。多组摆臂开挖组件在自身画圆切削岩土时，在回转支架的上的驱动作用下，围绕井中心做公转的运动，开挖装置的自转和公转相拟合，完成大直径竖井端面的开挖。而截割臂的摆动所改变的切割直径能够使截割臂上的截割头伸入到刃脚下方实现全断面的开挖，进而实现超挖功能，协助井筒提拉系统实现井筒垂直度的控制。
30.s5：针对泥水出渣，开挖过程中产生的泥浆经摆臂开挖组件8上的出渣机构11进入泥浆分离系统，泥浆分离系统对泥浆进行过滤处理，过滤处理后的泥浆重新进入基坑内形成泥水循环。出渣方式根据地质水文条件可灵活组合选用，针对富水地层，出渣方式采用泥浆泵泵送和泥水分离系统相结合的形式进行出渣。施工工程井内采用不排水作业保持地下水位平衡，防止周边地质沉降和掌子面失稳等现象发生。针对干旱缺水地区可选用抓斗的形式通过回转接头所在的通道进行干式出渣。
31.s6：竖井开挖装置开挖过程中，井筒提拉装置通过井筒带动竖井开挖装置向下运动，直至掘进至设计标高；s7：拆掘进机及相关设备，然后进行封底作业，在井筒与井洞之间填充混凝土，形成竖井。
32.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。