一种沉井法竖井掘进机及其施工方法与流程

本发明涉及隧道施工技术领域，特别是指一种沉井法竖井掘进机及其施工方法。

背景技术：

竖井工程在地下空间开发领域应用广泛，例如盾构始发、接收竖井、采矿竖井、水利工程竖井、隧道通风竖井、地下防御工事竖井、地下立体车库竖井等等。目前，竖井开挖常用的依然是人工开挖，一边开挖，一边现浇井壁或是下沉预制井筒形成支护，机械化、自动化程度普遍较低，施工过程安全风险高，总体施工成本高。

技术实现要素：

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种沉井法竖井掘进机及其施工方法，解决了现有技术中竖井开挖机械化、自动化程度低、风险系数高、施工成本高等问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种沉井法竖井掘进机，包括掘进系统、控制系统和检测系统，所述掘进系统包括开挖装置和井壁提压装置，井壁提压装置设置在地面上的井口圈梁上，开挖装置设置在始发竖井中，始发竖井内设有底部管节和导向座，底部管节位于导向座的下方，导向座上设有驱动固定架，驱动固定架的下部通过推进油缸与底部管节相连接，驱动固定架上设有回转装置，回转装置的下部设有回转架，开挖装置与回转架相连接，回转装置上设有液压泵站、驱动装置和出渣装置，驱动装置与回转装置相连接，出渣装置与设置在地面上的提升抓斗相对应。

所述井壁提压装置包括设置在井口圈梁上的底板，底板上设有两个支撑箱体，支撑箱体内部设有提压油缸，支撑箱体上设有滑箱，滑箱与支撑箱体相配合，提压油缸的固定端通过油缸底座与底板相连接，提压油缸的伸缩端与滑箱相连接，滑箱沿支撑箱体移动，滑箱上设有活动插销组件，底板上设有固定插销组件，活动插销组件与固定插销组件相对应。

所述活动插销组件包括第一伸缩油缸和第一轴座，第一伸缩油缸设置在滑箱的一侧，第一轴座设置在滑箱的另一侧，第一轴座内活动设有第一销轴，第一伸缩油缸的伸缩端与第一销轴铰接；第一伸缩油缸水平设置，第一伸缩油缸与第一销轴位于同一水平线上。

所述固定插销组件包括第二伸缩油缸和第二轴座，第二伸缩油缸和第二轴座均与底板固定连接，第二轴座内活动设有第二销轴，第二伸缩油缸的伸缩端与第二销轴铰接；第二伸缩油缸水平设置，第二伸缩油缸与第二销轴位于同一水平直线上；第一销轴位于第二销轴正上方。

所述井口圈梁上设有至少两个井壁提压装置，井壁提压装置等距离设置在井口圈梁上，所述驱动装置包括铣挖驱动装置和回转驱动装置。

所述开挖装置包括至少一个开挖机构，开挖机构包括摆臂，摆臂的一端与回转架铰接、另一端设有设有铣挖刀组，摆臂上设有摆动油缸，摆动油缸的一端与摆臂铰接、另一端与回转架相连接，铣挖刀组与驱动装置的铣挖驱动装置相连接。

所述回转装置包括回转内支撑和回转外支撑，回转内支撑与驱动固定架相连接，回转外支撑与回转内支撑转动连接，回转外支撑与回转架固定连接，驱动装置的回转驱动装置与回转外支撑相连接且带动回转外支撑转动。

所述回转内支撑上设有渣土运输通道，提升抓斗与渣土运输通道相对应。

一种沉井法竖井掘进机的施工方法，包括如下步骤：s1：开挖出能够安装底部管节的始发竖井，并对井口周边部位进行硬化，形成井口圈梁；在始发竖井内安装底部管节，并在井口圈梁上固定安装井壁提压装置；

s2：在s1中的底部管节内部安装井内工作模块；在地面安装控制系统、检测系统、提升系统，连接相关管线；

s3：安装调试好s2中的各模块后，在s2中的底部管节的上部安装一节标准管节，操作推进油缸和摆动油缸，使推进油缸和摆动油缸均处于完全伸出状态，使开挖装置处于始发竖井中心位置，启动开挖装置上的铣挖置驱动装置，带动开挖装置上的开挖机构自转，同时启动回转驱动装置带动回转装置旋转，进而带动开挖装置回转，同时操控推进油缸进给，实现对底部管节下部中心部位的岩土进行掘进开挖；

s4：开挖完始发竖井中心部位的岩土之后，关闭回转驱动装置，停止回转装置的回转运动，调节推进油缸，使推进油缸伸出，提升开挖装置至初始高度，控制摆动油缸收缩一定行程，然后再次启动回转驱动装置，带动回转装置进行回转运动，同时控制推进油缸的进给行程，继续开挖底部管节下部的岩土；

s5：重复步骤s3~s4，控制开挖装置的开挖轮廓，使底部管节下部的岩土开挖轮廓呈圆锥状；

s6：当开挖装置在始发竖井中心的开挖深度达到推进油缸的进给行程之后，关闭铣挖驱动装置和回转驱动装置，完全缩回摆动油缸，提升开挖装置至初始高度；控制提升抓斗对开挖过后的渣土进行清渣工作，待清渣完毕，井壁提压装置控制底部管节和标准管节缓慢下沉；若始发竖井外壁的摩擦力过大时，通过位于预制始发竖井内部的注浆通道和注浆口向井壁与地层之间的间隙内压注润滑泥浆，用来减小始发竖井的下沉阻力；

s7：重复s3~s6，进行竖井掘进并下沉管节，下沉过程中，通过控制不同方位的推进油缸的进给量和进给速度，对整个始发竖井下沉的方向进行调控；

s8：当始发竖井下沉至设计深度之后，对井底进行清渣，完全伸出摆动油缸和推进油缸，使开挖装置直径小于始发竖井内壁直径，并与开挖面之间留出间隙一定距离；然后使用溜灰管沿着井壁内侧向井底开挖面泵送混凝土，泵送混凝土时要避免混凝土埋到开挖装置；

s9：泵送完混凝土之后，拆除井内和地面除管节外的其他装置，即完成整个竖井的施工作业。

所述步骤s6中井壁提压装置控制底部管节和标准管节缓慢下沉的方法包括如下步骤：b1：安装第一环管片，待管片拼装完成后，旋转管片和调整提压油缸，使滑箱上的第一销轴伸出到管片预留的轴孔内，通过调整不同方位的提压油缸的伸缩，使管片的轴线处于垂直状态；

b2：沉井开始开挖并移除井内渣土，管片在提压油缸的作用下匀速下沉，待下沉至极限位置附近，固定插销组件中的第二销轴伸出到管片预留轴孔内，此时提压油缸继续回缩，使管片重力完全作用在第二销轴上，然后滑箱上的第一销轴完全收回；

b3：滑箱中的第一销轴收回后，提压油缸带动活动插销组件升起到一定高度，开始吊装下一环管片，第一伸缩油缸控制第一销轴伸出插入下一环标准管片外壁预留的销孔内；依次吊装管片，将整环的管片与上一环管片拼接完成；

b4：调整提压油缸使第一销轴完全受力，并调整管片姿态，控制固定插销组件的第二伸缩油缸收缩，使第二销轴收回；

b5：管片在提压油缸的作用下匀速下沉，重复步骤b1-s4，直到沉井深度达到设计要求。

本发明为模块式竖井掘进机，对竖井进行机械化开挖与支护，整个过程开挖精度和开挖速度大大提高，实现机械自动化施工，提高了工作效率和施工安全系数。井壁提压装置可以实现对整个井筒的提升或加压，具有提升或下沉平稳、安全、速度可调、维修方便等特点，使井筒平稳下沉，操作简单，调节精度高。本发明设计巧妙，结构紧凑，集成化程度较高，降低施工成本，具有较高的市场价值和推广价值。

附图说明

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。

图1为本发明整体结构示意图。

图2为图1中a向视图。

图3为井壁提压装置结构示意图。

图4为图1中i处局部放大图。

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。

实施例1，如图1-2所示，一种沉井法竖井掘进机，包括掘进系统、控制系统和检测系统，控制系统和检测系统均与掘进系统相连接，用于控制和检测掘进状态。所述掘进系统包括开挖装置1和井壁提压装置8，井壁提压装置8设置在地面上的井口圈梁10上，所述井口圈梁10上设有至少两个井壁提压装置8，井壁提压装置8等距离设置在井口圈梁10上，井壁提压装置8的数量可根据始发竖井井口直径的大小进行设置，以能给井筒提供平稳的支撑力为准。开挖装置1设置在始发竖井100中，用于开挖始发竖井中的岩土。始发竖井100内设有底部管节2和导向座14，底部管节2位于导向座14的下方，底部管节用于支撑标准管节11，底部管节和标准管节11可以是预制钢管节或预制混凝土管节。底部管节2和标准管节11之间以及标准管节11之间通过螺栓连接固定在一起。导向座14上设有驱动固定架13，驱动固定架13的下部通过推进油缸3与底部管节2相连接，驱动固定架13在推进油缸的作用下沿导向座上下移动，实现步进运动。驱动固定架13上设有回转装置6，回转装置6的下部设有回转架5，开挖装置1与回转架5相连接，回转装置6上设有液压泵站12、驱动装置7和出渣装置16，驱动装置7与回转装置6相连接，驱动装置带动回转装置转动，进而实现开挖装置的转动。出渣装置16与设置在地面上的提升抓斗9相对应。用于渣土的排出，所述驱动装置7包括铣挖驱动装置和回转驱动装置，铣挖驱动装置给开挖装置提供动力，回转驱动装置给回转装置提供动力。

进一步，所述开挖装置1包括一个或两个或三个或四个开挖机构，开挖机构包括摆臂1-1，摆臂1-1的一端与回转架5铰接、另一端设有设有铣挖刀组1-2，铣挖刀组1-2用于开挖竖井中的岩土。摆臂1-1上设有摆动油缸4，摆动油缸4的一端与摆臂1-1的中部铰接、另一端与回转架5相连接，铣挖刀组1-2与驱动装置7的铣挖驱动装置相连接，铣挖驱动装置为铣挖刀组自转提供动力，摆动油缸4与液压泵站相连接，摆动油缸4通过摆臂1-1带动铣挖刀组1-2进行左右摆动，用于开挖半径大小的调节。

进一步，所述回转装置6包括回转内支撑6-1和回转外支撑6-2，回转内支撑6-1与驱动固定架13相连接，回转外支撑6-2设置在回转内支撑6-1上，回转外支撑6-2与回转内支撑6-1转动连接，回转外支撑6-2与回转架5固定连接，驱动装置7的回转驱动装置与回转外支撑6-2相连接且带动回转外支撑6-2转动。回转驱动装置通过回转外支撑带动回转架转动，进而带动开挖装置转动，所述回转内支撑6-1上设有渣土运输通道6-3，提升抓斗9与渣土运输通道6-3相对应。提升抓斗通过渣土运输通道接触到竖井底部的渣土，然后将渣土运输到竖井外部，完成渣土运输。

实施例2，如图3-4所示，一种沉井法竖井掘进机，所述井壁提压装置8包括设置在井口圈梁10上的底板801，底板801上设有两个支撑箱体802，支撑箱体802内部设有提压油缸803，提压油缸竖直设置在支撑箱体中，提压油缸拥有足够的行程确保活动插销在插入或拔出管片轴孔时有充足的调整空间。支撑箱体802上设有滑箱804，滑箱804与支撑箱体802相配合，滑箱套设在支撑箱体上，且沿支撑箱体上下滑动。提压油缸803的固定端通过油缸底座805与底板801相连接，提压油缸803的伸缩端与滑箱804相连接，滑箱804沿支撑箱体802移动，在提压油缸的作用下，滑箱沿支撑箱体移动。滑箱804上设有活动插销组件806，底板801上设有固定插销组件807，活动插销组件806与固定插销组件807相对应。活动插销组件与固定插销组件位于同一竖直线上，分别与管片上预留的轴孔相对应。

活动插销组件806包括第一伸缩油缸6-1和第一轴座6-2，第一伸缩油缸6-1设置在滑箱804的一侧，第一轴座6-2设置在滑箱804的另一侧，第一伸缩油缸6-1和第一轴座6-2随滑箱进行上下同步运动，第一轴座6-2内活动设有第一销轴6-3，第一销轴可在第一轴座内进行转动和左右滑动。第一伸缩油缸6-1的伸缩端与第一销轴6-3铰接；第一伸缩油缸带动第一销轴进行左右移动。第一伸缩油缸6-1水平设置，第一伸缩油缸6-1与第一销轴6-3位于同一水平线上。第一销轴6-3与管片上预留的轴孔相对应，通过第一伸缩油缸的伸缩实现第一销轴在轴孔中的伸缩，实现对管片的连接。

固定插销组件807包括第二伸缩油缸7-1和第二轴座7-2，第二伸缩油缸7-1和第二轴座7-2均与底板801固定连接，第二轴座7-2内活动设有第二销轴7-3，第二销轴可在第二轴座内转动和左右滑动，第二伸缩油缸7-1的伸缩端与第二销轴7-3铰接；第二伸缩油缸带动第二销轴在第二轴座内左右滑动。第二伸缩油缸7-1水平设置，第二伸缩油缸7-1与第二销轴7-3位于同一水平直线上；第一销轴6-3位于第二销轴7-3正上方。每套装置设置两个油缸，伸出和收缩完全同步，其共同承担沉井管片的重力和加压力。通过分别控制不同方位的推进油缸的进给量和进给速度，对整个井筒下沉的方向进行调控。

其他结构与实施例1相同。

一种沉井法竖井掘进机的施工方法，包括如下步骤：s1：开挖出能够安装底部管节的始发竖井，并对井口周边部位进行硬化，形成井口圈梁；在始发竖井内安装底部管节，并在井口圈梁上固定安装井壁提压装置；

s2：在s1中的底部管节内部安装井内工作模块；在地面安装控制系统、检测系统、提升系统，连接相关管线；

s3：安装调试好s2中的各模块后，在s2中的底部管节的上部安装一节标准管节，操作推进油缸和摆动油缸，使推进油缸和摆动油缸均处于完全伸出状态，使开挖装置处于始发竖井中心位置，启动开挖装置上的铣挖置驱动装置，带动开挖装置上的开挖机构自转，同时启动回转驱动装置带动回转装置旋转，进而带动开挖装置回转，同时操控推进油缸进给，实现对底部管节下部中心部位的岩土进行掘进开挖；

s4：开挖完始发竖井中心部位的岩土之后，关闭回转驱动装置，停止回转装置的回转运动，调节推进油缸，使推进油缸伸出，提升开挖装置至初始高度，控制摆动油缸收缩一定行程，然后再次启动回转驱动装置，带动回转装置进行回转运动，同时控制推进油缸的进给行程，继续开挖底部管节下部的岩土；

s5：重复步骤s3~s4，控制开挖装置的开挖轮廓，使底部管节下部的岩土开挖轮廓呈圆锥状；

s6：当开挖装置在始发竖井中心的开挖深度达到推进油缸的进给行程之后，关闭铣挖驱动装置和回转驱动装置，完全缩回摆动油缸，提升开挖装置至初始高度；控制提升抓斗对开挖过后的渣土进行清渣工作，待清渣完毕，井壁提压装置控制底部管节和标准管节缓慢下沉；若始发竖井外壁的摩擦力过大时，通过位于预制始发竖井内部的注浆通道和注浆口向井壁与地层之间的间隙内压注润滑泥浆，用来减小始发竖井的下沉阻力；

s7：重复s3~s6，进行竖井掘进并下沉管节，下沉过程中，通过控制不同方位的推进油缸的进给量和进给速度，对整个始发竖井下沉的方向进行调控；

s8：当始发竖井下沉至设计深度之后，对井底进行清渣，完全伸出摆动油缸和推进油缸，使开挖装置直径小于始发竖井内壁直径，并与开挖面之间留出一定距离；然后使用溜灰管沿着井壁内侧向井底开挖面泵送混凝土，泵送混凝土时要避免混凝土埋到开挖装置；

s9：泵送完混凝土之后，拆除井内和地面除管节外的其他装置，即完成整个竖井的施工作业。

步骤s6中井壁提压装置控制底部管节和标准管节缓慢下沉的方法包括如下步骤：b1：安装第一环管片，待管片拼装完成后，旋转管片和调整提压油缸，使滑箱上的第一销轴伸出到管片预留的轴孔内，通过调整不同方位的提压油缸的伸缩，使管片的轴线处于垂直状态；b2：沉井开始开挖并移除井内渣土，管片在提压油缸的作用下匀速下沉，待下沉至极限位置附近，固定插销组件中的第二销轴伸出到管片预留轴孔内，此时提压油缸继续回缩，使管片重力完全作用在第二销轴上，然后滑箱上的第一销轴完全收回；b3：滑箱中的第一销轴收回后，提压油缸带动活动插销组件升起到一定高度，开始吊装下一环管片，第一伸缩油缸控制第一销轴伸出插入下一环标准管片外壁预留的销孔内；依次吊装管片，将整环的管片与上一环管片拼接完成；b4：调整提压油缸使第一销轴完全受力，并调整管片姿态，控制固定插销组件的第二伸缩油缸收缩，使第二销轴收回；b5：管片在提压油缸的作用下匀速下沉，重复步骤b1-b4，直到沉井深度达到设计要求。每一环管片下沉到地平面以下后所有孔需加端盖进行密封，防止地下水渗出或壁后注浆时发生浆液泄露。当管片重量大于井壁的摩擦阻力时，提压油缸主要承受来自于管片的重力，通过油缸无杆腔的降压来驱动管片缓慢匀速下降。当管片重量小于井壁的摩擦阻力时，提压油缸有杆腔加压，此时无杆腔需保持一定被压，共同作用下确保管片顺利下沉。下沉期间可以通过检测油缸压力来辨别是否采用壁厚注浆的方式进行减摩处理，以确保井筒能够顺利下沉。

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。