一种悬臂竖井掘进机的制作方法

本发明涉及掘进设备领域，特别是涉及一种悬臂竖井掘进机。

背景技术：

近年来，城市地下空间领域飞速发展，水平向施工装备如盾构机发展已比较成熟，而竖井开挖依然大多采用人工开挖的传统施工工法，工作效率低下，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。

竖井掘进是由地面垂直向下挖掘竖井的施工过程，在地下施工领域应用广泛，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。

竖井掘进装备经历长期发展，但始终未实现大的突破，现有的竖井掘进设备无法满足超大直径、大深度竖井洞穴的开挖，且存在开挖土速度慢，机械化程度低等问题，掘进过程中通过持续旋转的方式向下掘进，工作负载大，需要解决现有技术中竖井开挖困难、设备集成度低、掘进深度和直径有限的问题。

因此，如何提供一种设备集成度高且顺利开挖大深度大直径竖井的悬臂竖井掘进机是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种悬臂竖井掘进机，将多种功能集成于一体，并通过多种掘进方式结合的方式减小设备工作负载，实现大直径大深度竖井的顺利开挖。

为解决上述技术问题，本发明提供一种悬臂竖井掘进机，包括主机架、开挖系统、出渣系统、支护系统和吊装系统，所述主机架包括下端设置有刃角的下沉壳体和安装于所述下沉壳体内部的固定机构，所述开挖系统包括安装于所述固定机构下方的回转架、安装于所述回转架下方的开挖装置和安装于所述固定机构的回转驱动装置，所述出渣系统和所述支护系统安装于所述固定机构上方，所述吊装系统设置于地面并吊装所述主机架，所述开挖装置每次完成部分掌子面的开挖后，所述回转驱动装置驱动所述开挖装置转动预设角度，使所述开挖装置继续工作完成下一部分掌子面的开挖；

所述开挖装置包括安装于回转架下方的多个开挖臂架以及连接所述开挖臂架的伸缩油缸、摆动油缸和铣削头，多个所述开挖臂架呈矩形排布，每次开挖一个覆盖掌子面圆心的矩形区域。

优选地，所述回转架包括圆形外框和设置于所述圆形外框内的八个辐条。

优选地，所述出渣系统包括固定于所述开挖装置后部的真空泵、回转中心、出渣管路和吊运装置。

优选地，所述支护系统包括锚杆钻机、喷混设备和用于支撑混凝土管片的管片托架，所述吊装系统吊装所述管片托架，开挖至基岩时，所述下沉壳体持续下沉，所述管片托架位置固定，所述锚杆钻机和所述喷混设备旋转工作。

优选地，所述吊装系统包括多组钢绞线装置，多组所述钢绞线装置连接所述主机架，通过调整所述钢绞线装置的下放长度调整所述主机架的倾斜角度。

优选地，所述固定机构包括固定连接所述下沉壳体内部的固定槽、连接所述固定槽的固定座和连接所述固定座的固定架，所述回转驱动装置安装于所述固定架并连接所述回转架。

优选地，所述固定槽通过螺栓安装于所述下沉壳体内壁，所述固定座和所述固定架通过销轴连接所述固定槽。

优选地，所述固定架上方安装有工作平台，所述工作平台上设置有变压器。

优选地，所述回转架和所述固定机构之间设置有多个滑轮支撑座。

本发明提供一种悬臂竖井掘进机，包括主机架、开挖系统、出渣系统、支护系统和吊装系统，主机架包括下端设置有刃角的下沉壳体和安装于下沉壳体内部的固定机构，开挖系统包括安装于固定机构下方的回转架、安装于回转架下方的开挖装置和安装于固定机构的回转驱动装置，出渣系统和支护系统安装于固定机构上方，吊装系统设置于地面并吊装主机架，开挖装置每次完成部分掌子面的开挖后，回转驱动装置驱动开挖装置转动预设角度，使开挖装置继续工作完成下一部分掌子面的开挖。

工作过程中，开挖装置启动工作，开挖整个掌子面的一部分，完成这一部分的开挖后，回转驱动装置驱动开挖装置转动预设角度，使其错开已经挖完的部分，对准整个掌子面的下一部分，然后开挖装置再次启动工作，开挖第二部分，开挖装置经多次旋转后，完成整个掌子面的开挖。通过分步转动开挖的方式带动传统的持续转动开挖，减小设备工作负载，实现了超大直径、大深度竖井的顺利开挖，同时将开挖、出渣、支护等多种功能集成于一体，提高施工效率，在复杂地质环境中进行竖井开挖，实现竖井全断面掘进。

附图说明

图1为本发明所提供的悬臂竖井掘进机的一种具体实施方式的结构示意图；

图2为本发明所提供的悬臂竖井掘进机的一种具体实施方式中回转架的结构示意图；

图3为本发明所提供的悬臂竖井掘进机的一种具体实施方式中固定机构的局部放大图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种悬臂竖井掘进机，将多种功能集成于一体，并通过多种掘进方式结合的方式减小设备工作负载，实现大直径大深度竖井的顺利开挖。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1至图3，图1为本发明所提供的悬臂竖井掘进机的一种具体实施方式的结构示意图；图2为本发明所提供的悬臂竖井掘进机的一种具体实施方式中回转架的结构示意图；图3为本发明所提供的悬臂竖井掘进机的一种具体实施方式中固定机构的局部放大图。

本发明具体实施方式提供一种悬臂竖井掘进机，包括主机架、开挖系统、出渣系统、支护系统和吊装系统，其中，主机架包括下沉壳体1和固定机构，下沉壳体1为轴线竖直的套筒结构，上下两端开放，且下端设置有刃角，固定机构安装于下沉壳体1内部。开挖系统包括安装于固定机构下方的回转架2、安装于回转架2下方的开挖装置3和安装于固定机构的回转驱动装置4，出渣系统和支护系统安装于固定机构上方，吊装系统设置于地面并吊装主机架，开挖装置3每次完成部分掌子面的开挖后，回转驱动装置4驱动开挖装置3转动预设角度，使开挖装置3继续工作完成下一部分掌子面的开挖。

工作过程中，开挖装置3启动工作，开挖整个掌子面的一部分，完成这一部分的开挖后，回转驱动装置4驱动回转架2转动预设角度，进而带动开挖装置3转动预设角度，使其错开已经挖完的部分，对准整个掌子面的下一部分，然后开挖装置3再次启动工作，开挖第二部分，开挖装置3经多次旋转后，完成整个掌子面的开挖。通过分步转动开挖的方式带动传统的持续转动开挖，减小设备工作负载，实现了超大直径、大深度竖井的顺利开挖，同时将开挖、出渣、支护等多种功能集成于一体，提高施工效率，在复杂地质环境中进行竖井开挖，进行扫略式开挖，实现竖井全断面掘进。回转驱动装置4可以采用伺服电机、液压马达等多种驱动装置。

具体地，开挖装置3包括安装于回转架2下方的多个开挖臂架以及连接开挖臂架的伸缩油缸、摆动油缸和铣削头，通过伸缩油缸和摆动油缸驱动开挖臂架完成伸缩摆动等动作，进而带动铣削头完成开挖，多个开挖臂架呈矩形排布，使每次开挖后，挖掘的区域为整个掌子面的一部分，为一个覆盖掌子面圆心的矩形区域，经过多次旋转，多个矩形区域拼接呈完整的掌子面。也可调整开挖臂架的布置方式及矩形尺寸等，适当调整旋转角度即可，均在本发明的保护范围之内。

为了保证开挖臂架的稳定连接，回转架2包括圆形外框和设置于圆形外框内的八个辐条。八个辐条交汇于圆形外框的中心，还可设置直径小于圆形外框的加强圈等，各个开挖臂架安装于辐条，也可通过增加辐条数量及开挖装置3的数量来提高开挖效率。

在本发明具体实施方式提供的悬臂竖井掘进机中，出渣系统包括固定于开挖装置3后部的真空泵、回转中心5、出渣管路6和吊运装置7。通过真空泵将开挖装置3切削下来的渣土经由出渣管路6和回转中心5吸至吊运装置7的吊桶内，由吊运装置7将渣土输出至洞外，当然也可通过传送带等方式向外运输。竖井开挖与出渣能够同时连续进行，相互不干扰，保证开挖过程的连续性，能够有效节省施工时间。

支护系统包括锚杆钻机8、喷混设备9和用于支撑混凝土管片17的管片托架10，吊装系统吊装管片托架10，开挖至基岩时，下沉壳体1持续下沉，管片托架10位置固定，锚杆钻机8和喷混设备9旋转工作。正常地质掘进中，当回转架2带动开挖装置3完成整个掌子面的开挖后，带刃角的下沉壳体1在重力作用下沉，混凝土管片17在竖井洞口完成拼装成环，堆砌到之前混凝土管片17的上方，同时吊装系统使管片托架10同步下沉，使之前堆砌的混凝土管片17也整体下沉进而完成衬砌。当开挖至基岩时，由于地层稳定性较好，可关闭与管片托架10相连的吊装系统，管片托架10位置固定不动，下沉壳体1回持续下沉，混凝土管片17不再随下沉壳体下沉，两者之间产生间隙。此时，锚杆钻机8和喷混设备9旋转工作，在基岩洞壁上打锚杆、挂钢筋网、喷射混凝土衬砌。根据不同地质切换不同的支护方式，提高自动化、机械化程度。当下沉壳体1与洞壁之间摩擦力过大时，还可在下沉壳体1外部注入喷润土改善润滑性能。

进一步地，吊装系统包括多组钢绞线装置11，多组钢绞线装置11连接主机架，通过调整钢绞线装置11的下放长度调整主机架的倾斜角度，进而实现掘进方向的控制，另外还有单独的多组钢绞线装置分别连接管片托架10等部件，实现精确控制。也可采用其他类型的吊装系统，均在本发明的保护范围之内。

在本发明具体实施方式提供的悬臂竖井掘进机中，为了保证设备的稳定连接，固定机构包括固定槽12、固定座13和固定架14，固定槽12固定连接下沉壳体1内壁，固定座13连接固定槽12，固定架14连接固定座13，回转驱动装置4安装于固定架14，且回转驱动装置4的输出轴连接回转架2的中心。具体地，固定槽12通过螺栓安装于下沉壳体1内壁，固定座13和固定架14通过销轴连接固定槽12，还可在固定槽12和固定座13之间设置啮合的凹槽和凸起，限制周向转动，插入销轴后，即可完全限制相对运动，保证稳定连接。也可采用其他连接方式，如全部螺栓连接或卡接等。在固定架14上方安装有工作平台15，工作平台15上设置有变压器等设备。

在上述各具体实施方式提供的悬臂竖井掘进机的基础上，回转架2和固定机构之间设置有多个滑轮支撑座16，负载时回转架2通过滑轮支撑座16压缩固定机构，同时通过滑轮保证两者相对转动，以便将回转架2在掘进过程中受到的反推力传递给固定机构，改善回转架2受力情况，优化回转架2承力结构，解决超大直径开挖式回转架2力矩过大的问题，根据力矩数值及设备强度的需要，调整滑轮支撑座16的位置。

以上对本发明所提供的悬臂竖井掘进机进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。