一种桁架式垂直盾构机及竖井施工方法与流程

1.本发明涉及盾构工程施工技术领域，尤其涉及一种桁架式垂直盾构机及竖井施工方法。


背景技术：

2.随着城市化进程的加快，各地面临用地紧张、生存空间拥挤等问题。为了改善这一问题，人们转向地下空间的开发与利用。在横向发展上，已有日趋成熟的建造地铁、隧道等盾构掘进技术。但在垂直深度方向，尤其是较为简单的类似竖井结构，依然沿用以往的基坑开挖再做结构施工的方式，该施工方式不仅工期长，对于周边环境影响大，且用于基坑开挖及围护的措施、工艺往往耗费大量人力物力。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种桁架式垂直盾构机及竖井施工方法，以解决现有竖井结构开挖不便、工期长的问题。
4.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
5.一方面，提供一种桁架式垂直盾构机，包括:
6.支撑桁架，固定安装于井口；
7.刀盘机构，所述刀盘机构包括：
8.刀盘架，所述刀盘架绕周向均分形成多处刀片区；
9.刀片驱动装置，所述刀片驱动装置设置有多组，多组所述刀片驱动装置与所述刀片区一一对应，所述刀片驱动装置的输出端能够沿所述刀盘架径向移动；
10.传动杆，在同一处所述刀片区内，沿所述刀片驱动装置的设置方向，间隔垂直设置有多组所述传动杆，所述刀片驱动装置的所述输出端与多组所述传动杆固定连接，所述刀片驱动装置能够带动同一处所述刀片区内多组所述传动杆沿所述刀盘架径向移动；
11.动力梁组件，沿所述传动杆轴向间隔垂直设置，所述动力梁组件包括能够相对滑移的动力梁和辅助梁；所述传动杆与所述动力梁垂直固定连接，能够带动所述动力梁移动；
12.刀片，所述刀片的一端与所述动力梁转动连接，另一端与所述辅助梁转动连接，所述刀片驱动装置启动时，所述动力梁移动带动所述刀片转动挖掘泥土；
13.输土机构，置于所述刀盘架中心，能够将所述刀片挖掘出的泥土输送至地面；
14.集土机构，安装于所述传动杆上，所述集土机构能够将所述刀片挖掘的泥土输送至所述输土机构；
15.驱动机构，安装于所述支撑桁架，所述驱动机构能够驱动所述刀盘机构下移。
16.可选地，所述输土机构包括第一输送机段、第二输送机段和皮带机，所述第一输送机段固定安装于所述支撑桁架，所述第二输送机段安装于所述刀盘架中心，所述第一输送机段能与所述第二输送机段连通，将所述刀片挖掘出的泥土从地下输送至所述皮带机。
17.可选地，所述集土机构包括多组柱塞泵，多组所述柱塞泵对应安装于多组所述传
动杆上，能够将所述刀片挖掘的泥土输送至所述第二输送机段处。
18.可选地，所述驱动机构包括多个驱动千斤顶，多个所述驱动千斤顶安装于所述支撑桁架，能够驱动所述刀盘机构下移。
19.另一方面，提供一种竖井施工方法，使用上述的桁架式垂直盾构机，包括如下步骤：
20.步骤s1、在井口指定位置打入多根钢管桩，完成导墙结构；
21.步骤s2、在所述井口处安装支撑桁架，在所述支撑桁架上安装多个驱动千斤顶、第一输送机段和皮带机；
22.步骤s3、刀盘机构下放至所述井口，连接所述第一输送机段与第二输送机段，启动多个所述驱动千斤顶，所述驱动千斤顶推动所述刀盘机构下移挖土；
23.步骤s4、所述刀盘机构下移指定距离后，所述驱动千斤顶输出端收回，所述第一输送机段与所述第二输送机段脱节，安装管片；
24.步骤s5、所述管片安装完毕后，连接所述第一输送机段与所述第二输送机段，多个所述驱动千斤顶输出端抵接所述管片，推动所述刀盘机构继续下移挖土；
25.步骤s6、所述刀盘机构再次下移指定距离，所述驱动千斤顶输出端收回，所述第一输送机段与所述第二输送机段脱节，安装下一片所述管片；
26.步骤s7、重复步骤s5和步骤s6，直至所述刀盘机构达到预定深度；
27.步骤s8、撤去所述第一输送机段和所述第二输送机段，打设抗拔桩，浇筑所述刀盘机构形成底板；
28.步骤s9、竖井施工完成。
29.可选地，所述步骤s7中还包括向井道内注水。
30.可选地，在所述步骤s8中，在水下环境浇筑所述刀盘机构。
31.可选地，所述步骤s9具体包括：抽出所述井道内存水，撤去所述井口处安装设备。
32.可选地，在所述步骤s2中，所述支撑桁架安装于多根所述钢管桩上。
33.可选地，在所述步骤s4中，所述刀盘机构与所述管片间通过焊接机器人焊接固定。
34.本发明的有益效果：
35.本发明的桁架式垂直盾构机采用竖向挖土方式，将井内挖掘土实时输送至地面，同时拼搭管片形成永久围护结构，对周边环境影响较小，结构更易成型，能有效缩短工期，节省大量人力物力。
36.本发明的竖井施工方法使用了上述桁架式垂直盾构机，采用盾构方法挖掘竖井结构，施工质量有所保障，与传统施工方式相比，本发明的竖井施工方法更为经济实用。
附图说明
37.图1是本发明实施例所述的刀盘机构(隐藏驱动千斤顶和柱塞泵)的结构示意图；
38.图2是图1中a处的局部放大示意图；
39.图3是本发明实施例所述的刀盘机构的结构示意图一；
40.图4是图3中b处的局部放大示意图；
41.图5是本发明实施例所述的刀盘机构的结构示意图二；
42.图6是本发明实施例所述动力梁、辅助梁和刀片的结构连接示意图一；
43.图7是本发明实施例所述动力梁、辅助梁和刀片的结构连接示意图二；
44.图8是使用本发明实施例所述的桁架式垂直盾构机进行竖井施工的现场示意图一；
45.图9是使用本发明实施例所述的桁架式垂直盾构机进行竖井施工的现场示意图二；
46.图10是使用本发明实施例所述的桁架式垂直盾构机进行竖井施工的现场示意图三；
47.图11是使用本发明实施例所述的桁架式垂直盾构机进行竖井施工的现场示意图四；
48.图12是使用本发明实施例所述的桁架式垂直盾构机进行竖井施工的现场示意图五；
49.图13是使用本发明实施例所述的桁架式垂直盾构机进行竖井施工的现场示意图六；
50.图14是使用本发明实施例所述的桁架式垂直盾构机进行竖井施工的现场示意图七；
51.图15是使用本发明实施例所述的桁架式垂直盾构机进行竖井施工的现场示意图八；
52.图16是使用本发明实施例所述的桁架式垂直盾构机进行竖井施工的现场示意图九；
53.图17是使用本发明实施例所述的桁架式垂直盾构机进行竖井施工的现场示意图十；
54.图18是使用本发明实施例所述的桁架式垂直盾构机进行竖井施工的现场示意图十一；
55.图19是使用本发明实施例所述的桁架式垂直盾构机进行竖井施工的现场示意图十二；
56.图20是使用本发明实施例所述的桁架式垂直盾构机进行竖井施工的现场示意图十三；
57.图21是使用本发明实施例所述的桁架式垂直盾构机进行竖井施工的现场示意图十四。
58.图中：
59.1、支撑桁架；
60.2、刀盘机构；21、刀盘架；211、刀片区；22、刀片驱动装置；23、传动杆；24、动力梁组件；241、动力梁；242、辅助梁；25、刀片；
61.3、输土机构；31、第一输送机段；32、第二输送机段；
62.4、集土机构；41、柱塞泵；
63.5、驱动机构；51、驱动千斤顶；
64.100、井口；101、钢管桩；102、导墙结构；200、管片；300、抗拔桩。
具体实施方式
65.下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的零部件或具有相同或类似功能的零部件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
66.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
67.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一特征和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
68.在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
69.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
70.如图1-图7所示，本发明提供了一种桁架式垂直盾构机，包括支撑桁架1、刀盘机构2、输土机构3、集土机构4和驱动机构5。支撑桁架1固定安装于井口100；刀盘机构2包括刀盘架21、刀片驱动装置22、传动杆23、动力梁组件24和刀片25。刀盘架21绕周向均分形成多处刀片区211；刀片驱动装置22设置有多组，多组刀片驱动装置22与刀片区211一一对应，刀片驱动装置22的输出端沿刀盘架21径向移动；在同一刀片区211内，沿刀片驱动装置22的设置方向，间隔垂直设置有多组传动杆23，刀片驱动装置22的输出端与多组传动杆23固定连接，刀片驱动装置22能够带动同一刀片区211内多组传动杆23沿刀盘架21径向移动；动力梁组件24沿传动杆23轴向间隔垂直设置，动力梁组件24包括能够相对滑移的动力梁241和辅助梁242；传动杆23与动力梁241垂直固定连接，能够带动动力梁241移动；刀片25的一端与动力梁241转动连接，另一端与辅助梁242转动连接，刀片驱动装置22启动时，动力梁241移动带动刀片25转动挖土。输土机构3置于刀盘架21中心，能够将刀片25挖掘出的泥土输送至地面；集土机构4安装于传动杆23上，集土机构4能够将刀片25挖掘的泥土输送至输土机构3；驱动机构5安装于支撑桁架1，驱动机构5能够驱动刀盘机构2下移。
71.在本实施例中，支撑桁架1安装于井口100处(参照附图9)，作为反力架及承载架使用。刀盘架21绕周向均分形成多处刀片区211，具体如图1所示，本实施例中刀盘架21绕周向被均分成十二片扇形刀片区211，每个扇形刀片区211对应设置有一个刀片驱动装置22(参照附图3)，本实施例中的刀片驱动装置22为千斤顶，沿刀盘架21径向布置，置于扇形刀片区211中心线位置处，刀片驱动装置22的输出端沿刀盘架21径向输出。刀片区211中传动杆23和动力梁组件24的连接情况如图2和图4所示，沿刀片驱动装置22的设置方向，间隔垂直设
置有多组传动杆23，刀片驱动装置22的输出端与多组传动杆23固定连接，当刀片驱动装置22的输出端沿刀盘架21径向输出移动时，其能够带动多组传动杆23与其同向移动。传动杆23上间隔安装有多组动力梁组件24(参照图2和图4)，动力梁组件24的设置方向与刀片驱动装置22设置方向平行，动力梁组件24具体包括能够相对滑移的动力梁241和辅助梁242，如图5-图7所示，动力梁241和辅助梁242层叠设置，能够相对滑移，传动杆23与上方的动力梁241固定连接，刀片25一端与动力梁241转动连接，另一端与辅助梁242转动连接，初始状态下如图5所示，刀片25竖直垂下，当刀片驱动装置22启动时，刀片驱动装置22输出端带动传动杆23同向移动，传动杆23进而带动动力梁241同向移动，以使动力梁241和辅助梁242间产生相对位移，刀片25在动力梁241和辅助梁242配合作用下转动挖土，如图6和图7所示。可以理解，本实施例中辅助梁242可为固定梁，也可为移动梁(与动力梁241反向移动)，其具体设置根据实际情况设计，本实施例不做限定，且各扇形刀片区211内刀片25的转动，由所在刀片区211的刀片驱动装置22独立控制，各个刀片区211间的刀片驱动装置22独立作业，互不干扰，可根据实际挖掘情况控制各个刀片区211内刀片25的转向。
72.进一步地，刀片驱动装置22启动挖掘后，驱动机构5驱动刀盘机构2下移，本实施例中的驱动机构5包括多个安装于支撑桁架1的驱动千斤顶51，驱动刀盘机构2下移，以使刀片25不断切削泥土，随刀盘机构2挖掘不断深入，挖掘后的土壤由集土机构4和输土机构3配合将地下挖掘土传输至地面，如图4和图5所示，本实施例中的集土机构4包括多组柱塞泵41，多组柱塞泵41对应安装于多组传动杆23上，置于刀片25附近，能够将刀片25挖掘的泥土统一集中运输至刀盘架21中心输土机构3处，由输土机构3进一步将泥土输出至地面。
73.可选地，输土机构3包括第一输送机段31、第二输送机段32和皮带机，第一输送机段31固定安装于支撑桁架1，第二输送机段32安装于刀盘架21中心，第一输送机段31能与第二输送机段32连通，将刀片25挖掘出的泥土从地下输送至皮带机。在本实施例中，参照附图10，输土机构3包括能相互连通的第一输送机段31和第二输送机段32，第一输送机段31和第二输送机段32为螺旋垂直输送机，第一输送机段31安装于支撑桁架1，第二输送机段32安装于刀盘架21中心处，运输泥土时将第二输送机段32和第一输送机段31连通，泥土经第二输送机段32和第一输送机段31输送至地面皮带机处，由皮带机进一步输送。
74.此外，本实施例中还提供了一种竖井施工方法，使用上述的桁架式垂直盾构机，包括如下步骤：
75.步骤s1、在井口100指定位置打入多根钢管桩101，完成导墙结构102；
76.在此步骤中，如图8所示，在井口100预定位置打入多根钢管桩101，钢管桩101的数量，由现场具体情况计算得出，本实施例中打入四根钢管桩101并完成导墙结构102。值得注意的是，在此步骤中，需要确保导墙结构102厚度，其能够承担后期运输泥土的土方车的载荷，防止井口100坍塌。
77.步骤s2、在井口100处安装支撑桁架1，在支撑桁架1上安装多个驱动千斤顶51、第一输送机段31和皮带机；
78.在此步骤中，如图9所示，在井口100处指定位置处搭建支撑桁架1，并在在支撑桁架1上安装多个驱动千斤顶51、第一输送机段31和皮带机等设备。可选地，支撑桁架1可安装于多根钢管桩101上，钢管桩101不仅起到地基固定作用，还可作为支撑柱对支撑桁架1起支撑作用。
79.步骤s3、刀盘机构2下放至井口100，连接第一输送机段31与第二输送机段32，启动多个驱动千斤顶51，驱动千斤顶51推动刀盘机构2下移挖土；
80.在此步骤中，如图11所示，通过桁架的悬挂吊车将刀盘机构2下放至井口100，连接第一输送机段31与第二输送机段32，准备下挖。待第一输送机段31与第二输送机段32连接完毕后，驱动千斤顶51启动，推动刀盘机构2下移挖土。
81.步骤s4、刀盘机构2下移指定距离后，驱动千斤顶51输出端收回，第一输送机段31与第二输送机段32脱节，安装管片200；
82.在本实施例中，如图12所示，刀盘机构2下移指定距离后，在刀盘机构2上安装管片200，本实施例中，为保证止水效果，刀盘机构2与管片200间通过焊接机器人焊接固定。
83.步骤s5、管片200安装完毕后，连接第一输送机段31与第二输送机段32，多个驱动千斤顶51输出端抵接管片200，推动刀盘机构2继续下移挖土；
84.在此步骤中，如图13所示，待管片200安装完毕后，重新连接第一输送机段31与第二输送机段32，千斤顶51启动推动管片200，以使刀盘机构2继续下移挖土。
85.步骤s6、刀盘机构2再次下移指定距离，驱动千斤顶51输出端收回，第一输送机段31与第二输送机段32脱节，安装下一片管片200；
86.在此步骤中，如图14所示，待刀盘机构2再次下移指定距离后，第一输送机段31与第二输送机段32脱节，驱动千斤顶51输出端收回，准备安装下一片管片200。
87.步骤s7、重复步骤s5和步骤s6，直至刀盘机构2达到预定深度；
88.在此步骤中，如图15-图18所示，重复执行上述步骤s5和步骤s6，直至刀盘机构2达到预定深度。可选地，当挖掘至一定深度时，可选择采用向井道内注水的方式对抗浮力，刀盘机构2水下挖土作业。
89.步骤s8、撤去第一输送机段31和第二输送机段32，打设抗拔桩300，浇筑刀盘机构2形成底板；
90.在此步骤中，如图19和图20所示，待刀盘机构2达到预定深度后，撤去第一输送机段31、第二输送机段32等设备，水下打设抗拔桩300，在水下环境浇筑所述刀盘机构2形成底板封底。
91.步骤s9、竖井施工完成。
92.在此步骤中，如图21所示，待抗拔桩300、刀盘机构2封底结束后，抽出井道内存水，撤去井口100处安装设备，竖井结构施工完成。
93.显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。