一种环形刀盘、掘进系统以及掘进方法与流程

1.本发明涉及掘进领域，具体涉及一种环形刀盘、掘进系统以及掘进方法。


背景技术：

2.竖井施工时，由于竖向掘进过程穿越地层多变，常常会遇到上软下硬的地层情况，当采用下沉式竖井掘进机进行开挖时，进入中风化岩层后，截齿破岩效率随着岩石强度提高成指数下降，同时由于刀具磨损加剧，需要频繁提升主机更换刀具，进一步导致施工效率降低，同时也无法满足竖井结构设计的管片入岩的要求，导致竖井掘进机的适应性大大降低，并且，当封底遇到超出设备开挖极限的硬岩地层或需要继续穿越硬岩地层时，为保证成井安全以及排水时不会出现土层从底部管片处涌入，造成地表沉降，因此管片需插入岩体嵌固。
3.综上所述，急需一种环形刀盘、掘进系统以及掘进方法以解决在软土或软岩地层转入硬岩地层时，如何能够安全掘进、封闭止水、为管片入岩创造有利条件的问题。


技术实现要素：

4.本发明目的在于提供一种环形刀盘、掘进系统以及掘进方法，以解决在软土或软岩地层转入硬岩地层时，如何能够安全掘进、封闭止水、为管片入岩创造有利条件的问题，具体技术方案如下：
5.一种环形刀盘，包括刀架主体以及设置在刀架主体上的刀盘组件；刀盘组件包括内刀盘、外刀盘、第一伸缩件以及第二伸缩件；内刀盘以及外刀盘上均设置有用于掘进的刀具；第一伸缩件的两端分别连接内刀盘和刀架主体，第一伸缩件的伸缩方向与内刀盘的掘进方向一致；所述外刀盘活动设置在内刀盘上，第二伸缩件的两端分别连接外刀盘和内刀盘，通过第二伸缩件伸缩实现刀盘变径。
6.以上技术方案优选的，所述刀架主体包括中心筒以及刀梁；多组刀梁沿中心筒的周向等距固定在中心筒上，刀盘组件一一对应设置在刀梁上。
7.以上技术方案优选的，所述刀梁上固定设置有导向筒；第一伸缩件同轴设置在导向筒内，且第一伸缩件的一端铰接刀梁的内壁或导向筒的内壁，第一伸缩件的伸缩端与内刀盘固定连接。
8.以上技术方案优选的，所述导向筒的内周壁与第一伸缩件的外壁之间设置有密封件。
9.以上技术方案优选的，所述刀盘组件还包括设置在内刀盘上的挡板，挡板用于外刀盘的限位。
10.以上技术方案优选的，所述刀盘组件还包括设置在内刀盘上的渣浆泵。
11.一种掘进系统，包括驱动主体以及所述的环形刀盘；环形刀盘设置在驱动主体上，驱动主体用于驱动环形刀盘工作。
12.一种掘进方法，采用了所述的掘进系统，具体步骤如下：
13.步骤s1：驱动主体驱动环形刀盘转动；
14.步骤s2：环形刀盘的第一伸缩件带动内刀盘向下伸出，内刀盘在掌子面上切割出环槽，当环槽到达指定深度h1后，第一伸缩件缩回；
15.步骤s3：第二伸缩件带动外刀盘伸出，使得环形刀盘的切割直径增大；第一伸缩件带动内刀盘和外刀盘向下掘进至指定深度h2，实现环槽扩径后，第二伸缩件带动外刀盘收回，第一伸缩件带动内刀盘和外刀盘缩回；
16.步骤s4：管片下沉，并插入岩土内；
17.步骤s5：在环槽内浇筑混凝土进行封闭止水；
18.步骤s6：对掌子面继续开挖至施工完成。
19.以上技术方案优选的，所述步骤s6中，采用钻爆法继续对掌子面开挖。
20.以上技术方案优选的，所述步骤s6中，在对掌子面开挖前，先将井下泥浆抽排至井外。
21.应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
22.(1)本发明的环形刀盘包括刀架主体以及设置在刀架主体上的刀盘组件；刀盘组件包括内刀盘、外刀盘、第一伸缩件以及第二伸缩件；本发明的第一伸缩件提供内刀盘和外刀盘向下掘进的力，而本发明采用内刀盘和外刀盘的形式，再通过第二伸缩件的伸缩动作能实现刀盘变径，以实现分级开挖，减小驱动功率的要求，同时，本发明的环形刀盘尤其适用于上软下硬地层且地下水位较高时，开挖成形的环槽可为管片入岩提供空间，便于封闭止水，提高施工的安全系数，并且内刀盘和外刀盘均具备硬岩条件下切削环槽的能力，与全断面开挖相比，减少开挖量，能节约开挖施工成本。
23.(2)本发明的刀架主体包括中心筒以及刀梁；本发明的刀盘组件与刀梁一一对应设置，通过设置多组刀盘组件提高施工效率。
24.(3)本发明的导向筒便于对第一伸缩件的伸缩进行导向，以保证掘进时的稳定。
25.(4)本发明的密封件能保证本发明的环形刀盘能在水下施工，即本发明的环形刀盘适用富水地层，实用性好。
26.(5)本发明的挡板以及内刀盘能够在外刀盘向下掘进时起到抵触限位的作用，需要说明的是，本发明中内刀盘为外刀盘提供其转动路径上的支撑反力，而挡板在外刀盘掘进时提供竖向的支撑反力，以保证结构的稳定，并且本发明中，在外刀盘掘进时，第二伸缩件并不受力，结构更加稳定，且能显著提升第二伸缩件的寿命。
27.(6)本发明的渣浆泵主要功能是将渣土从井底抽送至井上，便于环形刀盘开挖工作的有序进行。
28.(7)本发明还公开了一种掘进系统，包括驱动主体以及所述的环形刀盘；环形刀盘设置在驱动主体上，本发明通过驱动主体驱动环形刀盘在井下施工，无需人员下井作业，提高施工效率和安全性。
29.(8)本发明还公开了一种掘进方法，采用了所述的掘进系统，具体包括步骤s1至步骤s6，本发明的掘进方法能够适用于软土或软岩到硬岩地层转换时的工况，本发明采用分级开挖的形式，减小驱动功率的要求，即首先采用内刀盘切割出环槽，外刀盘对环槽进行扩径，外刀盘将环槽扩径至管片的外径大小，便于管片的下沉入岩，以避免土层从底部管片处涌入，造成地表沉降，以保证施工的有序进行；在切割出环槽后，采用混凝土和管片进行封
闭止水，为后续开挖创造有利条件，此处的有利条件具体指：a、岩石和软土界限范围的突涌薄弱点被嵌入的管片隔挡，降低突涌风险；b、环槽浇筑混凝土，将管片与岩层嵌固，进一步保证管片的稳定性和密封性；c、浇筑的混凝土凝固之后，便于将井内泥浆排除。
30.(9)本发明的方法在进行封闭止水后，采用钻爆法继续开挖，能够对硬岩地质进行有效施工，并且能避免在硬岩地质采用刀具掘进施工给刀具带来损耗。
31.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
32.构成本技术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。
33.在附图中：
34.图1是本实施例中的驱动主体采用截割设备开挖的示意图；
35.图2是本实施例中的驱动主体采用环形刀盘开挖的示意图(示意了采用第一切割直径开挖)；
36.图3是本实施例中的驱动主体采用环形刀盘开挖的示意图(示意了采用第二切割直径开挖)；
37.图4是本实施例中的环槽扩径完成并填充混凝土后的示意图；
38.图5是本实施例中的环形刀盘的结构示意图；
39.图6是图5的俯视示意图；
40.图7是图5中的刀盘组件的示意图；
41.图8是图5中的外刀盘切换切割直径的示意图(示意了俯视视角)；
42.其中，1、刀架主体；1.1、中心筒；1.2、刀梁；1.3、加强梁；2、刀盘组件；2.1、内刀盘；2.2、外刀盘；2.3、第一伸缩件；2.4、第二伸缩件；2.5、挡板；3、刀具；4、导向筒；5、渣浆泵；6、驱动主体；7、管片；8、截割设备；9、混凝土；d1、第一切割直径；d2、第二切割直径。
具体实施方式
43.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。
44.实施例：
45.一种环形刀盘，包括刀架主体1以及设置在刀架主体1上的刀盘组件2，如图5至图8所示，具体如下；
46.本实施例的刀架主体1是刀盘组件2的承载结构，如图5和图6所示，具体是：
47.刀架主体1包括中心筒1.1以及刀梁1.2；中心筒1.1的上端面通过高强度螺栓与驱动主体6相连；刀梁1.2的数量设置有多组，本实施例中的多组刀梁1.2沿中心筒1.1的周向等间距固定(例如焊接)在中心筒1.1的外周壁上；本实施例中示意了刀梁1.2的数量为6组，刀梁1.2与刀盘组件2一一对应设置，即本实施例中的刀盘组件2也设置有6组。
48.所述刀梁1.2为钢板焊接结构，刀梁1.2的上端固定在中心筒1.1上，刀梁1.2的下端用于安装刀盘组件2。
49.关于刀架主体1优选的，本实施例的刀架主体1还包括加强梁1.3，多组加强梁1.3连接在周向相邻的两组刀梁1.2之间，以保证整体结构的强度，即保证刀梁1.2不变形。
50.所述刀盘组件2包括内刀盘2.1、外刀盘2.2、第一伸缩件2.3以及第二伸缩件2.4(第一伸缩件以及第二伸缩件均为伸缩油缸)；
51.如图5所示，刀梁1.2下端的内部固定设置有导向筒4，第一伸缩件2.3同轴设置在导向筒4内，且第一伸缩件2.3的上端与刀梁1.2的内壁或导向筒4的内壁铰接，第一伸缩件2.3的下端(伸缩端)与内刀盘2.1固定连接，第一伸缩件2.3的伸缩方向与掘进方向一致，本实施例中，由于是竖井施工，因此，第一伸缩件2.3的伸缩方向与掘进方向均为竖向。
52.导向筒4的作用是在第一伸缩件2.3伸缩时进行导向，以保证结构的稳定，本实施例中，导向筒4的内周壁和第一伸缩件2.3的外周壁之间设置有密封件(例如密封圈，本实施例中未标示密封件)，密封件位于导向筒4下端的开口位置。
53.所述内刀盘2.1和外刀盘2.2上均设置有多组刀具3，刀具3的具体种类和型号可以根据实际情况进行选择，例如，当需要进行掘进或切割时，刀具3优选为滚刀，如遇含有土层的情况，可在内刀盘2.1上布置一组刮刀备用。
54.如图7和图8所示，所述外刀盘2.2铰接在内刀盘2.1的侧壁上，所述第二伸缩件2.4的两端分别铰接外刀盘2.2的侧壁和内刀盘2.1的侧壁，第二伸缩件2.4的伸缩方向与第一伸缩件2.3的伸缩方向垂直，通过第二伸缩件2.4带动外刀盘2.2转动至内刀盘2.1的外侧(即水平远离中心筒1.1的中心点)或将外刀盘2.2转动收回内刀盘2.1的内侧，从而能够实现环形刀盘的变径功能(即实现切割直径的改变)。
55.如图7和图8所示，本实施例中，多组内刀盘2.1在转动时的切割直径定义为第一切割直径(即图2中的d1)；当外刀盘2.2转动至内刀盘2.1的外侧时，此时多组外刀盘2.2在转动时的切割直径定义为第二切割直径(即图3中的d2)，第二切割直径大于第一切割直径，即此时环形刀盘的切割直径变大；而当外刀盘2.2转动收回内刀盘2.1的内侧时，多组外刀盘2.2的切割直径小于第一切割直径，即通过转动外刀盘2.2能够实现环形刀盘在第一切割直径和第二切割直径之间进行转换，即实现变径。图8中的(a)示意的是外刀盘2.2未伸出，图8中的(b)示意的是外刀盘2.2伸出后。
56.本实施例中，第二切割直径等于竖井管片7的外径，能切割出外径与管片7匹配的环槽，以便于管片7的安装；考虑到实际施工的情况，第二切割直径也可以大于竖井管片7的外径2-10cm。
57.如图7所示，本实施例中的刀盘组件2优选的，所述刀盘组件2还包括固定在内刀盘2.1侧壁上的挡板2.5，在掘进方向(竖向)，挡板2.5位于外刀盘2.2的上端(即远离掌子面的一侧)，挡板2.5的作用是在外刀盘2.2向下掘进时，对外刀盘2.2进行限位阻挡，即挡板为外刀盘2.2提供竖向的支撑反力，而内刀盘2.1的侧壁为外刀盘2.2提供其转动路径上的支撑反力，保证外刀盘2.2顺利向下掘进。
58.本实施例中的刀盘组件2优选的，所述刀盘组件2还包括固定设置在内刀盘2.1上的渣浆泵5，渣浆泵5的数量根据实际情况选择，渣浆泵5用于将施工产生的渣土等杂质输送至井外。
59.本实施例还公开了一种掘进系统，掘进系统包括驱动主体6以及所述的环形刀盘，如图2和图3所示；驱动主体6支撑于竖井内，环形刀盘的刀架主体1(具体是中心筒1.1)与驱
动主体6连接，驱动主体6驱动刀架主体1转动，即驱动主体6提供转动掘进的动力。
60.本实施例还公开了一种掘进方法，采用了所述的掘进系统，
61.如图1所示，在进行本实施例的掘进方法前，掘进系统的驱动主体6采用截割设备8在软土地层进行开挖，截割设备8具体参考现有技术；
62.当遇硬岩地层或超硬岩地层时，将截割设备8取下，将本实施例中的环形刀盘安装在掘进系统的驱动主体6上，然后将掘进系统下放，环形刀盘进行环槽开挖，具体步骤如下：
63.步骤s1：如图2所示，驱动主体6到达竖井内的指定工作位置，驱动主体6驱动环形刀盘转动，从而使得多组内刀盘2.1转动，此时外刀盘2.2未伸出，即采用第一切割直径d1切割环槽；
64.步骤s2：环形刀盘的第一伸缩件2.3带动内刀盘2.1向下伸出，随着内刀盘2.1的转动，内刀盘2.1在掌子面上切割出环槽，当环槽被切割至指定深度h1后，第一伸缩件2.3停止伸出，且第一伸缩件2.3缩回，带动内刀盘2.1上提；
65.步骤s3：通过外刀盘2.2将步骤s2挖出的环槽外扩至管片7的安装直径外，具体如下：
66.切换切割直径：第二伸缩件2.4伸出，从而带动外刀盘2.2转动至内刀盘2.1的外侧，此时环形刀盘的切割直径增大(即切换至第二切割直径d2)；
67.环槽扩径：如图3所示，第一伸缩件2.3开始伸出，即第一伸缩件2.3带动内刀盘2.1和外刀盘2.2向下掘进至指定深度h2后(h2≤h1)，第一伸缩件2.3停止伸出；
68.内刀盘2.1和外刀盘2.2收回：第二伸缩件2.4带动外刀盘2.2收回内刀盘2.1的内侧，环形刀盘的切割直径减小(即切换至第一切割直径d1)，然后第一伸缩件2.3缩回，从而带动内刀盘2.1和外刀盘2.2上提；
69.本步骤s3中，由于外刀盘2.2的向下开挖，能够实现对步骤s2中挖出的环槽进行外扩，以达到管片7安装的直径要求，
70.步骤s4，管片下沉，并插入岩土内，掘进系统跟随管片下沉，此时一个掘进循环完成；
71.然后重复步骤s1至步骤s4，以满足掘进系统(具体是环形刀盘)对软土地层至硬土地层的过渡施工后，进行下一步；
72.步骤s5：在上述多个掘进循环开挖出的环槽内浇筑混凝土9进行封闭止水，以减少透水风险，然后最后将井下泥浆抽排至井外，并将井下设备(即包括掘进系统等设备)上提回收，准备进行下一步开挖施工；
73.步骤s6：步骤s5中的封闭止水完成后，对掌子面继续开挖，优选采用钻爆法对掌子面继续开挖(直至硬岩地层路段掘进完成)，本实施例中，此处的对掌子面继续开挖，包括对环槽中心位置未浇筑混凝土的部分以及环槽内浇筑混凝土的部分进行开挖，也就是说，可以根据实际设计要求，在继续开挖时选择开挖直径的大小；通过步骤s1至步骤s6能够有效应对软土地层至硬土地层的转换；
74.需要说明的是：由于管片下沉时，环槽的中心区域并未被掘掉，因此，管片多次下沉的总距离不大于环槽中心区域至环形刀盘(具体是中心筒)的竖向安全距离，以避免环形刀盘下沉时与环槽的中心区域相撞。
75.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。