CN109630124B - 一种沉井法竖井掘进机及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了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装置机械化程度低、拆装困难、工作效率低的问题。本发明包括掘进***、控制检测***和出渣***，地面上的井口圈梁上设有管节提压装置，所述掘进***包括推进装置、回转支撑、回转平台和开挖装置，推进装置的上部与地面上的液压动力***相连接，推进装置的下部设有设备平台，设备平台与回转支撑相连接，回转支撑与设置在设备平台上的驱动装置相连接，回转平台的上部与回转支撑相连接，开挖装置设置在回转平台的下部。本发明通过推进装置实现开挖装置的步进开挖和对开挖装置进行撑紧稳固，实现高效安全开挖。在进出井内过程可快速拆装，节约工期，提高成井效率。

Description

一种沉井法竖井掘进机及其施工方法

技术领域

本发明涉及地下竖井的建造技术领域，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。

已有的机械化程度较高的竖井钻机存在着无法快速拆装，需要人员频繁进入到井底进行设备安装调试、维护或拆装等工作，有较大的安全隐患。

发明内容

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装置机械化程度低、拆装困难、工作效率低的问题。

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***、控制检测***和出渣***，地面上的井口圈梁上设有管节提压装置，所述掘进***包括推进装置、回转支撑、回转平台和开挖装置，推进装置的上部与地面上的液压动力***相连接，推进装置的下部设有设备平台，设备平台与回转支撑相连接，回转支撑与设置在设备平台上的驱动装置相连接，回转平台的上部与回转支撑相连接，开挖装置设置在回转平台的下部。

所述推进装置包括外筒体和内筒体，外筒体上设有第一撑靴机构，内筒体设置在外筒体内部且与外筒体相配合；所述外筒体的上部固定设有撑紧法兰，撑紧法兰的内壁上设有推进油缸，推进油缸的活塞端与内筒体相连接，推进油缸的伸缩带动内筒体沿外筒体移动。

所述设备平台的外圆周上设有第二撑靴机构。

所述第一撑靴机构包括第一撑紧油缸、第二撑紧油缸，第二撑靴机构包括第三撑紧油缸，第一撑紧油缸沿周向均匀设置在撑紧法兰上，且第一撑紧油缸沿径向伸缩；第二撑紧油缸沿周向均匀设置在外筒体上，且第二撑紧油缸沿径向伸缩，第三撑紧油缸沿周向均匀设置在设备平台的外圆周上，且第三撑紧油缸沿径向伸缩；第一撑紧油缸、第二撑紧油缸和第三撑紧油缸的外端部均设有球铰接靴板。

所述外筒体的外壁上设有安装槽，第二撑紧油缸设置在安装槽内，内筒体的外壁上设有导向槽，安装槽位于导向槽内且与导向槽相配合；所述撑紧法兰上设有吊环，吊环上连接有钢丝绳，撑紧法兰通过钢丝绳与地面上的提升***相连接。

所述回转支撑包括回转内圈和回转外圈，回转内圈与回转外圈转动连接，回转内圈与设备平台固定连接，回转外圈与回转平台固定连接。

所述开挖装置包括开挖支座，开挖支座通过摆动油缸与回转平台相连接，开挖支座的下部设有铣挖头，铣挖头与开挖支座上的驱动机构相连接。

一种沉井法竖井掘进机的施工方法，包括如下步骤：S1：定位欲开挖的沉井，平整场地，对井口周边部位进行硬化，形成井口圈梁，并在井口圈梁上固定管节提压装置，对刃脚部分打垫层和找平；

S2：在空旷场地对开挖装置、回转平台、回转支撑、设备平台、推进***、控制检测***依次安装并完成调试；由于掘进机机械结构的安装调试和管节没有关系，该部分可以在沉井开始前提前完成，因此大大节省了沉井作业的准备时间，提高了生产效率。

S3：在井口圈梁内安装刃脚管节和固定设备的基础管节，待刃脚管节、基础管节连接、测量、找平完毕，将S1中调试好的管节提压装置的销轴伸进到管节相应孔内，用来固定管节，管节提压装置提供掘进机初始工作的反力和反扭矩；

S4：将S2中调试好的设备整体吊入到井筒相应位置内，并通过管线分别与地面上的液压动力***、控制检测***、出渣***、提升***相连接；

S5：第一撑靴机构和第二撑靴机构伸出，撑紧到井壁上，启动开挖装置进行开挖；

S6：当开挖装置在井筒中心的开挖深度达到推进油缸的进给行程之后，停止掘进，第二撑靴机构缩回，然后完全缩回推进油缸，使开挖装置提至初始高度；管节提压装置控制管节缓慢下沉；若井筒外壁的摩擦力过大时，可以通过位于井筒内部的注浆通道向井壁与地层之间的间隙内压注减摩泥浆，用来减小井筒的下沉阻力；管节提压装置控制管节下沉过程中的速度和方向，防止出现偏斜和突沉现象。

S7：待管节下沉到预设位置后，拼装下一环管节，按照步骤S5和S6进行重复掘进；

S8：当井筒下沉至设计深度之后，开挖装置摆动至井筒中心处，推进***的推进油缸完全缩回，第一撑靴机构和第二撑靴机构完全缩回，设备通过钢丝绳整体吊出到井外，快速拆装，以便下次重复利用；节约了工期，提高了成井效率，同时无论是施工过程还是设备的安装调试和拆装过程，均不需人员下井，大大提高了设备使用过程中的人员安全性，即使设备需要维护或更换配件，也可以快速吊出到井外进行维护，操作便捷，全程无需人员下井。

S9：回填渣土并使用混凝土进行封底，沉井完成。

步骤S5中的开挖包括如下步骤：S5.1：开挖装置通过摆动油缸将铣挖头摆动至井筒的中心位置，启动开挖装置同时启动驱动装置带动回转平台旋转，进而带动开挖装置在井内回转，同时操控推进***内的推进油缸向下进给，实现对井中心部位的岩土进行纵向掘进开挖；

S5.2开挖完井筒中心部位的岩土之后，推进油缸收回，开挖装置通过摆动油缸将铣挖头摆动到一侧，出渣***将井底中心的渣土收集并运出到井外；

S5.3驱动推进***的推进油缸和开挖装置的摆动油缸，使开挖装置重新定位到步骤S5.1位置；然后，推进油缸收缩一定行程，同时开挖装置通过摆动油缸将铣挖头向外侧摆动一定角度，第二撑靴机构的撑紧油缸伸出以提高设备稳定性；然后驱动回转平台带动开挖装置作回转运动，开挖回转中心外侧的岩土，随着开挖装置的摆动和自转，开挖的渣土被甩至S5.1和S5.2开挖的坑中，渣土随即被出渣***收集并运出，掘进和出渣两个动作互不干涉，同时工作，确保沉井开挖的连续性；

S5.4重复步骤S5.1~S5.3直到开外至刃脚底部，然后重复步骤S5.3，同时控制开挖装置的开挖轮廓，使底部管节下部的岩土开挖出的轮廓呈弧形。

本发明通过推进装置实现开挖装置的步进开挖和对开挖装置进行撑紧稳固，实现高效安全开挖。本发明通过设备进出井内过程的快速拆装，节约了工期，提高了成井效率，同时无论是施工过程还是设备的安装调试和拆装过程，均不需人员下井，大大提高了设备使用过程中的人员安全性，即使设备需要维护或更换配件，也可以快速吊出到井外进行维护，操作便捷，全程无需人员下井，提高施工人员的施工安全系数。

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为本发明整体内部结构示意图。

图3为本发明整体轴侧示意图。

图4为本发明推进***示意图。

图5为本发明推进***横向剖视示意图。

图6为本发明推进***纵向剖视示意图。

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1-3所示，一种沉井法竖井掘进机，包括掘进***、控制检测***和出渣***9，地面上的井口圈梁上设有管节提压装置1，管节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。掘进***包括推进装置3、回转支撑5、回转平台6和开挖装置7，推进装置3的上部与地面上的液压动力***相连接，推进装置用于掘进***进行进行径向稳固和轴向推进。推进装置3的下部设有设备平台4，设备平台4与回转支撑5相连接，回转支撑5与设置在设备平台4上的驱动装置401相连接，驱动装置可采用液压马达，带动回转支撑转动，进而实现开挖装置的转动。回转平台6的上部与回转支撑5相连接，回转平台与回转支撑进行同步转动，开挖装置7设置在回转平台6的下部，开挖装置在回转平台的作用下进行回转，且开挖装置的铣挖头可进行自转，实现对土层的开挖。

进一步，所述推进装置3包括外筒体304和内筒体305，外筒体上设有第一撑靴机构，设备平台4的外圆周上设有第二撑靴机构。撑靴机构伸出撑紧在管节井壁上，用来承受掘进机向下推进的反力和开挖装置回转的反扭矩。内筒体305设置在外筒体304内部且与外筒体304相配合，内筒体与外筒体可相互滑动，实现轴向步进。所述外筒体304的上部固定设有撑紧法兰301，撑紧法兰301的内壁上设有推进油缸302，推进油缸302的活塞端与内筒体305相连接，推进油缸302的伸缩带动内筒体305沿外筒体304轴向移动。撑紧法兰301的上部与地面上的提升***相连接，实现对这个掘进***的吊运。

实施例2，如图4-6所示，一种沉井法竖井掘进机，所述第一撑靴机构包括若干个第一撑紧油缸303、若干个第二撑紧油缸306，第二撑靴机构包括若干个第三撑紧油缸307，第一撑紧油缸303沿周向均匀设置在撑紧法兰301上，且第一撑紧油缸303沿径向伸缩；第二撑紧油缸306沿周向均匀设置在外筒体304上，且第二撑紧油缸306沿径向伸缩，第三撑紧油缸307沿周向均匀设置在设备平台4的外圆周上，且第三撑紧油缸307沿径向伸缩，用于支撑设备平台；第一撑紧油缸303、第二撑紧油缸306和第三撑紧油缸307伸出撑紧在管节井壁上，起到支撑掘进***的作用。第一撑紧油缸303、第二撑紧油缸306和第三撑紧油缸307的外端部均设有球铰接靴板308，撑紧油缸活塞杆的伸出撑紧到井壁提高掘进机的稳定性，球铰接靴板可进行小距离的摆动，减少掘进过程中设备的振动。

进一步，所述外筒体304的外壁上设有内陷式的安装槽309，第二撑紧油缸306设置在安装槽309内，内筒体305的外壁上设有导向槽310，安装槽309位于导向槽310内且与导向槽310相配合，限制内筒体只能进行轴向运动，而不能进行旋转。内外筒体的这种内嵌式设计防止相对旋转，使得开挖装置7旋转时产生的反扭矩通过导向槽传递到撑紧法兰盘和撑紧油缸上，最终传递给管节。撑紧法兰301上设有吊环311，吊环311上连接有钢丝绳10，撑紧法兰301通过钢丝绳10与地面上的提升***相连接，当沉井达到目标深度后，推进***和设备平台上的撑紧油缸缩回，设备整体吊装出井，完成井底封底以后，井成。

进一步，所述回转支撑5包括回转内圈和回转外圈，回转内圈与回转外圈转动连接，回转内圈与设备平台4固定连接，回转外圈与回转平台6固定连接。驱动装置通过回转外圈带动回转平台转动，进而实现开挖装置的转动。所述开挖装置7包括开挖支座701，开挖支座701通过摆动油缸702与回转平台6相连接，摆动油缸702调节开挖支座的摆动位置。开挖支座701的下部设有铣挖头703，铣挖头703与开挖支座701上的驱动机构相连接，启动机构可采用液压马达，液压马达带动铣挖头进行自转。

其他结构与实施例1相同。

实施例3，一种沉井法竖井掘进机的施工方法，包括如下步骤：S1：定位欲开挖的沉井，平整场地，对井口周边部位进行硬化，形成井口圈梁，并在井口圈梁上固定管节提压装置，对刃脚部分打垫层和找平；

S2：在空旷场地对开挖装置、回转平台、回转支撑、设备平台、推进***、控制检测***依次安装并完成调试；由于掘进机机械结构的安装调试和管节没有关系，该部分可以在沉井开始前提前完成，因此大大节省了沉井作业的准备时间，提高了生产效率。

S3：在井口圈梁内安装刃脚管节和固定设备的基础管节，待刃脚管节、基础管节连接、测量、找平完毕，将S1中调试好的管节提压装置的销轴伸进到管节相应孔内，用来固定管节2，管节提压装置提供掘进机初始工作的反力和反扭矩；管节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。

S4：将S2中调试好的设备整体吊入到井筒相应位置内，并通过管线分别与地面上的液压动力***、控制检测***、出渣***、提升***相连接等其他辅助***；

S5：第一撑靴机构和第二撑靴机构伸出，撑紧到井壁上，启动开挖装置进行开挖；

S6：当开挖装置在井筒中心的开挖深度达到推进油缸的进给行程之后，停止掘进，第二撑靴机构缩回， 第一撑靴机构依然顶紧，然后完全缩回推进油缸，使开挖装置提至初始高度，确保铣挖头完全离开开挖面，以便井筒下沉；管节提压装置控制管节缓慢下沉；若井筒外壁的摩擦力过大时，可以通过位于井筒内部的注浆通道向井壁与地层之间的间隙内压注减摩泥浆，用来减小井筒的下沉阻力；管节提压装置控制管节下沉过程中的速度和方向，防止出现偏斜和突沉现象。

S7：待管节下沉到预设位置后，拼装下一环管节，按照步骤S5和S6进行重复掘进；

S8：当井筒下沉至设计深度之后，开挖装置摆动至井筒中心处，推进***的推进油缸完全缩回，第一撑靴机构和第二撑靴机构完全缩回，设备通过钢丝绳整体吊出到井外，快速拆装，以便下次重复利用；节约了工期，提高了成井效率，同时无论是施工过程还是设备的安装调试和拆装过程，均不需人员下井，大大提高了设备使用过程中的人员安全性，即使设备需要维护或更换配件，也可以快速吊出到井外进行维护，操作便捷，全程无需人员下井。

S9：回填渣土并使用混凝土进行封底，沉井完成。

在步骤S5中的开挖过程包括如下步骤：S5.1：开挖装置通过摆动油缸将铣挖头摆动至井筒的中心位置，启动开挖装置同时启动驱动装置带动回转平台旋转，进而带动开挖装置在井内回转，同时操控推进***内的推进油缸向下进给，实现对井中心部位的岩土进行纵向掘进开挖；

S5.2开挖完井筒中心部位的岩土之后，推进油缸收回，开挖装置通过摆动油缸将铣挖头摆动到一侧，出渣***将井底中心的渣土收集并运出到井外；

S5.3驱动推进***的推进油缸和开挖装置的摆动油缸，使开挖装置重新定位到步骤S5.1位置；然后，推进油缸收缩一定行程，同时开挖装置通过摆动油缸将铣挖头向外侧摆动一定角度，第二撑靴机构的撑紧油缸伸出以提高设备稳定性；然后驱动回转平台带动开挖装置作回转运动，开挖回转中心外侧的岩土，随着开挖装置的摆动和自转，开挖的渣土被甩至S5.1和S5.2开挖的坑中，渣土随即被出渣***收集并运出，掘进和出渣两个动作互不干涉，同时工作，确保沉井开挖的连续性；

S5.4重复步骤S5.1~ S5.3直到开外至刃脚底部，然后重复步骤S5.3，同时控制开挖装置的开挖轮廓，使底部管节下部的岩土开挖出的轮廓呈弧形。

其他结构与实施例2相同。

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。

Claims (6)

1.一种沉井法竖井掘进机，包括掘进***、控制检测***和出渣***（9），地面上的井口圈梁上设有管节提压装置（1），其特征在于：所述掘进***包括推进装置（3）、回转支撑（5）、回转平台（6）和开挖装置（7），推进装置（3）的上部与地面上的液压动力***相连接，推进装置（3）的下部设有设备平台（4），设备平台（4）与回转支撑（5）相连接，回转支撑（5）与设置在设备平台（4）上的驱动装置（401）相连接，回转平台（6）的上部与回转支撑（5）相连接，开挖装置（7）设置在回转平台（6）的下部；

所述推进装置（3）包括外筒体（304）和内筒体（305），外筒体（304）上设有第一撑靴机构，内筒体（305）设置在外筒体（304）内部且与外筒体（304）相配合；所述外筒体（304）的上部固定设有撑紧法兰（301），撑紧法兰（301）的内壁上设有推进油缸（302），推进油缸（302）的活塞端与内筒体（305）相连接，推进油缸（302）的伸缩带动内筒体（305）沿外筒体（304）移动；

所述设备平台（4）的外圆周上设有第二撑靴机构；

所述第一撑靴机构包括第一撑紧油缸（303）和第二撑紧油缸（306），第二撑靴机构包括第三撑紧油缸（307），第一撑紧油缸（303）沿周向均匀设置在撑紧法兰（301）上，且第一撑紧油缸（303）沿径向伸缩；第二撑紧油缸（306）沿周向均匀设置在外筒体（304）上，且第二撑紧油缸（306）沿径向伸缩，第三撑紧油缸（307）沿周向均匀设置在设备平台（4）的外圆周上，且第三撑紧油缸（307）沿径向伸缩；第一撑紧油缸（303）、第二撑紧油缸（306）和第三撑紧油缸（307）的外端部均设有球铰接靴板（308）。

2.根据权利要求1所述的沉井法竖井掘进机，其特征在于：所述外筒体（304）的外壁上设有安装槽（309），第二撑紧油缸（306）设置在安装槽（309）内，内筒体（305）的外壁上设有导向槽（310），安装槽（309）位于导向槽（310）内且与导向槽（310）相配合；所述撑紧法兰（301）上设有吊环（311），吊环（311）上连接有钢丝绳（10），撑紧法兰（301）通过钢丝绳（10）与地面上的提升***相连接。

3.根据权利要求1或 2所述的沉井法竖井掘进机，其特征在于：所述回转支撑（5）包括回转内圈和回转外圈，回转内圈与回转外圈转动连接，回转内圈与设备平台（4）固定连接，回转外圈与回转平台（6）固定连接。

4.根据权利要求3所述的沉井法竖井掘进机，其特征在于：所述开挖装置（7）包括开挖支座（701），开挖支座（701）通过摆动油缸（702）与回转平台（6）相连接，开挖支座（701）的下部设有铣挖头（703），铣挖头（703）与开挖支座（701）上的驱动机构相连接。

5.一种如权利要求1所述的沉井法竖井掘进机的施工方法，其特征在于：包括如下步骤：S1：定位欲开挖的沉井，平整场地，对井口周边部位进行硬化，形成井口圈梁，并在井口圈梁上固定管节提压装置，对刃脚部分打垫层和找平；

S2：在空旷场地对开挖装置、回转平台、回转支撑、设备平台、推进***、控制检测***依次安装并完成调试；

S3：在井口圈梁内安装刃脚管节和固定设备的基础管节，待刃脚管节、基础管节连接、测量、找平完毕，将S1中调试好的管节提压装置的销轴伸进到管节相应孔内，用来固定管节，管节提压装置提供掘进机初始工作的反力和反扭矩；

S4：将S2中调试好的设备整体吊入到井筒相应位置内，并通过管线分别与地面上的液压动力***、控制检测***、出渣***、提升***相连接；

S5：第一撑靴机构和第二撑靴机构伸出，撑紧到井壁上，启动开挖装置进行开挖；

S6：当开挖装置在井筒中心的开挖深度达到推进油缸的进给行程之后，停止掘进，第二撑靴机构缩回，然后完全缩回推进油缸，使开挖装置提至初始高度；管节提压装置控制管节缓慢下沉；若井筒外壁的摩擦力过大时，可以通过位于井筒内部的注浆通道向井壁与地层之间的间隙内压注减摩泥浆，用来减小井筒的下沉阻力；管节提压装置控制管节下沉过程中的速度和方向，防止出现偏斜和突沉现象；

S7：待管节下沉到预设位置后，拼装下一环管节，按照步骤S5和S6进行重复掘进；

S8：当井筒下沉至设计深度之后，开挖装置摆动至井筒中心处，推进***的推进油缸完全缩回，第一撑靴机构和第二撑靴机构完全缩回，设备通过钢丝绳整体吊出到井外，快速拆装，以便下次重复利用；

S9：回填渣土并使用混凝土进行封底，沉井完成。

6.根据权利要求5所述的沉井法竖井掘进机的施工方法，其特征在于：步骤S5中的开挖包括如下步骤：S5.1：开挖装置通过摆动油缸将铣挖头摆动至井筒的中心位置，启动开挖装置同时启动驱动装置带动回转平台旋转，进而带动开挖装置在井内回转，同时操控推进***内的推进油缸向下进给，实现对井中心部位的岩土进行纵向掘进开挖；

S5.2开挖完井筒中心部位的岩土之后，推进油缸收回，开挖装置通过摆动油缸将铣挖头摆动到一侧，出渣***将井底中心的渣土收集并运出到井外；

S5.3驱动推进***的推进油缸和开挖装置的摆动油缸，使开挖装置重新定位到步骤S5.1位置；然后，推进油缸收缩一定行程，同时开挖装置通过摆动油缸将铣挖头向外侧摆动一定角度，第二撑靴机构的撑紧油缸伸出以提高设备稳定性；然后驱动回转平台带动开挖装置作回转运动，开挖回转中心外侧的岩土，随着开挖装置的摆动和自转，开挖的渣土被甩至S5.1和S5.2开挖的坑中，渣土随即被出渣***收集并运出，掘进和出渣两个动作互不干涉，同时工作，确保沉井开挖的连续性；

S5.4重复步骤S5.1~S5.3直到开外至刃脚底部，然后重复步骤S5.3，同时控制开挖装置的开挖轮廓，使底部管节下部的岩土开挖出的轮廓呈弧形。