CN112459784A - 一种下沉式竖井掘进机及其成井方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种下沉式竖井掘进机，包括主机、下沉***、管线***以及主机回收***；所述下沉***、管线***和主机回收***分别安装在井口圈梁上；所述主机设置在竖井中；所述竖井内侧设有相连的竖井刃脚和基础管节；所述下沉***与所述竖井刃脚相连；所述主机回收***与所述主机相连；所述主机包括铣挖头、支撑臂、回转单元、连接横梁和排渣泵单元，所述支撑臂的一端与所述回转单元铰接，所述支撑臂的另一端与所述铣挖头连接；所述连接横梁的一侧与所述回转单元的一侧连接，所述连接横梁的另一侧与所述基础管节连接；所述排渣泵单元安装在所述铣挖头上。本发明具有开挖速度快、安全性高、施工场地小、成井精度高、地质适应性广等优势。
Description
技术领域
本发明属于竖井施工的工程机械技术领域，具体而言，涉及一种下沉式竖井掘进机及其成井方法。
背景技术
城市的发展带来了交通拥挤、环境污染、城市用地紧张、能源严重短缺等一系列问题。人们为了维持正常生活，或者为了战备等其他需要，在不断地寻求开发新的空间。如今，人类活动领域已向立体化空间发展，除地面、水面空间外，还开始向广阔的地下空间进军。竖井施工在此需求下得到了广泛的应用。例如，地下隧道掘进机的始发和接收井、隧道通风井、城市排水***竖井、地下立体车库和仓储竖井、采矿竖井、桥梁工程竖井等。
目前，竖井施工主要采用普通施工法和特殊施工法。普通施工法即用人工或机械凿岩***的方法进行竖井掘进。特殊施工法主要包括板桩法、沉井法、冻结法、预注浆法、混凝土帷幕法和钻井法。上述方法主要存在成井速度慢、机械化程度低、周期长、成本高和安全性低等缺点，尤其是不适应城市内竖井施工对环境污染、地面沉降和施工空间等方面的要求。
随着人类对地下空间利用的不断增大，对竖井施工的相关设备和方法也提出了新的要求。因此，开发一种具有成井速度快、精度高、安全性高、自动化程度高、地质适应性广、对施工空间要求低的竖井施工设备及其方法是目前急需解决的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种下沉式竖井掘进机及其成井方法；不仅成井速度快、精度高，而且安全性和自动化程度高，还具有地质适应性广、施工场地小等优势。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
根据本发明的一个实施方式提供的一种下沉式竖井掘进机，其特征在于：包括主机、下沉***、管线***以及主机回收***；所述下沉***、管线***和主机回收***分别安装在井口圈梁上；所述主机设置在竖井中；所述竖井内侧设有相连的竖井刃脚和基础管节，所述竖井刃脚设置在所述基础管节下方；所述下沉***与所述竖井刃脚相连；所述主机回收***与所述主机相连；所述主机包括铣挖头、支撑臂、回转单元、连接横梁和排渣泵单元，所述支撑臂的一端与所述回转单元铰接，所述支撑臂的另一端与所述铣挖头连接；所述连接横梁的一侧与所述回转单元的一侧连接，所述连接横梁的另一侧与所述基础管节连接；所述排渣泵单元安装在所述铣挖头上。
根据本发明的上述一个实施方式提供的一种下沉式竖井掘进机，其特征在于：所述回转单元包括固定机架、回转架、回转减速机、回转马达和回转支撑；所述回转马达、回转减速机和回转支撑依次连接并安装在所述固定机架内部，所述回转架安装在所述回转支承下部。
根据本发明的上述一个实施方式提供的一种下沉式竖井掘进机，其特征在于：所述支撑臂包括伸缩杆、套筒、伸缩油缸以及俯仰油缸；所述伸缩杆和伸缩油缸设置在所述套筒内，所述伸缩杆下端与所述铣挖头的支座连接，所述伸缩杆的上端与所述伸缩油缸的一端铰接；所述伸缩油缸的另一端与所述套筒铰接；所述套筒与所述回转单元的所述回转架的下部铰接；所述俯仰油缸的一端与所述套筒铰接，所述俯仰油缸的另一端与所述回转单元的所述回转架的下部铰接。
根据本发明的上述一个实施方式提供的一种下沉式竖井掘进机，其特征在于：所述连接横梁包括横梁、顶紧机构和横梁支座；所述横梁的一侧与所述回转单元的所述固定机架连接，所述横梁的另一侧与所述顶紧机构连接，所述顶紧机构安装在所述横梁支座上，所述横梁支座与所述基础管节的预埋钢板连接。
根据本发明的上述一个实施方式提供的一种下沉式竖井掘进机，其特征在于：所述铣挖头包括截齿滚筒、液压马达、减速机、支座、机架；所述液压马达与减速机连接并且安装在截齿滚筒内部，所述减速机的一侧通过机架与支座连接，所述减速机的外壳与截齿滚筒连接，用于驱动所述截齿滚筒铣挖土体；所述排渣泵单元安装在所述铣挖头的支座上部，包括电机和渣浆泵，用于通过所述管线***排出挖掘下来的渣土与水混合的泥浆。
根据本发明的上述一个实施方式提供的一种下沉式竖井掘进机，其特征在于：所述下沉***包括3组沉降单元组成，每组沉降单元包括油缸支架、绞线油缸、绞线卷盘和钢绞线；所述油缸支架安装在所述井口圈梁上，所述绞线油缸安装在所述油缸支架上，带有钢绞线的绞线卷盘安装在所述油缸支架附近，所述钢绞线与所述竖井刃脚连接。
根据本发明的上述一个实施方式提供的一种下沉式竖井掘进机，其特征在于：所述管线***包括绞车支架、管线绞车和多个管路线缆；所述绞车支架安装在所述井口圈梁上，所述绞车支架上部安装有管线绞车。
根据本发明的上述一个实施方式提供的一种下沉式竖井掘进机，其特征在于：所述主机回收***包括3组回收单元，每组回收单元包括回收绞车、支架、钢丝绳和动滑轮；所述支架安装在所述井口圈梁上，所述回收绞车安装在所述支架上，所述钢丝绳的一端缠绕在所述回收绞车上，所述钢丝绳的另一端绕过所述动滑轮连接到所述支架上，所述动滑轮连接到所述连接横梁上。
根据本发明的上述一个实施方式提供的一种下沉式竖井掘进机，其特征在于：还包括设置在地面上的液压站、泥水处理***和控制单元。。
本发明的目的及解决其技术问题还通过采用以下技术方案来实现。
根据本发明的一个实施方式提供的一种下沉式竖井掘进机的成井方法，包括以下步骤：
(1)挖掘及排渣：截齿滚筒旋转，俯仰油缸伸出，截齿滚筒由竖井中心向外铣削土体，直到竖井刃脚内侧，然后俯仰油缸缩回；回转马达通过减速机驱动回转架旋转，进而带动支撑臂和铣挖头旋转适当角度，截齿滚筒重复由竖井中心至刃脚内侧的铣挖过程，直到完成整个断面的挖掘工作，完成第一层的挖掘；伸缩油缸伸出，重复上述的挖掘过程，完成第二层的挖掘；重复上述过程，直到完成一个管节深度的挖掘工作；
在挖掘的同时，排渣泵将渣浆泵送至地面的泥水处理***。
(2)衬砌安装：利用吊机拼装预制的混凝土管片；
(3)下沉：衬砌完成后，下沉***的若干下沉单元同时将整个竖井的衬砌和井下设备下沉一个管节的深度，同时管线***的绞车将管线下沉相应的深度，主机回收绞车的动滑轮也随其下沉；
(4)重复上述挖掘过程，完成整个竖井挖掘；
(5)结构封底：移除主机后，浇筑封底混凝土，通过衬砌上的注浆孔注入水泥浆，排出井内的泥水和井底淤泥，竖井施工完成。
借由上述技术方案，本发明至少具有下列优点：
(1)本发明的掘进机挖掘速度快，竖井衬砌在地面安装，施工效率高；地面设备布置灵活，施工占用场地小；设备的挖掘和衬砌的下沉工作在地面进行远程控制，无需人员下井操作，施工安全性高；设备的挖掘工作在水下完成，无需降水，有利于控制地面沉降；在整个竖井的下沉过程中，衬砌始终处于拉紧状态，施工精度更高；设备能够适应黏土、砂层、单轴抗压强度小于140MPa的岩石以及上述地质组成的复合地层的挖掘，地质适应性广；同一台掘进机可满足一定直径范围内的竖井施工，经济性更好.
(2)本发明具有开挖速度快、安全性高、施工场地小、成井精度高、地质适应性广等优势，特别是在城市内施工时，由于无需降低地下水位，从而减少对周围环境的影响，有利于控制地面沉降。此外，同一台掘进机可实现一定直径范围内的不同规格的竖井施工。本发明将会在隧道始发和接收井、通风井、城市排水、地下仓储和地下停车库等竖井施工中得到广泛地应用。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明的下沉式竖井掘进机的整体结构示意图；
图2为本发明的下沉式竖井掘进机的俯视图；
图3为本发明的下沉式竖井掘进机的的回转单元结构的结构示意图。
其中，附图中标号为：1、下沉***；2、管线***；3、液压站；4、泥水处理***；5、主机回收***；6、控制单元；7、铣挖头；8、支撑臂；9、回转单元；10、连接横梁；11、排渣泵单元；30、基础圈梁；40、竖井刃脚；50、基础管节；101、油缸支架； 102、绞线油缸；103、绞线卷盘；104、钢绞线；201、绞车支架；202、管线绞车；203、管路线缆；501、绞车；502、支架；503、钢丝绳；504、动滑轮；801、伸缩杆；802、套筒；803、伸缩油缸；804、俯仰油缸；901、固定机架；902、回转架；903、回转减速机；904、回转马达；905、回转支撑；1001、横梁；1002、顶紧机构；1003、横梁支座；1101、电机；1102、渣浆泵。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面将结合本发明实施例及附图，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-3所示，本发明的较佳实施例提供了一种下沉式竖井掘进机，包括主机、下沉***1、管线***2、液压站3、泥水处理***4、主机回收***5以及控制单元6。下沉***1、管线***2和主机回收***5分别安装在井口圈梁30上。主机设置在竖井中。竖井内侧设有相连的竖井刃脚40和基础管节50。竖井刃脚40设置在基础管节50 下方。下沉***1与竖井刃脚40相连。主机回收***5与主机相连。主机包括铣挖头7、支撑臂8、回转单元9、连接横梁10和排渣泵单元11。支撑臂8的一端与回转单元9 铰接，支撑臂8的另一端与铣挖头7连接。连接横梁10的一侧与回转单元9的一侧连接，连接横梁10的另一侧与基础管节50连接。排渣泵单元11安装在铣挖头7上。
在进行竖井施工前，需要在地面井口处制作基础圈梁30，还将预制的竖井刃脚40及与其相连的基础管节50吊入基础圈梁30内，竖井刃脚40和基础管节50也是竖井衬砌的最下面的部分。主机通过其连接横梁10与基础管节50连接。下沉***1、管线***2和主机回收***5安装在井口圈梁30上。下沉***1的若干组钢绞线与竖井刃脚 40相连。管线***2的各种管线与相应***和部件连接。主机回收***5与连接横梁 10相连；液压站3、泥水处理***4和控制单元6布置在地面，各种介质及控制线通过管线***与各部件相连。
回转单元9包括固定机架901、回转架902、回转减速机903、回转马达904和回转支撑905。回转马达904、回转减速机903和回转支撑905依次连接并安装在固定机架 901内部。回转架902安装在回转支承905下部。回转马达904通过回转减速机903、回转支撑905和回转架902，驱动支撑臂8和铣挖头7完成回转运动。支撑臂8包括伸缩杆801、套筒802、伸缩油缸803、俯仰油缸804。套筒802内设有伸缩杆801和伸缩油缸803。伸缩杆801下端与铣挖头7的支座连接，上端与伸缩油缸803的一端铰接，通过伸缩油缸803的伸缩运动，进而带动铣挖头7完成沿支撑臂轴向的进给运动。伸缩油缸803的另一端与套筒802铰接。套筒802与回转单元9的回转架902的下部铰接。俯仰油缸804一端与套筒802铰接，另一端与回转单元9的回转架902的下部铰接，通过俯仰油缸804的伸缩运动，带动支撑臂8及铣挖头7完成俯仰运动。铣挖头7包括截齿滚筒、液压马达、减速机、支座、机架；液压马达与减速机连接，安装在截齿滚筒内部，减速机一侧通过机架与支座连接，减速机的外壳与截齿滚筒连接，驱动截齿滚筒铣挖土体。连接横梁10包括横梁1001、顶紧机构1002和横梁支座1003。横梁1001的一侧与回转单元9的固定机架901连接，另一侧与顶紧机构1002连接。顶紧机构1002安装在横梁支座1003上，横梁支座1003与基础管节50的预埋钢板5001连接。排渣泵单元11包括电机1101和渣浆泵1102。排渣泵单元11安装在铣挖头7的支座上部，通过管线***2排出挖掘下来的渣土与水混合的泥浆。
下沉***1包括3组沉降单元组成。每组沉降单元包括油缸支架101、绞线油缸102、绞线卷盘103和钢绞线104。油缸支架101安装在井口圈梁30上，绞线油缸102安装在油缸支架101上。带有钢绞线104的绞线卷盘103安装在油缸支架附近，钢绞线104与竖井刃脚40连接。随着竖井的开挖，下沉***1将整个衬砌和主机步进式地下沉。管线***2包括绞车支架201、管线绞车202和若干管路线缆203组成。绞车支架201安装在井口圈梁30上，在绞车支架201上部安装有管线绞车202，将管线203随着竖井衬砌和主机同步下沉。液压站3设置在地面上，为整个设备提供液压能。泥水处理***4 设置在地面上，分离排渣泵排出的渣浆中的大颗粒，再将适合的浆液泵送到竖井内。主机回收***5包括3组回收单元。每组回收单元包括回收绞车501、支架502、钢丝绳 503和动滑轮504。支架502安装在井口圈梁30上，回收绞车501安装在支架502上。钢丝绳503的一端缠绕在回收绞车501上，另一端绕过动滑轮504连接到支架502上。动滑轮504连接到连接横梁10上，在掘进过程中随着下沉***1下放，在竖井掘进工作完成后或主机需要检修时回收主机。控制单元6设置在地面上，控制整个设备协同工作。
本发明的较佳实施例还提供了一种下沉式竖井掘进机的成井方法，包括以下步骤：
第1步——施工场地处理：平整场地，具备水通、电通和路通条件。
第2步——制作与安装竖井刃脚：刃脚可采用预制的钢筋混凝土结构，也可采用钢板焊接结构，但在其外侧下部预留适当长度范围内需要用钢板包裹，用于衬砌下沉时切削土体，还要在其底部预留与下沉***连接的结构。
第3步——制作井口圈梁：经测量、放样后，确定竖井位置，将竖井刃脚作为内模，制作圈梁，其内径略大于结构管壁外径。此圈梁作为支撑下沉***、主机回收***和整个衬砌的基础，在其上部预埋与下沉***和主机回收***的连接件，并预留下沉***的钢绞线的豁口。
第4步——安装调试设备
4.1安装刃脚和基础管节：将刃脚和基础管节安装成一体后，吊入制作好的井口圈梁内，调平。此基础管节可以采用预制的分块的混凝土管片，也可以采用现浇钢筋混凝土结构；其内侧预埋与横梁支座连接的钢板。基础管节预留有若干径向注入口，用于注入触变泥浆，减小井壁与衬砌之间的摩擦力。
4.2安装下沉***：在圈梁上安装下沉***的若干个沉降单元，将各沉降单元的钢绞线与刃脚连接。
4.3安装主机及其回收***：首先利用工装将若干个横梁支座定位，并与基础管节上的预留钢板焊接，然后将组装好的主机整体吊装到横梁支座上；将回收***的若干回收单元安装到连接横梁的相应位置上，并将绞车的钢丝绳与横梁连接。
4.4安置液压站、泥水处理***和控制单元：根据施工现场条件，放置在适当位置。
4.5安装管线***：将管线***的绞车支架及安装在其上面的管线绞车安装到圈梁上，并将各管路和线缆与各自***连接。
4.6调试设备：各***的功能(动作)试验正常后，标定下沉***的零位；将井筒内注水，水位略高于竖井周围的地下水位。
第5步——竖井掘进
5.1挖掘：截齿滚筒旋转，俯仰油缸伸出，截齿滚筒由竖井中心向外铣削土体，直到刃脚内侧，然后俯仰油缸缩回；回转马达通过减速机驱动回转架旋转，进而带动支撑臂和铣挖头旋转适当角度，截齿滚筒重复由竖井中心至刃脚内侧的铣挖过程，直到完成整个断面的挖掘工作，这就完成了第一层的挖掘；伸缩油缸伸出一定长度，重复上述的挖掘过程，完成第二层的挖掘；如此重复，直到完成一个管节深度的挖掘工作。
5.2排渣：在挖掘的同时，排渣泵将渣浆泵送至地面的泥水处理***。
5.3衬砌安装：利用吊机拼装预制的混凝土管片；也可以现浇混凝土进行衬砌。
5.4下沉：衬砌完成后，下沉***的若干下沉单元同时将整个竖井的衬砌和井下设备下沉一个管节的深度，同时管线***的绞车将管线下沉相应的深度，主机回收绞车的动滑轮也随其下沉。
从5.1至5.4，完成了一个步进行程。通过不断重发这种步进式的挖掘过程，完成整个竖井挖掘。
第6步——结构封底：移除主机后，浇筑封底混凝土，通过衬砌上的注浆孔注入水泥浆，排出井内的泥水和井底淤泥，竖井施工完成。
综上所述，本发明所述的下沉式竖井掘进机及其成井方法，不仅成井速度快、精度高，而且安全性和自动化程度高，还具有地质适应性广、施工场地小等优势；可广泛应用到竖井施工技术领域，并产生良好的效益。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种下沉式竖井掘进机，其特征在于：包括主机、下沉***、管线***以及主机回收***；所述下沉***、管线***和主机回收***分别安装在井口圈梁上；所述主机设置在竖井中；所述竖井内侧设有相连的竖井刃脚和基础管节，所述竖井刃脚设置在所述基础管节下方；所述下沉***与所述竖井刃脚相连；所述主机回收***与所述主机相连；所述主机包括铣挖头、支撑臂、回转单元、连接横梁和排渣泵单元，所述支撑臂的一端与所述回转单元铰接，所述支撑臂的另一端与所述铣挖头连接；所述连接横梁的一侧与所述回转单元的一侧连接，所述连接横梁的另一侧与所述基础管节连接；所述排渣泵单元安装在所述铣挖头上。
2.根据权利要求1所述的下沉式竖井掘进机，其特征在于：所述回转单元包括固定机架、回转架、回转减速机、回转马达和回转支撑；所述回转马达、回转减速机和回转支撑依次连接并安装在所述固定机架内部，所述回转架安装在所述回转支承下部。
3.根据权利要求2所述的下沉式竖井掘进机，其特征在于：所述支撑臂包括伸缩杆、套筒、伸缩油缸以及俯仰油缸；所述伸缩杆和伸缩油缸设置在所述套筒内，所述伸缩杆下端与所述铣挖头的支座连接，所述伸缩杆的上端与所述伸缩油缸的一端铰接；所述伸缩油缸的另一端与所述套筒铰接；所述套筒与所述回转单元的所述回转架的下部铰接；所述俯仰油缸的一端与所述套筒铰接，所述俯仰油缸的另一端与所述回转单元的所述回转架的下部铰接。
4.根据权利要求2所述的下沉式竖井掘进机，其特征在于：所述连接横梁包括横梁、顶紧机构和横梁支座；所述横梁的一侧与所述回转单元的所述固定机架连接，所述横梁的另一侧与所述顶紧机构连接，所述顶紧机构安装在所述横梁支座上，所述横梁支座与所述基础管节的预埋钢板连接。
5.根据权利要求1所述的下沉式竖井掘进机，其特征在于：所述铣挖头包括截齿滚筒、液压马达、减速机、支座、机架；所述液压马达与减速机连接并且安装在截齿滚筒内部，所述减速机的一侧通过机架与支座连接，所述减速机的外壳与截齿滚筒连接，用于驱动所述截齿滚筒铣挖土体；所述排渣泵单元安装在所述铣挖头的支座上部，包括电机和渣浆泵，用于通过所述管线***排出挖掘下来的渣土与水混合的泥浆。
6.根据权利要求1所述的下沉式竖井掘进机，其特征在于：所述下沉***包括3组沉降单元组成，每组沉降单元包括油缸支架、绞线油缸、绞线卷盘和钢绞线；所述油缸支架安装在所述井口圈梁上，所述绞线油缸安装在所述油缸支架上，带有钢绞线的绞线卷盘安装在所述油缸支架附近，所述钢绞线与所述竖井刃脚连接。
7.根据权利要求1所述的下沉式竖井掘进机，其特征在于：所述管线***包括绞车支架、管线绞车和多个管路线缆；所述绞车支架安装在所述井口圈梁上，所述绞车支架上部安装有管线绞车。
8.根据权利要求1所述的下沉式竖井掘进机，其特征在于：所述主机回收***包括3组回收单元，每组回收单元包括回收绞车、支架、钢丝绳和动滑轮；所述支架安装在所述井口圈梁上，所述回收绞车安装在所述支架上，所述钢丝绳的一端缠绕在所述回收绞车上，所述钢丝绳的另一端绕过所述动滑轮连接到所述支架上，所述动滑轮连接到所述连接横梁上。
9.根据权利要求1所述的下沉式竖井掘进机，其特征在于：还包括设置在地面上的液压站、泥水处理***和控制单元。
10.一种下沉式竖井掘进机的成井方法，包括以下步骤：
(1)挖掘及排渣：截齿滚筒旋转，俯仰油缸伸出，截齿滚筒由竖井中心向外铣削土体，直到竖井刃脚内侧，然后俯仰油缸缩回；回转马达通过减速机驱动回转架旋转，进而带动支撑臂和铣挖头旋转适当角度，截齿滚筒重复由竖井中心至刃脚内侧的铣挖过程，直到完成整个断面的挖掘工作，完成第一层的挖掘；伸缩油缸伸出，重复上述的挖掘过程，完成第二层的挖掘；重复上述过程，直到完成一个管节深度的挖掘工作；
在挖掘的同时，排渣泵将渣浆泵送至地面的泥水处理***。
(2)衬砌安装：利用吊机拼装预制的混凝土管片；
(3)下沉：衬砌完成后，下沉***的若干下沉单元同时将整个竖井的衬砌和井下设备下沉一个管节的深度，同时管线***的绞车将管线下沉相应的深度，主机回收绞车的动滑轮也随其下沉；
(4)重复上述挖掘过程，完成整个竖井挖掘；
(5)结构封底：移除主机后，浇筑封底混凝土，通过衬砌上的注浆孔注入水泥浆，排出井内的泥水和井底淤泥，竖井施工完成。
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