CN107461197B - 一种沉井法竖井掘进机及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种沉井法竖井掘进机及其施工方法，解决了现有技术中装备及施工方法中机械化程度低、高风险、效率低等问题。本发明包括相互连接的掘进机构、排管机构、井筒提放机构和渣浆分离系统以及辅助加压机构，排管机构、井筒提放机构和渣浆分离系统以及辅助加压机构均位于地面上的井口圈梁上；其中，掘进机构包括掘进壳体，掘进壳体的前端部设有刀盘，掘进壳体的后端部设有驱动固定架，驱动固定架上设有进给装置和驱动装置，进给装置、刀盘分别与驱动装置相连接。本发明具备机械化开挖、出渣、支护；地上操控，安全可靠，竖井掘进机工作过程时，井下无需作业人员；改变了传统井底开挖作业方式，大幅降低施工风险，提高作业效率。

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装备及其施工方法技术领域，特别是指一种沉井法竖井掘进机及其施工方法。

背景技术

沉井法竖井掘进机，是一种竖井掘进的专用工程机械，具有开挖切削土体、输送渣土、井壁构筑、竖井测量纠偏等功能，涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科技术。

目前，在地下工程建造，比如盾构始发接受竖井、采矿竖井、隧道通风竖井、地下防御工事竖井、地下停车场等地下工事建造中，竖井是最方便的一种通道。当前竖井建造，大多采用人工在井底开挖，边开挖边制作井壁或下沉井壁进行支护；该法开挖土速度慢，机械化程度低，施工人员安全性风险大，施工成本高。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出了一种沉井法竖井掘进机及其施工方法，解决了现有技术中装备及施工方法中机械化程度低、高风险、效率低等问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种沉井法竖井掘进机，包括驱动系统、控制系统、检测系统，还包括相互连接的掘进机构、排管机构、井筒提放机构和渣浆分离系统以及辅助加压机构，排管机构、井筒提放机构和渣浆分离系统以及辅助加压机构均位于地面上的井口圈梁上；其中，掘进机构包括位于井筒内的掘进壳体，掘进壳体的前端部设有刀盘，掘进壳体的后端部设有驱动固定架，驱动固定架上设有进给装置和驱动装置，进给装置、刀盘分别与驱动装置相连接；排管机构包括支撑架，支撑架上设有排浆管、注浆管和动力管线，排浆管通过安装在驱动固定架上的渣浆泵与刀盘上的吸浆口相连接，注浆管的一端位于井筒中、另一端与渣浆分离系统相连接；井筒提放机构通过钢绞线与井筒相连接，辅助加压机构位于井筒的一侧且与井筒相对应。

所述井筒提放机构包括提升支架、提升千斤顶和提升泵站，提升千斤顶与提升泵站相连接，提升支架上设有用于缠绕钢绞线的线盘，钢绞线穿过提升千斤顶与井筒底部的底部管节相连接。

所述井筒包括底部管节和标准管节，底部管节和标准管节相配合；标准管节的管壁内设有注浆道，注浆道与管外壁上的注浆口相连通。

所述驱动固定架外圆周上均匀设有多个进给装置，进给装置与底部管节相配合，进给装置包括进给油缸和安装在底部管节上的固定板，进给油缸的一端与底部管节相连接、另一端与驱动固定架相连接，驱动固定架与固定板上的导向槽相配合。

所述进给油缸上均设有行程传感器。

所述辅助加压机构包括加压支架，加压支架底部设有加压油缸，加压油缸的伸缩端设有压板，压板伸出加压支架且与井筒相对应。

所述掘进壳体内设有刀盘油缸，刀盘油缸的伸缩端与刀盘相连接。

沉井法竖井掘进机的施工方法，包括如下步骤：S1：开挖能够安装底部管节的始发竖井，并对井口周边部位进行硬化，形成井口圈梁；在始发竖井内安装底部管节，并在井口圈梁上固定安装辅助加压机构和井筒提放机构；

S2：在S1中的底部管节内部安装刀盘、驱动固定架、进给装置、驱动装置、渣浆泵等井内工作部件；在地面安装排管机构、渣浆分离系统，并设置泥浆池；连接注浆管和排浆管，连接各动力管线和控制管线；

S3：安装调试好S2中各组成模块后，通过注浆管向底部管节内部注入泥浆；泥浆循环时可以将开挖的渣土随排浆管携带至渣浆分离系统；调控泥浆深度可以平衡底层压力，避免涌砂涌水；泥浆循环时可以将驱动装置散发的热量带出，避免驱动装置过热；

S4：在S3中的底部管节的上部安装一节标准管节，启动驱动装置带动刀盘旋转，同时操控进给装置进给，并控制刀盘周边刀盘油缸伸出，实现对底部管节下部的岩土进行掘进开挖；

S5：当刀盘进给深度达到S4中进给装置的进给油缸的设定行程后，刀盘停止掘进，并缩回进给装置的进给油缸，控制井筒提放机构通过钢绞线将底部管节缓慢下放，使底部管节和标准管节同步下沉；

S6：重复S4和S5，进行竖井掘进并下沉管节，井筒下沉过程中，始终保持井筒内泥浆的液位高于地下水的水位，避免开挖面涌水涌砂；当下沉达到一定深度，井筒外壁的摩擦大于井壁自重时，开启辅助加压机构或通过标准管节内部的注浆道和注浆口向井筒壁与地层之间的空隙内压注润滑泥浆，用来减小井筒下沉阻力；下沉过程中，可以分别控制不同方位进给装置的进给量和进给速度，同时配合井筒提放机构的下放长度，对井壁下沉的方向进行调控；

S7：当井筒下沉至设计深度后，对井底进行清渣，缩回刀盘周边的刀盘油缸，使刀盘直径小于井筒内壁的直径，同时缩回进给装置的进给油缸，使刀盘与开挖面之间留出一定距离；然后用导管通过刀盘的开口向井底开挖面输送混凝土，并控制混凝土深度小于进给装置的行程，避免混凝土埋到刀盘；

S8：待井底混凝土凝固后，排出井筒内部泥浆，拆除井内和地面除管节外其它装置，即完成整个竖井的施工作业。

本发明应用在竖井建造施工中，其具备机械化开挖、出渣、支护；地上操控，安全可靠，竖井掘进机工作过程时，井下无需作业人员；改变了传统井底开挖作业方式，大幅降低施工风险，提高作业效率；采用预制管节进行拼装，适应性广，施工速度度快，施工现场整洁美观。同时本发明中进给装置在底部管节内壁沿周边均匀分布，布置多组，每根进给油缸上均安装行程传感器，进给油缸各组分别控制，速度可调；当沉井出现偏斜时，可通过进给装置的调控实现对刀盘切削姿态的主动控制，调整竖井的垂直度，调节精度高，操作方便，提高了施工安全系数，确保施工质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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为本发明内部结构示意图。

图3为图2中A处局部放大图。

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，包括驱动系统、控制系统、检测系统，驱动系统为整个装置提供总动力，控制系统控制整个装置的动作的执行，检测系统随时监测整体装置的工作状态；还包括相互连接的掘进机构100、排管机构200、井筒提放机构300和渣浆分离系统400以及辅助加压机构500，排管机构200、井筒提放机构300和渣浆分离系统400以及辅助加压机构500均位于地面101上的井口圈梁102上，辅助加压机构500可对标准管节施加向下的加压力，使其顺利下沉，井筒提放机构控制井筒的下沉速度；沉井井口周边设置排管机构200，跟随驱动的下沉速度，同步下放动力管线、控制管线和泥浆管。其中，掘进机构100包括位于井筒12内的掘进壳体1，掘进壳体1的前端部设有刀盘2，掘进壳体1内设有刀盘油缸19，刀盘油缸19的伸缩端与刀盘2相连接，刀盘对开挖面进行全断面开挖时，刀盘周边的刀盘油缸19伸出，此时刀盘伸出对周边和底面地面进行掘进；完成掘进作业后，刀盘油缸19缩回，此时刀盘直径小于井筒内壁直径，便于刀盘的移出。掘进壳体1的后端部设有驱动固定架3，驱动固定架3上设有进给装置4和驱动装置5，进给装置4、刀盘2分别与驱动装置5相连接，刀盘与驱动装置连接，驱动装置通过驱动固定架与进给装置连接，进给装置与底部管节连接，通过驱动装置带动刀盘转动，进给装置4带动驱动固定架3移动，实现刀盘进给，刀盘沉在泥浆中，驱动装置上部及旋转部位均设置密封结构。排管机构200包括支撑架8，支撑架8上设有排浆管9、注浆管10和动力管线11，排浆管9通过安装在驱动固定架3上的渣浆泵6与刀盘2上的吸浆口7相连接，注浆管10的一端位于井筒12中、另一端与渣浆分离系统400相连接，渣浆泵6将切削的渣土携带至井口，由泥水分离装置进行泥水分离。循环泥浆经过沉淀池后经注浆管重新注入井筒内。井筒提放机构300通过钢绞线13与井筒12相连接，实现井筒的下沉，辅助加压机构500位于井筒12的一侧且与井筒12相对应，井筒外壁的摩擦大于井壁自重时，开启辅助加压机构，通过辅助加压机构将井筒向下压，便于井筒的顺利下沉。

所述井筒12包括底部管节12-1和标准管节12-2，底部管节12-1和标准管节12-2相配合；底部管节设置刃角，底部管节设置提放连接口，用于固定钢绞线；标准管节12-2的管壁内设有注浆道12-3，注浆道12-3与管外壁上的注浆口12-4相连通，当井筒壁与地面的摩擦力较大时，通过注浆道与注浆口将润滑泥浆压注至井壁与地层的周向间隙内，使标准管节外周边形成液体润滑膜可大幅减小井壁的下沉阻力，使其顺利下沉。

进一步，所述驱动固定架3外圆周上均匀设有多个进给装置4，进给装置4与底部管节12-1相配合，进给装置4包括进给油缸4-1和安装在底部管节12-1上的固定板4-2，进给油缸4-1的一端与底部管节12-1相连接、另一端与驱动固定架3相连接，驱动固定架3与固定板4-2上的导向槽4-3相配合，通过进给油缸实现驱动固定架3沿固定板4-2上的导向槽4-3上下移动。所述进给油缸4-1上均设有行程传感器；进给装置在沉井管节内部沿周边均匀分布，进给油缸上安装行程传感器，进给油缸分组控制，速度可调控。

沉井法竖井掘进机的施工方法，包括如下步骤：S1：开挖能够安装底部管节的始发竖井，并对井口周边部位进行硬化，形成井口圈梁；在始发竖井内安装底部管节，并在井口圈梁上固定安装辅助加压机构和井筒提放机构；

S2：在S1中的底部管节内部安装刀盘、驱动固定架、进给装置、驱动装置、渣浆泵等井内工作部件；在地面安装排管机构、渣浆分离系统，并设置泥浆池20；连接注浆管和排浆管，连接各动力管线和控制管线；

S3：安装调试好S2中各组成模块后，通过注浆管向底部管节内部注入泥浆；泥浆有以下作用：泥浆循环时可以将开挖的渣土随排浆管携带至渣浆分离系统，分离后的泥浆经注浆管重新注入井筒中循环使用；调控泥浆深度可以平衡底层压力，避免涌砂涌水；泥浆循环时可以将驱动装置散发的热量带出，避免驱动装置过热；

S4：在S3中的底部管节的上部安装一节标准管节，启动驱动装置带动刀盘旋转，同时操控进给装置进给，并控制刀盘周边刀盘油缸伸出，实现对底部管节下部的岩土进行掘进开挖；

S5：当刀盘进给深度达到S4中进给装置的进给油缸的设定行程后，刀盘停止掘进，并缩回进给装置的进给油缸，控制井筒提放机构通过钢绞线将底部管节缓慢下放，使底部管节和标准管节同步下沉；

S6：重复S4和S5，进行竖井掘进并下沉管节，井筒下沉过程中，始终保持井筒内泥浆的液位高于地下水的水位，避免开挖面涌水涌砂；当下沉达到一定深度，井筒外壁的摩擦大于井壁自重时，开启辅助加压机构或通过标准管节内部的注浆道和注浆口向井筒壁与地层之间的空隙内压注润滑泥浆，用来减小井筒下沉阻力；下沉过程中，可以分别控制不同方位进给装置的进给量和进给速度，同时配合井筒提放机构的下放长度，对井壁下沉的方向进行调控；

S7：当井筒下沉至设计深度后，对井底进行清渣，缩回刀盘周边的刀盘油缸，使刀盘直径小于井筒内壁的直径，同时缩回进给装置的进给油缸，使刀盘与开挖面之间留出一定距离；然后用导管通过刀盘的开口向井底开挖面输送混凝土，并控制混凝土深度小于进给装置的行程，避免混凝土埋到刀盘；

S8：待井底混凝土凝固后，排出井筒内部泥浆，拆除井内和地面除管节外其它装置，即完成整个竖井的施工作业。

实施例2，如图1-3所示，一种沉井法竖井掘进机，所述井筒提放机构300包括提升支架14、提升千斤顶15和提升泵站161，提升千斤顶15与提升泵站161相连接，提升支架14上设有用于缠绕钢绞线13的线盘151，钢绞线13穿过提升千斤顶15与井筒12底部的底部管节12-1相连接，可以间歇式的连续提升较大的重物直至设计所需的高度，系统可以实现多台同步提升，本装置具有提升平稳、安全、速度可调、结构设计合理，吊装灵活，维修方便等特点，使井筒平稳下沉，操作简单，调节精度高。

进一步，所述辅助加压机构500包括加压支架16，加压支架16底部设有加压油缸17，加压油缸17的伸缩端设有压板18，压板18伸出加压支架16且与井筒12相对应，井筒外壁的摩擦大于井壁自重时，启动加压油缸17，将压板18压在井筒上方，对井筒壁施加向下的压力，使井筒壁顺利下滑。

其他结构与实施例1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 (7)

1.一种沉井法竖井掘进机，包括驱动系统、控制系统、检测系统，其特征在于：还包括相互连接的掘进机构（100）、排管机构（200）、井筒提放机构（300）和渣浆分离系统（400）以及辅助加压机构（500），排管机构（200）、井筒提放机构（300）和渣浆分离系统（400）以及辅助加压机构（500）均位于地面（101）上的井口圈梁（102）上；

其中，掘进机构（100）包括位于井筒（12）内的掘进壳体（1），掘进壳体（1）的前端部设有刀盘（2），掘进壳体（1）的后端部设有驱动固定架（3），驱动固定架（3）上设有进给装置（4）和驱动装置（5），进给装置（4）、刀盘（2）分别与驱动装置（5）相连接；排管机构（200）包括支撑架（8），支撑架（8）上设有排浆管（9）、注浆管（10）和动力管线（11），排浆管（9）通过安装在驱动固定架（3）上的渣浆泵（6）与刀盘（2）上的吸浆口（7）相连接，注浆管（10）的一端位于井筒（12）中、另一端与渣浆分离系统（400）相连接；

所述井筒（12）包括底部管节（12-1）和标准管节（12-2），底部管节（12-1）和标准管节（12-2）相配合；标准管节（12-2）的管壁内设有注浆道（12-3），注浆道（12-3）与管外壁上的注浆口（12-4）相连通；通过注浆管向底部管节内部注入泥浆，调控泥浆深度可以平衡底层压力，避免涌砂涌水，泥浆循环时可以将开挖的渣土随排浆管携带至渣浆分离系统，分离后的泥浆经注浆管重新注入井筒中循环使用；当下沉达到一定深度，井筒外壁的摩擦大于井壁自重时，开启辅助加压机构或通过标准管节内部的注浆道和注浆口向井筒壁与地层之间的空隙内压注润滑泥浆，用来减小井筒下沉阻力；

井筒提放机构（300）通过钢绞线（13）与井筒（12）相连接，辅助加压机构（500）位于井筒（12）的一侧且与井筒（12）相对应。

2.根据权利要求1所述的沉井法竖井掘进机，其特征在于：所述井筒提放机构（300）包括提升支架（14）、提升千斤顶（15）和提升泵站（161），提升千斤顶（15）与提升泵站（161）相连接，提升支架（14）上设有用于缠绕钢绞线（13）的线盘（151），钢绞线（13）穿过提升千斤顶（15）与井筒（12）底部的底部管节（12-1）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：所述驱动固定架（3）外圆周上均匀设有多个进给装置（4），进给装置（4）与底部管节（12-1）相配合，进给装置（4）包括进给油缸（4-1）和安装在底部管节（12-1）上的固定板（4-2），进给油缸（4-1）的一端与底部管节（12-1）相连接、另一端与驱动固定架（3）相连接，驱动固定架（3）与固定板（4-2）上的导向槽（4-3）相配合。

4.根据权利要求3所述的沉井法竖井掘进机，其特征在于：所述进给油缸（4-1）上均设有行程传感器。

5.根据权利要求1所述的沉井法竖井掘进机，其特征在于：所述辅助加压机构（500）包括加压支架（16），加压支架（16）底部设有加压油缸（17），加压油缸（17）的伸缩端设有压板（18），压板（18）伸出加压支架（16）且与井筒（12）相对应。

6.根据权利要求1所述的沉井法竖井掘进机，其特征在于：所述掘进壳体（1）内设有刀盘油缸（19），刀盘油缸（19）的伸缩端与刀盘（2）相连接。

7.一种如权利要求1~6任一项所述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：开挖能够安装底部管节的始发竖井，并对井口周边部位进行硬化，形成井口圈梁；在始发竖井内安装底部管节，并在井口圈梁上固定安装辅助加压机构和井筒提放机构；

S2：在S1中的底部管节内部安装刀盘、驱动固定架、进给装置、驱动装置、渣浆泵井内工作部件；在地面安装排管机构、渣浆分离系统，并设置泥浆池；连接注浆管和排浆管，连接各动力管线和控制管线；

S3：安装调试好S2中各组成模块后，通过注浆管向底部管节内部注入泥浆；泥浆循环时可以将开挖的渣土随排浆管携带至渣浆分离系统；调控泥浆深度可以平衡底层压力，避免涌砂涌水；泥浆循环时可以将驱动装置散发的热量带出，避免驱动装置过热；

S4：在S3中的底部管节的上部安装一节标准管节，启动驱动装置带动刀盘旋转，同时操控进给装置进给，并控制刀盘周边刀盘油缸伸出，实现对底部管节下部的岩土进行掘进开挖；

S5：当刀盘进给深度达到S4中进给装置的进给油缸的设定行程后，刀盘停止掘进，并缩回进给装置的进给油缸，控制井筒提放机构通过钢绞线将底部管节缓慢下放，使底部管节和标准管节同步下沉；

S6：重复S4和S5，进行竖井掘进并下沉管节，井筒下沉过程中，始终保持井筒内泥浆的液位高于地下水的水位，避免开挖面涌水涌砂；当下沉达到一定深度，井筒外壁的摩擦大于井壁自重时，开启辅助加压机构或通过标准管节内部的注浆道和注浆口向井筒壁与地层之间的空隙内压注润滑泥浆，用来减小井筒下沉阻力；下沉过程中，可以分别控制不同方位进给装置的进给量和进给速度，同时配合井筒提放机构的下放长度，对井壁下沉的方向进行调控；

S7：当井筒下沉至设计深度后，对井底进行清渣，缩回刀盘周边的刀盘油缸，使刀盘直径小于井筒内壁的直径，同时缩回进给装置的进给油缸，使刀盘与开挖面之间留出一定距离；然后用导管通过刀盘的开口向井底开挖面输送混凝土，并控制混凝土深度小于进给装置的行程，避免混凝土埋到刀盘；

S8：待井底混凝土凝固后，排出井筒内部泥浆，拆除井内和地面除管节外其它装置，即完成整个竖井的施工作业。

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