CN113216973B - 一种从下向上顶推式竖井掘进设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及反向凿井技术领域，尤其涉及一种从下向上顶推式竖井掘进设备。具体的，竖井掘进设备包括：掘进主机；推进装置，用于顶推掘进主机或管节而施加给掘进主机掘进的驱动力；止退限位结构，用于在推进装置驱动掘进主机掘进单位距离后，对掘进主机或者最下端的管节进行止退限位；顶推台架，对应于设置在掘进主机的下方，与推进装置的动作输出端传动连接，且能在推进装置的带动下升降；管片拼装机，具有抓取部件，用于抓取管片并放置到顶推台架上而在顶推台架上拼装管节。本发明的竖井掘进设备通过设置管片拼装机能够将管片在顶推台架上进行拼装而形成管节，能够方便加装管节，提高了施工效率，也能够进一步降低因加装管节所占用的空间。

Description

一种从下向上顶推式竖井掘进设备

技术领域

本发明涉及反向凿井技术领域，尤其涉及一种从下向上顶推式竖井掘进设备。

背景技术

随着城市现代化建设的不断推进，城市发展所急需的地下隧道检查井、通风竖井、投料井等竖井建设以及城市排污防涝升级、海绵城市和综合管廊建设面临迫切需求。然而，传统的城市地下空间的竖井开发建设大多采用地面临时围挡向下开挖施工，不仅阻碍交通，影响市民出行，而且破坏城市景观，影响绿色生态。

针对这样的问题，申请公布号为CN110388215A和CN110700838A的中国发明专利申请分别公开了两种从下向上进行掘进的竖井施工方法，该两种方法解决了传统的从地面向下开挖凿出竖井所造成的一些不便。然而对于口径较大的竖井掘进，采用如上述所列的两篇现有技术中的施工方法，由于地下隧道和地下管廊的空间往往较为有限，在向掘进主机和推进装置之间加装管节时就十分不便，给整个施工带来很大困难，施工效率较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种从下向上顶推式竖井掘进设备，用以解决现有的竖井掘进设备在施工过程中加装管节不便，施工效率低的问题。

本发明的从下向上顶推式竖井掘进设备包括：

掘进主机；

推进装置，用于顶推掘进主机或管节而施加给掘进主机掘进的驱动力；

止退限位结构，用于在推进装置驱动掘进主机掘进单位距离后，对掘进主机或者最下端的管节进行止退限位；

顶推台架，对应于设置在掘进主机的下方，与推进装置的动作输出端传动连接，且能在推进装置的带动下升降；

管片拼装机，具有抓取部件，用于抓取管片并放置到顶推台架上而在顶推台架上拼装管节。

本发明的竖井掘进设备通过设置管片拼装机能够将管片在顶推台架上进行拼装而形成管节，对于大直径的竖井掘进施工，能够方便的在推进装置和掘进主机之间加装管节，提高了施工效率，对于小直径的竖井掘进施工，也能够进一步降低因加装管节所占用的空间，使地下管廊的可利用空间更大。

进一步的，所述顶推台架为旋转台架，旋转台架的旋转轴与掘进主机同轴，管片拼装机处于顶推台架的旁侧，在管片拼装机向顶推台架上放置一片管片后，顶推台架旋转一定角度以供管片拼装机在同一位置放置另一片管片，进而将两片以上管片在周向上依次对拼形成管节。采用旋转台架能够通过其旋转动作实现在周向上的管片拼装，简化了管片拼装机的动作要求，一方面降低了设备成本，另一方面也进一步节省管片拼装所需的空间，此外，旋转台架还能够简单方便的实现两相邻管节之间的错缝拼装。

更进一步的，所述旋转台架包括底部支撑座、支撑轴承以及顶部支撑座，支撑轴承夹装在底部支撑座和顶部支撑座之间，顶部支撑座上具有管片支撑限位结构，底部支撑座与推进装置的动作输出端相连。这种结构形式的旋转台架结构可靠，而且顶部支撑座上的管片支撑限位结构能够对放置到其上的管片进行初步定位，便于管片的拼装。

作为一种优化方案，掘进主机的下侧中部设有中心排渣装置，中心排渣装置包括从上向下延伸的排渣管，所述顶推台架为环形架，环形架的中心孔用于供中心排渣装置排出的渣土通过或供中心排渣装置的排渣管穿过。这样能够使渣土从管节内部通过并直接引导输送到顶推台架下方，不仅整体空间利用率高，而且不易导致渣土散落到管节之外，尽可能的保证了施工环境的整洁。

更优化的，所述从下向上顶推式竖井掘进设备还包括渣土输送装置，渣土输送装置处于顶推台架的下方，所述中心排渣装置的排渣管包含弯曲段，以降低渣土溜下的速度。这样能够避免渣土在落到渣土输送装置上时，对渣土输送装置的冲击过大而损坏输送装置，提高了输送装置的使用时寿命。

进一步的，渣土输送装置包括刮板输送机，刮板输送机处于顶推台架下方对应于中心排渣装置布置。刮板输送机输送量较为稳定，而且结构强度更高，能够程度较大的冲击力，不易损坏。

作为另一种优化方案，所述推进装置包括两个以上竖向延伸的推进油缸，推进油缸围绕顶推台架均布，在顶推台架处于最低位置处时，推进油缸的至少部分处于顶推台架的上方。这种布置形式使得推进油缸和管节在高度方向上有重叠，更加合理的利用了地下管廊高度方向的空间，降低了设备布置难度。

更优化的，推进油缸的动作输出端通过竖向延伸的下沉连接件连接顶推台架，而在顶推台架处于最低位置处时，推进油缸整体处于顶推台架的上方。这样布置能够充分利用地下管廊在高度方向上的空间，降低设备在高度方向上的占用空间。

作为另一种优化方案，所述止退限位结构包括止退支架，止退支架上安装有多个止退钩，止退钩绕水平轴线转动安装在止退支架上，而在掘进主机以及管节向上移动时相对掘进主机和管节外壁滑过，在掘进主机或管节向下移动时与掘进主机的下端或管节外壁的凸环的下侧面钩挂而实现止退。这种结构形式的止退限位结构不仅结构简单、止退限位可靠，而且工作起来十分方便。

进一步的，所述止退支架包括立柱以及设于立柱上端的横架，横架沿管节径向朝向管节悬伸，止退钩布置在横架的靠近管节的一侧，推进装置处于管节与止退支架围成的环空内。这样使得整个设备布置合理，结构紧凑，能够更好的实现在空间较为有限的地下管廊内的施工过程。

附图说明

图1为本发明的从下向上顶推式竖井掘进设备的实施例一在使用时的结构示意图；

图2为显示图1中止退限位结构与管节配合处的结构放大图；

图3为显示图1中推进装置、顶推台架以及管节之间的配合关系的结构放大图。

图中：1、刀盘；2、主驱动；3、推进油缸；4、盾体；5、中心排渣装置；51、节流阀；52、橡胶充气阀；53、弯曲段；6、顶推台架；61、底部支撑座；62、支撑轴承；63、顶部支撑座；64、下沉连接件；7、钢构支撑；8、抓取部件；9、止退支架；90、止退钩；10、始发钢套筒；11、刮板输送机；12、主控室；13、动力控制系统；14、管节；140、凸环。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

本发明的从下向上顶推式竖井掘进设备的具体实施例一：

本发明的从下向上顶推式竖井掘进设备主要用于在地下管廊或隧道内通过向上掘进实现竖井施工。在布置安装本发明的竖井掘进设备之前，需要在隧道内铺设钢构支撑，用于稳固支撑竖井掘进设备的各部件，以及传递和分散施工设备的重力及推进反力。

如图1-3所示，本实施例的竖井掘进设备主要包括掘进主机、推进装置、止退限位结构、顶推台架以及管片拼装机。

掘进主机包括最前端用于切削地层的刀盘1、驱动刀盘运转以切削土体的主驱动2以及用于支承外部土体压力的盾体4，刀盘1与主驱动2之间具有土舱，土舱的背向刀盘1的一侧于中部位置连接有中心排渣装置5。中心排渣装置5包括溜渣管，溜渣管上串接有成组阀体，成组阀体包括节流阀51和橡胶充气阀52，且同一组阀体中，橡胶充气阀52处于节流阀51的下侧。成组阀体用于控制渣土的排出速度，以控制开挖面土舱压力，防止因出渣超量而引起地层塌陷等问题。

推进装置包括固定底座以及安装在固定底座上的推进油缸3，固定底座固定在钢构支撑7上，推进油缸3有多个，且圆周均布。推进油缸3反装在固定底座上，即推进油缸3的伸缩杆的端部朝下并与固定底座连接，推进油缸3的缸体朝上且作为动作输出端。推进油缸3的缸体的下端通过下沉连接件64连接顶推台架6，并在伸缩动作时带动顶推台架6升降。

顶推台架6整体为环形，且正对掘进主机处于掘进主机的下方，用于直接支撑顶推掘进主机或者通过支撑顶推管节来顶推掘进主机掘进。顶推台架6处于推进油缸3所围成的圆形区域内，各推进油缸3的缸体下端连接竖向延伸的下沉连接件64，下沉连接件64的下端连接圆形顶推台架的边缘。具体的，本实施例中，顶推台架6为旋转台架，旋转台架的旋转轴与掘进主机同轴。旋转台架包括底部支撑座61、支撑轴承62以及顶部支撑座63，支撑轴承62夹装在底部支撑座61和顶部支撑座63之间，且其外圈与顶部支撑座63固定连接，内圈与底部支撑座61固定连接。顶部支撑座63上具有管片支撑限位结构，能够对放置其上的管片进行初步定位，下沉连接件64连接于底部支撑座61上。

如上介绍的结构设计能够使在顶推台架6处于最低位置处时，顶推油缸3整体处于顶推台架6的上方，这样布置能够充分利用地下管廊在高度方向上的空间，降低设备在高度方向上的占用空间。

此外，环形顶推台架6的中心孔还可以方便中心排渣装置5的排渣，方便从中心排渣装置5排出的渣土通过或供中心排渣装置5的排渣管穿过。

管片拼装机处于推进装置的旁侧，包括固定于钢构支撑7上的机架以及抓取部件8，抓取部件8能够抓取隧道内输送过来的管片，并将管片放置到旋转台架的顶部支撑座63上。之所以将顶推台架6设计为旋转台架，是在抓取部件8将管片放置到顶部支撑座63上后，旋转台架旋转一定角度后，能够提供给抓取部件8再次放置管片的放置位，这样只需要抓取部件8将管片放置到同一位置即可，降低了抓取部件的动作要求。在每段管节由两片管片拼装而成时，抓取部件8首先抓取一片管片并放置到顶部支撑座63上，然后台架驱动机构带动顶部支撑座63旋转180°，抓取部件8再次抓取一片管片放置到顶部支撑座63上即实现两片管片的拼装，组成一端管节14。当然，在管片对应的圆心角为120°时，需要依次摆放三片管片实现拼装，相应地每次需要旋转台架转动120°。此外，旋转台架还能够简单方便的实现两相邻管节14之间的错缝拼装。

止退限位结构包括固定安装在钢构支撑7上的止退支架9，止退支架9上安装有多个止退钩90，止退钩90绕水平轴线转动安装在止退支架9上，而在掘进主机以及管节14向上移动时相对掘进主机以及管节14的外壁滑过，在掘进主机或管节14向下移动时与掘进主机的下端或者管节外壁上的凸环140的下侧面钩挂而实现止退。具体在本实施例中，止退支架9包括多个立柱以及连接于多个立柱上端的横架，横架沿管节14径向朝向管节悬伸，且在水平面内呈弧形围绕管节14，止退钩布置在横架的靠近管节14的一侧。此外，从图1中还可以看出，推进装置的各顶推油缸3处于止退支架9与管节14围成的环形空间内。

此外，本实施例中竖井掘进设备还包括渣土输送装置，渣土输送装置包括刮板输送机11，刮板输送机11处于顶推台架6下方对应于中心排渣装置5布置，以将中心排渣装置5排出的渣土运出。中心排渣装置5的排渣管包含弯曲段53，能够降低渣土溜下的速度。这样能够避免渣土在落到渣土输送装置上时，对渣土输送装置的冲击过大而损坏输送装置，提高了输送装置的使用时寿命。

竖井掘进设备还包括主控室12以及动力控制系统13，主控室12以及动力控制系统13处于推进装置的背向管片拼装机的一侧，这样更合理的利用隧道内的空间。

采用上文介绍的竖井掘进设备的掘井施工方法如下：

在竖井掘进施工之前，需要根据现有结构是否能够承受向上顶推施工的反力，确定地质加固与否，防止损坏既有结构；向上顶推掘进时破除的隧道管片需要为既有强度又易于刀盘切除的特殊管片，例如纤维筋混凝土管片；隧道内部采用钢结构保护，设备始发口由始发钢套筒10与特殊管片外围的钢结构进行焊接密封连接，保证向上顶推掘进时切破管片前的开挖舱保压密封，以及形成破洞后的止水效果；当然，在隧道内铺设钢构支撑7。

始发钢套筒10布置在止退限位结构上方，与始发口通过焊接方式紧密连接成一体，配合安装在始发钢套筒10尾部的密封刷，对设备掘进工程中的开挖土舱提供保压，并保证洞门的止水功能。

在顶推台架6上进行掘进主机的组装，在始发钢套筒10的保压密封下，通过顶推油缸3提供推力，并通过顶推台架6带动掘进主机向上顶进空推，磨削隧道管片；隧道管片磨削贯通后，掘进主机的刀盘1开始切削土体，中心排渣装置5将施工过程中上部地层开挖后的渣土从土舱向下利用重力出渣，掘进主机采用土压平衡模式掘进，渣土排放速度由节流阀、橡胶充气阀以及溜渣管的弯曲段进行调控，并通过底部的刮板输送机最终运出隧道外；掘进主机向上掘进一定距离后，止退限位结构对掘进主机进行止退限位，顶推油缸3缩回并带动顶推台架6下降，使顶推台架6上方空出管节拼装空间；管片拼装机将从隧道外运输来的管片转移到旋转台架上进行管节的拼装，拼装好的管节由顶推油缸提供推力上移并顶推掘进主机掘进，在掘进主机向上掘进一定距离后，止退限位结构对最下端的管节进行止退限位，顶推油缸3缩回并带动顶推台架6下降，使顶推台架6上方空出下一管节的拼装空间；多次重复上一步，将错缝拼装的各段管节14依次顶推到掘出的竖井隧道内，完成管节在狭小空间内长距离向上顶进，掘进主机掘进最后一环时，拼装钢管片，形成钢管片负环，便于对井隧接口进行焊接密封处理；主机完成掘进后，掘进主机从竖井中直接吊出，进行地面锁口和井隧接口的密封处理。

当然，以上关于施工方法的说明以及附图所示的结构，均体现的是竖直向上掘进的方式，根据实际掘井需求，可以使钢构支撑、掘进主机、推进装置以及止退限位结构适当倾斜一定角度设置，这样能够加工出斜井。

本发明的竖井掘进设备通过设置管片拼装机能够将管片在顶推台架上进行拼装而形成管节，对于大直径的竖井掘进施工，能够方便的在推进装置和掘进主机之间加装管节，提高了施工效率，对于小直径的竖井掘进施工，也能够进一步降低因加装管节所占用的空间，使地下管廊的可利用空间更大。使用本发明的从下向上顶推式竖井掘进设备进行竖井挖掘，安全环保、地面影响小、井隧接口易处理，而且可采用保压模式施工，对控制地面沉降，洞门止水具有更好的效果；在掘进完成后，具有设备易回收，施工更安全等诸多优势。

本发明还提供了从下向上顶推式竖井掘进设备的其他优选实施例。

例如在其他实施例中，与上文介绍的实施例不同的是，顶推台架为普通的环形支撑台架，管片拼装机的抓取部件具有更多更灵活的动作方式，而能够将管片放置到顶推台架上的不同位置，进而实现管节的拼装。

例如在其他实施例中，与上文介绍的实施例不同的是，旋转台架的顶部支撑座和底部支撑座之间通过端面轴承转动支撑。

例如在其他实施例中，与上文介绍的实施例不同的是，顶推台架可以为框架结构，框架式台架的框口构成供中心排渣装置进行排渣的通道。

再例如，在其他实施例中，与上文介绍的实施例不同的是，推进装置的顶推油缸处于顶推台架的下方，且直接抵顶支撑顶推台架。

或者在其他实施例中，与上文介绍的实施例不同的是，直线限位结构为设置在顶推台架旁侧的抱紧机构，抱紧机构能够从旁侧向中部抱紧掘进主机或者管节，进而实现掘进主机以及管节的止退限位。

再或者，在其他实施例中，与上文介绍的实施例不同的是，止退支架为倒置的L形架，L形架的水平边朝向管节悬伸，且止退钩安装在水平边的端部。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种从下向上顶推式竖井掘进设备，包括：

掘进主机；

推进装置，用于顶推掘进主机或管节（14）而施加给掘进主机掘进的驱动力；

止退限位结构，用于在推进装置驱动掘进主机掘进单位距离后，对掘进主机或者最下端的管节（14）进行止退限位；

其特征是，

从下向上顶推式竖井掘进设备还包括：

顶推台架（6），对应于设置在掘进主机的下方，与推进装置的动作输出端传动连接，且能在推进装置的带动下升降；

管片拼装机，具有抓取部件（8），用于抓取管片并放置到顶推台架（6）上而在顶推台架（6）上拼装管节（14），所述顶推台架（6）为旋转台架，旋转台架的旋转轴与掘进主机同轴，管片拼装机处于顶推台架（6）的旁侧，在管片拼装机向顶推台架（6）上放置一片管片后，顶推台架（6）旋转一定角度以供管片拼装机在同一位置放置另一片管片，进而将两片以上管片在周向上依次对拼形成管节（14）。

2.根据权利要求1所述的从下向上顶推式竖井掘进设备，其特征是，所述旋转台架包括底部支撑座（61）、支撑轴承（62）以及顶部支撑座（63），支撑轴承（62）夹装在底部支撑座（61）和顶部支撑座（63）之间，顶部支撑座（63）上具有管片支撑限位结构，底部支撑座（61）与推进装置的动作输出端相连。

3.根据权利要求1或2所述的从下向上顶推式竖井掘进设备，其特征是，掘进主机的下侧中部设有中心排渣装置（5），中心排渣装置（5）包括从上向下延伸的排渣管，所述顶推台架（6）为环形架，环形架的中心孔用于供中心排渣装置（5）排出的渣土通过或供中心排渣装置（5）的排渣管穿过。

4.根据权利要求3所述的从下向上顶推式竖井掘进设备，其特征是，所述从下向上顶推式竖井掘进设备还包括渣土输送装置，渣土输送装置处于顶推台架（6）的下方，所述中心排渣装置（5）的排渣管包含弯曲段（53），以降低渣土溜下的速度。

5.根据权利要求4所述的从下向上顶推式竖井掘进设备，其特征是，渣土输送装置包括刮板输送机（11），刮板输送机（11）处于顶推台架（6）下方对应于中心排渣装置（5）布置。

6.根据权利要求1或2所述的从下向上顶推式竖井掘进设备，其特征是，所述推进装置包括两个以上竖向延伸的推进油缸（3），推进油缸（3）围绕顶推台架（6）均布，在顶推台架（6）处于最低位置处时，推进油缸（3）的至少部分处于顶推台架（6）的上方。

7.根据权利要求6所述的从下向上顶推式竖井掘进设备，其特征是，推进油缸（3）的动作输出端通过竖向延伸的下沉连接件（64）连接顶推台架（6），而在顶推台架（6）处于最低位置处时，推进油缸（3）整体处于顶推台架（6）的上方。

8.根据权利要求1或2所述的从下向上顶推式竖井掘进设备，其特征是，所述止退限位结构包括止退支架（9），止退支架（9）上安装有多个止退钩（90），止退钩（90）绕水平轴线转动安装在止退支架（9）上，而在掘进主机以及管节（14）向上移动时相对掘进主机和管节（14）外壁滑过，在掘进主机或管节（14）向下移动时与掘进主机的下端或管节（14）外壁的凸环（140）的下侧面钩挂而实现止退。

9.根据权利要求8所述的从下向上顶推式竖井掘进设备，其特征是，所述止退支架（9）包括立柱以及设于立柱上端的横架，横架沿管节（14）径向朝向管节（14）悬伸，止退钩（90）布置在横架的靠近管节（14）的一侧，推进装置处于管节（14）与止退支架（9）围成的环空内。

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