CN113914864A - 竖井掘进机及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种竖井掘进机及其施工方法，其中，竖井掘进机包括回转装置、摆臂装置、出渣装置和开挖装置，开挖装置包括支撑架体和两个截割轮。支撑架体的上端与回转装置的转动部分铰接，两个截割轮对称地并能转动地设在支撑架体的下端，两个截割轮之间留有预设间隙，两个截割轮的旋转方向相反并能由下往两者中间的方向旋转。出渣装置包括设在支撑架体上并由下至上顺序连接的吸渣管、泥浆泵和输渣管，吸渣管的底部吸渣口位于两个截割轮的中间上方。摆臂装置的上端与回转装置的转动部分铰接，其下端与支撑架体铰接，用于驱动开挖装置沿回转装置的径向摆动。本发明能有效解决水下竖井掘进机泥浆出渣的出渣效率低，限粒径困难的问题。

Description

竖井掘进机及其施工方法

技术领域

本发明是关于掘进设备技术领域，尤其涉及一种竖井掘进机及其施工方法。

背景技术

目前的水下竖井法掘进机，采用泥浆出渣，但是，现有的设备在出渣效率方面相对较低；且泥浆管直径有限，现有的开挖和出渣结构在限粒径方面仍存在一些弊端，导致泥浆管堵塞；同时开挖装置在泥浆环境中长时间工作，容易结泥饼，即便有冲刷配置，依然出现结泥饼比较严重的情况。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种竖井掘进机及其施工方法，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种竖井掘进机及其施工方法，能有效解决水下竖井掘进机泥浆出渣的出渣效率低，限粒径困难的问题。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

本发明提供一种竖井掘进机，包括回转装置、摆臂装置、出渣装置和开挖装置，开挖装置包括支撑架体和两个截割轮；支撑架体的上端与回转装置的转动部分铰接，两个截割轮对称地并能转动地设在支撑架体的下端，两个截割轮之间留有预设间隙，两个截割轮的旋转方向相反并能由下往两者中间的方向旋转；出渣装置包括设在支撑架体上并由下至上顺序连接的吸渣管、泥浆泵和输渣管，吸渣管的底部吸渣口位于两个截割轮的中间上方；摆臂装置的上端与回转装置的转动部分铰接，其下端与支撑架体铰接，用于驱动开挖装置沿回转装置的径向摆动。

在本发明的一较佳实施方式中，吸渣管的底部对称设有两个斜切口，两个斜切口构成底部吸渣口，斜切口朝向对应的截割轮设置。

在本发明的一较佳实施方式中，截割轮包括能转动的筒状轮体以及间隔设置的多个刀头，两个截割轮中的两个筒状轮体之间具有预设间隙；多个刀头在筒状轮体的圆周面上按照螺旋线排布，且两个截割轮上的各刀头交错设置。

在本发明的一较佳实施方式中，支撑架体包括能相互滑动套接的上架体和下架体，上架体的上端与回转装置铰接，摆臂装置的下端与上架体铰接，开挖装置、吸渣管和泥浆泵均设在下架体上；在上架体上还设有伸缩驱动机构，伸缩驱动机构与下架体连接并能驱动下架体相对上架体滑动。

在本发明的一较佳实施方式中，竖井掘进机还包括支护装置和提升装置，支护装置为环形筒体，在支护装置的内壁上设有竖直设置的滑道，提升装置能滑动地设在滑道上；提升装置与回转装置的固定部分连接，并能驱动回转装置上下移动。

在本发明的一较佳实施方式中，开挖装置位于回转装置的底部一侧，摆臂装置的上端与回转装置的底部中心铰接。

在本发明的一较佳实施方式中，开挖装置的数量为多个，多个开挖装置周向间隔设在回转装置的底部。

在本发明的一较佳实施方式中，开挖装置设在回转装置的底部中心；摆臂装置的数量为两个，两个摆臂装置对称设在开挖装置的两侧；支撑架体的上端与回转装置铰接位置的枢转轴的轴线水平设置，且截割轮的轴线平行于枢转轴的轴线。

本发明还提供一种竖井掘进机的施工方法，采用上述的竖井掘进机进行施工，且支撑架体的上端与回转装置铰接位置的枢转轴的轴线水平设置，且截割轮的轴线平行于枢转轴的轴线；

竖井掘进机的施工方法包括如下步骤：

S1、利用提升装置带动回转装置和开挖装置向下钻进至预设深度，然后利用摆臂装置推动开挖装置沿回转装置的半径方向摆动，并开挖出一条曲线；

S2、回转装置带动开挖装置旋转预设角度，再利用摆臂装置推动开挖装置沿回转装置的半径方向摆动开挖；

其中，在步骤S1和S2的开挖过程中，两个截割轮开挖下来的渣土能由两个截割轮的中间刮到底部吸渣口的位置，并通过泥浆泵和输渣管排出；

S3、重复步骤S2，直到开挖装置开挖完成本行程的圆形断面，此时完成一个掘进行程的开挖；

S4、将提升装置相对于其外侧的支护装置向上滑动，使得截割轮离开已开挖面，然后在支护装置的上方拼接一节管片；拼完管片后，利用推进装置推动管片和支护装置一起下移，使得支护装置的下端与已开挖面接触；

S5、重复步骤S1至S4，直至最终完成总掘进行程的开挖。

在本发明的一较佳实施方式中，开挖装置在初始位置时截割轮位于回转装置径向的内侧，在步骤S1中，摆臂装置推动开挖装置沿回转装置的半径方向由内向外摆动；在步骤S2中，先利用摆臂装置带动开挖装置摆回至初始位置，然后回转装置再带动开挖装置旋转。

本发明还提供一种竖井掘进机的施工方法，采用上述的竖井掘进机进行施工，且支撑架体的上端与回转装置铰接位置的枢转轴的轴线水平设置，且截割轮的轴线垂直于枢转轴的轴线；

竖井掘进机的施工方法包括如下步骤：

S1、利用提升装置带动回转装置和开挖装置向下钻进至预设深度，然后利用摆臂装置推动开挖装置沿回转装置的半径方向摆动，并开挖出一条曲线；

S2、将摆臂装置锁紧，回转装置带动开挖装置旋转开挖整圆；

S3、利用摆臂装置推动开挖装置沿回转装置的半径方向摆动预设角度，然后摆臂装置锁紧，回转装置继续带动开挖装置旋转开挖整圆；

其中，在步骤S1至S3的开挖过程中，两个截割轮开挖下来的渣土能由两个截割轮的中间刮到底部吸渣口的位置，并通过泥浆泵和输渣管排出；

S4、重复步骤S3，直到开挖装置开挖完成本行程的圆形断面，此时完成一个掘进行程的开挖；

S5、将提升装置相对于其外侧的支护装置向上滑动，使得截割轮离开已开挖面，然后在支护装置的上方拼接一节管片；拼完管片后，利用推进装置推动管片和支护装置一起下移，使得支护装置的下端与已开挖面接触；

S6、重复步骤S1至S5，直至最终完成总掘进行程的开挖。

在本发明的一较佳实施方式中，开挖装置在初始位置时截割轮位于回转装置径向的内侧，在步骤S1中，摆臂装置推动开挖装置沿回转装置的半径方向由内向外摆动；在步骤S2中，先利用摆臂装置带动开挖装置摆回至初始位置，然后再将摆臂装置锁紧。

本发明还提供一种竖井掘进机的施工方法，采用上述的竖井掘进机进行施工，两个摆臂装置分别记作第一摆臂装置和第二摆臂装置，开挖装置靠近第一摆臂装置的一侧记作其第一侧，靠近第二摆臂装置的一侧记作其第二侧；靠近开挖装置第一侧的截割轮记作第一截割轮，靠近开挖装置第二侧的截割轮记作第二截割轮；

竖井掘进机的施工方法包括如下步骤：

S1、利用提升装置带动回转装置和开挖装置向下钻进至预设深度；

S2、利用开挖装置向其第一侧开挖：第一摆臂装置缩回，第二摆臂装置伸出，开挖装置沿回转装置的径向向开挖装置的第一侧摆动，并开挖其第一侧的地层；在此开挖过程中，第一截割轮处于开挖状态，第二截割轮处于拢渣状态；

S3、利用开挖装置向其第二侧开挖：第一摆臂装置伸出，第二摆臂装置缩回，开挖装置沿回转装置的径向向开挖装置的第二侧摆动，并开挖其第二侧的地层；在此开挖过程中，第一截割轮处于拢渣状态，第二截割轮处于开挖状态；

其中，在步骤S1至S3的开挖过程中，通过两个截割轮的相对运动，能将开挖下来的渣土由两个截割轮的中间刮到底部吸渣口的位置，并通过泥浆泵和输渣管排出；

S4、开挖装置向其第一侧摆动一次和向其第二侧摆动一次为一个开挖动作，当开挖装置完成一个开挖动作后，开挖装置回到初始位置；然后回转装置带动开挖装置旋转预设角度，开始下一个开挖动作，如此循环工作，最终开挖出来完整的圆形断面，完成一个掘进行程的开挖；

S5、将提升装置相对于其外侧的支护装置向上滑动，使得截割轮离开已开挖面，然后在支护装置的上方拼接一节管片；拼完管片后，利用推进装置推动管片和支护装置一起下移，使得支护装置的下端与已开挖面接触；

S6、重复步骤S1至S5，直至最终完成总掘进行程的开挖。

由上所述，本发明中的竖井掘进机及施工方法，利用开挖装置和出渣装置的配合，开挖装置采用两个反向旋转的截割轮进行开挖和拢渣，出渣装置位于两个截割轮的中间上部位置，通过泥浆泵将两个截割轮开挖和拢起的渣土吸走，相较于现有针对水下作业的竖井掘进机而言，有效提高了出渣效率。同时，通过设计两个截割轮之间的间隙可以有效控制渣土的粒径，防止泥浆管堵塞，针对卵石地层，超过管道粒径的卵石可以在两截割轮的挤压下破碎，再被泥浆泵吸走，限粒径效果更佳。另外，本发明的施工方法在向下钻进后均先沿径向开挖至少一条曲线，然后再配合旋转开挖和径向摆动开挖，更利于破岩，开挖效率更高。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明提供的竖井掘进机采用第一种方式的结构图。

图2：为图1中开挖装置和出渣装置的放大图。

图3：为本发明提供的竖井掘进机采用第二种方式的结构图。

图4：为本发明提供的竖井掘进机采用第三种方式的结构图。

图5：为图4中开挖装置和出渣装置的放大图。

附图标号说明：

1、回转装置；

2、摆臂装置；21、第一摆臂装置；22、第二摆臂装置；

3、出渣装置；31、吸渣管；311、底部吸渣口；32、泥浆泵；33、输渣管；

4、开挖装置；41、支撑架体；411、销轴；412、上架体；413、下架体；414、伸缩驱动机构；42、截割轮；421、第一截割轮；422、第二截割轮；

5、支护装置；

6、提升装置。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1至图5所示，本实施例提供一种竖井掘进机，包括回转装置1、摆臂装置2、出渣装置3和开挖装置4，开挖装置4包括支撑架体41和两个截割轮42。支撑架体41的上端与回转装置1的转动部分铰接，两个截割轮42对称地并能转动地设在支撑架体41的下端，两个截割轮42之间留有预设间隙，两个截割轮42的旋转方向相反并能由下往两者中间的方向旋转。出渣装置3包括设在支撑架体41上并由下至上顺序连接的吸渣管31、泥浆泵32和输渣管33，吸渣管31的底部吸渣口311位于两个截割轮42的中间上方。摆臂装置2的上端与回转装置1的转动部分铰接，其下端与支撑架体41铰接，用于驱动开挖装置4沿回转装置1的径向摆动。

其中，回转装置1的结构为现有结构，其具有位于外圈的固定部分和位于内圈的转动部分，转动部分能相对于固定部分旋转，转动部分内具有中心通道，输渣管33可以经该中心通道穿过并与地面上的泥水处理设备连接。摆臂装置2例如可以采用油缸，利用油缸的伸缩可以驱动开挖装置4的摆动。支撑架体41大体为矩形架体，其上端具体是通过销轴411与回转装置1连接，且销轴411的轴线水平设置并平行于回转装置1的直径方向。截割轮42本身自带有动力装置(液压马达或液压马达配合减速器)，以驱动截割轮42自转；两个截割轮42的轴线相互平行并均水平设置，两者旋转方向相反，例如按照图1、图2图4和图5中示出的方位，左侧的截割轮42(即第一截割轮421)为逆时针旋转，右侧的截割轮42(即第二截割轮422)为顺时针旋转，通过两个截割轮42的相对运动，可以将开挖下来的渣土从两个截割轮42中间的预设间隙刮到底部吸渣口311的位置，再由出渣装置3将渣吸到地面的泥水处理设备中。

由此，本实施例中的竖井掘进机，利用开挖装置4和出渣装置3的配合，开挖装置4采用两个反向旋转的截割轮42进行开挖和拢渣，出渣装置3位于两个截割轮42的中间上部位置，通过泥浆泵32将两个截割轮42开挖和拢起的渣土吸走，相较于现有针对水下作业的竖井掘进机而言，有效提高了出渣效率。同时，通过设计两个截割轮42之间的间隙可以有效控制渣土的粒径，防止泥浆管堵塞，针对卵石地层，超过管道粒径的卵石可以在两截割轮42的挤压下破碎，再被泥浆泵32吸走，限粒径效果更佳。

在具体实现方式中，为了使得开挖的渣土更好地被刮到底部吸渣口311的位置，如图2和图5所示，吸渣管31的底部对称设有两个斜切口，两个斜切口构成底部吸渣口311，斜切口朝向对应的截割轮42设置。

为了有效改善开挖装置4在泥浆环境中长时间工作容易结泥饼的问题，截割轮42包括能转动的筒状轮体以及间隔设置的多个刀头，两个截割轮42中的两个筒状轮体之间具有预设间隙。多个刀头在筒状轮体的圆周面上按照螺旋线排布，且两个截割轮42上的各刀头交错设置。

两个截割轮42上的刀头交错布置，通过控制两个截割轮42之间预设间隙的大小，使得截割轮42在旋转的过程中，刀头可以将另一截割轮42的刀头缝隙间的渣土铲起，从而避免渣土堆积在刀头缝隙内形成泥饼；针对卵石地层，还可以设计两个截割轮42的预设间隙大小，以限制不同的粒径。

在一个可选的实施例中，还可以将开挖装置4采用可伸缩结构，以缩短回转装置1的行程，减少井下主机下降的深度，提高掘进效率。该伸缩结构例如可以这样实现：如图2、图4和图5所示，支撑架体41包括能相互滑动套接的上架体412和下架体413，上架体412的上端与回转装置1铰接，摆臂装置2的下端与上架体412铰接，开挖装置4、吸渣管31和泥浆泵32均设在下架体413上。在上架体412上还设有伸缩驱动机构414，伸缩驱动机构414与下架体413连接并能驱动下架体413相对上架体412滑动。这里的伸缩驱动机构414例如可以采用伸缩油缸，也可以采用其他结构，便于驱动下架体413相对于上架体412滑动即可。

进一步地，如图1、图3和图4所示，竖井掘进机还包括支护装置5和提升装置6，支护装置5为环形筒体，在支护装置5的内壁上设有竖直设置的滑道，提升装置6能滑动地设在滑道上。提升装置6与回转装置1的固定部分连接，并能驱动回转装置1上下移动。

其中，竖井掘进机包括井下主机和地面设备，回转装置1、摆臂装置2、出渣装置3和开挖装置4构成竖井掘进机的井下主机，地面设备包括支护装置5和提升装置6，还包括推进装置和后配套装置。这里的支护装置5相当于一个临时井壁，起到临时支护的作用；提升装置6例如采用油缸，用于带动回转装置1、摆臂装置2、开挖装置4、泥浆泵32和吸渣管31整体相对于支护装置5上下移动；同时，在支护装置5的内壁还会设有相应的驱动装置，以用于驱动提升装置6沿滑道上下移动。推进装置和后配套装置的结构均为现有结构，在支护装置5的上方拼接管片后，利用推进装置可以向下推进拼好的管片；后配套装置包括泥水分离设备以及电柜、液压柜等地面辅助设备。

进一步地，在实际施工中，根据所采用的施工方法的不同，开挖装置4的设置位置以及截割轮42的轴线方向也有所不同，主要有如下三种设置方式和施工方式：

第一种方式：如图1和图2所示，开挖装置4位于回转装置1的底部一侧(支撑架体41的上端与回转装置1的底部一侧铰接)，摆臂装置2的上端与回转装置1的底部中心铰接。支撑架体41的上端与回转装置1铰接位置的枢转轴(也即上述的销轴411)的轴线水平设置，且截割轮42的轴线平行于枢转轴的轴线。

此种方式中，竖井掘进机的施工方法具体包括如下步骤：

S1、利用提升装置6带动回转装置1和开挖装置4向下钻进至预设深度，然后利用摆臂装置2推动开挖装置4沿回转装置1的半径方向摆动，并开挖出一条曲线；

S2、回转装置1带动开挖装置4旋转预设角度，再利用摆臂装置2推动开挖装置4沿回转装置1的半径方向摆动开挖；

其中，在步骤S1和S2的开挖过程中，两个截割轮42开挖下来的渣土能由两个截割轮42的中间刮到底部吸渣口311的位置，并通过泥浆泵32和输渣管33排出；

S3、重复步骤S2，直到开挖装置4开挖完成本行程的圆形断面，此时完成一个掘进行程的开挖；

S4、将提升装置6相对于其外侧的支护装置5向上滑动，使得截割轮42离开已开挖面，然后在支护装置5的上方拼接一节管片；拼完管片后，利用推进装置推动管片和支护装置5一起下移，使得支护装置5的下端与已开挖面接触；

S5、重复步骤S1至S4，直至最终完成总掘进行程的开挖。

更具体地，在步骤S1、S2和S3中，开挖装置4的截割轮42始终处于自转状态。步骤S1中，提升装置6带动回转装置1和开挖装置4一起相对于支护装置5向下移动，开挖装置4伸出支护装置5的底部后边下移边开挖。在步骤S4中，支护装置5先保持不动，利用相应的驱动装置驱动提升装置6沿滑道向上移动至滑道的顶端，此过程中提升装置6带动回转装置1、摆臂装置2、开挖装置4、泥浆泵32和吸渣管31整体相对于支护装置5向上移动，以使截割轮42远离已开挖面一定距离。拼完管片后，推动装置向下推动拼好的管片，并一起带动支护装置5、提升装置6、回转装置1、摆臂装置2、开挖装置4、泥浆泵32和吸渣管31整体向下推进，直至支护装置5的底端与已开挖面接触。步骤S4完成后接下来便可以进入步骤S5，重复步骤S1-S4，进行下一个掘进行程的开挖，直到完成总掘进行程的开挖。

根据需要，开挖装置4在初始位置时截割轮42可以位于回转装置1径向的内侧，也可以位于回转装置1径向的外侧。在步骤S2中，在回转装置1带动开挖装置4旋转之前，可以将开挖装置4先摆回至初始位置，也可以不用摆回至初始位置。在一个优选的实施例中，开挖装置4在初始位置时截割轮42位于回转装置1径向的内侧，在步骤S1中，摆臂装置2推动开挖装置4沿回转装置1的半径方向由内向外摆动；在步骤S2中，先利用摆臂装置2带动开挖装置4摆回至初始位置(即沿回转装置1的径向由外向内摆动，以回到初始位置)，然后回转装置1再带动开挖装置4旋转。如此，沿径向由内向外开挖一条曲线后，先将开挖装置4回到初始位置即回转装置1径向的内侧位置后，再利用回转装置1带动开挖装置4旋转开挖，因开挖装置4在回转装置1径向的内侧位置时其回转的半径更小，可以使得开挖效率更高。

进一步地，第一种方式下，对于开挖装置4的数量可以根据需要而定，可以为一个也可以为多个。

开挖装置4的数量为一个时，结构布置如图1所示，此时，在步骤S3中，回转装置1完成一周转动即可使开挖装置4开挖完成本行程的圆形断面。

需要说明的是，在步骤S3中，若回转装置1采用的是可以周向旋转360度的结构，则该步骤中可以不断重复步骤S2，利用回转装置1沿一个方向不断带动开挖装置4累计旋转一周即可。若回转装置1采用的是无法周向旋转360度的结构，例如采用的是可以正反向旋转180度的结构，则该步骤中先不断重复步骤S2，利用回转装置1沿一个方向不断带动开挖装置4累计旋转180度后，利用回转装置1旋转先将开挖装置4带回到初始位置；然后回转装置1反向旋转，不断重复步骤S2，利用回转装置1沿反向不断带动开挖装置4累计旋转180度，即可使回转装置1完成一周转动。

开挖装置4的数量为多个时，多个开挖装置4周向间隔设在回转装置1的底部。此种形式一般针对开挖面直径较大的场合中，设置时要保证多个开挖装置4在各自的工作区域工作，避免互相干涉。此时，在步骤S3中，根据开挖装置4的数量，回转装置1只需完成一定角度的转动即可使开挖装置4开挖完成本行程的圆形断面。

第二种方式：如图3所示，开挖装置4位于回转装置1的底部一侧(支撑架体41的上端与回转装置1的底部一侧铰接)，摆臂装置2的上端与回转装置1的底部中心铰接。支撑架体41的上端与回转装置1铰接位置的枢转轴(也即上述的销轴411)的轴线水平设置，且截割轮42的轴线垂直于枢转轴的轴线。

此种方式与第一种方式的不同主要在于截割轮42的轴线方向安装不同，使得施工流程与第一种方式也存在不同。此种方式中，竖井掘进机的施工方法具体包括如下步骤：

S1、利用提升装置6带动回转装置1和开挖装置4向下钻进至预设深度，然后利用摆臂装置2推动开挖装置4沿回转装置1的半径方向摆动，并开挖出一条曲线；

S2、将摆臂装置2锁紧，回转装置1带动开挖装置4旋转开挖整圆；

S3、利用摆臂装置2推动开挖装置4沿回转装置1的半径方向摆动预设角度，然后摆臂装置2锁紧，回转装置1继续带动开挖装置4旋转开挖整圆；

其中，在步骤S1至S3的开挖过程中，两个截割轮42开挖下来的渣土能由两个截割轮42的中间刮到底部吸渣口311的位置，并通过泥浆泵32和输渣管33排出；

S4、重复步骤S3，直到开挖装置4开挖完成本行程的圆形断面，此时完成一个掘进行程的开挖；

S5、将提升装置6相对于其外侧的支护装置5向上滑动，使得截割轮42离开已开挖面，然后在支护装置5的上方拼接一节管片；拼完管片后，利用推进装置推动管片和支护装置5一起下移，使得支护装置5的下端与已开挖面接触；

S6、重复步骤S1至S5，直至最终完成总掘进行程的开挖。

更具体地，在步骤S1、S2、S3和S4中，开挖装置4的截割轮42始终处于自转状态。步骤S1的过程与上述第一种方式中的步骤S1相同，步骤S5的过程与上述第一种方式中的步骤S4相同，在此不再赘述。根据需要，开挖装置4在初始位置时截割轮42可以位于回转装置1径向的内侧，也可以位于回转装置1径向的外侧。在步骤S2中，将摆臂装置2锁紧之前，可以将开挖装置4先摆回至初始位置，也可以不用摆回至初始位置。在步骤S2和S3中，回转装置1带动开挖装置4旋转开挖整圆后，开挖装置4均会回到步骤S1所开挖出的曲线的位置；因此，步骤S3中，摆臂装置2带动开挖装置4摆动时会沿着步骤S1中所开挖的曲线进行径向摆动。

在一个优选的实施例中，开挖装置4在初始位置时截割轮42位于回转装置1径向的内侧，在步骤S1中，摆臂装置2推动开挖装置4沿回转装置1的半径方向由内向外摆动；在步骤S2中，先利用摆臂装置2带动开挖装置4摆回至初始位置(即沿回转装置1的径向由外向内摆动，以回到初始位置)，然后再将摆臂装置2锁紧。如此，沿径向由内向外开挖一条曲线后，先将开挖装置4回到初始位置即回转装置1径向的内侧位置后，再将摆臂装置2锁紧利用回转装置1带动开挖装置4旋转开挖整圆，使得步骤S2-S4中，开挖装置4由中心向外，先开挖内圈小圆，再不断向外开挖外圈大圆，步骤S4中，摆臂装置2推动开挖装置4多次径向摆动，并累计将开挖装置4由回转装置1的径向内侧摆动至外侧后便可开挖完成本行程的圆形断面；因开挖装置4在回转装置1径向的内侧位置时其回转的半径更小，此种开挖方式可以使得开挖效率更高。

进一步地，第二种方式下，开挖装置4的数量可以为一个也可以为多个。

开挖装置4的数量为一个时，结构布置如图3所示，此时，在步骤S2和步骤S3中，回转装置1完成一周转动便可带动开挖装置4旋转开挖整圆。需要说明的是，若回转装置1采用的是可以周向旋转360度的结构，则利用回转装置1沿一个方向旋转一周即可；若回转装置1采用的是无法周向旋转360度的结构，例如采用的是可以正反向旋转180度的结构，则先利用回转装置1沿一个方向先旋转180度后，利用回转装置1旋转先将开挖装置4带回到初始位置，然后回转装置1再反向旋转180度，便可使回转装置1完成一周转动，完成开挖整圆。

开挖装置4的数量为多个时，多个开挖装置4周向间隔设在回转装置1的底部。此种形式一般针对开挖面直径较大的场合中，设置时要保证多个开挖装置4在各自的工作区域工作，避免互相干涉。此时，在步骤S2和步骤S3中，根据开挖装置4的数量，回转装置1只需完成一定角度的转动便可完成开挖整圆。

第三种方式：如图4和图5所示，开挖装置4设在回转装置1的底部中心(支撑架体41的上端与回转装置1的底部中心铰接)。摆臂装置2的数量为两个，两个摆臂装置2对称设在开挖装置4的两侧(两个摆臂装置2的上端分别与回转装置1底部的两侧铰接)。支撑架体41的上端与回转装置1铰接位置的枢转轴的轴线水平设置，且截割轮42的轴线平行于枢转轴的轴线。此种方式中，两个摆臂装置2分别记作第一摆臂装置21和第二摆臂装置22，开挖装置4靠近第一摆臂装置21的一侧记作其第一侧，靠近第二摆臂装置22的一侧记作其第二侧；靠近开挖装置4第一侧的截割轮42记作第一截割轮421，靠近开挖装置4第二侧的截割轮42记作第二截割轮422。竖井掘进机的施工方法，具体包括如下步骤：

S1、利用提升装置6带动回转装置1和开挖装置4向下钻进至预设深度；

S2、利用开挖装置4向其第一侧开挖：第一摆臂装置21缩回，第二摆臂装置22伸出，开挖装置4沿回转装置1的径向向开挖装置4的第一侧摆动，并开挖其第一侧的地层；在此开挖过程中，第一截割轮421处于开挖状态，第二截割轮422处于拢渣状态；

S3、利用开挖装置4向其第二侧开挖：第一摆臂装置21伸出，第二摆臂装置22缩回，开挖装置4沿回转装置1的径向向开挖装置4的第二侧摆动，并开挖其第二侧的地层；在此开挖过程中，第一截割轮421处于拢渣状态，第二截割轮422处于开挖状态；

其中，在步骤S1至S3的开挖过程中，通过两个截割轮42的相对运动，能将开挖下来的渣土由两个截割轮42的中间刮到底部吸渣口311的位置，并通过泥浆泵32和输渣管33排出；

S4、开挖装置4向其第一侧摆动一次和向其第二侧摆动一次为一个开挖动作，当开挖装置4完成一个开挖动作后，开挖装置4回到初始位置；然后回转装置1带动开挖装置4旋转预设角度，开始下一个开挖动作，如此循环工作，最终开挖出来完整的圆形断面，完成一个掘进行程的开挖；

S5、将提升装置6相对于其外侧的支护装置5向上滑动，使得截割轮42离开已开挖面，然后在支护装置5的上方拼接一节管片；拼完管片后，利用推进装置推动管片和支护装置5一起下移，使得支护装置5的下端与已开挖面接触；

S6、重复步骤S1至S5，直至最终完成总掘进行程的开挖。

更具体地，开挖装置4在初始位置时截割轮42位于回转装置1的底部中心位置。在步骤S1、S2、S3和S4中，开挖装置4的截割轮42始终处于自转状态。步骤S1的过程与第一种方式中步骤S1的向下钻进过程类似。步骤S5的过程与上述第一种方式中的步骤S4相同，在此不再赘述。整个施工过程先向径向一侧开挖一条曲线，再向径向另一侧开挖一条曲线，再配合旋转开挖，开挖效率更高。

需要说明的是，在步骤S4中，若回转装置1采用的是可以周向旋转360度的结构，则利用回转装置1沿一个方向不断带动开挖装置4累计旋转一周即可开挖出来完整的圆形断面。若回转装置1采用的是无法周向旋转360度的结构，例如采用的是可以正反向旋转180度的结构，则该步骤中在旋转时，先利用回转装置1沿一个方向不断带动开挖装置4累计旋转180度后，利用回转装置1旋转先将开挖装置4带回到初始位置；然后回转装置1反向累计旋转180度，便可开挖出来完整的圆形断面。

综上，本实施例中的竖井掘进机及其施工方法，通过开挖装置4和出渣装置3的有效配合，采用两个反向旋转的截割轮42进行开挖和拢渣，利用出渣装置3将开挖和拢起的渣土及时吸走，出渣效率更高；通过调节两个截割轮42的预设间隙大小可以方便对渣土的粒径进行限制；通过对两个截割轮42的刀头的安装位置进行限定，使得两个截割轮42的刀头可以在旋转过程中错开，而刀头能够铲起堆积在另一个截割轮42的刀头缝隙中的渣土，从而从根源上阻止截割轮42结泥饼的产生；进而有效解决了水下竖井掘进机泥浆出渣的出渣效率低，限粒径困难，开挖装置4结泥饼严重等问题。整个施工方法利用开挖装置4的开挖和拢渣以及出渣装置3的及时出渣，大大提高了出渣效率，便于限制渣土的粒径，并减少了结泥饼现象；而且上述三种施工方式，在向下钻进后均先沿径向开挖至少一条曲线，然后再配合旋转开挖和径向摆动开挖，更利于破岩，开挖效率更高。

以上仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (13)

1.一种竖井掘进机，其特征在于，包括回转装置、摆臂装置、出渣装置和开挖装置，所述开挖装置包括支撑架体和两个截割轮；

所述支撑架体的上端与所述回转装置的转动部分铰接，两个所述截割轮对称地并能转动地设在所述支撑架体的下端，两个所述截割轮之间留有预设间隙，两个所述截割轮的旋转方向相反并能由下往两者中间的方向旋转；

所述出渣装置包括设在所述支撑架体上并由下至上顺序连接的吸渣管、泥浆泵和输渣管，所述吸渣管的底部吸渣口位于两个所述截割轮的中间上方；所述摆臂装置的上端与所述回转装置的转动部分铰接，其下端与所述支撑架体铰接，用于驱动所述开挖装置沿所述回转装置的径向摆动。

2.如权利要求1所述的竖井掘进机，其特征在于，

所述吸渣管的底部对称设有两个斜切口，两个所述斜切口构成所述底部吸渣口，所述斜切口朝向对应的所述截割轮设置。

3.如权利要求1所述的竖井掘进机，其特征在于，

所述截割轮包括能转动的筒状轮体以及间隔设置的多个刀头，两个所述截割轮中的两个所述筒状轮体之间具有所述预设间隙；多个所述刀头在所述筒状轮体的圆周面上按照螺旋线排布，且两个所述截割轮上的各所述刀头交错设置。

4.如权利要求1所述的竖井掘进机，其特征在于，

所述支撑架体包括能相互滑动套接的上架体和下架体，所述上架体的上端与所述回转装置铰接，所述摆臂装置的下端与所述上架体铰接，所述开挖装置、所述吸渣管和所述泥浆泵均设在所述下架体上；在所述上架体上还设有伸缩驱动机构，所述伸缩驱动机构与所述下架体连接并能驱动所述下架体相对所述上架体滑动。

5.如权利要求1所述的竖井掘进机，其特征在于，

所述竖井掘进机还包括支护装置和提升装置，所述支护装置为环形筒体，在所述支护装置的内壁上设有竖直设置的滑道，所述提升装置能滑动地设在所述滑道上；所述提升装置与所述回转装置的固定部分连接，并能驱动所述回转装置上下移动。

6.如权利要求1-5任一项所述的竖井掘进机，其特征在于，

所述开挖装置位于所述回转装置的底部一侧，所述摆臂装置的上端与所述回转装置的底部中心铰接。

7.如权利要求6所述的竖井掘进机，其特征在于，

所述开挖装置的数量为多个，多个所述开挖装置周向间隔设在所述回转装置的底部。

8.如权利要求1-5任一项所述的竖井掘进机，其特征在于，

所述开挖装置设在所述回转装置的底部中心；所述摆臂装置的数量为两个，两个所述摆臂装置对称设在所述开挖装置的两侧；所述支撑架体的上端与所述回转装置铰接位置的枢转轴的轴线水平设置，且所述截割轮的轴线平行于所述枢转轴的轴线。

9.一种竖井掘进机的施工方法，其特征在于，采用如权利要求6或7任一项所述的竖井掘进机进行施工，且所述支撑架体的上端与所述回转装置铰接位置的枢转轴的轴线水平设置，且所述截割轮的轴线平行于所述枢转轴的轴线；

所述竖井掘进机的施工方法包括如下步骤：

S1、利用提升装置带动所述回转装置和所述开挖装置向下钻进至预设深度，然后利用所述摆臂装置推动所述开挖装置沿所述回转装置的半径方向摆动，并开挖出一条曲线；

S2、所述回转装置带动所述开挖装置旋转预设角度，再利用所述摆臂装置推动所述开挖装置沿所述回转装置的半径方向摆动开挖；

其中，在步骤S1和S2的开挖过程中，两个所述截割轮开挖下来的渣土能由两个所述截割轮的中间刮到所述底部吸渣口的位置，并通过所述泥浆泵和所述输渣管排出；

S3、重复步骤S2，直到所述开挖装置开挖完成本行程的圆形断面，此时完成一个掘进行程的开挖；

S4、将所述提升装置相对于其外侧的支护装置向上滑动，使得所述截割轮离开已开挖面，然后在所述支护装置的上方拼接一节管片；拼完所述管片后，利用推进装置推动所述管片和所述支护装置一起下移，使得所述支护装置的下端与已开挖面接触；

S5、重复步骤S1至S4，直至最终完成总掘进行程的开挖。

10.如权利要求9所述的竖井掘进机的施工方法，其特征在于，

所述开挖装置在初始位置时所述截割轮位于所述回转装置径向的内侧，在步骤S1中，所述摆臂装置推动所述开挖装置沿所述回转装置的半径方向由内向外摆动；在步骤S2中，先利用所述摆臂装置带动所述开挖装置摆回至初始位置，然后所述回转装置再带动所述开挖装置旋转。

11.一种竖井掘进机的施工方法，其特征在于，采用如权利要求6或7任一项所述的竖井掘进机进行施工，且所述支撑架体的上端与所述回转装置铰接位置的枢转轴的轴线水平设置，且所述截割轮的轴线垂直于所述枢转轴的轴线；

所述竖井掘进机的施工方法包括如下步骤：

S1、利用提升装置带动回转装置和所述开挖装置向下钻进至预设深度，然后利用所述摆臂装置推动所述开挖装置沿所述回转装置的半径方向摆动，并开挖出一条曲线；

S2、将所述摆臂装置锁紧，所述回转装置带动所述开挖装置旋转开挖整圆；

S3、利用所述摆臂装置推动所述开挖装置沿所述回转装置的半径方向摆动预设角度，然后所述摆臂装置锁紧，所述回转装置继续带动所述开挖装置旋转开挖整圆；

其中，在步骤S1至S3的开挖过程中，两个所述截割轮开挖下来的渣土能由两个所述截割轮的中间刮到所述底部吸渣口的位置，并通过所述泥浆泵和所述输渣管排出；

S4、重复步骤S3，直到所述开挖装置开挖完成本行程的圆形断面，此时完成一个掘进行程的开挖；

S5、将所述提升装置相对于其外侧的支护装置向上滑动，使得所述截割轮离开已开挖面，然后在所述支护装置的上方拼接一节管片；拼完所述管片后，利用推进装置推动所述管片和所述支护装置一起下移，使得所述支护装置的下端与已开挖面接触；

S6、重复步骤S1至S5，直至最终完成总掘进行程的开挖。

12.如权利要求11所述的竖井掘进机的施工方法，其特征在于，

所述开挖装置在初始位置时所述截割轮位于所述回转装置径向的内侧，在步骤S1中，所述摆臂装置推动所述开挖装置沿所述回转装置的半径方向由内向外摆动；在步骤S2中，先利用所述摆臂装置带动所述开挖装置摆回至初始位置，然后再将所述摆臂装置锁紧。

13.一种竖井掘进机的施工方法，其特征在于，采用如权利要求8所述的竖井掘进机进行施工，两个所述摆臂装置分别记作第一摆臂装置和第二摆臂装置，所述开挖装置靠近所述第一摆臂装置的一侧记作其第一侧，靠近所述第二摆臂装置的一侧记作其第二侧；靠近所述开挖装置第一侧的所述截割轮记作第一截割轮，靠近所述开挖装置第二侧的所述截割轮记作第二截割轮；

所述竖井掘进机的施工方法包括如下步骤：

S1、利用提升装置带动所述回转装置和所述开挖装置向下钻进至预设深度；

S2、利用所述开挖装置向其第一侧开挖：所述第一摆臂装置缩回，所述第二摆臂装置伸出，所述开挖装置沿所述回转装置的径向向所述开挖装置的第一侧摆动，并开挖其第一侧的地层；在此开挖过程中，所述第一截割轮处于开挖状态，所述第二截割轮处于拢渣状态；

S3、利用所述开挖装置向其第二侧开挖：所述第一摆臂装置伸出，所述第二摆臂装置缩回，所述开挖装置沿所述回转装置的径向向所述开挖装置的第二侧摆动，并开挖其第二侧的地层；在此开挖过程中，所述第一截割轮处于拢渣状态，所述第二截割轮处于开挖状态；

其中，在步骤S1至S3的开挖过程中，通过两个所述截割轮的相对运动，能将开挖下来的渣土由两个所述截割轮的中间刮到所述底部吸渣口的位置，并通过所述泥浆泵和所述输渣管排出；

S4、所述开挖装置向其第一侧摆动一次和向其第二侧摆动一次为一个开挖动作，当所述开挖装置完成一个开挖动作后，所述开挖装置回到初始位置；然后所述回转装置带动所述开挖装置旋转预设角度，开始下一个开挖动作，如此循环工作，最终开挖出来完整的圆形断面，完成一个掘进行程的开挖；

S5、将所述提升装置相对于其外侧的支护装置向上滑动，使得所述截割轮离开已开挖面，然后在所述支护装置的上方拼接一节管片；拼完所述管片后，利用推进装置推动所述管片和所述支护装置一起下移，使得所述支护装置的下端与已开挖面接触；

S6、重复步骤S1至S5，直至最终完成总掘进行程的开挖。

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