CN115263315A - 竖井向下盾构施工方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种竖井向下盾构施工方法及装置，其中，竖井向下盾构施工方法包括如下步骤：制作井口圈梁；建造竖井底板并形成工作仓，安装挖掘装置和送渣装置；利用挖掘装置向下开挖土体，待向下开挖达到预设高度时，建造顶环结构，在顶环结构的底部拼装一环管节，在竖井底板顶面安装顶推油缸；回缩一块新的管片所对应待拼装位置处的顶推油缸，将一块新的管片送至待拼装位置后，利用顶推油缸将该块管片顶推压紧，直至依次完成新的一环管节拼装；利用挖掘装置继续向下开挖，待向下开挖满足一环管节高度时，重复前述步骤，直至开挖深度达到竖井井底设计标高。本发明解决了现有大直径竖井施工机械化程度低、施工复杂、施工效率低的问题。

Description

竖井向下盾构施工方法及装置

技术领域

本发明是关于竖井施工技术领域，尤其涉及一种竖井向下盾构施工方法及装置。

背景技术

大直径竖井机械化施工一直是地下工程领域面临的难题，目前施工多采用传统沉井法，在地面建造好井筒后，随开挖下沉，不仅机械化程度低，施工速度慢，而且井筒在下沉时容易存在偏斜、下沉不顺利、需添加助沉剂等问题。尤其在大直径竖井施工领域，多数情况下施工需降低地下水位，目前难以在人口密集的城市中应用。近年来，随着科技的发展逐步出现了一些机械化施工方法，但也存在施工过程中需要预先降低地下水位、竖井侧壁管节在土层中不易在侧壁上固定、机械化程度低、出渣速度慢影响施工进度等问题。

当前，地下竖井停车场、盾构检查井、工作井等建设需求日益增多，设计一种大直径竖井机械化施工方法很有必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种竖井向下盾构施工方法及装置，解决了现有大直径竖井施工机械化程度低、施工复杂、施工效率低的问题。

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向下盾构施工方法，包括如下步骤：

S1、在待开挖竖井的外周制作井口圈梁；

S2、在待开挖竖井的顶部建造竖井底板，并使竖井底板与待开挖竖井的顶面之间围合形成工作仓，在工作仓内安装能移动的挖掘装置和送渣装置；

S3、利用挖掘装置向下开挖土体，利用送渣装置将挖掘装置开挖的渣土运至工作仓内的指定区域，并利用出渣装置实现出渣；待向下开挖达到预设高度时，在井口圈梁的顶部内壁建造顶环结构，在顶环结构的底部利用管片拼装装置拼装一环管节，在竖井底板的顶面周向均布安装多个顶推油缸，各顶推油缸均向上顶紧对应的管片；

S4、回缩一块新的管片所对应待拼装位置处的顶推油缸，利用管片拼装装置将一块新的管片送至待拼装位置后，利用该块管片下方的顶推油缸将该块管片顶推压紧，然后安装紧固件，直至依次完成新的一环管节拼装；

S5、利用挖掘装置继续向下开挖，利用送渣装置和出渣装置继续输送渣土；待向下开挖满足一环管节高度时，重复步骤S4，直至开挖深度达到竖井井底设计标高；

S6、移出相应的装置，完成竖井封底；

S7、拆除顶推油缸，并对当前最底层的管节与竖井底板之间的间隔进行处理。

在本发明的一较佳实施方式中，在步骤S2中，建造竖井底板时，在竖井底板的顶面安装环形盾壳，并在环形盾壳的顶部安装环形盾尾刷；在步骤S3中，在顶环结构的底部拼装一环管节时，环形盾尾刷能与该环管节中各管片的外壁紧密接触；待该环管节拼装完成后，对该环管节中位于环形盾尾刷以上的部分进行壁后注浆；在步骤S5中，待向下开挖满足一环管节高度时，环形盾壳和环形盾尾刷随竖井底板下沉一环管节高度，且环形盾尾刷与当前最底层的管片外壁紧密接触，对当前最底层的管节中位于环形盾尾刷以上的部分进行壁后注浆；之后再重复步骤S4，直至开挖深度达到竖井井底设计标高；在步骤S6中，移出相应的装置后，向工作仓内注浆回填，以完成竖井封底；还会对当前最底层的管节中位于环形盾尾刷以下的部分进行壁后注浆；在步骤S7中，拆除顶推油缸后，在当前最底层的管节下方利用管片拼装装置再拼装一环管节，待该环管节拼装完成后，对新拼装的管节进行壁后注浆，再对新拼装的管节底部与竖井底板的顶面之间的间隙采用现场浇筑方式制作底环结构。

在本发明的一较佳实施方式中，步骤S2中，在待开挖竖井的顶部建造竖井底板，并使竖井底板与待开挖竖井的顶面之间围合形成工作仓，包括如下步骤：在待开挖竖井的顶部填筑砂土；在砂土的顶部放置导轨，在砂土上采用现场浇筑方式制作竖井底板，以使导轨预埋在竖井底板的底面上；对竖井底板下方的砂土进行开挖，待砂土全部开挖完成后，形成工作仓。

在本发明的一较佳实施方式中，在浇筑竖井底板时，在竖井底板上形成有第一预留口和第二预留口，完成竖井底板的浇筑后，在第一预留口和第二预留口上分别安装设备回收筒和人工维修筒；挖掘装置和出渣装置能由设备回收筒运送至工作仓内，并能安装在导轨上。

在本发明的一较佳实施方式中，出渣装置包括螺旋输送机、用于放置在竖井底板上的渣斗以及用于放置在地面上的渣土收集器；在步骤S3和S5中，螺旋输送机能将渣土输送至渣斗内，待渣斗收集满渣土后，将渣斗吊运至地面并将渣斗内的渣土倒入渣土收集器中，以实现出渣；或者，出渣装置包括能贯穿竖井底板的出渣筒、用于放置在开挖面上的渣斗以及用于放置在地面上的渣土收集器；步骤S3和S5中，送渣装置能将渣土输送至渣斗内，待渣斗收集满渣土后，将渣斗通过出渣筒吊运至地面并将渣斗内的渣土倒入渣土收集器中，以实现出渣。

在本发明的一较佳实施方式中，在步骤S2中，建造竖井底板时，在竖井底板的底部周向安装有多个第一位置感应探头；在步骤S3至S5中，还会利用各第一位置感应探头实时监测竖井底板相应位置的位置信息，地面控制室能根据各第一位置感应探头检测的位置信息判断竖井底板是否存在偏斜；若是，地面控制室控制相应的顶推油缸伸长或者控制挖掘装置对相应区域的土体进行开挖，以使竖井底板保持水平。

在本发明的一较佳实施方式中，在步骤S5中，重复步骤S4，直至向下开挖至地下水位以上预设高度时，先利用气压保持装置向工作仓内输送气体，并使气体的压力与地下水的水压保持平衡；之后利用挖掘装置继续向下开挖，利用送渣装置和出渣装置继续输送渣土，待向下开挖满足一环管节高度时，继续重复步骤S4，直至开挖深度达到竖井井底设计标高。

本发明还提供一种竖井向下盾构施工装置，包括：

井口圈梁，用于设在待开挖竖井的外周，在其顶部内壁建造有顶环结构；

竖井底板，能与待开挖竖井的开挖面之间围合形成工作仓；

挖掘装置，能移动的安装在工作仓内，并能向下开挖土体；

送渣装置，能移动的安装在工作仓内，并能将挖掘装置开挖的渣土运至工作仓的指定区域；

出渣装置，能将指定区域的渣土输送至地面上的指定位置实现出渣；

管片拼装装置，用于周向拼装管片；

以及多个顶推油缸，周向均布安装在竖井底板的顶面，能将管片拼装装置拼装的管片顶推压紧，并能用于竖井底板的纠偏。

在本发明的一较佳实施方式中，在竖井底板的顶部外周设有环形盾壳，并在环形盾壳的顶部设有环形盾尾刷，环形盾尾刷能与相应的管片外壁相接触。

在本发明的一较佳实施方式中，竖井底板为现浇混凝土结构，在竖井底板的底部预埋有导轨，在竖井底板上安装有能与工作仓连通的设备回收筒和人工维修筒，挖掘装置和送渣装置均能移动的安装在导轨上。

在本发明的一较佳实施方式中，挖掘装置包括第一连接座、第一转盘、机械悬臂和截割头，第一连接座能滑动地悬挂在导轨上；第一转盘的固定部分与第一连接座固接，其转动部分与机械悬臂的第一端铰接，机械悬臂的第二端与截割头连接；在第一转盘的转动部分和机械悬臂之间还铰接有第一油缸，用于驱动机械悬臂的摆动；送渣装置包括第二连接座、第二转盘、铲斗悬臂和铲斗，第二连接座能滑动地悬挂在导轨上；第二转盘的固定部分与第二连接座固接，其旋转部分与铲斗悬臂的第一端铰接，铲斗悬臂的第二端与铲斗连接；在第二转盘的转动部分和铲斗悬臂之间还铰接有第二油缸，用于驱动铲斗悬臂的摆动。

在本发明的一较佳实施方式中，导轨包括固设在竖井底板上的多个固定轨道，相邻的多个固定轨道之间形成有换向区域，在换向区域内设有旋转轨道；旋转轨道能转动的与竖井底板连接，并能通过转动换向与对应的固定轨道对接连通。

在本发明的一较佳实施方式中，出渣装置包括螺旋输送机、用于放置在竖井底板上的渣斗以及用于放置在地面上的渣土收集器，螺旋输送机的底部与工作仓连通，其顶部通过相应管道与渣斗连接，利用相应的悬吊装置能将渣斗吊运至地面并将渣斗内的渣土倒入渣土收集器中；或者出渣装置包括能贯穿竖井底板的出渣筒、用于放置在开挖面上的渣斗以及用于放置在地面上的渣土收集器，出渣筒的底部正对渣斗设置，利用相应的悬吊装置能将渣斗通过出渣筒吊运至地面并将渣斗内的渣土倒入渣土收集器中。

在本发明的一较佳实施方式中，竖井向下盾构施工装置还包括龙门架和悬吊装置，龙门架搭设在井口圈梁上，悬吊装置安装在龙门架上；管片拼装装置包括车体、前置油缸和吸盘，在车体的前端面设有能升降的升降板，前置油缸的第一端通过球形铰座与升降板连接，其第二端与吸盘连接，吸盘能用于抓吸悬吊装置吊运的管片。

在本发明的一较佳实施方式中，竖井向下盾构施工装置还包括地面控制室，在竖井底板的底部还周向安装有多个第一位置感应探头和多个摄像头，在挖掘装置和送渣装置上分别安装有第二位置感应探头和第三位置感应探头；地面控制室与第一位置感应探头、摄像头、第二位置感应探头和第三位置感应探头电连接，并能根据各第一位置感应探头检测的位置信息或者各摄像头检测的画面信息判断竖井底板是否存在偏斜，并能控制顶推油缸伸长或者控制挖掘装置对相应区域的土体进行开挖。

在本发明的一较佳实施方式中，竖井向下盾构施工装置还包括气压保持装置，气压保持装置包括顺序连接的空气压缩机、高压气体储罐、空气清净机和输气管，输气管伸入工作仓内并与工作仓连通。

由上所述，本发明中的竖井向下盾构施工方法及装置，可以应用于大直径竖井的向下盾构建造，通过建造竖井底板，在竖井底板下方不断下挖的过程中，在顶环结构的底部沿其轴向向下逐环拼装管节即可，整个施工过程改变了传统沉井法的施工方式，已建造好的井筒部分无需随开挖下沉，也无需添加助沉剂等工序，井筒不会存在偏斜的问题，施工更加可靠，施工速度更快。同时，利用挖掘装置、送渣装置、出渣装置、管片拼装装置和顶推油缸的配合，土体开挖、渣土输送出渣及管片拼装都可以利用机械设备来实现，机械化程度更高，大大减少了人工强度，提高了施工效率。另外，在顶环结构的底部拼装各环管节时，利用顶推油缸对相应安装位置的管片进行压紧，一方面相较于人工拼装压紧而言，对管片的压紧效果更好，更有助于保证管片在土层侧壁上的固定效果，结构更加稳定；另一方面，利用顶推油缸的顶紧作用，还可以有效防止已建造的管节向下滑动，施工可靠性更强；再一方面，通过控制各顶推油缸的伸长程度，还可以对竖井底板在一定程度上达到纠偏的效果，以保证施工更加顺利。

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：为本发明提供的施工准备示意图，对应步骤S1。

图2：为本发明提供的浇筑竖井底板的示意图，对应部分步骤S2。

图3：为本发明提供的安装顶推油缸后的示意图，对应部分步骤S2和步骤S3。

图4：为图3中在顶推油缸位置处的局部放大图。

图5：本发明提供的拼装完第三环管节后的示意图，对应步骤S4。

图6：为图5中在顶推油缸位置处的局部放大图。

图7：本发明提供的正常竖井结构建造的示意图，对应部分步骤S5。

图8：本发明提供的在竖井井底注浆的示意图，对应部分步骤S5和步骤S6。

图9：为图8中在顶推油缸位置处的局部放大图。

图10：本发明提供的制作底环结构后的示意图，对应步骤S7。

图11：为图10中在底环结构位置处的局部放大图。

图12：本发明提供的竖井建造完成的示意图。

图13：本发明提供的制作井口圈梁的另一示意图。

图14：本发明提供的制作竖井底板的另一示意图。

图15：本发明提供的挖掘装置的局部放大图。

图16：为本发明提供的第一连接座与导轨配合的示意图。

图17：为本发明提供的送渣装置的局部放大图。

图18：为本发明提供的管片拼装装置的结构示意图。

图19：为本发明提供的安装板与升降板配合的示意图。

图20：为图19的俯视图。

图21：为本发明提供的固定轨道按照第一种轨道布置时的示意图。

图22：为图21中A处的放大图。

图23：为本发明提供的固定轨道按照第二种轨道布置时的示意图。

图24：为本发明提供的旋转轨道与竖井底板配合的示意图。

图25：为本发明提供的竖井底板的部分局部放大图。

附图标号说明：

1、井口圈梁；10、环槽；11、顶环结构；12、龙门架；121、悬吊装置；13、开挖井；14、第二环管节；15、第三环管节；16、底环结构；

2、竖井底板；21、工作仓；211、砂土；212、注浆设备；213、井底回填混凝土结构；23、环形刃角；24、第一预留口；241、设备回收筒；25、第二预留口；251、人工维修筒；26、第三预留口；27、顶推油缸；281、第一位置感应探头；282、摄像头；291、环形盾壳；292、环形盾尾刷；

3、导轨；31、固定轨道；311、横向轨道；312、纵向轨道；313、圆形轨道；32、换向区域；33、旋转轨道；34、固定板；35、大齿轮；36、第二轴承；37、第二电机；38、小齿轮；

4、挖掘装置；41、第一连接座；411、第一电机；412、卡板；4121、横向连接螺栓；4122、竖向连接螺栓；413、滑轮；414、第一轴承；42、第一转盘；43、机械悬臂；44、截割头；45、第一油缸；46、第二位置感应探头；

5、送渣装置；51、第二连接座；52、第二转盘；53、铲斗悬臂；54、铲斗；55、第二油缸；56、第三位置感应探头；

6、出渣装置；61、螺旋输送机；62、渣土收集器；63、运渣汽车；64、渣斗；

7、管片拼装装置；71、车体；72、安装板；721、导向板；7211、导向槽；722、底座；73、升降板；74、顶升油缸；75、球形铰座；76、前置油缸；77、吸盘；

8、气压保持装置；81、高压线杆；82、电线；83、变压器；84、空气压缩机；85、高压气体储罐；86、空气清净机；87、输气管；

9、地面控制室；

H1、地下水位；H2、竖井井底设计标高。

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。

实施方式一

如图1至图25所示，本申请提供一种竖井向下盾构施工方法，包括如下步骤：

S1、在待开挖竖井的外周制作井口圈梁1；

S2、在待开挖竖井的顶部建造竖井底板2，并使竖井底板2与待开挖竖井的顶面之间围合形成工作仓21，在工作仓21内安装能移动的挖掘装置4和送渣装置5；

S3、利用挖掘装置4向下开挖土体，利用送渣装置5将挖掘装置4开挖的渣土运至工作仓21内的指定区域，并利用出渣装置6实现出渣；待向下开挖达到预设高度时，在井口圈梁1的顶部内壁建造顶环结构11，在顶环结构11的底部利用管片拼装装置7拼装一环管节(记作第二环管节14)，在竖井底板2的顶面周向均布安装多个顶推油缸27，各顶推油缸27均向上顶紧对应的管片(也即顶紧第二环管节14中对应的管片)；

S4、回缩一块新的管片所对应待拼装位置处的顶推油缸27，以预留出新的一块管片的拼装位置；利用管片拼装装置7将一块新的管片送至待拼装位置后，利用该块管片下方的顶推油缸27将该块管片顶推压紧，然后安装紧固件(例如螺栓)，直至依次完成新的一环管节拼装；

S5、利用挖掘装置4继续向下开挖，利用送渣装置5和出渣装置6继续输送渣土；待向下开挖满足一环管节高度时，重复步骤S4，直至开挖深度达到竖井井底设计标高H2；

S6、移出相应的装置(例如挖掘装置4、送渣装置5和出渣装置6)，完成竖井封底；

S7、拆除顶推油缸27，并对当前最底层的管节与竖井底板2之间的间隔进行处理。

其中，在步骤S4中，由于一块新的管片所对应待拼装位置会对应多个顶推油缸27，此时需要将一块新的管片对应的各顶推油缸27均回缩，其余各顶推油缸27仍处于伸长状态保持不动；将一块新的管片送至待拼装位置后，再将该管片下的各顶推油缸27均向上顶紧，人工安装螺栓；如此重复，直至沿周向依次拼接成一环管节。在步骤S5中，重复步骤S4时，每次在已拼装完成的位于最底部的该环管节下方继续拼装新的管片，并利用对应的各顶推油缸27配合顶紧。可以理解，本文中所提到的一环管节是由多块预制的管片沿周向依次拼装构成。

由此，本申请中的竖井向下盾构施工方法，可以应用于大直径竖井的向下盾构建造，通过建造竖井底板2，在竖井底板2下方不断下挖的过程中，在顶环结构11的底部沿其轴向向下逐环拼装管节即可，整个施工过程改变了传统沉井法的施工方式，已建造好的井筒部分无需随开挖下沉，也无需添加助沉剂等工序，井筒不会存在偏斜的问题，施工更加可靠，施工速度更快。同时，利用挖掘装置4、送渣装置5、出渣装置6、管片拼装装置7和顶推油缸27的配合，土体开挖、渣土输送出渣及管片拼装都可以利用机械设备来实现，机械化程度更高，大大减少了人工强度，提高了施工效率。另外，在顶环结构11的底部拼装各环管节时，利用顶推油缸27对相应安装位置的管片进行压紧，一方面相较于人工拼装压紧而言，对管片的压紧效果更好，更有助于保证管片在土层侧壁上的固定效果，结构更加稳定；另一方面，利用顶推油缸27的顶紧作用，还可以有效防止已建造的管节向下滑动，施工可靠性更强；再一方面，通过控制各顶推油缸27的伸长程度，还可以对竖井底板2在一定程度上达到纠偏的效果，以保证施工更加顺利。

在具体实现方式中，在步骤S1中，制作井口圈梁1时可以直接在地表先开挖出环形槽，然后在环形槽内采用浇筑混凝土的方式形成井口圈梁1，如图1所示。或者，也可以先将竖井范围内的地层整体向下开挖一段，然后在开挖井13内的外周浇筑混凝土来形成井口圈梁1，如图13所示；此种情况下，在步骤S2中制作竖井底板2时直接在开挖井13的底面制作即可，也即直接在竖井内部回填砂土211，如图14所示。

上述的顶环结构11可以采用现浇或预制的方式建造，为后续顶推油缸27提供反力。顶环结构11采用多块预制管片拼装形成时，既可采用人工拼装，也可以采用机械拼装，待顶环结构11拼装完成后，在顶环结构11的壁后注入浆液；待浆液完全硬化后，还可以采用锚固装置将拼装完成的顶环结构11固定在井口圈梁1上，然后再在其底部拼装一环管节。

本实施例中更优选采用现浇方式建造顶环结构11，进一步优选地，参照图1，在步骤S1中，浇筑井口圈梁1时，在井口圈梁1的顶部内圈形成有环槽10，并在环槽10内预埋钢筋，在环槽10内填筑灰土；在步骤S3中，向下开挖达到预设高度时，将环槽10中的灰土全部开挖后，在环槽10内采用现场浇筑方式制作内径小于井口圈梁1内径的环形结构，该环形结构向内侧突出环槽10的部分构成顶环结构11；此种方式，顶环结构11与环槽10内的这部分环形结构为一体浇筑，为顶推油缸27提供反力更加稳定。

作为优选地，在步骤S2中，建造竖井底板2时，在竖井底板2的顶面安装环形盾壳291，并在环形盾壳291的顶部安装环形盾尾刷292；

在步骤S3中，在顶环结构11的底部拼装一环管节(即第二环管节14)时，环形盾尾刷292能与该环管节中各管片的外壁紧密接触；待该环管节拼装完成后，对该环管节中位于环形盾尾刷292以上的部分进行壁后注浆；

在步骤S5中，待向下开挖满足一环管节高度时，环形盾壳291和环形盾尾刷292随竖井底板下沉一环管节高度，且环形盾尾刷292与当前最底层的管片外壁紧密接触，对当前最底层的管节中位于环形盾尾刷292以上的部分进行壁后注浆；之后再重复步骤S4，直至开挖深度达到竖井井底设计标高H2；

在步骤S6中，移出相应的装置后，向工作仓21内注浆回填，以完成竖井封底；还会对当前最底层的管节中位于环形盾尾刷292以下的部分进行壁后注浆(此时是对该环管节的后壁与环形盾壳291之间的间隙部分进行注浆)；

在步骤S7中，拆除顶推油缸27后，在当前最底层的管节下方利用管片拼装装置7再拼装一环管节，待该环管节拼装完成后，对新拼装的管节进行壁后注浆，再对新拼装的管节底部与竖井底板2的顶面之间的间隙采用现场浇筑方式制作底环结构16。

可以理解，环形盾壳291应位于各顶推油缸27的外周。在步骤S3中，建造完顶环结构11后，环形盾尾刷292的顶部与顶环结构11的底部之间应留有一定距离；拼装第二环管节14时，环形盾尾刷292能与第二环管节14中的各管片外壁接触(例如图3和图4中示出的，环形盾尾刷292紧贴在管片外侧壁的中下部位置)，利用管片上的注浆孔对该环管节进行壁后注浆时，环形盾尾刷292能防止浆液及地下水漏入竖井底板2上。在步骤S5中，所说的当前最底层的管片是指开挖满足一环管节高度后新拼管片之前，位于最底层的管节；例如，在步骤S3中拼完第二环管节14，进入步骤S4，在第二环管节14底部新拼装管片形成第三环管节15后，进入步骤S5，向下开挖满足一环管节高度后，此时当前最底层的管片则是指第三环管节15中的管片；对第三环管节15壁后注浆后，再进入步骤S4，以在第三环管节15底部新拼装管片形成第四环管节，以此类推。

另外，在步骤S3和步骤S5中，对管片进行壁后注浆后，还可以利用管片上预留的注浆孔或者锚杆孔施打锚杆，以使管片的固定更加牢固。

在步骤S6中，还可以对当前最底层的管节上方的部分管节利用管片上预留的注浆孔或者锚杆孔施打锚杆，以使管片的固定更加牢固，避免后续顶推油缸27拆除后出现结构不稳定的现象。其中，该步骤S6中，对当前最底层的管节中位于环形盾尾刷292以下的部分进行壁后注浆时，可以在该环管节的壁后底端增加环形挡板，待浆液完全硬化后，再将该环形挡板移除。另外，移出挖掘装置4、送渣装置5和出渣装置6后，向工作仓21内注浆回填以实现竖井封底、对部分管片施打锚杆以及对当前最底层的管节进行壁后注浆这三个操作的先后顺序可以根据需要而定，也可以同时进行，本发明对此不进行限定。

在步骤S7中，对新拼装的管节进行壁后注浆时，也可以在该环管节的壁后底端增加环形挡板，待浆液完全硬化后，再将该环形挡板移除。由于顶推油缸27拆除后，当前最底层管片底部与竖井底板2顶面之间的距离会大于一块管片高度但不足两块管片高度，因此，先拼装一环管节，再采用浇筑方式制作底环结构16，可以有效保证建造的井筒与竖井底板2之间没有间隙。

在拼装管片时，地下水或者部分土体有可能从底部所拼管片以及顶推油缸27的位置漏入竖井底板2上；本实施例中通过环形盾壳291与环形盾尾刷292的配合，利用环形盾尾刷292接触相应管片的外壁，可以将竖井底板2上方区域与地层之间的连通缝隙隔开，实现密封的效果。施工过程中，环形盾壳291和环形盾尾刷292随竖井底板2一起下沉，始终对竖井底板2上方拼装作业区起到支撑周围地层、防止地下水侵入等保护作用。

进一步地，为了更便于制作竖井底板2，步骤S2中，在待开挖竖井的顶部建造竖井底板2，并使竖井底板2与待开挖竖井的顶面之间围合形成工作仓21，包括如下步骤：

在待开挖竖井的顶部填筑砂土211；

在砂土211的顶部放置导轨3，在砂土211上采用现场浇筑方式制作竖井底板2，以使导轨3预埋在竖井底板2的底面上，上述的环形盾壳291预埋在环形盾壳291的顶面外周；

对竖井底板2下方的砂土211进行开挖，待砂土211全部开挖完成后，形成工作仓21。

采用填筑砂土211再浇筑混凝土形成竖井底板2的方式，可以不再搭建和拆卸模板支架实现浇筑，施工更加方便；同时由于砂土211没有粘性并便于压实，更利于浇筑竖井底板2，在后期对砂土211开挖也更加容易，施工效率更高。

竖井底板2应为底部具有凹槽的板状结构，以便与待开挖竖井的顶面围合形成工作仓21；在利用挖掘装置4向下开挖土体的过程中，竖井底板2会随开挖下沉，并与开挖面始终围合成工作仓21，竖井底板2上的顶推油缸27也会一起下沉，但顶推油缸27的活塞杆会不断伸长，以保持对管片的顶紧状态。一般竖井底板2的底部形成有环绕该凹槽的环形刃角23，该环形刃角23的底端为刃状，可以起到切削土体的作用，更利于开挖过程中竖井底板2的下沉。若遇到竖井底板2下沉不顺利的情况，还可以利用挖掘装置4在环形刃角23的附近多开挖一些土体，以帮助竖井底板2顺利下沉。

为了便于工人维修以及设备的安装，在浇筑竖井底板2时，在竖井底板2上形成有第一预留口24和第二预留口25，完成竖井底板2的浇筑后，在第一预留口24和第二预留口25上分别安装设备回收筒241和人工维修筒251；挖掘装置4和出渣装置6能由设备回收筒241运送至工作仓21内，并能安装在导轨3上。

该设备回收筒241主要是挖掘装置4和出渣装置6运送、维修以及后期回收的通道，人工维修筒251主要是维修人员进入维修机械的通道。在步骤S2中，对竖井底板2下方的砂土211进行开挖时，工人由人工维修筒251进入竖井底板2的下方并开挖出一定空间后，将挖掘装置4和送渣装置5由设备回收筒241送至竖井底板2下方，然后安装在导轨3上。

可以理解，工人对竖井底板2的下方进行开挖时，可以先开挖竖井底板2下方的一部分砂土211，开挖出方便安装挖掘装置4和送渣装置5的空间即可，之后通过送渣装置5将剩余砂土211运送至指定区域并利用出渣装置6实现出渣，便可将砂土211全部清除，形成工作仓21；或者，工人也可以直接将竖井底板2下方的砂土211全部开挖，形成工作仓21后，再安装挖掘装置4和送渣装置5；具体操作方式根据实际施工需要而定。

在一可选的实施例中，设备回收筒241和人工维修筒251也可以合为一个安装筒，利用竖井底板2上的同一个安装筒同时实现维修人员的进入以及设备的运送、维修和回收。

进一步地，具体的出渣方式可以采用如下两种方式：

第一种出渣方式：参照图3，出渣装置6包括螺旋输送机61、用于放置在竖井底板2上的渣斗64以及用于放置在地面上的渣土收集器62。在步骤S3和S5中，螺旋输送机61能将渣土输送至渣斗64内，待渣斗64收集满渣土后，将渣斗64吊运至地面并将渣斗64内的渣土倒入渣土收集器62中，以实现出渣。

其中，该方式下上述工作仓21的指定区域是指螺旋输送机61的下方入口处。螺旋输送机61的顶部通过相应管道与渣斗64连接，螺旋输送机61的轴线既可以竖直放置，也可以倾斜放置。本实施例中优选螺旋输送机61的轴线竖直设置，其长度更短。将螺旋输送机61应用到大直径竖井施工中，可以实现机械快速出渣，大大提高了出渣效率。

第二种出渣方式：出渣装置6包括能贯穿竖井底板2的出渣筒(以与工作仓21连通)、用于放置在开挖面上的渣斗64以及用于放置在地面上的渣土收集器62。步骤S3和S5中，送渣装置5能将渣土输送至渣斗64内，待渣斗64收集满渣土后，将渣斗64通过出渣筒吊运至地面并将渣斗64内的渣土倒入渣土收集器62中，以实现出渣。该方式下，工作仓21的指定区域是指渣斗64内。

上述两种出渣方式中，出渣装置还会包括运渣汽车63，用于将渣土收集器62中的渣土运出。在浇筑竖井底板2时，还会在竖井底板2上形成有第三预留口26，螺旋输送机61或者出渣筒安装在第三预留口26上，以与工作仓21连通。

进一步地，为了更便于检测竖井底板2是否偏斜以及方便对其纠偏，在步骤S2中，建造竖井底板2时，在竖井底板2的底部周向安装有多个第一位置感应探头281。在步骤S3至S5中，还会利用各第一位置感应探头281实时监测竖井底板2相应位置的位置信息，地面控制室9能根据各第一位置感应探头281检测的位置信息判断竖井底板2是否存在偏斜；若是，地面控制室9控制相应的顶推油缸27伸长或者控制挖掘装置4对相应区域的土体进行开挖，以使竖井底板2保持水平。

一般还会在竖井底板2的底部外周周向设有多个小型的摄像头282，以便于监控挖掘装置4和送渣装置5的开挖和送渣情况。地面控制室9也可以根据各摄像头282检测的画面信息来辅助判断竖井底板2是否存在偏斜。实际应用中地面控制室9主要根据各第一位置感应探头281检测的位置信息判断竖井底板2是否存在偏斜。

由于在竖井施工，尤其是大直径竖井的施工中，多数情况下会存在地下水；为了实现无水施工环境，避免地下水进入开挖面，在步骤S5中，重复步骤S4，直至向下开挖至地下水位H1以上预设高度时，先利用气压保持装置8向工作仓21内输送气体，并使气体的压力与地下水的水压保持平衡；再继续重复步骤S4，直至开挖深度达到竖井井底设计标高H2。

所输送气体应为高压气体，通过向工作仓21内充入高压气体，利用气压与周围地层中的水压形成平衡，可以有效避免地下水进入工作仓21的内部，确保工作仓21内机械设备在无水环境下工作；相较于现有需预先抽排地下水来降低地下水的方式而言，本实施例中利用气压平衡水压的方式实现无水施工，施工操作更加简便。将上述的竖井底板2采用现浇混凝土结构，也能有效防止竖井底板2上存在缝隙而导致高压气体漏气的情况。另外，上述的设备回收筒241、人工维修筒251以及出渣筒，各自的顶部均具有能开合的盖板，以防止工作仓21内的高压气体泄漏。

进一步地，以下以一个具体的例子对本实施例的施工方法进行举例说明，该施工方法具体包括如下步骤：

S1、平整场地，在场地相应位置搭设好龙门架12及其它设备进场准备完毕；开挖锁口坑槽，完成锁口下方地基处理，浇筑完成井口圈梁1(也可以称为竖井锁口及设备基础)，如图1所示。

S2、填筑砂土211，将导轨3(例如钢导轨)预放置相应位置，浇筑竖井底板2，在竖井底板2上预留第一预留口24、第二预留口25和第三预留口26，并在竖井底板2上预埋环形盾壳291，在环形盾壳291的顶部安装环形盾尾刷292，如图2所示。在地表安设地面控制室9和渣土收集器62；在竖井底板2上安装设备回收筒241、人工维修筒251和螺旋输送机61；工人由人工维修筒251进入竖井底板2下方开挖出一定空间后，将挖掘装置4和送渣装置5经设备回收筒241送至工作仓21中，然后安装至预埋的导轨3上；如图3所示。

S3、启动挖掘装置4开挖竖井底部土体，启动送渣装置5将挖掘装置4开挖的渣土运至螺旋输送机61下方入口处(也即工作仓21的指定区域)，启动螺旋输送机61将渣土输送至渣土收集器62中；待竖井向下开挖一定高度时，在竖井顶部采用拼装管片的方式完成顶环结构11，并在顶环结构11的壁后注浆液；待浆液完全硬化后，在顶环结构11的底部利用管片拼装装置7拼装一环管节，待该环管节拼装完成后，对该环管节中位于环形盾尾刷292以上的部分进行壁后注浆；在竖井底板上四周位置安装顶推油缸27，各顶推油缸27均向上顶紧对应的管片，如图3和图4所示。

S4、回缩一块管片所对应待拼装位置处的顶推油缸27，预留出新管片拼装位置，由悬吊装置121吊装管片至竖井底部，利用管片拼装装置7将一块新管片送至拼装位置后，启动该块管片下方的顶推油缸27将新管片顶推压紧，然后安装螺栓，依次完成一环管节拼装，如图5和图6所示。

S5、利用挖掘装置4继续向下开挖，利用送渣装置5和出渣装置6继续输送渣土；待向下开挖满足一环管节高度时，环形盾壳291和环形盾尾刷292随竖井底板2下沉一环管节高度，且环形盾尾刷292与当前最底层的管片外壁紧密接触，对当前最底层的管节中位于环形盾尾刷292以上的部分进行壁后注浆；重复步骤S4，直至竖井施工至地下水位H1以上0.5m，在地表安装变压器83、空气压缩机84、高压气体储罐85、空气清净机86及输气管87，开始向工作仓21内部输送高压气体，利用高压气体防止地下水进入工作仓21内；如图7所示。

之后利用挖掘装置4继续向下开挖，利用送渣装置5和出渣装置6继续输送渣土；待向下开挖满足一环管节高度时，环形盾壳291和环形盾尾刷292随竖井底板2下沉一环管节高度，且环形盾尾刷292与当前最底层的管片外壁紧密接触，对当前最底层的管节中位于环形盾尾刷292以上的部分进行壁后注浆；继续重复步骤S4，直至开挖施工至竖井井底设计标高H2。

S6、将挖掘装置4和送渣装置5经设备回收筒241运出，拆除螺旋输送机61，然后由注浆设备212通过相应的管道向工作仓21内注浆回填，如图8所示；回填完成后在工作仓21内形成井底回填混凝土结构213，完成竖井封底；对当前最底层的管节中位于环形盾尾刷292以下的部分进行壁后注浆；对当前最底层的管节上方的部分管节施打锚杆，如图8和图9所示。

其中，在步骤S6中，一般对工作仓21内注浆回填快要完成时再拆除上述的气压保持装置8，以避免地下水泄漏；同时，竖井封底完成后再拆除上述的设备回收筒241和人工维修筒251，并对上述的第一预留口24、第二预留口25和第三预留口26进行封堵。

S7、拆除顶推油缸27，在当前最底层的管节下方利用管片拼装装置7再拼装一环管节，对新拼装的管节进行壁后注浆，对新拼装的管节底部与竖井底板2的顶面之间的间隙采用现场浇筑方式制作底环结构16，如图10和图11所示。

其中，步骤S7中，新的管节完成拼装后，便可将管片拼装装置7移出。

之后拆除龙门架12及其它设备，整个竖井施工完成，如图12所示。

实施方式二

如图1至图25所示，本申请还提供一种竖井向下盾构施工装置，包括：

井口圈梁1，用于设在待开挖竖井的外周，在其顶部内壁建造有顶环结构11；

竖井底板2，能与待开挖竖井的开挖面之间围合形成工作仓21；

挖掘装置4，能移动的安装在工作仓21内，并能向下开挖土体；

送渣装置5，能移动的安装在工作仓21内，并能将挖掘装置4开挖的渣土运至工作仓21的指定区域；

出渣装置6，能将指定区域的渣土输送至地面上的指定位置(例如渣土收集器62)实现出渣；

管片拼装装置7，用于周向拼装管片；

以及多个顶推油缸27，周向均布安装在竖井底板2的顶面，能将管片拼装装置7拼装的管片顶推压紧，并能用于竖井底板2的纠偏。

竖井向下盾构施工装置的工作原理以及有益效果与实施方式一的竖井向下盾构施工方法相同，在此不再赘述。

作为优选地，为了避免地下水渗漏到竖井底板2顶面或者土体坍塌到竖井底板2上，在竖井底板2的顶部外周设有环形盾壳291，并在环形盾壳291的顶部设有环形盾尾刷292，环形盾尾刷292能与相应的管片外壁相接触。

具体环形盾壳291和环形盾尾刷292的工作原理和效果在实施方式一中已详细介绍，在此不再赘述。

进一步地，竖井底板2为现浇混凝土结构，在竖井底板2的底部预埋有导轨3，在竖井底板2上安装有能与工作仓21连通的设备回收筒241和人工维修筒251，挖掘装置4和送渣装置5均能移动的安装在导轨3上。挖掘装置4和送渣装置5可以由设备回收筒241运送至工作仓21，工人可以由人工维修筒251下入工作仓21内。

具体竖井底板2的制作方法可以按照上述实现方式一中提到的通过筑填砂土211再进行浇筑的方式，施工更加方便，施工效率更高。

对于挖掘装置4和送渣装置5可以采用现有任一适用的小型机械设备，以方便地实现土体开挖和运送渣土。

例如本实施例中，参照图15，挖掘装置4的结构可以这样实现：挖掘装置4包括第一连接座41、第一转盘42、机械悬臂43和截割头44，第一连接座41能滑动地悬挂在导轨3上；第一转盘42的固定部分与第一连接座41固接，其转动部分与机械悬臂43的第一端铰接，机械悬臂43的第二端与截割头44连接；在第一转盘42的转动部分和机械悬臂43之间还铰接有第一油缸45，用于驱动机械悬臂43的摆动。

具体地，参照图16，第一连接座41包括第一电机411、对称设置的两个卡板412以及对称设置的两个滑轮413，上述的导轨3可以采用工字型钢，两个卡板412卡设在工字型钢的两侧。每个卡板412的上部均具有安装槽，两个卡板412扣合后两个卡板412的上部围合形成T型槽，工字型钢的下部能滑动的嵌设在该T型槽内，每个滑轮413均安装在工字型钢与该卡板412的安装槽围成的空间内；该滑轮413的轴向水平设置，其与工字型钢的底部翼缘板滑动接触，且其轮轴与卡板412通过第一轴承414连接。第一电机411与其中一个滑轮413连接，并能驱动该滑轮413转动。两个卡板412的下部紧密贴合并通过横向连接螺栓4121连接固定，两个卡板412的底部通过竖向连接螺栓4122与第一转盘42的固定部分连接。

整个挖掘装置4通过第一电机411驱动滑轮413在导轨3上运转，可带动第一连接座41沿导轨3滑动，进而实现整个挖掘装置4在不同位置的开挖。第一转盘42还包括驱动件，用于驱动其转动部分相对于固定部分旋转；通过第一转盘42的转动，可以驱动机械悬臂43整体的旋转，实现旋转开挖；利用第一油缸45可以驱动机械悬臂43的摆动，实现摆动开挖。

参照图17，送渣装置5的结构可以这样实现：送渣装置5包括第二连接座51、第二转盘52、铲斗悬臂53和铲斗54，第二连接座51能滑动地悬挂在导轨3上；第二转盘52的固定部分与第二连接座51固接，其旋转部分与铲斗悬臂53的第一端铰接，铲斗悬臂53的第二端与铲斗54连接；在第二转盘52的转动部分和铲斗悬臂53之间还铰接有第二油缸55，用于驱动铲斗悬臂53的摆动。

第二连接座51和第二转盘52分别与上述第一连接座41和第一转盘42的结构相同，在此不再赘述。第一转盘42和第二转盘52可以采用现有的回转驱动装置或其他可实现旋转功能的结构，本发明对此不进行限定。整个送渣装置5利用第二连接座51中的电机驱动滑轮在导轨3上运转，以将整个送渣装置5移动至工作仓21的不同位置；利用第二转盘52的转动，可以驱动铲斗悬臂53整体的旋转；利用第二油缸55可以驱动铲斗悬臂53的摆动，操作更加灵活，更利于铲除各位置的渣土。

进一步地，为了更便于挖掘装置4和送渣装置5移动到工作仓21的各个位置，参照图21至图24，导轨3包括固设在竖井底板2上的多个固定轨道31，相邻的多个固定轨道31之间形成有换向区域32，在换向区域32内设有旋转轨道33；旋转轨道33能转动的与竖井底板2连接，并能通过转动换向与对应的固定轨道31对接连通。

如此，各固定轨道31的交叉区域均构成换向区域32，通过将旋转轨道33旋转一定角度，使其与指定位置的固定轨道31对接连通，便可实现挖掘装置4或送渣装置5在各个固定轨道31之间的转换，移动更加方便，开挖和送渣效率更高。

对于旋转轨道33的旋转例如可以这样实现：参照图22和图24，在竖井底板2的底面固设有固定板34，旋转轨道33例如可以采用矩形轨道，在旋转轨道33的中心固定有旋转轴，在旋转轴上套设固定有大齿轮35，旋转轴的端部通过第二轴承36与固定板34转动连接；在固定板34的一侧安装有第二电机37，在第二电机37的输出轴上固定有小齿轮38，小齿轮38与大齿轮35相啮合。通过第二电机37驱动小齿轮38带动大齿轮35转动，便可以带动旋转轨道33旋转指定角度。

对于固定轨道31的形状和排布可以按照如下两种方式布置：

第一种轨道布置：参照图21和图22，多个固定轨道31包括呈十字排布的一组横向轨道311和一组纵向轨道312以及同心排布的至少一组圆形轨道313，该十字的中心与圆形轨道313的圆心重合。竖井底板2的形状与竖井的横截面形状相同，一般均为圆形。横向轨道311和纵向轨道312的长度与竖井底板2的直径相同，圆形轨道313的直径小于竖井底板2的直径。圆形轨道313与横向轨道311或纵向轨道312之间，以及横向轨道311和纵向轨道312之间均形成上述的换向区域32，圆形轨道313、横向轨道311和纵向轨道312在对应的换向区域32处均断开，以为旋转轨道33的旋转留出空间。

具体是，每组圆形轨道313包括间隔设置的四个弧形轨道，该组横向轨道311包括沿其长度方向间隔设置的多个横向短轨，该组纵向轨道312包括沿其长度方向间隔设置的多个纵向短轨，横向短轨和纵向短轨的数量相同均记作n，圆形轨道313的组数记作m，则n＝4+2(m-1)，n和m均为正整数。例如，按照图21中示出的，圆形轨道313共设有两组，横向短轨和纵向短轨的数量均为六个，此时共形成有九个换向区域32。靠近十字中心的两个横向短轨与靠近十字中心的两个纵向短轨之间的间隔构成换向区域32，相邻两个弧形轨道与对应的两个横向短轨之间的间隔构成换向区域32，相邻两个弧形轨道与对应的两个纵向短轨之间的间隔构成换向区域32。每个换向区域32内的旋转轨道33可以每次旋转90°至横向位置或纵向位置，进而旋转至与相邻的两个横向短轨对接连通，或者与相邻的两个纵向短轨对接连通，或者与相邻的两个弧形轨道对接连通。

第二种轨道布置：参照图23，多个固定轨道31包括一组纵向轨道312以及平行间隔设置的多组横向轨道311，该组纵向轨道312与各组横向轨道311相垂直。该纵向轨道312的长度与竖井底板2的直径相同，纵向轨道312与各横向轨道311之间均形成上述的换向区域32，纵向轨道312和横向轨道311在对应换向区域32处均断开，以为旋转轨道33的旋转留出空间。

具体是，每组横向轨道311包括沿其长度方向间隔设置的两个横向短轨，该组纵向轨道312包括沿其长度方向间隔设置的多个纵向短轨，纵向短轨的数量比横向导轨3的组数多一个。例如按照图23中示出的，共设有五组横向轨道311，纵向短轨的数量为六个，此时共形成五个换向区域32。相邻两个横向短轨与对应的两个纵向短轨之间的间隔构成换向区域32，每个换向区域32内的旋转轨道33可以每次旋转90°至横向位置或纵向位置，进而旋转至与相邻的两个横向短轨对接连通，或者与相邻的两个纵向短轨对接连通。

上述两种轨道布置方式中，挖掘装置4和送渣装置5均可以采用一台或多台，各台挖掘装置4各自在相应的轨道上实现开挖，各台送渣装置5将相应挖掘装置4开挖后的渣土通过相应的轨道运输至工作仓21的指定区域。上述第一种轨道布置方式中，送渣装置5运输的距离相对较短，运输效率更高；上述第二种轨道布置方式中各组轨道的交叉区域更少。具体采用哪种轨道布置方式可以根据实际需要而定，当然，各固定轨道31也可以按照其他方式布置，旋转轨道33的旋转也可以采用其他的方式实现，本实施例仅为举例说明。

进一步地，为了方便实现出渣，可以采用如下两种出渣方式：

第一种出渣方式：出渣装置6包括螺旋输送机61、用于放置在竖井底板2顶面上的渣斗64以及用于放置在地面上的渣土收集器62，螺旋输送机61的底部与工作仓21连通，其顶部通过相应管道与渣斗64连接，利用相应的悬吊装置121能将渣斗64吊运至地面并将渣斗64内的渣土倒入渣土收集器62中。该出渣方式采用螺旋输送机61实现出渣，出渣效率更高。

第二种出渣方式：出渣装置6包括安装在竖井底板2上并贯穿竖井底板2的出渣筒、用于放置在开挖面上的渣斗64以及用于放置在地面上的渣土收集器62，出渣筒的底部正对渣斗64设置，利用相应的悬吊装置121能将渣斗64通过出渣筒吊运至地面并将渣斗64内的渣土倒入渣土收集器62中。

进一步地，为了便于拼装管片，参照图18至图20，竖井向下盾构施工装置还包括龙门架12和悬吊装置121，龙门架12搭设在井口圈梁1上，悬吊装置121安装在龙门架12上，该悬吊装置121用于向竖井内运送管片以及相应的机械设备。管片拼装装置7包括车体71、前置油缸76和吸盘77，在车体71的前端面设有能升降的升降板73，前置油缸76的第一端通过球形铰座75与升降板73连接，其第二端与吸盘77连接，吸盘77能用于抓吸悬吊装置121吊运的管片。

具体地，在车体71的前端面固定有安装板72，安装板72包括上下固定的导向板721和底座722，导向板721上具有贯穿其上下两端的导向槽7211，升降板73能滑动的安装在导向槽7211内；在导向槽7211内且位于升降板73和底座722之间设有顶升油缸74，通过顶升油缸74的伸缩可以实现升降板73的升降。球形铰座75安装在升降板73中背对车体71的板面上，利用球形铰座75可以带动前置油缸76实现上下左右摆动，更加灵活。使用时，通过吸盘77抓吸相应的悬吊装置121运送的管片，然后将该管片运送至竖井侧壁相应的拼装位置即可，操作简便。

进一步地，竖井向下盾构施工装置还包括地面控制室9，在竖井底板2的底部还周向安装有多个第一位置感应探头281和多个摄像头282，在挖掘装置4和送渣装置5上分别安装有第二位置感应探头46和第三位置感应探头56。地面控制室9与第一位置感应探头281、摄像头282、第二位置感应探头46和第三位置感应探头56电连接，并能根据各第一位置感应探头281检测的位置信息或者各摄像头282检测的画面信息判断竖井底板2是否存在偏斜，并能控制顶推油缸27伸长或者控制挖掘装置4对相应区域的土体进行开挖。

其中，在浇筑竖井底板2时，还会预留相应的安装口，以便于预埋安装第一位置感应探头281和摄像头282。地面控制室9具体放置在竖井井口地面上，还与挖掘装置4、送渣装置5、螺旋输送机61、悬吊装置121等电连接，以控制相应机械设备的工作运转。各第一位置感应探头281具体安装在实现方式一中所说的环形刃角23的内侧壁上，利用各第一位置感应探头281可以监控竖井底板2的偏斜情况并反馈给地面控制室9，利用第二位置感应探头46和第三位置感应探头56可以分别监控挖掘装置4和送渣装置5的位置信息并反馈给地面控制室9，以动态调整开挖位置及竖井纠偏；利用各摄像头282可以及时向地面控制室9反馈竖井底部的开挖及出渣情况，也可以用于辅助判断竖井底板2的偏斜情况。

进一步地，竖井向下盾构施工装置还包括气压保持装置8，气压保持装置8包括顺序连接的空气压缩机84、高压气体储罐85、空气清净机86和输气管87，输气管87伸入工作仓21内并与工作仓21连通。

使用时，空气压缩机84、高压气体储罐85、空气清净机86均放置在竖井顶部地面上，气压保持装置8还会包括电线82和变压器83，电线82通过竖立在地面上的高压线杆81架设，电线82的一端用于连接电源，另一端通过变压器83与空气压缩机84连接。空气压缩机84用于将空气压缩成高压气体，高压气体储罐85用于存储空气压缩机84压缩形成的高压气体，空气清净机86用于对高压气体进行净化，输气管87用于将高压气体输送至工作仓21内，以利用气压平衡水压实现无水施工。

需要说明的是，实施方式一中的方法具体可以采用实施方式二中的装置来实施，实施方式二中的装置也可以采用实施方式一中的方法来操作。

综上，本实施例中的竖井向下盾构施工方及装置，在不抽排地下水的情况下能够实现大直径竖井向下盾构建造，提高竖井施工机械化，更好的控制竖井偏斜，并且可以实现快速出渣。通过向工作仓21内充入高压气体，利用气压与周围底层中的水压形成平衡，避免了地下水进入工作仓21内部，确保仓内开挖及掘进机械在无水环境下工作；挖掘装置4在工作仓21顶部的导轨3上往复运动，实现竖井底部开挖，送渣装置5在挖掘装置4后方将渣土运送至螺旋输送机61下方，然后由螺旋输送机61输送至竖井底板2顶部的渣斗64中，由悬吊装置121将渣斗64吊运至地面并将渣斗64内的渣土倒入渣土收集器62中，最后由运渣汽车63运走；竖井侧壁结构由预制管片拼装，悬吊装置121将管片吊至竖井底部，然后由管片拼装装置7将管片放置相应位置，最后由顶推油缸27顶推压紧，顶推油缸27不仅起到压紧管片的作用，并且防止竖井上部已拼装成环的管节向下滑落，还可起到竖井开挖过程中的纠偏作用，进而实现大直径竖井向下盾构施工。

该方法可以应用于不宜大面积开挖地面的道路、公园等区域，以充分利用了地下空间。不仅提高了大直径竖井施工的机械化；同时整个竖井开挖过程中不需要降低地下水位，避免降低地下水引起地表塌陷等一系列影响；利用螺旋输送机61出渣，大大提高了出渣效率。有效解决大直径竖井施工机械化程度低，施工过程中抽排地下水引发地层沉降及环境问题，及竖井施工出渣效率低等问题。

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 (16)

1.一种竖井向下盾构施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、在待开挖竖井的外周制作井口圈梁；

S2、在待开挖竖井的顶部建造竖井底板，并使所述竖井底板与待开挖竖井的顶面之间围合形成工作仓，在所述工作仓内安装能移动的挖掘装置和送渣装置；

S3、利用所述挖掘装置向下开挖土体，利用所述送渣装置将所述挖掘装置开挖的渣土运至所述工作仓内的指定区域，并利用出渣装置实现出渣；待向下开挖达到预设高度时，在所述井口圈梁的顶部内壁建造顶环结构，在所述顶环结构的底部利用管片拼装装置拼装一环管节，在所述竖井底板的顶面周向均布安装多个顶推油缸，各所述顶推油缸均向上顶紧对应的管片；

S4、回缩一块新的管片所对应待拼装位置处的所述顶推油缸，利用所述管片拼装装置将一块新的管片送至待拼装位置后，利用该块管片下方的所述顶推油缸将该块管片顶推压紧，然后安装紧固件，直至依次完成新的一环管节拼装；

S5、利用所述挖掘装置继续向下开挖，利用所述送渣装置和所述出渣装置继续输送渣土；待向下开挖满足一环管节高度时，重复步骤S4，直至开挖深度达到竖井井底设计标高；

S6、移出相应的装置，完成竖井封底；

S7、拆除所述顶推油缸，并对当前最底层的管节与所述竖井底板之间的间隔进行处理。

2.如权利要求1所述的竖井向下盾构施工方法，其特征在于，

在步骤S2中，建造所述竖井底板时，在所述竖井底板的顶面安装环形盾壳，并在所述环形盾壳的顶部安装环形盾尾刷；

在步骤S3中，在所述顶环结构的底部拼装一环管节时，所述环形盾尾刷能与该环管节中各管片的外壁紧密接触；待该环管节拼装完成后，对该环管节中位于所述环形盾尾刷以上的部分进行壁后注浆；

在步骤S5中，待向下开挖满足一环管节高度时，所述环形盾壳和所述环形盾尾刷随所述竖井底板下沉一环管节高度，且所述环形盾尾刷与当前最底层的管片外壁紧密接触，对当前最底层的管节中位于所述环形盾尾刷以上的部分进行壁后注浆；之后再重复步骤S4，直至开挖深度达到竖井井底设计标高；

在步骤S6中，移出相应的装置后，向所述工作仓内注浆回填，以完成竖井封底；还会对当前最底层的管节中位于所述环形盾尾刷以下的部分进行壁后注浆；

在步骤S7中，拆除所述顶推油缸后，在当前最底层的管节下方利用所述管片拼装装置再拼装一环管节，待该环管节拼装完成后，对新拼装的管节进行壁后注浆，再对新拼装的管节底部与所述竖井底板的顶面之间的间隙采用现场浇筑方式制作底环结构。

3.如权利要求1所述的竖井向下盾构施工方法，其特征在于，

步骤S2中，在待开挖竖井的顶部建造竖井底板，并使所述竖井底板与待开挖竖井的顶面之间围合形成工作仓，包括如下步骤：

在待开挖竖井的顶部填筑砂土；

在所述砂土的顶部放置导轨，在所述砂土上采用现场浇筑方式制作所述竖井底板，以使所述导轨预埋在所述竖井底板的底面上；

对所述竖井底板下方的砂土进行开挖，待所述砂土全部开挖完成后，形成所述工作仓。

4.如权利要求3所述的竖井向下盾构施工方法，其特征在于，

在浇筑所述竖井底板时，在所述竖井底板上形成有第一预留口和第二预留口，完成所述竖井底板的浇筑后，在所述第一预留口和所述第二预留口上分别安装设备回收筒和人工维修筒；

所述挖掘装置和所述出渣装置能由所述设备回收筒运送至所述工作仓内，并能安装在所述导轨上。

5.如权利要求1所述的竖井向下盾构施工方法，其特征在于，

所述出渣装置包括螺旋输送机、用于放置在所述竖井底板上的渣斗以及用于放置在地面上的渣土收集器；在步骤S3和S5中，所述螺旋输送机能将渣土输送至所述渣斗内，待所述渣斗收集满渣土后，将所述渣斗吊运至地面并将所述渣斗内的渣土倒入所述渣土收集器中，以实现出渣；

或者，所述出渣装置包括能贯穿所述竖井底板的出渣筒、用于放置在开挖面上的渣斗以及用于放置在地面上的渣土收集器；步骤S3和S5中，所述送渣装置能将渣土输送至所述渣斗内，待所述渣斗收集满渣土后，将所述渣斗通过所述出渣筒吊运至地面并将所述渣斗内的渣土倒入所述渣土收集器中，以实现出渣。

6.如权利要求1所述的竖井向下盾构施工方法，其特征在于，

在步骤S2中，建造所述竖井底板时，在所述竖井底板的底部周向安装有多个第一位置感应探头；

在步骤S3至S5中，还会利用各所述第一位置感应探头实时监测所述竖井底板相应位置的位置信息，地面控制室能根据各所述第一位置感应探头检测的位置信息判断所述竖井底板是否存在偏斜；若是，所述地面控制室控制相应的所述顶推油缸伸长或者控制所述挖掘装置对相应区域的土体进行开挖，以使所述竖井底板保持水平。

7.如权利要求1-6任一项所述的竖井向下盾构施工方法，其特征在于，

在步骤S5中，重复步骤S4，直至向下开挖至地下水位以上预设高度时，先利用气压保持装置向所述工作仓内输送气体，并使所述气体的压力与地下水的水压保持平衡；之后利用所述挖掘装置继续向下开挖，利用所述送渣装置和所述出渣装置继续输送渣土，待向下开挖满足一环管节高度时，继续重复步骤S4，直至开挖深度达到竖井井底设计标高。

8.一种竖井向下盾构施工装置，其特征在于，包括：

井口圈梁，用于设在待开挖竖井的外周，在其顶部内壁建造有顶环结构；

竖井底板，能与待开挖竖井的开挖面之间围合形成工作仓；

挖掘装置，能移动的安装在所述工作仓内，并能向下开挖土体；

送渣装置，能移动的安装在所述工作仓内，并能将所述挖掘装置开挖的渣土运至所述工作仓的指定区域；

出渣装置，能将所述指定区域的渣土输送至地面上的指定位置实现出渣；

管片拼装装置，用于周向拼装管片；

以及多个顶推油缸，周向均布安装在所述竖井底板的顶面，能将所述管片拼装装置拼装的管片顶推压紧，并能用于所述竖井底板的纠偏。

9.如权利要求8所述的竖井向下盾构施工装置，其特征在于，

在所述竖井底板的顶部外周设有环形盾壳，并在所述环形盾壳的顶部设有环形盾尾刷，所述环形盾尾刷能与相应的管片外壁相接触。

10.如权利要求8所述的竖井向下盾构施工装置，其特征在于，

所述竖井底板为现浇混凝土结构，在所述竖井底板的底部预埋有导轨，在所述竖井底板上安装有能与所述工作仓连通的设备回收筒和人工维修筒，所述挖掘装置和所述送渣装置均能移动的安装在所述导轨上。

11.如权利要求10所述的竖井向下盾构施工装置，其特征在于，

所述挖掘装置包括第一连接座、第一转盘、机械悬臂和截割头，所述第一连接座能滑动地悬挂在所述导轨上；所述第一转盘的固定部分与所述第一连接座固接，其转动部分与所述机械悬臂的第一端铰接，所述机械悬臂的第二端与所述截割头连接；在所述第一转盘的转动部分和所述机械悬臂之间还铰接有第一油缸，用于驱动所述机械悬臂的摆动；

所述送渣装置包括第二连接座、第二转盘、铲斗悬臂和铲斗，所述第二连接座能滑动地悬挂在所述导轨上；所述第二转盘的固定部分与所述第二连接座固接，其旋转部分与所述铲斗悬臂的第一端铰接，所述铲斗悬臂的第二端与所述铲斗连接；在所述第二转盘的转动部分和所述铲斗悬臂之间还铰接有第二油缸，用于驱动所述铲斗悬臂的摆动。

12.如权利要求10所述的竖井向下盾构施工装置，其特征在于，

所述导轨包括固设在所述竖井底板上的多个固定轨道，相邻的多个所述固定轨道之间形成有换向区域，在所述换向区域内设有旋转轨道；所述旋转轨道能转动的与所述竖井底板连接，并能通过转动换向与对应的所述固定轨道对接连通。

13.如权利要求8所述的竖井向下盾构施工装置，其特征在于，

所述出渣装置包括螺旋输送机、用于放置在所述竖井底板上的渣斗以及用于放置在地面上的渣土收集器，所述螺旋输送机的底部与所述工作仓连通，其顶部通过相应管道与所述渣斗连接，利用相应的悬吊装置能将所述渣斗吊运至地面并将所述渣斗内的渣土倒入所述渣土收集器中；或者

所述出渣装置包括能贯穿所述竖井底板的出渣筒、用于放置在开挖面上的渣斗以及用于放置在地面上的渣土收集器，所述出渣筒的底部正对所述渣斗设置，利用相应的悬吊装置能将所述渣斗通过所述出渣筒吊运至地面并将所述渣斗内的渣土倒入所述渣土收集器中。

14.如权利要求8所述的竖井向下盾构施工装置，其特征在于，

所述竖井向下盾构施工装置还包括龙门架和悬吊装置，所述龙门架搭设在所述井口圈梁上，所述悬吊装置安装在所述龙门架上；

所述管片拼装装置包括车体、前置油缸和吸盘，在所述车体的前端面设有能升降的升降板，所述前置油缸的第一端通过球形铰座与所述升降板连接，其第二端与所述吸盘连接，所述吸盘能用于抓吸所述悬吊装置吊运的管片。

15.如权利要求8所述的竖井向下盾构施工装置，其特征在于，

所述竖井向下盾构施工装置还包括地面控制室，在所述竖井底板的底部还周向安装有多个第一位置感应探头和多个摄像头，在所述挖掘装置和所述送渣装置上分别安装有第二位置感应探头和第三位置感应探头；

所述地面控制室与所述第一位置感应探头、所述摄像头、所述第二位置感应探头和所述第三位置感应探头电连接，并能根据各所述第一位置感应探头检测的位置信息或者各所述摄像头检测的画面信息判断所述竖井底板是否存在偏斜，并能控制所述顶推油缸伸长或者控制所述挖掘装置对相应区域的土体进行开挖。

16.如权利要求8-15任一项所述的竖井向下盾构施工装置，其特征在于，

所述竖井向下盾构施工装置还包括气压保持装置，所述气压保持装置包括顺序连接的空气压缩机、高压气体储罐、空气清净机和输气管，所述输气管伸入所述工作仓内并与所述工作仓连通。

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