CN117703390A - 竖井施工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种竖井施工装置及方法，其中，竖井施工装置包括至少一个中心柱，中心柱能用于安装在待开挖竖井内，在中心柱上安装有能上下移动并能绕中心柱周向旋转的主体结构，在掘进过程中主体结构上安装有挖掘件。本发明能解决现有技术中无法开挖超大断面竖井以及装置复杂的问题。

Description

竖井施工装置及方法

技术领域

本发明是涉及竖井施工领域，尤其涉及一种竖井施工装置及方法。

背景技术

随着竖井机械化施工的普及，竖井掘进机的研发与应用日益受到重视和推广。目前竖井工程越来越多且断面大小不一，用于竖井施工的竖井钻机主要应用于断面不大的竖井工程，其设备适用性较为局限且设备自身能力有限，在大断面竖井施工上存在明显的劣势和不足，甚至无法满足正常使用要求。目前企业开发的竖井掘进机开挖直径基本在13米至14米，用于机械化沉井工程施工，既有的大断面竖井掘进机最大直径仅仅为23.02m，无法满足超大断面竖井开挖。

公开号为CN106761763A的发明专利提出了一种全断面竖井掘进机及其施工方法，该掘进机包括与竖井同轴设置的立柱、设置在立柱下端的刀盘、设置在刀盘和立柱之间的主驱动装置、安装在主驱动装置下端周围的多个稳定器、安装在多个稳定器上方的一层平台、依次向上固定安装在立柱周围的支护平台二层平台、三层平台、四层平台和撑靴推进装置以及垂直安装在立柱中部的出渣装置，所述的刀盘与主驱动装置的输出端固定连接。该方案采用机械开挖减少了爆破对地层的扰动，同时机械开挖可提高井壁施工质量，减少超、欠挖施工量，节约施工成本，设备高度集成,在开挖之后可紧跟支护，空帮距离小，井壁支护及时，可保证施工安全，设备同时设计高效出渣装置。

公开号为CN116677386A的发明专利提出了一种悬臂式竖井掘进机及其施工方法，所述竖井掘进机包括通过步进装置与环形撑靴装置相连的掘进主机，环形撑靴装置通过支撑盾体与掘进主机相连，支撑盾体与掘进主机的环形回转驱动的固定部之间通过伸缩装置相连，环形回转驱动的回转部连接可摆动的截割装置，采用截割装置开挖，通过控制截割装置摆动、环形撑靴装置的伸缩行程可实现不同直径的开挖，变径时更换支撑盾体即可完成掘进主机的改造。该方案不仅在环形撑靴装置与支撑盾体之间设置了步进装置，而且在支撑盾体与掘进主机之间设置了伸缩装置，可以有效扩大截割装置的步进行程，避免频繁下移整个竖井掘进机，在提高掘进效率的同时，也有效地降低了频繁步进对洞壁土体的扰动。

公开号为CN111206930B的发明专利提出了一种可变断面竖井开挖设备及施工方法，包括管节提拉装置和管节辅推装置，管节提拉装置和管节辅推装置分别设置在地面井口圈梁上，管节提拉装置和管节均与开挖装置相连接，开挖装置分别与管线延伸装置和渣土分离装置相连接，渣土分离装置与管线延伸装置相配合。本发明通过全机械化设计的开挖装置，开挖装置为装配式，拆装简单，减少了作业人员数量，降低了人员劳动强度，地面上管节提拉装置和管线延伸装置配合开挖装置的开挖及时跟随下放，保证开挖装置开挖的稳定性以及开挖过程中及时出渣；并且通过改变对开挖装置中各设备的组配方式，实现了一机多用，可适用于不同断面的竖井工程，具有更广的适用性，降低了施工成本。

以上现有方案虽然能够适应不同工况，但其设备复杂，且不满足超大断面竖井开挖。

发明内容

本发明的目的在于提供一种竖井施工装置及方法，能解决现有技术中无法开挖超大断面竖井以及装置复杂的问题。

本发明的目的可采用下列技术方案来实现：

本发明提供了一种竖井施工装置，包括至少一个中心柱；中心柱能用于安装在待开挖竖井内，在中心柱上安装有能上下移动并能绕中心柱周向旋转的主体结构，在掘进过程中主体结构上安装有挖掘件。

在本发明的一较佳实施方式中，竖井施工装置还包括环状的移动平台和第一驱动机构；中心柱的外壁设有竖向导轨，移动平台能上下移动的套设在中心柱上；第一驱动机构设在移动平台上并能通过第一传动组件驱动移动平台上下移动，主体结构能周向旋转的设在移动平台上。

在本发明的一较佳实施方式中，移动平台的外周壁上设有环形的旋转导轨，主体结构上安装有旋转平台，旋转平台能滑动的安装在旋转导轨上；在旋转平台上设有第二驱动机构，并能通过第二传动组件驱动旋转平台沿旋转导轨周向移动。

在本发明的一较佳实施方式中，竖向导轨包括形成在中心柱外壁的螺旋纹形式的螺纹导轨，第一传动组件包括至少两个旋转轴，在每个旋转轴上均套设有多个滚轮，各旋转轴设在移动平台内并周向间隔排布在中心柱的外周，各滚轮能沿螺纹导轨移动，第一驱动机构与各旋转轴连接，并能驱动各旋转轴转动。

在本发明的一较佳实施方式中，竖向导轨包括沿竖直方向延伸的直线导轨，第一传动组件包括内部齿轮，内部齿轮设在移动平台的内部并能与直线导轨相啮合，第一驱动机构与内部齿轮连接，并能驱动内部齿轮旋转。

在本发明的一较佳实施方式中，在移动平台内还设有能径向伸缩的伸缩杆，伸缩杆能径向伸出并卡设在竖向导轨上设置的卡槽内；第三驱动机构设在移动平台上并与伸缩杆连接，用于驱动伸缩杆的伸缩式移动。

在本发明的一较佳实施方式中，在中心柱的底部连接有加固基础结构，加固基础结构的直径大于中心柱的直径。

在本发明的一较佳实施方式中，中心柱的数量为一个，中心柱的外壁沿周向间隔设有多个加固梁；或者，中心柱的数量为至少两个，且各中心柱沿一条水平线间隔排布；各中心柱外壁周向设有至少两个加固梁，在相邻两个中心柱之间设有连接梁；或者，中心柱的数量为多个并按照矩阵排列，相邻的两个中心柱之间设有连接梁。

在本发明的一较佳实施方式中，竖井施工装置还包括出渣系统和封底件，出渣系统用于在掘进过程中实现出渣，封底件能在封底过程中安装在主体结构上。

本发明还提供一种竖井施工方法，包括如下步骤：

S1、在待开挖竖井内建造至少一个中心柱；

S2、在每个中心柱的顶部均安装能上下移动并能绕中心柱周向旋转的主体结构，并在主体结构上安装挖掘件；

S3、利用主体结构和挖掘件构成的挖掘设备沿中心柱的周向旋转开挖，利用出渣系统实现出渣；待向下开挖满足预设高度时，在已开挖的井壁部分建造管节结构，将挖掘设备向下移动预设高度；利用挖掘设备继续开挖以及建造管节结构，直至开挖深度达到设计深度；

S4、拆卸挖掘件并更换为封底件，将主体结构和封底件构成的封底设备下移至井底并进行封底；

S5、完成封底后，移出封底设备；

S6、在竖井的底部将中心柱截断，并将截断后的中心柱移出竖井。

由上所述，本申请的竖井施工装置及方法，根据竖井断面大小建造至少一个中心柱，并在掘进过程中在每个中心柱上安装挖掘设备，利用挖掘设备绕中心柱旋转开挖，并使得所有挖掘设备整体覆盖整个竖井断面，可以实现对竖井整个断面的开挖。整个施工方法提出了一个及以上的小断面形成大断面的思路，采用绕轴开挖的方式，掘进装置简单，方法简便；实现了基于一点的周圈开挖，无需大幅度移动，提高了掘进效率；通过增加中心柱的数量可组合任意截面大小形状的大断面，能够满足超大断面施工，实现安全高效施作竖井结构，解决了现有技术中无法开挖超大断面竖井以及装置复杂的问题。

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：为本发明提供的锁口圈梁位置及提拉系统布置的示意图。

图2：为本发明提供的中心柱及加固基础结构的示意图。

图3：为本发明提供的明挖顶部土层的示意图。

图4：为本发明提供的移动平台及挖掘设备作业的示意图。

图5：为本发明提供的首环管片拼装的示意图。

图6：为本发明提供的挖掘至设计深度的示意图。

图7：为本发明提供的更换为封底设备进行封底的示意图。

图8：为本发明提供的采用倒挂井壁法施工时将中心柱切割撤场后的示意图。

图9：为本发明提供的有水施工沉井法施工的示意图。

图10：为本发明提供的沉井法施工至设计深度的示意图。

图11：为本发明提供的采用沉井法施工时更换为封底设备进行封底的示意图。

图12：为本发明提供的采用沉井法施工时将中心柱切割撤场的示意图。

图13：为本发明提供的浅竖井施工的示意图。

图14：为本发明提供的深竖井施工的示意图。

图15：为本发明提供的线型布置竖井施工的示意图。

图16：为本发明提供的矩阵型布置竖井施工的示意图。

图17：为本发明提供的移动平台处的结构示意图。

图18：为图17的部分结构放大图。

图19：为本发明提供的第一传动组件采用内部齿轮时移动平台的原理示意图。

图20：为本发明提供的第一传动组件采用旋转轴和滚轮时移动平台的原理示意图。

附图标号说明：

1、钻孔；11、加固基础空间；

2、中心柱；21、加固基础结构；22、加固梁；23、连接梁；24、竖向导轨；

3、移动平台；31、第一驱动机构；32、第一传动组件；321、旋转轴；322、滚轮；323、内部齿轮；33、旋转导轨；34、伸缩杆；35、第三驱动机构；

4、挖掘设备；401、主体结构；402、挖掘件；41、旋转平台；411、U型块体；412、弯折部；42、第二传动组件；421、滑轮；43、水下可视系统；

5、管节结构；

6、封底设备；61、封底件；

7、锁口圈梁；

81、出渣系统；82、提拉系统；83、挖掘机。

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20所示，本申请提供一种竖井施工装置，包括至少一个中心柱2；中心柱2能用于安装在待开挖竖井内(具体安装在待开挖竖井的钻孔1内)，在中心柱2上安装有能上下移动并能绕中心柱2周向旋转的主体结构401，在掘进过程中主体结构401上安装有挖掘件402。其中，主体结构401和挖掘件402整体构成挖掘设备4，以用于实现开挖作业，挖掘件402例如可以采用挖掘铲斗。

由此，本申请的竖井施工装置，根据竖井断面大小建造至少一个中心柱2，并在掘进过程中在每个中心柱2上安装挖掘设备4，利用挖掘设备4绕中心柱2旋转开挖，并使得所有挖掘设备4整体覆盖整个竖井断面，可以实现对竖井整个断面的开挖。采用绕轴开挖的方式，装置简单，施工简便；实现了基于一点的周圈开挖，无需大幅度移动，提高了掘进效率；通过增加中心柱2的数量可组合任意截面大小形状的大断面，能够满足超大断面施工，解决了现有技术中无法开挖超大断面竖井以及装置复杂的问题。

进一步的，为了便于实现主体结构401的上下移动，参照图17至图20，竖井施工装置还包括环状的移动平台3和第一驱动机构31；中心柱2的外壁设有竖向导轨24，移动平台3能上下移动的套设在中心柱2上；第一驱动机构31设在移动平台3上并能通过第一传动组件32与竖向导轨24连接，用于驱动移动平台3上下移动；主体结构401能周向旋转的设在移动平台3上。

为了便于实现主体结构401的周向旋转，移动平台3的外周壁上设有环形的旋转导轨33，主体结构401上安装有旋转平台41，旋转平台41能滑动的安装在旋转导轨33上；在旋转平台41上设有第二驱动机构，并能通过第二传动组件42与旋转导轨33连接，用于驱动旋转平台41沿旋转导轨33周向移动。

更具体的，竖向导轨24和第一传动组件32例如可以采用如下两种方式：

第一种：参照图20，竖向导轨24包括形成在中心柱2外壁的螺旋纹形式的螺纹导轨，第一传动组件32包括至少两个旋转轴321，在每个旋转轴321上均套设有多个滚轮322，各旋转轴321设在移动平台3内并周向间隔排布在中心柱2的外周，各滚轮322能沿螺纹导轨移动，第一驱动机构31与各旋转轴321连接，并能驱动各旋转轴321转动。

该螺纹导轨具体是由在开设在中心柱2的外壁上并沿其轴向以螺旋方式布置的螺旋式凹槽构成，各滚轮322能沿该螺纹式凹槽运动，可以实现移动平台3的上下移动以及止退功能。其中，采用滚轮322与螺旋式凹槽之间的凹凸啮合方式可以实现限位功能，以实现止退。

第二种：参照图19，竖向导轨24包括沿竖直方向延伸的直线导轨，第一传动组件32包括内部齿轮323，内部齿轮323设在移动平台3的内部并能与直线导轨相啮合，第一驱动机构31与内部齿轮323连接，并能驱动内部齿轮323旋转。

该种方式下，对于轻型的挖掘设备4而言，仅依靠内部齿轮323与直线导轨的凹凸啮合方式便可实现限位。对于重型的挖掘设备4而言，为了便于更好的实现移动平台3的止退功能，在移动平台3内还设有能径向伸缩的伸缩杆34，伸缩杆34能径向伸出并卡设在竖向导轨24上设置的卡槽内；第三驱动机构35设在移动平台3上并与伸缩杆34连接，用于驱动伸缩杆34的伸缩式移动。

其中，直线导轨的表面有规则凹凸面，以与内部齿轮323啮合。伸缩杆34的位置可以与内部齿轮323位于同一侧，也可以位于不同侧，只要两者的布置不干涉即可。通过第一驱动机构31驱动内部齿轮323咬合直线导轨可实现移动平台3的上下移动，当移动平台3向上或向下移动到指定位置后，利用第三驱动机35构驱动伸缩杆34朝中心柱2伸出，伸缩杆34插设在竖向导轨24上的卡槽内，以防止移动平台3后退。

为了便于实现旋转平台41的旋转，例如可以这样实现，旋转导轨33的横截面为T型，其为环状的T型导轨；旋转平台41为块体结构，其内形成有T型槽，具体是旋转平台41是由U型块体411以及自U型块体411的两端部朝彼此弯折延伸形成的弯折部412构成，U型块体411与两弯折部412之间形成T型槽，旋转平台41通过其T型槽嵌套在旋转导轨33外。第二传动组件42包括两组滑轮组件，每组滑轮组件包括能转动的安装在弯折部412的凹槽内的至少一个滑轮421，滑轮421能与旋转导轨33滚动接触；第二驱动机构能驱动至少其中一个滑轮421旋转。

这样，通过在中心柱2上布置可垂直运动的移动平台3，在移动平台3上布置沿平台周圈移动的旋转平台41；整个移动平台3为圆环状，套入中心柱2，通过第一驱动机构31驱动移动平台3进行垂直运动，进而实现主体结构401的上下移动；移动平台3外侧圆周面设置一圈旋转导轨33，旋转导轨33与旋转平台41相嵌，旋转平台41通过第二驱动机构驱动的滑轮421沿旋转导轨33绕移动平台3外侧圆周面运动，如图17和图18所示，进而实现主体结构401的沿周向旋转移动。对于第一驱动机构31、第二驱动机构和第三驱动机构35例如可以采用电机。

实际应用中，具体中心柱2的数量可以根据实际开挖断面形状和大小而定，当中心柱2为一个时，中心柱2位于待开挖竖井的截面圆心处；中心柱2为多个时，各中心柱2位于各自所要开挖范围内的竖井的截面圆心处。

为了提高结构稳定性，在中心柱2的底部还连接加固基础结构21，加固基础结构21的直径大于中心柱2的直径。加固基础结构21一般采用现浇混凝土结构，中心柱2根据需要可以采用现浇混凝土结构或预制结构。

根据竖井开挖断面大小及深度，还会在中心柱2上增加加固梁22和/或连接梁23，保证中心柱2的稳定。根据中心柱2的数量和排布方式不同具体可以如下设置：

中心柱2的数量为一个，参照图14，中心柱2的外壁沿周向间隔设有多个加固梁22(例如加固梁22设有四个时，构成十字交叉的排布)；

或者，参照图15，中心柱2的数量为至少两个，且各中心柱2沿一条水平线间隔排布；各中心柱2外壁周向设有至少两个加固梁22，在相邻两个中心柱2之间设有连接梁23；

或者，参照图16，中心柱2的数量为多个并按照矩阵排列，相邻的两个中心柱2之间设有连接梁23。设有加固梁22时，加固梁22的另一端连接与锁口圈梁7固定或者与井壁上安装的管节结构5的内壁固定。

通过在中心柱2的底部设置加固基础结构21用于固定中心柱2，在中心柱2的上部设置加固梁22和/或连接梁23，加固梁22连接中心柱2以及锁口圈梁7或管节结构5，加固梁22和/或连接梁23、中心柱2以及加固基础结构21这三部分构成加固系统，可有效提高结构稳定性。

进一步的，竖井施工装置还包括出渣系统81和封底件61；出渣系统81用于在掘进过程中实现出渣，封底件61能在封底过程中安装在主体结构401上。

这里的封底件61例如可以采用封底泵管，与主体结构401可以构成封底设备6，以用于实现封底作业。主体结构401为主驱动结构，其具体结构为现有技术，在此不再赘述。可以理解，整个竖井施工装置还会包括配套系统，该配套系统包括供能的电气、液压系统，提拉系统82以及上述的出渣系统81等，提拉系统82用于采用沉井法施工时下方已建造好的井筒机构；配套系统布置在井口周围，一般设在锁口圈梁7上。当然，竖井施工装置还会包括用于拼装管片的相关设备，以便于拼装管节结构5。上述的主体结构401上根据功能的需求，还可以安装其他的作业模块，例如刃脚清洗刷、硬岩钻杆等可更换装置。

进一步的，对于施工环境为无水环境时，管节结构5可以采用倒挂井壁法施作，出渣系统81采用抓斗吊运渣土。

施工环境为有水条件时，通过沉井法进行施工作业，随着掘进机的开挖，上方拼装管片，并通过提拉系统82下放井筒结构进行及时支护。该有水环境下，为了实现在水下挖掘可控，在主体结构401上还可以设置水下可视系统43，例如超声波水下成像，如图9和图10所示。

进一步的，如图1至图20所示，本申请还提供一种竖井施工方法，包括如下步骤：

S1、在待开挖竖井内建造至少一个中心柱2；

S2、在每个中心柱2的顶部均安装能上下移动并能绕中心柱2周向旋转的主体结构401，并在主体结构401上安装挖掘件402；

S3、利用主体结构401和挖掘件402构成的挖掘设备4沿中心柱2的周向旋转开挖，利用出渣系统81实现出渣；待向下开挖满足预设高度时，在已开挖的井壁部分建造管节结构5，将挖掘设备4向下移动预设高度；利用挖掘设备4继续开挖以及建造管节结构5，直至开挖深度达到设计深度；

S4、拆卸挖掘件402并更换为封底件61，将主体结构401和封底件61构成的封底设备6下移至井底并进行封底；

S5、完成封底后，移出封底设备6；

S6、在竖井的底部将中心柱2截断，并将截断后的中心柱2移出竖井。

由此，本申请的竖井施工方法，根据竖井断面大小建造至少一个中心柱2，并在掘进过程中在每个中心柱2上安装挖掘设备4，利用挖掘设备4绕中心柱2旋转开挖，并使得所有挖掘设备4整体覆盖整个竖井断面，可以实现对竖井整个断面的开挖。整个施工方法提出了一个及以上的小断面形成大断面的思路，掘进装置简单，方法简便；实现了基于一点的周圈开挖，无需大幅度移动，提高了掘进效率；通过增加中心柱2的数量能够满足超大断面施工，实现安全高效施作竖井结构。

具体而言，该施工方法可采用上述的施工装置进行施工，在步骤S1中，先在待开挖竖井内钻出至少一个钻孔1，然后在每个钻孔1内均建造中心柱2；钻孔1的数量与中心柱2的数量相同，具体数量可以根据实际需要而定。一个竖井可布置一个及以上的中心柱2，至少一中心柱2上安装的至少一挖掘设备4应能够覆盖整个竖井断面，以实现整个竖井断面的开挖。一般为了提高中心柱2的结构稳定性，在中心柱2的底部还连接有直径增大的加固基础结构21，加固基础空间11一般采用现浇混凝土结构，中心柱2可以采用预制结构，也可以采用现浇混凝土结构。

参照图2，步骤S1具体包括如下步骤：

S11、在待开挖竖井内钻出至少一个钻孔1，并在每个钻孔1的底部均施工出加固基础空间11；具体是利用钻孔装置施工钻孔1，利用扩孔装置施工加固基础空间11，加固基础空间11的直径大于钻孔1的孔径；

S12、中心柱2采用现浇混凝土结构时，采用现场浇筑方式在钻孔1内形成中心柱2，并在加固基础空间11内形成加固基础结构21。

中心柱2采用预制结构时，采用现场浇筑方式在加固基础空间11内形成加固基础结构21，再将预制好的中心柱2下放入钻孔1内，并使中心柱2的底部插入加固基础结构21内。

整个中心柱2主要位于竖井截面的内部，中心柱2通过地层中的加固基础结构21稳固，中心柱2的设计长度高于竖井设计深度，以便于底部加固。对于中心柱2采用预制结构的实施例，中心柱2的底部应插入加固基础结构21内，以实现固定。中心柱2采用预制或现浇混凝土结构时，中心柱2的顶部可以伸出地面，也可以与地面平齐，具体根据实际需要而定。

进一步的，参照图4，步骤S2具体包括如下步骤：在中心柱2的顶部安装能上下移动的移动平台3，在移动平台3上安装能沿移动平台3的周向移动的主体结构401，在主体结构401上安装挖掘件402。

步骤S4具体包括如下步骤：将移动平台3向上移动至中心柱2的顶部，拆除挖掘件402，将封底件61安装在主体结构401上，将移动平台3向下移动至井底，利用封底设备6进行注浆封底，如图7所示。

可以理解，当中心柱2的顶部伸出地面时，在步骤S2中，直接在地面以上安装移动平台3和挖掘设备4即可；当中心柱2的顶面与地面平齐时，参照图3和图4，在步骤S2中，在中心柱2的顶部安装移动平台3之前，还需要先对待开挖竖井的顶层进行开挖，以在中心柱2的顶部周围开挖出安装空间；然后便可在该安装空间内进行安装移动平台3。

进一步的，在步骤S3中，预设高度可以根据需要而定，既可以是一环管节高度，也可以是多节管节高度，也可以是施工需要的其他高度，所建造的管节结构5的高度则与预设高度相匹配。施工时，向下开挖满足预设高度时，可以先建造管节结构5，再将挖掘设备4下移；也可以先向下移动挖掘设备4，再建造管节结构5；或者，也可以边建造管节结构5，边下移挖掘设备4；具体施工顺序根据需要而定。可以理解，在挖掘设备4继续开挖过程中，会利用出渣系统81继续出渣；待开挖深度达到设计深度时，利用出渣系统81进行清底；然后再进入步骤S4。

上述的管节结构5可以采用预制结构，其包括至少一环预制管节，或者管节结构5也可以采用现浇混凝土结构。整个管节结构5的建造方式既可以采用倒挂井壁法进行施工作业，也可以采用沉井法进行施工作业。可以理解，采用预制管节时，每环预制管节包括周向依次拼装的多个管片，施工时，相邻的管片之间通过相应的紧固件连接，相邻两环预制管节之间通过相应的紧固件连接，具体预制管节的拼装过程为现有技术，在此不再赘述。

当采用倒挂井壁法进行施工作业时，若管节结构5包括至少一环预制管节，在步骤S3中，待向下开挖满足预设高度时，在已开挖的井壁部分沿其轴向依次逐环拼装至少一环预制管节，待预制管节拼装完成后，对新拼装的预制管节进行打锚杆以及壁后注浆。

若管节结构5为现浇混凝土结构；在步骤S3中，待向下开挖满足预设高度时，在已开挖的井壁部分采用现场浇筑方式建造管节结构5。

当采用沉井法进行施工作业时，若管节结构5包括至少一环预制管节，在步骤S3中，待向下开挖满足预设高度时，在已开挖的井壁部分沿其轴向依次逐环拼装至少一环预制管节；已拼装好的各预制管节随着挖掘设备4开挖的同时向下下沉，然后在已拼装好的预制管节的顶部继续加高，直至开挖深度达到设计深度。

若管节结构5为现浇混凝土结构；在步骤S3中，待向下开挖满足预设高度时，在已开挖的井壁部分采用现场浇筑方式建造预制管节；已建造好的各预制管节随着挖掘设备4开挖的同时向下下沉，然后在已建造好的预制管节的顶部继续加高，直至开挖深度达到设计深度。

本实施例中的施工方法既可以适用于无水环境，也可以适用于有水环境。应用于无水环境时，既可以采用倒挂井壁法进行施工作业(参照图5和图6)，也可以采用沉井法进行施工作业，管节结构5既可以采用预制结构，也可以采用现浇混凝土结构。应用于有水环境时，应采用沉井法施工作业(参照图9和图10)，管节结构5采用预制结构。

进一步的，为了增强中心柱2的刚度，在挖掘设备4掘进一定深度后，可以在中心柱2上设置加固梁22和/或连接梁23，以保证结构稳定。根据中心柱2的数量以及排布方式的不同，增加中心柱2刚度的具体方式也不同，例如可以采用如下三种方式：

第一种：中心柱2的数量为一个；参照图14，在步骤S3中，待挖掘设备4向下开挖至预设深度时，在中心柱2外壁与井壁之间周向安装多个加固梁22。

第二种：中心柱2的数量为至少两个，且各中心柱2沿一条水平线间隔排布；参照图15，在步骤S3中，待挖掘设备4向下开挖至预设深度时，在各中心柱2外壁与井壁之间周向安装至少两个加固梁22，在相邻两个中心柱2之间安装连接梁23。

该种情况，施工多口线型排列竖井，挖掘设备4沿中心柱2垂直向下开挖，开挖至一定深度后在各竖井的中心柱2间设置连接梁23，中心柱2与井壁间设置加固梁22。

第三种：中心柱2的数量为多个并按照矩阵排列；参照图16，在步骤S3中，待挖掘设备4向下开挖至预设深度时，在相邻的两个中心柱2之间安装连接梁23。

该种情况，施工多口矩阵排列竖井，挖掘设备4沿中心柱2垂直向下开挖，开挖至一定深度后在与所有相邻竖井的中心柱2间设置多道连接梁23，通过中心柱2自身连接稳定，位于矩阵边缘处的中心柱2无需与井壁连接。

可以理解，实际施工时，根据竖井的深度不同，可以在中心柱2的不同位置设置加固梁22和/或连接梁23；具体时上述的预设深度可以包括至少一个加固深度，开挖至每个加固深度时，在中心柱2上设置加固梁22和/或连接梁23。另外，在封底完成后，会先拆除加固梁22和/或连接梁23，然后再调出移动平台3，分解中心柱2。当然，若竖井开挖深度较浅，参照图13，可以不设置加固梁22和/或连接梁23

一般施工时在形成钻孔1前，会在地面先施作锁口圈梁7，参照图1，具体是在待开挖竖井的外周制作锁口圈梁7。若加固梁22的位置位于中心柱2的顶部并正对锁口圈梁7的位置，则加固梁22与井壁上制作的锁口圈梁7的内壁固定；若加固梁22的位置位于锁口圈梁7的下方，则加固梁22与井壁上安装的管节结构5的内壁固定。对于加固梁22和连接梁23既可以采用预制结构，也可以采用现浇混凝土结构。

利用加固梁22用于中心柱2与锁口圈梁7或管节结构5的连接，利用连接梁23用于中心柱2之间的连接，有效保证了施工时的结构稳定。

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，以中心柱2的数量为一个，中心柱2采用现浇混凝土结构，中心柱2的顶部与地面平齐，管节结构5采用预制结构并按照倒挂井壁法进行施工作业为例，该施工方法具体包括如下步骤：

(1)准备工作：

首先在地面施作锁口圈梁7(如图1所示)，然后架立钻孔设备，按中心柱2设计要求钻出钻孔1，钻孔1形成后通过扩孔装置施工加固基础空间11，并下放中心柱2钢筋笼及配套模具，现场浇筑混凝土形成中心柱2及加固基础结构21，如图2所示；

中心柱2及加固基础结构21施工完成后，使用挖掘机83挖掘顶部土层为移动平台3和挖掘设备4创造安装空间，竖井深度满足后将移动平台3和挖掘设备4安装在中心柱2上，如图3所示；

(2)掘进工作：

挖掘设备4在移动平台3上作业，通过在移动平台3上进行周圈挖掘形成圆形竖井断面，渣土通过出渣系统81(例如抓斗)吊运出竖井，通过渣土车运出作业平台，如图4所示；随着开挖进尺，施作竖井支护结构，直至井筒支护施作完成。

具体是，挖掘一环管节深度后将管片吊运至设计位置，首环管片与锁口圈梁7的预留孔连接，环间定位并用螺栓连接，然后进行首环管片锚杆施打，壁后注浆，进行下一步施工，第二环管片与首环管片的预留孔连接，其余步骤与首环管片相同，按此方式进行掘进和管片拼接。挖掘至设计深度后，出渣系统81进行清底。

如图14所示，在挖掘过程中，若竖井深度、断面较大，单中心柱2施作竖井时，挖掘设备4沿中心柱2垂直向下开挖至一定深度后，在顶部设置加固梁22，加固梁22呈十字状并与锁口圈梁7连接。

(3)封底及撤场工作：

移动平台3与挖掘设备4向上移动至中心柱2上部，卸下挖掘设备4中的挖掘件402并更换为封底件61，主体结构401和封底件61构成封底设备6，再将封底设备6随移动平台3向下移动至井底，开始注浆封底，无水封底如图7所示。

封底完成后，拆除加固梁22和连接梁23，移动平台3和封底设备6上移至中心柱2的顶部，将移动平台3和封底设备6吊运出场，无水情况下，在竖井底部截断中心柱2，吊运出井，设备撤场，完成竖井施工，如图8所示。

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 (10)

1.一种竖井施工装置，其特征在于，包括至少一个中心柱(2)；

所述中心柱(2)能用于安装在待开挖竖井内，在所述中心柱(2)上安装有能上下移动并能绕所述中心柱(2)周向旋转的主体结构(401)，在掘进过程中所述主体结构(401)上安装有挖掘件(402)。

2.如权利要求1所述的竖井施工装置，其特征在于，所述竖井施工装置还包括环状的移动平台(3)和第一驱动机构(31)；

所述中心柱(2)的外壁设有竖向导轨(24)，所述移动平台(3)能上下移动的套设在所述中心柱(2)上；所述第一驱动机构(31)设在所述移动平台(3)上并能通过第一传动组件(32)驱动所述移动平台(3)上下移动，所述主体结构(401)能周向旋转的设在所述移动平台(3)上。

3.如权利要求2所述的竖井施工装置，其特征在于，

所述移动平台(3)的外周壁上设有环形的旋转导轨(33)，所述主体结构(401)上安装有旋转平台(41)，所述旋转平台(41)能滑动的安装在所述旋转导轨(33)上；在所述旋转平台(41)上设有第二驱动机构，并能通过第二传动组件(42)驱动所述旋转平台(41)沿所述旋转导轨(33)周向移动。

4.如权利要求3所述的竖井施工装置，其特征在于，

所述竖向导轨(24)包括形成在所述中心柱(2)外壁的螺旋纹形式的螺纹导轨，所述第一传动组件(32)包括至少两个旋转轴(321)，在每个所述旋转轴(321)上均套设有多个滚轮(322)，各所述旋转轴(321)设在所述移动平台(3)内并周向间隔排布在所述中心柱(2)的外周，各所述滚轮(322)能沿所述螺纹导轨移动，所述第一驱动机构(31)与各所述旋转轴(321)连接，并能驱动各所述旋转轴(321)转动。

5.如权利要求3所述的竖井施工装置，其特征在于，

所述竖向导轨(24)包括沿竖直方向延伸的直线导轨，所述第一传动组件(32)包括内部齿轮(323)，所述内部齿轮(323)设在所述移动平台(3)的内部并能与所述直线导轨相啮合，所述第一驱动机构(31)与所述内部齿轮(323)连接，并能驱动所述内部齿轮(323)旋转。

6.如权利要求5所述的竖井施工装置，其特征在于，

在所述移动平台(3)内还设有能径向伸缩的伸缩杆(34)，所述伸缩杆(34)能径向伸出并卡设在所述竖向导轨(24)上设置的卡槽内；第三驱动机构(35)设在所述移动平台(3)上并与所述伸缩杆(34)连接，用于驱动所述伸缩杆(34)的伸缩式移动。

7.如权利要求1所述的竖井施工装置，其特征在于，

在所述中心柱(2)的底部连接有加固基础结构(21)，所述加固基础结构(21)的直径大于所述中心柱(2)的直径。

8.如权利要求1所述的竖井施工装置，其特征在于，

所述中心柱(2)的数量为一个，所述中心柱(2)的外壁沿周向间隔设有多个加固梁(22)；

或者，所述中心柱(2)的数量为至少两个，且各所述中心柱(2)沿一条水平线间隔排布；各所述中心柱(2)外壁周向设有至少两个加固梁(22)，在相邻两个所述中心柱(2)之间设有连接梁(23)；

或者，所述中心柱(2)的数量为多个并按照矩阵排列，相邻的两个所述中心柱(2)之间设有连接梁(23)。

9.如权利要求1所述的竖井施工装置，其特征在于，

所述竖井施工装置还包括出渣系统(81)和封底件(61)，所述出渣系统(81)用于在掘进过程中实现出渣，所述封底件(61)能在封底过程中安装在所述主体结构(401)上。

10.一种竖井施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、在待开挖竖井内建造至少一个中心柱(2)；

S2、在每个所述中心柱(2)的顶部均安装能上下移动并能绕所述中心柱(2)周向旋转的主体结构(401)，并在所述主体结构(401)上安装挖掘件(402)；

S3、利用所述主体结构(401)和所述挖掘件(402)构成的挖掘设备(4)沿所述中心柱(2)的周向旋转开挖，利用出渣系统(81)实现出渣；待向下开挖满足预设高度时，在已开挖的井壁部分建造管节结构(5)，将所述挖掘设备(4)向下移动所述预设高度；利用所述挖掘设备(4)继续开挖以及建造管节结构(5)，直至开挖深度达到设计深度；

S4、拆卸所述挖掘件(402)并更换为封底件(61)，将所述主体结构(401)和所述封底件(61)构成的封底设备(6)下移至井底并进行封底；

S5、完成封底后，移出所述封底设备(6)；

S6、在竖井的底部将所述中心柱(2)截断，并将截断后的所述中心柱(2)移出竖井。