CN118292886A - 深部地下空间竖井开挖掘进设备及其现浇式施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种深部地下空间竖井开挖掘进设备及其现浇式施工方法，包括作业层、动力层和现浇模板层，作业层包括转动配合的外环和内环，外环通过液压撑靴固定于竖井围岩上，内环上固定有开挖设备，动力层包括设备放置平台，现浇模板层包括若干侧模板、环状底模板和支模作业平台，环状底模板同轴设置于支模作业平台上，且其外围一圈与竖井围岩之间通过封边气囊封堵，侧模板竖向支撑于支模作业平台上，且其底部与环状底模板的内侧端铰接，所有侧模板在支模作业平台上拼成一个环形整体，各侧模板的背面与支模作业平台之间均设有脱模油缸，且侧模板上设有浇注窗口。本发明解决了现有竖井掘进技术及装备存在安全风险高和自动化程度低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及竖井开挖技术领域，特别涉及一种深部地下空间竖井开挖掘进设备及其现浇式施工方法。
背景技术
地下空间开发是人类社会面临的迫切需求，向地球深部进军已成为我国重大科技战略。深部地下空间竖井是通向深部地下空间的咽喉通道，而深部地下空间竖井掘进技术及装备是实施国家这一重大战略的关键核心技术。现有的竖井掘进技术及装备存在岩层适应性差、安全风险高、施工成本高、施工技术复杂等各种不足。例如：1、施工风险大；工人在掘进面上进行下一循环的打眼、装药、起爆工作时，裸露围岩上的碎石或井口边上的渣土等均容易掉落伤人。2、竖井围岩支护层施工困难；目前支护层一般采用管片拼装的形式，现有管片拼装存在两种方式，一种为先把竖井完成在进行管片拼装，该方式会极大地拖延施工进度，另一种为边开挖竖井边拼装管片，该方式多采用制作井壁或龙门吊下沉井壁的方法进行支护，通过大量的支护进行管片拼装，施工工人劳动强度大、效率低。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种深部地下空间竖井开挖掘进设备及其现浇式施工方法，以解决现有竖井掘进技术及装备存在岩层适应性差、安全风险高和自动化程度低的问题。
为了实现上述目的，本发明提出了一种深部地下空间竖井开挖掘进设备，包括由下到上设置的作业层、动力层和现浇模板层，所述作业层包括与竖井同轴设置的外环和内环，所述外环上周向均布有若干液压撑靴，外环通过各液压撑靴配合固定于竖井围岩上，所述内环设置于外环内侧，且与外环呈转动配合，其特征在于：
所述作业层还包括固定于内环上的开挖设备以及设置于竖井外的出渣卷扬机，所述竖井内部通过出渣卷扬机吊设有出渣渣斗，所述开挖设备包括破碎机和出渣挖机；
所述动力层包括设备放置平台和周向设置的若干中层主桁架，所述中层主桁架水平架设，各中层主桁架的一端均汇聚于竖井圆心且固定在一起，另一端均通过液压撑靴固定于竖井围岩上，所述设备放置平台为环形平台，其搭设于各中层主桁架的底部横梁上，所述动力层与作业层之间沿周向设置有若干爬行油缸；
所述现浇模板层包括若干侧模板、环状底模板和搭设于各中层主桁架顶部横梁上的支模作业平台，所述支模作业平台为环形平台，所述环状底模板的外径小于竖井洞口直径，具体可小5-10cm，以适应不平整的竖井围岩初喷面，环状底模板同轴设置于支模作业平台上，且其外围一圈与竖井围岩之间通过封边气囊封堵，所述侧模板竖向支撑于支模作业平台上，且其底部与环状底模板的内侧端铰接，所有侧模板在支模作业平台上拼成一个环形整体，各侧模板的背面与支模作业平台之间均设有脱模油缸，所述脱模油缸的两端分别铰接于侧模板上端和支模作业平台的内端上，且侧模板的侧壁顶部还设有浇注窗口，所述现浇模板层配备有送料卷扬机，所述送料卷扬机固定于竖井上方，其上吊设有混凝土输送料斗。
上述方案中：所述外环上设置有用于驱动内环周向旋转的驱动电机，开挖设备可根据实际要求调整工作位置，即内环转动调节可以为开挖设备提供360°的工作面。
上述方案中：所述开挖设备还包括锚杆钻机、防尘喷淋系统以及初支喷锚设备，集成各种施工设备，方便进行开挖施工，自动化程度高。
上述方案中：相邻两中层主桁架之间搭设有第一弧形平台，所述第一弧形平台靠外布设，所有第一弧形平台拼接围成设备放置平台，设备放置平台用于放置配电柜、液压泵站、空压机、水箱和水过滤器等。
上述方案中：所述作业层还包括多组设置于内环上方的下层主桁架，各所述下层主桁架的一端均固定于外环上，另一端均汇聚于外环圆心且固定在一起，相邻两下层主桁架之间搭设有第二弧形平台，所述第二弧形平台靠外设置，所有第二弧形平台拼接围成环形的底层检修平台，方便检修底层设备。
上述方案中：所述作业层的外环底部通过安装支座向下设置有辅助支撑油缸。竖井开挖时辅助支撑油缸为收起状态，在衬砌或检修的时候，辅助支撑油缸应伸出进行支撑作业，且当一环施工完成需要进行下一环施工时，辅助支撑油缸也需伸出支撑于竖井底部，方便作业层的液压撑靴收缩以调整作业层的整体位置。
上述方案中：每块侧模板还配备有两个插入式振捣器和两个可伸缩的电动丝杆机构，所述侧模板上设有供插入式振捣器穿过的过孔，所述电动丝杆机构支撑于侧模板背面与支模作业平台之间，插入式振捣器用于振捣混凝土，电动丝杆机构起支撑加固作用，电动丝杆机构的两端与对应的侧模板、支模作业平台也为铰接配合。
上述方案中：每块侧模板上均设有脱模斜口，所述环状底模板的支模面由内向外设置一定坡度，一方面便于脱模，一方面在进行下一模浇注时便于清理振捣产生的浮浆。
本发明还提出了一种深部地下空间竖井开挖现浇式施工方法，基于上述深部地下空间竖井开挖掘进设备，施工方法包括以下步骤：
S1、竖井井筒锁口段施工完成后，将深部地下空间竖井开挖掘进设备在锁口段进行固定、安装调试并始发；
S2、竖井开挖：先通过破碎机进行破碎作业，开挖完成后，使用出渣挖机将渣土装入出渣渣斗，出渣渣斗通过出渣卷扬机提升至竖井洞外进行循环出渣，出渣完成后通过锚杆钻机和初支喷锚设备进行初支加固作业；
S3、支护层浇注：先通过送料卷扬机向竖井洞内输送混凝土浆料，并通过浇注窗口向环状底模板、侧模板和竖井围岩围成的空间内浇注混凝土，形成混凝土支护层，当混凝土支护层成型完毕后，再通过脱模油缸带动侧模板翻转进行脱模，当深部地下空间竖井开挖掘进设备步进到下一环位置时，侧模板在脱模油缸带动下复位；
S4、沿竖井掘进方向循环步骤S2和S3，完成下一环施工，直至竖井施工完成。
上述方案中：在步骤S2中，开挖时使用喷淋降尘系统进行降尘处理。
本发明的有益效果为：
整套设备由作业层、动力层、现浇模板层三层分区组成；下层为作业层，作业层的外环设有撑靴用于支撑，作业层的内环集成各种开挖施工设备，底部作业使用出渣挖机、出渣渣斗和出渣卷扬机配合进行循环出渣；中间层为动力层，用于安装或放置各种动力设备，动力层通过若干液压撑靴固定于初支后的岩壁上，动力层与作业层通过多组爬行油缸连接；上层为现浇模板层，可在现浇模板层上进行竖井围岩支护层的现场浇注。
总之，1、本发明采用上排渣法出渣，作业深度可达1500米；2、通过变径可以实现5到25米直径的深井施工；3、采用机械破岩(非爆破施工)，安全性高；4、采用高度集成的智能化竖井掘进机施工，实现开挖、出渣、喷锚、支护平行作业，自动化程度高，施工效率高，岩层适应性强；5、引入了TBM工法，可实现自动步进行走；6、实行掌子面无人化施工，最大程度地保障了人员安全。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1的局部示意图。
图3是作业层的结构示意图。
图4是图3的俯视图。
图5是动力层的结构示意图。
图6是图5的俯视图。
图7是现浇模板层的结构示意图。
图8是图7的俯视图。
具体实施方式
如图1—8所示，一种深部地下空间竖井开挖掘进设备，主要由由下到上设置的作业层A、动力层B和现浇模板层C组成。
作业层A包括与竖井同轴设置的外环1和内环2，外环1上周向均布有若干液压撑靴3，外环1通过各液压撑靴3配合固定于竖井围岩上，内环2设置于外环1内侧，且与外环1呈转动配合。
作业层A还包括固定于内环2上的开挖设备以及设置于竖井外的出渣卷扬机4，竖井内部通过出渣卷扬机4吊设有出渣渣斗5，开挖设备包括破碎机6和出渣挖机7。
动力层B包括设备放置平台8和周向设置的若干中层主桁架9，中层主桁架9水平架设，各中层主桁架9的一端均汇聚于竖井圆心且固定在一起，另一端均通过液压撑靴3固定于竖井围岩上。设备放置平台8为环形平台，其搭设于各中层主桁架9的底部横梁上，动力层B与作业层A之间沿周向设置有若干爬行油缸10；
现浇模板层C包括若干侧模板11、环状底模板12和搭设于各中层主桁架9顶部横梁上的支模作业平台13，支模作业平台13为环形平台，环状底模板12的外径小于竖井洞口直径，具体可小5-10cm，以适应不平整的竖井围岩初喷面，环状底模板12同轴设置于支模作业平台13上，且其外围一圈与竖井围岩之间通过封边气囊14封堵。
侧模板11竖向支撑于支模作业平台13上，且其底部与环状底模板12的内侧端铰接，所有侧模板11在支模作业平台13上拼成一个环形整体。各侧模板11的背面与支模作业平台13之间均设有脱模油缸15，脱模油缸15的两端分别铰接于侧模板11上端和支模作业平台13的内端上，且侧模板11的侧壁顶部还设有浇注窗口16。
现浇模板层C配备有送料卷扬机27，送料卷扬机27固定于竖井上方，其上吊设有混凝土输送料斗。
送料卷扬机27和出渣卷扬机4具体可固定于竖井上方的龙门架上。
最好是，外环1上设置有用于驱动内环2周向旋转的驱动电机，开挖设备可根据实际要求调整工作位置，即内环2转动调节可以为开挖设备提供360°的工作面。
最好是，开挖设备还包括锚杆钻机17、防尘喷淋系统18以及初支喷锚设备19，集成各种施工设备，方便进行开挖施工，自动化程度高。
最好是，相邻两中层主桁架9之间搭设有第一弧形平台，第一弧形平台靠外布设，所有第一弧形平台拼接围成设备放置平台8，设备放置平台8用于放置配电柜、液压泵站、空压机、水箱和水过滤器等。动力层B各液压撑靴3的上方均设有一个定位靶25，且该层每个液压撑靴3上安装一个行程传感器。通过全站仪测量定位靶25的位置，和行程传感器反馈的液压撑靴3伸缩量，来实时测量设备姿态，进行掘进导向。
最好是，作业层A还包括多组设置于内环2上方的下层主桁架20，各下层主桁架20的一端均固定于外环1上，另一端均汇聚于外环1圆心且固定在一起，相邻两下层主桁架20之间搭设有第二弧形平台，第二弧形平台靠外设置，所有第二弧形平台拼接围成环形的底层检修平台21，方便检修底层设备。
最好是，作业层A的外环1底部通过安装支座向下设置有辅助支撑油缸23。竖井开挖时辅助支撑油缸23为收起状态，在衬砌或检修的时候，辅助支撑油缸23应伸出进行支撑作业，且当一环施工完成需要进行下一环施工时，辅助支撑油缸23也需伸出支撑于竖井底部，方便作业层A的液压撑靴3收缩以调整作业层A的整体位置。
动力层B的液压撑靴3收缩时可通过爬行油缸10调整动力层B的整体位置。
最好是，每块侧模板11还配备有两个插入式振捣器26和两个可伸缩的电动丝杆机构22，侧模板11上设有供插入式振捣器26穿过的过孔，电动丝杆机构22支撑于侧模板11背面与支模作业平台13之间，插入式振捣器26用于振捣混凝土，电动丝杆机构22起支撑加固作用，电动丝杆机构22的两端与对应的侧模板11、支模作业平台13也为铰接配合。
最好是，每块侧模板11上均设有脱模斜口，环状底模板12的支模面由内向外设置一定坡度，一方面便于脱模，一方面在进行下一模浇注时便于清理振捣产生的浮浆。
最好是，设备放置平台8与底层检修平台21之间设置有人行爬梯24，且设备放置平台8和支模作业平台13上对应人行爬梯24位置处均开设有洞口通道。
最好是，设备放置平台8、底层检修平台21和支模作业平台13靠内一端均设有防护栏杆。
本发明还提出了一种深部地下空间竖井开挖现浇式施工方法，基于上述的深部地下空间竖井开挖掘进设备，施工方法包括以下步骤：
S1、竖井井筒锁口段施工完成后，将深部地下空间竖井开挖掘进设备在锁口段进行固定、安装调试并始发。
S2、竖井开挖：先通过破碎机6进行破碎作业，开挖完成后，使用出渣挖机7将渣土装入出渣渣斗5，出渣渣斗5通过出渣卷扬机4提升至竖井洞外进行循环出渣，出渣完成后通过锚杆钻机17和初支喷锚设备19进行初支加固作业。
S3、支护层浇注：先通过送料卷扬机27向竖井洞内输送混凝土浆料，并通过浇注窗口16向环状底模板12、侧模板11和竖井围岩围成的空间内浇注混凝土，形成混凝土支护层，当混凝土支护层成型完毕后，再通过脱模油缸15带动侧模板11翻转进行脱模，当深部地下空间竖井开挖掘进设备步进到下一环位置时，侧模板11在脱模油缸15带动下复位。
S4、沿竖井掘进方向循环步骤S2和S3，完成下一环施工，直至竖井施工完成。最好是，在步骤S2中，开挖时使用喷淋降尘系统18进行降尘处理。
Claims (10)
1.一种深部地下空间竖井开挖掘进设备，包括由下到上设置的作业层(A)、动力层(B)和现浇模板层(C)，所述作业层(A)包括与竖井同轴设置的外环(1)和内环(2)，所述外环(1)和内环(2)转动配合，外环(1)通过多个液压撑靴(3)固定于竖井围岩上，其特征在于：
所述作业层(A)还包括固定于内环(2)上的开挖设备以及设置于竖井外的出渣卷扬机(4)，所述竖井内部通过出渣卷扬机(4)吊设有出渣渣斗(5)，所述开挖设备包括破碎机(6)和出渣挖机(7)；
所述动力层(B)包括设备放置平台(8)和周向设置的若干中层主桁架(9)，所述中层主桁架(9)水平架设，各中层主桁架(9)的一端均汇聚于竖井圆心且固定在一起，另一端均通过液压撑靴(3)固定于竖井围岩上，所述设备放置平台(8)为环形平台，其搭设于各中层主桁架(9)的底部横梁上，所述动力层(B)与作业层(A)之间沿周向设置有若干爬行油缸(10)；
所述现浇模板层(C)包括若干侧模板(11)、环状底模板(12)和搭设于各中层主桁架(9)顶部横梁上的支模作业平台(13)，所述支模作业平台(13)为环形平台，所述环状底模板(12)的外径小于竖井洞口直径，环状底模板(12)同轴设置于支模作业平台(13)上，且其外围一圈与竖井围岩之间通过封边气囊(14)封堵，所述侧模板(11)竖向支撑于支模作业平台(13)上，且其底部与环状底模板(12)的内侧端铰接，所有侧模板(11)在支模作业平台(13)上拼成一个环形整体，各侧模板(11)的背面与支模作业平台(13)之间均设有脱模油缸(15)，所述脱模油缸(15)的两端分别铰接于侧模板(11)上端和支模作业平台(13)的内端上，且侧模板(11)的侧壁顶部还设有浇注窗口(16)，所述现浇模板层(C)配备有送料卷扬机(27)，所述送料卷扬机(27)固定于竖井上方，送料卷扬机(27)上吊设有混凝土输送料斗。
2.根据权利要求1所述的深部地下空间竖井开挖掘进设备，其特征在于：所述外环(1)上设置有用于驱动内环(2)周向旋转的驱动电机。
3.根据权利要求1所述的深部地下空间竖井开挖掘进设备，其特征在于：所述开挖设备还包括锚杆钻机(17)、防尘喷淋系统(18)以及初支喷锚设备(19)。
4.根据权利要求1所述的深部地下空间竖井开挖掘进设备，其特征在于：相邻两中层主桁架(9)之间搭设有第一弧形平台，所述第一弧形平台靠外布设，所有第一弧形平台拼接围成设备放置平台(8)。
5.根据权利要求1所述的深部地下空间竖井开挖掘进设备，其特征在于：所述作业层(A)还包括多组设置于内环(2)上方的下层主桁架(20)，各所述下层主桁架(20)的一端均固定于外环(1)上，另一端均汇聚于外环(1)圆心且固定在一起，相邻两下层主桁架(20)之间搭设有第二弧形平台，所述第二弧形平台靠外设置，所有第二弧形平台拼接围成环形的底层检修平台(21)。
6.根据权利要求1所述的深部地下空间竖井开挖掘进设备，其特征在于：所述作业层(A)的外环(1)底部通过安装支座向下设置有辅助支撑油缸(23)。
7.根据权利要求1所述的深部地下空间竖井开挖掘进设备，其特征在于：每块侧模板(11)还配备有两个插入式振捣器(26)和两个可伸缩的电动丝杆机构(22)，所述侧模板(11)上设有供插入式振捣器(26)穿过的过孔，所述电动丝杆机构(22)支撑于侧模板(11)背面与支模作业平台(13)之间。
8.根据权利要求1所述的深部地下空间竖井开挖掘进设备，其特征在于：每块侧模板(11)上均设有脱模斜口，所述环状底模板(12)的支模面由内向外设置一定坡度。
9.一种深部地下空间竖井开挖现浇式施工方法，其特征在于：基于权利要求1—8任一项所述的深部地下空间竖井开挖掘进设备，施工方法包括以下步骤：
S1、竖井井筒锁口段施工完成后，将深部地下空间竖井开挖掘进设备在锁口段进行固定、安装调试并始发；
S2、竖井开挖：先通过破碎机(6)进行破碎作业，开挖完成后，使用出渣挖机(7)将渣土装入出渣渣斗(5)，出渣渣斗(5)通过出渣卷扬机(4)提升至竖井洞外进行循环出渣，出渣完成后通过锚杆钻机(17)和初支喷锚设备(19)进行初支加固作业；
S3、支护层浇注：先通过送料卷扬机(27)向竖井洞内输送混凝土浆料，并通过浇注窗口(16)向环状底模板(12)、侧模板(11)和竖井围岩围成的空间内浇注混凝土，形成混凝土支护层，当混凝土支护层成型完毕后，再通过脱模油缸(15)带动侧模板(11)翻转进行脱模，当深部地下空间竖井开挖掘进设备步进到下一环位置时，侧模板(11)在脱模油缸(15)带动下复位；
S4、沿竖井掘进方向循环步骤S2和S3，完成下一环施工，直至竖井施工完成。
10.根据权利要求9所述的深部地下空间竖井开挖管片拼装式施工方法，其特征在于：在步骤S2中，开挖时使用喷淋降尘系统(18)进行降尘处理。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN120556927A (zh) * | 2025-08-04 | 2025-08-29 | 中铁四局集团有限公司 | 一种机械法沉井装配式竖井管片拼装方法及管片结构 |
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2024
- 2024-04-17 CN CN202410464461.8A patent/CN118292886A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN120556927A (zh) * | 2025-08-04 | 2025-08-29 | 中铁四局集团有限公司 | 一种机械法沉井装配式竖井管片拼装方法及管片结构 |
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