深部地下空间竖井开挖掘进设备及其管片拼装式施工方法与流程

本发明涉及竖井开挖，特别涉及一种深部地下空间竖井开挖掘进设备及其管片拼装式施工方法。

背景技术：

1、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、管片拼装困难；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。

技术实现思路

1、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管片拼装式施工方法，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。

2、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、动力层和管片拼装层，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；

3、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；

4、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上，所述动力层与作业层之间沿周向设置有若干爬行油缸；

5、所述管片拼装层包括环形的拼装平台，所述拼装平台通过多组顶升油缸支撑于动力层上方，拼装平台的台面上周向均布有若干喂片机，所述喂片机配备有喂片卷扬机，所述喂片卷扬机能将管片由地面输送至喂片机上，且喂片机能由内向外输送管片，所述拼装平台的内侧端还周向设置有环形滑轨，所述环形滑轨上滑动设置有锚注一体机。

6、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，即内环受驱自动转动调节可以为开挖设备提供360°的工作面。

7、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。

8、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。

9、上述方案中：所述喂片机包括内外延伸的导轨，所述导轨上滑动设置有弧形板，所述弧形板的弯曲弧度与管片的弯曲弧度一致，且弧形板顶部沿其延伸方向设置有管片定位楔口，所述管片底部沿其延伸方向设置有与管片定位楔口匹配的楔口槽，所述弧形板连接有推进油缸，所述推进油缸能带动弧形板沿导轨内外滑动。当喂片卷扬机将管片由地面输送至喂片机上进行固定后，推进油缸能将喂片机上的管片推进至预定位置。所述管片顶部沿其延伸方向设置有与楔口槽匹配的楔形凸起，方便上下两环管片拼接。

10、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。

11、上述方案中：所述拼装平台上设置有激光圆度检测仪，在拼装过程中，激光圆度检测仪实时监测管片圆度，避免管片失圆。

12、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。动力层的液压撑靴收缩时可通过爬行油缸调整动力层的整体位置。

13、本发明还提出了一种深部地下空间竖井开挖管片拼装式施工方法，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：

14、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；

15、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；

16、s3、管片拼装：先通过喂片卷扬机将管片由地面输送至拼装平台上的喂片机进行固定，再通过推进油缸推进至预定位置，当各喂片机将一环中的所有管片推进至预定位置，且预拼装为整环管片后，通过各顶升油缸顶升整个拼装平台，使整环管片与上层管片对接，对接完成后，通过锚注一体机对管片进行打锚杆及注浆固定。

17、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。

18、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。

19、本发明的有益效果为：

20、整套设备由作业层、动力层、管片拼装层三层分区组成，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，并通过多组爬行油缸与作业层连接；上层为管片拼装层，喂片卷扬机能将管片由地面输送至管片拼装层的喂片机上进行固定，推进油缸能将管片及喂片机的弧形板一起推至预定位置，当一环中的所有管片预拼装为整环管片后，通过顶升油缸顶升整个拼装平台，能将整环管片与上层管片对接，完成后再通过锚注一体机进行打锚杆注浆固定。

21、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。

技术特征：

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：

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：所述喂片机(13)包括内外延伸的导轨(a)，所述导轨(a)上滑动设置有弧形板(b)，所述弧形板(b)的弯曲弧度与管片(15)的弯曲弧度一致，且弧形板(b)顶部沿其延伸方向设置有管片定位楔口(c)，所述管片(15)底部沿其延伸方向设置有与管片定位楔口(c)匹配的楔口槽(d)，所述弧形板(b)连接有推进油缸(e)，所述推进油缸(e)能带动弧形板(b)沿导轨(a)内外滑动。

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)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)。

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：所述拼装平台(11)上设置有激光圆度检测仪(22)。

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：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)。

9.一种深部地下空间竖井开挖管片拼装式施工方法，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：

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。

技术总结本发明提出了一种深部地下空间竖井开挖掘进设备及其管片拼装式施工方法，包括由下到上设置的作业层、动力层和管片拼装层，作业层包括与竖井同轴设置的外环和内环，外环通过液压撑靴配合固定于竖井围岩上，内环与外环呈转动配合，内环上固定有开挖设备，动力层包括设备放置平台和中层主桁架，设备放置平台搭设于中层主桁架上，中层主桁架固定于竖井围岩上，管片拼装层包括拼装平台，拼装平台通过多组顶升油缸支撑于动力层上方，拼装平台的台面上周向均布有若干喂片机，喂片卷扬机能将管片由地面输送至喂片机上，且喂片机能由内向外输送管片。本发明解决了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。技术研发人员：文兴宝,王元清,王碧军,李勇,熊军,方兵,胡志荣,江洪平,周陈亮,谭立平受保护的技术使用者：中铁十一局集团第五工程有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/9