深部地下空间竖井开挖掘进设备及其现浇式施工方法与流程

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现浇式施工方法。

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、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。

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。

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：

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；

5、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。

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。

10、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。

11、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。

12、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。

13、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：

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、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；

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、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。

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：

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。技术研发人员：文兴宝,王元清,王碧军,乔红彦,何亮,李勇,熊军,张瑞礼,王伟,李增波,孔阳,谷靖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