一种竖井刀盘、掘进系统以及掘进方法与流程

1.本发明涉及竖井施工领域，具体涉及一种竖井刀盘、掘进系统以及掘进方法。


背景技术：

2.随着我国经济快速发展，竖井建造需求越来越多，呈爆发性增长趋势，竖井作为通往地球深部的最便捷通道，一直以来在城市地下空间、交通运输、矿山开采、海绵城市等不同建设领域应用广泛，目前竖井建造主要以人工明挖法和竖井掘进机为主，因竖井是一种竖直方向的建筑物，在自上而下的挖掘过程中，地层一般都要经历从软到硬、水压从低到高的变化，且随着竖井深度的增加，这种地层起伏变化相比水平隧道更大。
3.现有竖井施工存在的问题是：1、传统的人工法机械化程度低，安全性较差，人员作业风险大，特别是在地下水丰富的地层中开挖时，止水困难或费用昂贵，工程进度难以保证；2、现有沉井式竖井掘进机主要依靠截割臂开挖，切削功率小，主要适用于软土及软岩地层施工，当井深较大或井筒穿越地质复杂，在一定深度下遭遇基岩(硬岩)时，破岩困难、刀具损耗大，导致管片入岩困难，尤其是华南地区，传统的施工工艺和施工设备难以适应。
4.综上所述，急需一种竖井刀盘、掘进系统以及掘进方法以解决人工法开挖带来的问题以及现有竖井掘进设备无法适应复杂地质情况的问题。


技术实现要素：

5.本发明目的在于提供一种竖井刀盘、掘进系统以及掘进方法，以解决人工法开挖带来的问题以及现有竖井掘进设备无法适应复杂地质情况的问题，具体技术方案如下：
6.一种竖井刀盘，包括刀架主体、外径刀盘组件以及中心刀盘组件；外径刀盘组件以及中心刀盘组件均设置在刀架主体上；沿竖井刀盘的径向，外径刀盘组件位于中心刀盘组件靠近井壁的一侧，通过中心刀盘组件和外径刀盘对掌子面进行分级开挖；外径刀盘组件包括内刀盘、外刀盘、第一伸缩件以及第二伸缩件；
7.内刀盘以及外刀盘上均设置有用于掘进的第一刀具；第一伸缩件的两端分别连接内刀盘和刀架主体，第一伸缩件的伸缩方向与内刀盘的掘进方向一致；所述外刀盘活动设置在内刀盘上，第二伸缩件的两端分别连接外刀盘和内刀盘，通过第二伸缩件伸缩实现外径刀盘组件变径。
8.以上技术方案优选的，所述刀架主体包括中心筒以及刀梁；多组刀梁沿中心筒的周向等距固定在中心筒上，外径刀盘组件一一对应设置在刀梁上；中心刀盘组件同轴固定在中心筒上。
9.以上技术方案优选的，所述刀梁上固定设置有导向筒；第一伸缩件同轴设置在导向筒内，且第一伸缩件的一端铰接导向筒的内壁或刀梁的内壁，第一伸缩件的伸缩端与内刀盘固定连接。
10.以上技术方案优选的，所述导向筒的内周壁与第一伸缩件的外壁之间设置有密封件。
11.以上技术方案优选的，所述外径刀盘组件还包括设置在内刀盘上的挡板，挡板用于外刀盘的竖向限位。
12.以上技术方案优选的，所述中心刀盘组件包括中心刀盘以及伸缩结构；伸缩结构设置在中心刀盘和中心筒之间，伸缩结构的伸缩方向与掘进方向一致；中心刀盘上设置有用于掘进的第二刀具。
13.以上技术方案优选的，中心刀盘的切割外径大于或等于内刀盘的切割内径，且中心刀盘与内刀盘在掘进方向错位设置。
14.以上技术方案优选的，所述中心刀盘组件还包括锥形刀盘；锥形刀盘同轴设置在中心刀盘上；所述中心刀盘远离掌子面的背部设置有搅拌棒。
15.一种掘进系统，包括驱动主体、截割设备以及所述的竖井刀盘；驱动主体支撑于竖井内，用于驱动截割设备以及竖井刀盘转动；截割设备以及竖井刀盘均可拆卸安装在驱动主体上。
16.一种掘进方法，使用所述的掘进系统，具体如下：
17.当在软岩地层施工时，在驱动主体上安装截割设备，驱动主体使用截割设备在井内掘进；
18.当遇到硬岩地层时，驱动主体上提，将截割设备拆除，并将竖井刀盘安装在驱动主体上，驱动主体下放至指定工位进行硬岩分级掘进，分级掘进具体如下：
19.第一步：竖井刀盘的第一伸缩件带动内刀盘向下伸出，内刀盘在掌子面上切割出环槽，当环槽到达指定深度后，第一伸缩件缩回；
20.第二步：第二伸缩件带动外刀盘伸出，外径刀盘组件的切割直径增大；第一伸缩件带动内刀盘和外刀盘向下掘进至指定深度，实现环槽扩径后，第二伸缩件带动外刀盘收回，第一伸缩件带动内刀盘和外刀盘缩回；
21.第三步：中心刀盘组件的伸缩结构带动中心刀盘对环槽中心区域进行掘进，掘进至指定深度后，管片下沉，驱动主体随之下沉；
22.第四步：重复上述第一步至第三步，直至当前的硬岩地层路段掘进完毕。
23.应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
24.(1)本发明的竖井刀盘包括刀架主体、外径刀盘组件以及中心刀盘组件；外径刀盘组件包括内刀盘、外刀盘、第一伸缩件以及第二伸缩件；本发明通过第一伸缩件带动内刀盘在掌子面开挖出环槽，并且通过外刀盘对环槽扩径，实现一次分级掘进，并且扩径后的环槽便于管片在硬岩地层顺利入岩，保证施工安全，而中心刀盘组件对环槽中心的区域进行开挖掘进，实现二次分级掘进，即本发明的竖井刀盘能够实现多次分级掘进，同等条件下装机功率小，节能环保，并且在面对硬岩地层时，本发明的竖井刀盘能够有效掘进，以避免采用其他掘进方式在硬岩地层掘进时带来的掘进效率低和刀盘磨损问题。
25.(2)本发明通过设置多组刀梁和多组外径刀盘组件对应，多组外径刀盘组件能提高施工效率，即提高环槽的切割效率。
26.(3)本发明的导向筒便于对第一伸缩件的伸缩进行导向，以保证掘进时的稳定。
27.(4)本发明的密封件能保证竖井刀盘适应高压的水下工作，即本发明的竖井刀盘能适用富水地层，实用性好。
28.(5)本发明的挡板以及内刀盘能够在外刀盘向下掘进时起到抵触限位的作用，需
要说明的是，本发明中内刀盘为外刀盘提供其转动路径上的支撑反力，而挡板在外刀盘掘进时提供竖向的支撑反力，以保证结构的稳定，并且本发明中，在外刀盘掘进时，第二伸缩件并不受力，结构更加稳定，且能显著提升第二伸缩件的寿命。
29.(6)本发明的伸缩结构起到连接中心刀盘和中心筒的作用，并且伸缩结构能够带动中心刀盘向下掘进，对环槽中心未开挖的区域进行开挖。
30.(7)本发明的中心刀盘的切割外径大于或等于内刀盘的切割内径，能够实现切割范围覆盖整个掌子面，并且中心刀盘和内刀盘存在高度差，能避免相互干涉的问题。
31.(8)本发明的锥形刀盘便于对环槽中心区域的岩层进行开挖，并且锥形刀盘能够将中心区域的渣土搅拌均匀，便于后续掘进和出渣；本发明的搅拌棒作用是搅拌中心刀盘背部区域的渣土，防止渣土堆积，便于顺利掘进。
32.(9)本发明的掘进系统包括驱动主体、截割设备以及竖井刀盘；本发明的掘进系统配备了两套用于掘进的执行设备，能够适用不同地质情况的掘进，并且本发明的掘进系统能够实现水下作业，能够在富水地层施工应用。
33.(10)一种掘进方法，使用了所述的掘进系统，本发明的掘进方法根据不同的地质情况选择不同的执行设备(即截割设备或竖井刀盘)，能够适应复杂的地质情况且有效提高掘进效率，并且还能减少刀具的磨损情况；在硬岩地层掘进时，采用竖井刀盘分级开挖，减少刀具磨损以及功率要求，而通过先开环槽，再对环槽扩径以便于管片的顺利入岩，能在减小功率要求的前提下解决硬岩地质中管片入岩的问题，而在掌子面外径边缘位置首先开设环槽，又为环槽中心区域(即掌子面中心区域)的掘进提供了有利条件，即环槽中心未掘掉的区域，其外周侧壁无阻挡，使得对中心区域未掘掉部分的掘进更加容易(即分级掘进)，即本方法的分级掘进的顺序也是非常有益的，且本发明的方法始终只有一类刀盘(即内刀盘或外刀盘或中心刀盘)在工作，能有效减小功率要求。
34.除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
35.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
36.在附图中：
37.图1是本实施例的竖井刀盘的剖面示意图；
38.图2是图1的结构示意图(未示意中心刀盘组件)；
39.图3是图2的俯视图；
40.图4图1中外径刀盘组件的结构示意图；
41.图5是图1中外径刀盘组件变径的示意图；
42.图6是本实施例中的驱动主体采用截割设备掘进的示意图；
43.图7是本实施例中的驱动主体采用竖井刀盘掘进的示意图(示意了环槽未扩径前)；
44.图8是本实施例中的驱动主体采用竖井刀盘掘进的示意图(示意了环槽扩径后)；
45.其中，1、刀架主体；1.1、中心筒；1.2、刀梁；1.3、加强梁；2、外径刀盘组件；2.1、内
刀盘；2.2、外刀盘；2.3、第一伸缩件；2.4、第二伸缩件；2.5、挡板；2.a、第一刀具；3、中心刀盘组件；3.1、中心刀盘；3.2、伸缩结构；3.3、锥形刀盘；3.4、搅拌棒；3.5、集渣装置；3.a、第二刀具；4、导向筒；5、第一渣浆泵；6、驱动主体；7、管片；8、截割设备；8.1、连接基座；8.2、截割滚筒；8.3、截割伸缩臂；8.4、摆臂油缸；9、环槽中心未开挖的区域。
具体实施方式
46.以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
47.实施例：
48.本实施例公开一种竖井刀盘，包括刀架主体1、外径刀盘组件2以及中心刀盘组件3，如图1至图5所示；
49.本实施例的刀架主体1是外径刀盘组件2以及中心刀盘组件3的承载结构，如图2所示，具体是：
50.刀架主体1包括中心筒1.1以及刀梁1.2；中心筒1.1的上端面通过高强度螺栓与驱动主体6(具体是驱动主体的主驱动)相连；刀梁1.2的数量设置有多组，本实施例中的多组刀梁1.2沿中心筒1.1的周向等间距固定(例如焊接)在中心筒1.1的外周壁上；本实施例中，本实施例中示意了刀梁1.2的数量为6组，刀梁1.2与刀盘组件一一对应设置，即本实施例中的刀盘组件也设置有6组。
51.所述刀梁1.2为钢板焊接结构，刀梁1.2的上端固定在中心筒1.1上，刀梁1.2的下端用于安装外径刀盘组件2。
52.如图1所示，所述中心刀盘组件3与中心筒1.1同轴，且中心刀盘组件3设置在中心筒1.1的下端，在水平方向，中心刀盘组件3位于多组外径刀盘组件2之间。
53.关于刀架主体1优选的，本实施例的刀架主体1还包括加强梁1.3，多组加强梁1.3连接在周向相邻的两组刀梁1.2之间，以保证整体结构的强度，即保证刀梁1.2不变形。
54.所述外径刀盘组件2包括内刀盘2.1、外刀盘2.2、第一伸缩件2.3以及第二伸缩件2.4(第一伸缩件2.3以及第二伸缩件2.4均为伸缩油缸)，如图2至图4所示；
55.刀梁1.2下端的内部固定设置有导向筒4，第一伸缩件2.3同轴设置在导向筒4内，且第一伸缩件2.3的上端与导向筒4的内壁或者是刀梁1.2的内壁铰接，第一伸缩件2.3的下端(伸缩端)与内刀盘2.1固定连接，第一伸缩件2.3的伸缩方向与掘进方向一致，本实施例中，由于是竖井施工，因此，第一伸缩件2.3的伸缩方向与掘进方向均为竖向。
56.导向筒4的作用是在第一伸缩件2.3伸缩时进行导向，以保证结构的稳定，本实施例中，导向筒4的内周壁和第一伸缩件2.3的外周壁之间设置有密封件(例如密封圈，本实施例未图示密封件)，密封件位于导向筒4下端的开口位置。
57.所述内刀盘2.1和外刀盘2.2上均设置有多组第一刀具2.a，第一刀具2.a的具体种类和型号可以根据实际情况进行选择，例如，当需要进行掘进或切割时，第一刀具2.a优选为滚刀，如遇含有土层的情况，可在内刀盘2.1上布置一组刮刀备用。
58.如图4和图5所示，所述外刀盘2.2铰接在内刀盘2.1的侧壁上，所述第二伸缩件2.4的两端分别铰接外刀盘2.2的侧壁和内刀盘2.1的侧壁，第二伸缩件2.4的伸缩方向与第一伸缩件2.3的伸缩方向垂直，通过第二伸缩件2.4带动外刀盘2.2转动至内刀盘2.1的外侧
(即水平远离中心筒1.1的中心点)或将外刀盘2.2转动收回内刀盘2.1的内侧，从而能够实现外径刀盘组件2的变径功能(即实现外径刀盘组件2切割直径的改变)。结合图5对此处外径刀盘组件2的变径进行说明：如图5中的(a)所示，外刀盘2.2在未变径时，其回收在内刀盘2.1的内侧，在需要变径时，第二伸缩件2.4带动外刀盘2.2摆动至内刀盘2.1的外侧，如图5的(b)所示，从而实现切割直径的改变。
59.本实施例中的外径刀盘组件2优选的，所述外径刀盘组件2还包括固定在内刀盘2.1侧壁上的挡板2.5，在掘进方向(竖向)，挡板2.5位于外刀盘2.2的上端(即远离掌子面的一侧)，挡板2.5的作用是在外刀盘2.2向下掘进时，对外刀盘2.2进行限位阻挡，即挡板2.5能为外刀盘2.2提供在竖向的支撑反力，而内刀盘2.1的侧壁能够在外刀盘2.2的转动路径上为外刀盘2.2提供支撑反力，保证外刀盘2.2顺利向下掘进。
60.如图4所示，本实施例中的外径刀盘组件2优选的，所述外径刀盘组件2还包括固定设置在内刀盘2.1上的第一渣浆泵5，第一渣浆泵5的数量根据实际情况选择，第一渣浆泵5用于将施工产生的渣土等杂质输送至井外。
61.所述中心刀盘组件3包括中心刀盘3.1以及伸缩结构3.2，如图1所示；
62.所述伸缩结构3.2连接在中心刀盘3.1和中心筒1.1之间，具体是，伸缩结构3.2的上端安装在中心筒1.1上，伸缩结构3.2的下端与中心刀盘3.1固定连接，伸缩结构3.2的伸缩方向与掘进方向一致，通过伸缩结构3.2伸缩，能够带动中心刀盘3.1在掘进方向伸出或收回，以实现中心刀盘3.1对掌子面的掘进，
63.本实施例的伸缩结构3.2可以参考现有技术，此处提供一种伸缩结构3.2的具体形式，即伸缩结构3.2包括两组套设的套筒以及伸缩油缸，两组套筒可沿其轴向相对滑动，伸缩油缸的两端分别铰接两组套筒，用于驱动两组套筒轴向滑动，而两组套筒的两端分别连接中心筒1.1和中心刀盘3.1，通过此处的伸缩油缸驱动套筒带动中心刀盘3.1向下掘进，并且，为了避免两组套筒之间发生周向的转动，在一组套筒的内壁上设置有限位凸起，套设在内部的一组套筒的外周壁上设置有滑槽，滑槽沿套筒的轴向开设，限位凸起位于滑槽内，可以限制两组套筒仅可在轴向相对滑动。
64.所述中心刀盘3.1与中心筒1.1同轴设置，中心刀盘3.1的下端设置有用于掘进的第二刀具3.a，第二刀具3.a的种类和数量根据实际情况选择。
65.本实施例中，中心刀盘3.1的内部设置有集渣装置3.5，集渣装置3.5是中心刀盘3.1的出渣结构，集渣装置3.5将渣土输送至井上。集渣装置3.5参考现有技术。
66.所述中心刀盘3.1的背部还设置有搅拌棒3.4，搅拌棒3.4作用是搅拌中心刀盘3.1背部的渣土，防止渣土堆积。
67.本实施例中优选的，中心刀盘3.1的下端还同轴安装有锥形刀盘3.3，本实施例中锥形刀盘3.3可以根据实际情况决定使不使用，也就是说，锥形刀盘3.3也可以采用第二刀具3.a将其替换。
68.本实施例中，如图1所示，对内刀盘2.1、外刀盘2.2以及中心刀盘3.1的掘进(切割)直径(即转动时的切割内径或切割外径)进行说明：
69.内刀盘2.1转动时的切割内径为d1，内刀盘2.1转动时的切割外径为d2；外刀盘2.2伸出后的切割外径为d3；中心刀盘3.1转动时的切割外径为d4；竖井内的管片7的外径为d5(未示意d5)；
70.d3需满足：d3大于d2，且d3等于d5(便于管片7入岩)，或者是d3大于d2，且d3大于d52-10cm。
71.d4需满足：d4大于或等于d1(这是为了切割范围能覆盖掌子面)，并且为了避免干涉问题，中心刀盘3.1与内刀盘2.1在掘进方向(即竖向)错位设置，即中心刀盘组件3的伸缩结构3.2在伸出至最大行程后，中心刀盘3.1依然位于内刀盘2.1的上方。
72.本实施例还公开了一种掘进系统，包括驱动主体6、截割设备8以及所述的竖井刀盘，如图6至图8所示；
73.驱动主体6具体是包括主体以及位于主体上的主驱动，主体支撑于竖井管片7的内壁上，主驱动用于带动执行设备(即截割设备或竖井刀盘)转动，以实现掘进；本实施例中的驱动主体6参考现有结构，此处不做过多赘述。
74.所述截割设备8参考现有设备，此处做简单介绍，如图6所示：截割设备8包括连接基座8.1、截割滚筒8.2、截割伸缩臂8.3、摆臂油缸8.4以及第二渣浆泵(未标示)；连接基座8.1可拆卸设置于主驱动上，主驱动能够驱动连接基座8.1水平转动；截割伸缩臂8.3(具备伸缩功能)的一端铰接在连接基座8.1上，截割伸缩臂8.3的另一端与截割滚筒8.2连接，通过截割滚筒8.2对掌子面进行掘进施工；摆臂油缸8.4(如伸缩油缸)的两端分别铰接截割伸缩臂8.3和连接基座8.1，摆臂油缸8.4用于带动截割伸缩臂8.3摆动；第二渣浆泵固定在截割伸缩臂8.3上，用于将掘进产生的渣土输送至井上。
75.所述竖井刀盘的中心筒1.1与主驱动可拆卸连接，主驱动能够带动中心筒1.1水平转动，中心筒1.1转动使得竖井刀盘上的内刀盘2.1、外刀盘2.2以及中心刀盘3.1对掌子面进行掘进。
76.本实施例还公开了一种掘进方法，采用了所述的掘进系统，本实施例的掘进方法主要是针对不同的地质情况选择不同的掘进执行设备，具体是：
77.步骤s1：如图6所示，在遇到软岩地层或软土地层时，采用截割设备8进行掘进，具体是：在主驱动上安装截割设备8，采用截割设备8在竖井内掘进，其中，井内的液面高于地下水位，可有效控制地层沉降，本实施例的掘进系统还能够在水下进行工作，即适用富水底层；
78.步骤s2，当遇到硬岩地层或超硬岩地层时，需要更换掘进执行设备，如图7至图8所示，具体是：步骤s1中的掘进系统上提，并且将主驱动上的截割设备8拆下，将本实施例的竖井刀盘安装在主驱动上(竖井刀盘的中心筒1.1与主驱动连接)，然后将掘进系统下放至指定的工作位置，掘进系统的主体支撑于井内管片7的内壁上，开始进行分级掘进，分级掘进如下：
79.第一步：竖井刀盘的第一伸缩件2.3带动内刀盘2.1向下伸出，随着内刀盘2.1的转动，内刀盘2.1在掌子面上切割出环槽，当环槽被切割至指定深度h1后，第一伸缩件2.3停止伸出，且第一伸缩件2.3缩回，带动内刀盘2.1上提；
80.第二步：通过外刀盘2.2将步骤s2挖出的环槽外扩至管片7的安装直径外，具体如下：
81.切换切割直径：第二伸缩件2.4伸出，从而带动外刀盘2.2转动至内刀盘2.1的外侧，此时外径刀盘组件2的切割直径增大(即切割直径切换至d3)；
82.环槽扩径：第一伸缩件2.3开始伸出，即第一伸缩件2.3带动内刀盘2.1和外刀盘
2.2向下掘进至指定深度h2后(h2≤h1)，第一伸缩件2.3停止伸出，如图8所示，图8示意了环槽扩径后；
83.内刀盘2.1和外刀盘2.2收回：第二伸缩件2.4带动外刀盘2.2收回内刀盘2.1的内侧，外径刀盘组件2的切割直径减小(即切割直径切换至d2)，然后第一伸缩件2.3缩回，从而带动内刀盘2.1和外刀盘2.2上提；
84.第二步中，由于外刀盘2.2的向下掘进，能够实现对第一步中挖出的环槽进行外扩，以达到管片7入岩的直径要求；
85.第三步：中心刀盘组件3的伸缩结构3.2开始向下伸出，中心刀盘3.1对环槽中心未开挖的区域9进行开挖，直至开挖至指定深度h3(此处h3优选为伸缩结构3.2的最大伸出行程)后，对当前循环的中心区域开挖完成后，伸缩结构3.2带动中心刀盘3.1上提；管片7开始下沉进入环槽内，并且管片7入岩，此时掘进系统随管片下沉而随之下沉，管片7和掘进系统下沉后，一个掘进循环完成；
86.第四步，重复上述第一步至第三步，直至硬岩地层路段掘进完成，即本方法能够有效应对硬岩地层的施工。
87.其中，需要说明的是：
88.1、当多个掘进循环的h2累计叠加大于一组管片7的高度后，在井口打入或拼装新的一组管片；
89.2、本实施例中虽然采取了伸缩结构3.2带动中心刀盘3.1向下掘进的形式，但是，本实施例中也可以不设置伸缩结构3.2，而是通过管片7下沉，从而带动中心刀盘3.1向下掘进，当管片7以及掘进系统的重力不足以下沉时，在最上面一组管片7(即最靠近井口位置的管片7)上采用下沉施压设备对管片7施加向下的力，使得管片7带动中心刀盘3.1一起下沉，进而使得管片下沉入岩的同时，中心刀盘3.1对环槽中心区域进行掘进；
90.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。