[发明专利]一种环向多机头切削的垂直盾构掘进系统及其施工方法

说明书

一种环向多机头切削的垂直盾构掘进系统及其施工方法。涉及地下工程领域。该方法仅开挖环形井壁范围岩土体避免了全断面开挖方式，能临时或永久保留中心土。设备结构紧凑、装机功率小、动力分散、低碳降能减耗。开挖工作量少，更安全高效、减少排泥排渣、绿色环保。采用空腔管片，减轻单节管片重量、对吊装设备要求降低，还增强管片下沉主动抗浮。利用与垂直盾构相匹配的刃角箱组，边环形掘进，边拼装管片，形成了点阵式环形开挖、预制箱型管片整体推进、箱壁稳固支护，并保留中心土的掘削模式，极大幅度地扩大了竖井建造的广度和深度，提高施工效率，减少建造成本。根据对刃角箱组合形状的改变，能够实现截面为圆形、矩形及其他形状的竖井挖掘。

技术领域

本发明涉及地下竖井的装备技术领域和施工技术领域，具体涉及对垂直盾构掘进系统及其施工方法的改进。

背景技术

目前，在大型基础、地下车库、地下仓储、地下人防、水力发电、采矿、挖煤、公（铁）路通风等竖井建设中，在应对孔爆破、排渣、提升、井壁支护等方面，采用钻爆法凿井技术施工时，往往会出现井壁垮塌、片帮、落石、落物等现象从而引起伤亡事故，作业人员还会受到高强噪音、淋水、粉尘、有害气体等危害，而且该类方法施工效率低、成本高。因此，上述方法已逐渐被施工安全的机械法替代，如竖井钻机、反井钻机和竖井掘进机逐渐得到了大范围的推广和应用，德国下沉式竖井掘进设备（VSM）、罗宾斯掘进机以及中铁装备、铁建重工沉井掘进机（CJM）等竖井机械法施工的佼佼者。上述机械法掘进设备一般由铣挖单元、回转单元、排渣单元、连接横梁、下沉单元、管线绞车、主机绞车和泥浆分离站等八大模块组成。对于直径不大（10m以内）的竖井一般采用全断面切削技术，而对于直径更大（20m开外）的竖井掘削，一般采用局部切削技术。

随着开挖直径和深度的增大，全断面切削技术对应的八大模块，逐渐展现出庞大笨重、工序繁杂、机电液控制系统复杂，辅助设备也越来越多，运输、组装、解体等费用高，如此庞大的设备机械设计制造时间长、投资高、施工耗能高、掘削效率低，所需施工场地、表层地基加固范围也随之增大、施工产生泥浆量大导致环境污染严重等缺陷，甚至失去开发应用价值。

采用局部切削技术无外乎是前掘后锚、掘锚交替分离作业、边掘边锚等施工方式，受锚杆支护、物料输送水平和能力的影响，普遍存在如下问题：

（1）掘、锚、运之间的工作不连续、不平衡，制约了掘进效率；

（2）后配套系统效率较低，特别是掘锚一体机的后配套系统，不能充分发挥掘锚一体机的截割能力，制约了掘锚一体化技术的进一步发展。

此外，局部切削技术普遍采用将动力由地面输送到井底的方式，这种设置方式还存在以下问题：

（1）钻杆过长，柔性大，限制刀盘扭矩的提高；

（2）刀盘结构大，无稳定装置，易出现偏摆，造成刀盘、刀具、钻杆等损坏；

（3）破碎硬岩时刀盘的振动可能降低推进效率，也可能造成关键部件的破坏，施工效率低；

（4）采用重力导向，钻进易出现偏斜、扩孔等问题；

（5）钻井过程中出现塌孔、埋钻、坠落物打捞问题，较难处理；

（6）采用漂浮式下沉井壁，垂直度不易控制，壁厚填充质量不易控制等。

综上所述，不论对于小口径竖井或大直径竖井，也无论采用全断面或局部切削方式，现有技术均需对“全断面”竖井的土体进行挖掘去除，方能实现竖井成型。如此存在设备繁杂、功效低、能耗高、泥浆污染严重、设备制造费用昂贵及施工成本高等问题。为了克服上述诸多不足，如何充分利用现有技术的基础模块，再加以改进，进而实现大口径竖井/管井的成型，成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明针对以上技术问题，提供一种竖井/管井成型施工的小型化设备，仅需环形开挖井壁范围岩土体，能临时或永久保留中心土，设备结构简单、设计及制造时间短、低碳降能减耗，施工建造范围更大、更安全、工作效率高、开挖量少可减小泥浆污染绿色环保、施工综合成本低的环向多机头切削的垂直盾构掘进系统及其施工方法。