上软下硬地层大直径竖井施工方法及掘进设备技术

本发明专利技术涉及竖井施工技术领域，发明专利技术了一种上软下硬地层大直径竖井施工方法及掘进设备。旨在解决现有技术中竖井施工直径较小、适用地层单一以及施工步骤难以同步实施的技术问题。本发明专利技术施工方法包括拼装刃角和筒形井壁、开挖岩土、将开挖的渣土与泥浆混合物排出地面、下沉刃角与筒形井壁。本发明专利技术掘进设备包括大尺寸扩径钻头、出渣管道、钻杆、回转驱动。本发明专利技术不仅能开挖软土软岩地层，而且能开挖硬岩地层；实现井筒开挖与井壁安装的同步实施。实现井筒开挖与井壁安装的同步实施。实现井筒开挖与井壁安装的同步实施。

【技术实现步骤摘要】
上软下硬地层大直径竖井施工方法及掘进设备


[0001]本专利技术涉及竖井施工
，尤其涉及一种上软下硬地层大直径竖井施工方法及掘进设备。

技术介绍

[0002]目前竖井井筒机械开挖的装备和工法种类众多，盲井井筒开挖装备有竖井掘进机、竖井钻机等。
[0003]现有
内，在已专利技术的中国专利文献中：202011314104.1专利技术了一种下沉式竖井掘进机及其成井方法，下沉式竖井掘进机包括主机、下沉系统、管线系统以及主机回收系统。下沉式竖井掘进机的成井方法包括挖掘及排渣、衬砌安装、下沉、结构封底。在已专利技术的中国专利文献中：202011238787.7专利技术了一种适用于软土层的下沉式竖井掘进机，包括管片、牵引机构、开挖机构、提升机构、泥浆管路输送机构。上述方案采用悬臂式洗挖头开挖，仅适用于软土和软岩的开挖，而当岩石单轴抗压强度超过100 MPa时，则几乎无法开挖。
[0004]现有
内，在已专利技术的中国专利文献中：202010645876.7专利技术了一种全断面竖井掘进机，包括刀盘、渣土转运机构和出渣机构；该方案采用滚刀破岩的小开口全断面刀盘掘进，适用于岩石地层，软土地层滚刀容易偏磨、易糊刀盘，不适用软土地层。
[0005]现有
内，在已专利技术的中国专利文献中：201110412546.4专利技术了一种竖井正向、反井综合凿井方法，包括利用竖井钻机钻进至基岩段，通过压气升液将钻井过程中产生的含有岩屑的泥浆高速排至地面；在地面上预制各节井壁；在钻井内加配重水，利用钻井中泥浆对井壁的浮力将各节井壁缓慢下沉到表土段井孔中并依次焊接；在井壁和井壁外侧的岩帮之间填充注浆，最下层采用水泥浆液填充，然后逐级向上利用水泥浆和碎石交替填充，得到表土段钻井；将反井钻机下放并固定到表土段钻井的底部；利用反井钻机反向扩孔，形成溜矸孔；刷大至预定的井筒直径。该方案井筒开挖时采用泥浆护壁临时支护围岩，开挖完成后才采用悬浮下沉的方式安装井壁，适用于稳定性好的地层或开挖直径较小的井筒，不稳定地层大直径井筒井井壁安装与开挖不同步，容易导致围岩坍塌。
[0006]因此，竖井施工中，如何同时适应软土地层和硬岩地层，从而实现井壁安装与井筒开挖同步实施是本
亟待解决的难题。

技术实现思路

[0007]鉴于以上技术问题，本专利技术提供了一种上软下硬地层大直径竖井施工方法及掘进设备，解决了现有技术中竖井施工直径较小、适用地层单一以及施工步骤难以同步实施的技术问题。本专利技术不仅能开挖软土软岩地层，而且能开挖硬岩地层；实现井筒开挖与井壁安装的同步实施。
[0008]根据本专利技术的一个方面，提供一种上软下硬地层大直径竖井施工方法，施工步骤包括：S1拼装刃角和筒形井壁:在工步起始，按照预定的竖井尺寸和勘测的地质信息确
定拼装刃角和筒形井壁尺寸、井壁悬吊装置工作的预定距离，所拼装的筒形井壁外径小于竖井内径；S2破土:采用具备大尺寸扩径钻头的竖井掘进装备竖直向下自地表开挖岩土；S3平衡挖掘: 竖井掘进装备上方灌装泥浆，竖井掘进装备内设有泥水环流系统，所述泥水环流系统的入口处于所述竖井掘进装备的底部，所述泥水环流系统穿经所述竖井掘进装备后出口连通地面，以利用泥水环流系统通过出渣管道将开挖的渣土与泥浆混合物排出地面；S4竖井底部成型同时放置井壁:开挖至预定距离后，挖掘同时，采用井壁悬吊装置下放钢绞线，使预拼装的刃角与筒形井壁下沉，二者间加灌触变泥浆以保持平衡；S5竖井施工成型:重复步骤S2~S4，同步进行井筒开挖与井壁安装过程，直至整个竖井施工完成；在重复步骤S2~S4中，大尺寸扩径钻头依据岩层硬度更换为滚刀或切刀。
[0009]在本专利技术的一些实施例中，所述泥浆环流系统采用压缩空气反循环洗井方法，以提高泥浆环流系统的吸渣能力。
[0010]在本专利技术的一些实施例中，所述施工步骤S3中，竖井掘进装备上方灌装泥浆还包括向竖井中注入得以保持井筒围岩稳定性的泥浆；所述施工步骤S4还包括向井壁与围岩间隙注入触变泥浆，以稳定围岩且润滑井壁下沉。
[0011]在本专利技术的一些实施例中，所述施工步骤S3中，竖井掘进装备上方灌装泥浆还包括向竖井中注入得以保持井筒围岩稳定性的泥浆。
[0012]在本专利技术的一些实施例中，所述施工步骤S4还包括向井壁与围岩间隙注入触变泥浆，以稳定围岩且润滑井壁下沉。
[0013]根据本专利技术的另一个方面，提供一种上软下硬地层大直径竖井掘进设备，实现上述的上软下硬地层大直径竖井施工方法，安装于机架上，包括大尺寸扩径钻头、出渣管道、钻杆、回转驱动；所述大尺寸扩径钻头，包括钻头本体和活动连接于其的至少一个扩径切具，以实现竖井的扩径，所述钻杆下端连接所述大尺寸扩径钻头，上端连接于所述回转驱动；所述出渣管道位于钻杆内部，下端连通于所述大尺寸扩径钻头的底部，上端连通地面。
[0014]在本专利技术的一些实施例中，所述钻头为回转体，底部设有得以切削岩土的多级刀盘，其侧壁上设有得以连接扩径切具的连接元件。
[0015]在本专利技术的一些实施例中，所述扩径切具包括固定板、连接杆组、扩径刀盘和液压调整元件，所述连接杆组的一端连接固定板，另一端连接扩径刀盘；所述液压调整元件一端连接所述连接杆组，另一端铰支连接钻头侧壁；所述连接杆组包括主动杆和被动杆，所述被动杆的一端连接固定板，另一端连接扩径刀盘，所述主动杆的中部连接所述液压调整元件以实现转动，所述从动杆上设有调节槽以实现长度调节，进而所述连接杆组带动所述扩径切具的开合。
[0016]在本专利技术的一些实施例中，所述多级刀盘包括切削刀具或滚刀。
[0017]在本专利技术的一些实施例中，所述扩径刀盘包括切削刀具或滚刀。
[0018]在本专利技术的一些实施例中，所述钻头本体还包括中部固定刀盘和边缘伸缩刀盘，其中，所述边缘伸缩刀盘环形均布于所述中部固定刀盘周围，所述边缘伸缩刀盘于所述钻头本体间设有伸缩元件，所述伸缩元件连接电控元件/液压元件以带动其伸缩。
[0019]在本专利技术的一些实施例中，所述伸缩臂与所述钻头外壁间设有铰支连接，所述伸
缩臂与所述固定板间设有铰支连接。
[0020]本专利技术的有益效果在于：钻头设有包括切削刀具和滚刀的多级刀盘，不仅能开挖软土软岩地层，而且能开挖硬岩地层；井筒开挖至一定距离后，采用井壁悬吊装置下沉刃角与筒形井壁，能够同步实施井筒开挖与井壁安装；向井中注入处理后的泥浆，实现新开挖井筒围岩的快速稳定；向井壁与围岩间隙注入触变泥浆，实现稳定围岩且润滑井壁下沉；泥浆环流系统采用压缩空气反循环洗井方法，提高泥浆环流系统的吸渣能力；设置扩径切具，实现竖井施工的扩径；设置伸缩臂，能够移动扩径切具的位置；设置伸缩板，便于调节钻头施工受力点，施工效率高；伸缩臂上设有铰支连接，便于调节扩径切具方向。
附图说明
[0021]图1为本专利技术上软下硬地层大直径竖井施工剖视图；图2为上软下硬地层大直径竖井掘进设备结构示意图；图3为大尺寸扩径钻头伸出扩径切具结构示意图；图4为大尺寸扩径钻头收缩扩径切具结构示意图；图中各部件名称：1、机架本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种上软下硬地层大直径竖井施工方法，其特征在于：施工步骤包括：S1拼装刃角和筒形井壁:在工步起始，按照预定的竖井尺寸和勘测的地质信息确定拼装刃角和筒形井壁尺寸、井壁悬吊装置工作的预定距离，所拼装的筒形井壁外径小于竖井内径；S2破土:采用具备大尺寸扩径钻头的竖井掘进装备竖直向下自地表开挖岩土；S3平衡挖掘: 竖井掘进装备上方灌装泥浆，竖井掘进装备内设有泥水环流系统，所述泥水环流系统的入口处于所述竖井掘进装备的底部，所述泥水环流系统穿经所述竖井掘进装备后出口连通地面，以利用泥水环流系统通过出渣管道将开挖的渣土与泥浆混合物排出地面；S4竖井底部成型同时放置井壁:开挖至预定距离后，挖掘同时，采用井壁悬吊装置下放钢绞线，使预拼装的刃角与筒形井壁下沉，二者间加灌触变泥浆以保持平衡；S5竖井施工成型:重复步骤S2~S4，同步进行井筒开挖与井壁安装过程，直至整个竖井施工完成；在重复步骤S2~S4中，大尺寸扩径钻头依据岩层硬度更换为滚刀或切刀。2.如权利要求1所述的上软下硬地层大直径竖井施工方法，其特征在于：所述泥浆环流系统采用压缩空气反循环洗井方法，以提高泥浆环流系统的吸渣能力。3.如权利要求1所述的上软下硬地层大直径竖井施工方法，其特征在于：所述施工步骤S3中，竖井掘进装备上方灌装泥浆还包括向竖井中注入得以保持井筒围岩稳定性的泥浆；所述施工步骤S4还包括向井壁与围岩间隙注入触变泥浆，以稳定围岩且润滑井壁下沉。4.一种上软下硬地层大直径竖井掘进设备，实现权利要求所述的上软下硬地层大直径竖井施工方法，安装于机架上，其特征在于：包括大尺寸扩径钻头、出渣管道、钻杆、回转驱动；所述大尺寸扩径钻头，包括钻头本体和...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨延栋，曾垂刚，周建军，冯欢欢，杨露伟，卢高明，文亚州，许自文，李帅远，刘超尹，范文超，孔德卿，
申请(专利权)人：盾构及掘进技术国家重点实验室，
类型：发明
国别省市：